生物力學(xué)與仿真技術(shù)大全11篇

緒論：寫作既是個(gè)人情感的抒發(fā)，也是對(duì)學(xué)術(shù)真理的探索，歡迎閱讀由發(fā)表云整理的11篇生物力學(xué)與仿真技術(shù)范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發(fā)。

篇（1）

中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：

Simulation Research on Effect of Landing Velocity and Angle on the Landing Stability of Horse-vaulting

WU Chengliang， XIANG Jiajun， XU Bo， LI Xuhong， XIAO Xiaofei， LIU Jianyu， LIU Zheng， SHI Donglin

Abstract： Objective： To make modeling and simulation experiment researches on landing movements in horse-vaulting of two high-level gymnasts around the world， to explore the relation between landing velocity & angle and landing stability of vault from the perspectives of landing velocity & angle， and to provide scientific basis for landing stability of horse-vaulting. Methods： Firstly， 3D motion analysis is made for the vaulting movement of “Movement-round-off with 1/2 Twist and Forward Handspring and Salto Stretched with 1/2 Twist” completed by the two gymnasts. Then a model of 19 segments of human body is developed by adopting MSC.ADAMS /LifeMod software. The vaulting apparatus， including the jump platform （horse） and a landing mat are all established in the MSC. ADAMS/ LifeMod software. The model is endowed with 3D motion coordinates of human body. Later， the influence of horizontal velocity and human body gesture angle on landing stability at the moment when the simulation model fell to the ground is observed by changing horizontal velocity and vertical velocity of pushing the mode off the jump platform （horse）. Results： When horizontal velocity of pushing the mode off the horse is increased， the horizontal velocity of landing increases correspondingly and the human body gesture angle increases at first and then decreases. When vertical velocity of pushing the mode off the horse is increased， the horizontal velocity of landing do not increase and the change of human body gesture angle do not present any rule. When horizontal velocity and vertical velocity of pushing the mode off the horse are increased at the same time， both horizontal velocity of landing and the human body gesture angle increase correspondingly. Conclusions： If horizontal velocity of the gravity center of human body when pushed off the horse is not reduced and its vertical velocity is increased， the human body will have more time and space to complete the second vault. The body has to stretch to some extent before landing， so as to reduce angular velocity of landing and enhance landing stability.

Key words： horse-vaulting； landing stability； computer simulation； velocity

收稿日期：2014-12-22

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金（10972062）；國家體育總局科教司項(xiàng)目（2014B036）；重慶三峽學(xué)院青年基金項(xiàng)目（14QN16）

作者簡介：吳成亮（1984-），男，湖北人，碩士，講師，研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)；向家俊（1965-），男，重慶人，本科，教授，研究方向?yàn)轶w育專業(yè)教育；徐波 （1965- ），男， 四川樂山人，博士，教授，研究方向?qū)W校體育。

作者單位： 1.重慶三峽學(xué)院，重慶 404100；2.浙江體育科學(xué)研究所，浙江杭州 310004；3.山東工商學(xué)院，山東煙臺(tái) 264005；4.河北體育科學(xué)研究所，河北石家莊 050011

1. Chongqing Three Gorges University， Chongqing 404100， China； 2. Zhejiang Institute of Sport Science， Hangzhou， Zhejiang 310004， China； 3.Shandong Institute of Business and Technology， Yantai， Shandong 264005， China； 4. Shijiazhuang Institute of Sport Science， Shijiazhuang， Hebei 050011， China.

體操是我國的優(yōu)勢項(xiàng)目，但從倫敦奧運(yùn)會(huì)和近幾屆世錦賽成績來看，這個(gè)優(yōu)勢在逐漸縮小，與世界強(qiáng)隊(duì)的差距正在擴(kuò)大。體操落地技術(shù)是影響比賽成績的關(guān)鍵因素，它不同于其他項(xiàng)目（如跳高、跳遠(yuǎn)） 的落地動(dòng)作，它要求落地站穩(wěn)不動(dòng)。國際體聯(lián)會(huì)（FIG）在2009年體操落地的評(píng)分規(guī)則中規(guī)定[1]，落地時(shí)腳移動(dòng)一步將導(dǎo)致0.1～0.5的扣分；落地摔倒直接扣1分，而且還存在難度分認(rèn)定不全風(fēng)險(xiǎn)。在當(dāng)今的重大國際比賽中，運(yùn)動(dòng)員落地能否站穩(wěn)不動(dòng)，已成為能否奪冠和取得好成績的決定性因素之一。跳馬落地難度較大，也具有典型性，因此，研究跳馬落地穩(wěn)定性是體育科學(xué)工作者們關(guān)注的熱點(diǎn)問題，并受到廣大教練員和運(yùn)動(dòng)員的重視。跳馬一般由8個(gè)動(dòng)作階段組成，包括助跑、趨步、踺子、踺子踏跳、第一騰空、推馬、第二騰空和落地[2]。如今跳馬不斷地朝多軸的復(fù)合翻轉(zhuǎn)方向發(fā)展，這無疑加大了落地穩(wěn)定性的難度。黃強(qiáng)等[3]對(duì)27屆奧運(yùn)會(huì)我國男子體操選手落地穩(wěn)定性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，結(jié)果表明落地動(dòng)作完成較差，落地穩(wěn)定的僅占43.19%。北京奧運(yùn)會(huì)女子跳馬落地穩(wěn)定性也不樂觀，在決賽16次試跳中，無一人能站穩(wěn)，大部分選手落地會(huì)有一小步或中步移動(dòng)，有4名運(yùn)動(dòng)員落地失敗。可見，跳馬落地穩(wěn)定與否成為制約跳馬成績的關(guān)鍵因素。

目前，對(duì)跳馬落地穩(wěn)定性影響的研究主要集中在跳馬落地技術(shù)與落地方式、肌肉組織的剛度和力量、心理調(diào)控能力等。嚴(yán)波濤等[4]對(duì)30人次的跳馬落地進(jìn)行分析，建立跳馬落地的運(yùn)動(dòng)方程，指出落地的穩(wěn)定性需要高質(zhì)量的空中動(dòng)作，旋翻轉(zhuǎn)體周數(shù)盡量提前完成，留有充足的空間和時(shí)間展體收臂準(zhǔn)備著地。姚吉慶[5]對(duì)體操跳馬落地技術(shù)穩(wěn)定性中分析指出，第二騰空階段技術(shù)好壞直接影響著落地技術(shù)的穩(wěn)定性；良好的空間、時(shí)間知覺和訓(xùn)練比賽中情緒變化也會(huì)影響到落地技術(shù)的穩(wěn)定性。楊繼美等[6]對(duì)體操運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行核心力量訓(xùn)練，提高其落地的穩(wěn)定性。李旭鴻等[7]從人體肌肉骨骼系統(tǒng)具有緩沖減震的功能、落地墊的剛度和阻尼探討落地的穩(wěn)定性及下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)。魏書濤[8]從人體下肢剛度及落地高度據(jù)探討了落地緩沖特征。Hsiang等[9]研究認(rèn)為有效地控制股四頭肌和小腿肌可以提高落地的穩(wěn)定性。Khaleghi等[10]對(duì)15名健康人進(jìn)行起跳-落地研究，發(fā)現(xiàn)股四頭肌的峰值力矩對(duì)落地穩(wěn)定性影響最大。Pedro等[11]對(duì)6種落地墊進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)墊子的力學(xué)特性對(duì)人體落地穩(wěn)定性影響較大。這其中大多數(shù)研究是運(yùn)用生物力學(xué)原理對(duì)落地穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析，鮮有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐，且推理過程往往較為繁瑣。所以本文在不考慮其它因素的提前下，旨在通過計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)，從速度和角度2個(gè)方面來分析跳馬落地的穩(wěn)定性。

1研究對(duì)象與方法

1.1研究對(duì)象

程某，中國體操跳馬前世界冠軍，1988年出生，身高1.52 m，體重41 kg。

洪某，朝鮮體操跳馬前奧運(yùn)冠軍，1986年出生，身高1.54 m，體重42 kg。

1.2研究方法

1.2.1三維運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

對(duì)程某和洪某完成的“踺子轉(zhuǎn)體180°前手翻接直體前空翻轉(zhuǎn)體180°”跳馬動(dòng)作，進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。使用Troubleshooter高速攝像機(jī)拍攝，2臺(tái)攝像機(jī)同在跑道一側(cè)，夾角約70°，拍攝頻率為250幀/s。采用SIMI Motion軟件進(jìn)行解析，獲得人體運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)、速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。

1.2.2計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)

基于MSC.ADAMS/ LifeMod運(yùn)動(dòng)仿真軟件，輸入受試對(duì)象的性別、年齡、身高和體重等人體形態(tài)參數(shù)，根據(jù)人體模型數(shù)據(jù)庫 GEBOD（Generator of Body Data）中的回歸方程計(jì)算得到環(huán)節(jié)長度、圍度和人體慣性參數(shù)等，建立19環(huán)節(jié)的人體模型，各環(huán)節(jié)之間由不同自由度的鉸鏈連接，共有52個(gè)自由度 [12]。在此人體模型基礎(chǔ)上，對(duì)各環(huán)節(jié)的關(guān)節(jié)鉸鏈賦予約束，并調(diào)整人體模型的初始姿態(tài)，使它更接近實(shí)際的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；然后進(jìn)行平衡分析，即將運(yùn)動(dòng)學(xué)解析得到的2人跳馬動(dòng)作中人體各個(gè)關(guān)節(jié)的三維坐標(biāo)賦予三維人體模型，其目的是為了使人體模型的關(guān)節(jié)中心和實(shí)際人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)點(diǎn)相匹配。再按國標(biāo)[13]建立（GB/T 23124-2008）跳馬的落地環(huán)境，即與人體相接觸的體操落地墊，并完成與人體模型的接觸。通過逆向動(dòng)力學(xué)分析，記錄人體運(yùn)動(dòng)軌跡和各個(gè)關(guān)節(jié)力及力矩，再進(jìn)行正向動(dòng)力學(xué)分析，在關(guān)節(jié)力及力矩的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)跳馬運(yùn)動(dòng)員落地過程中的人體運(yùn)動(dòng)仿真。最后將人在推離馬瞬間，身體重心的水平速度（Vx）和垂直速度（Vy）作為輸入條件變量，改變?cè)撟兞恐担?00%、105%及110%人體重心水平速度（Vx）和垂直速度（Vy）組合輸入，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，如圖 1所示。

計(jì)算機(jī)仿真軟件MSC.ADAMS/ LifeMod基于帶乘子的拉格朗日方程，并根據(jù)人體模型最終建立如下方程[14]：

其中，M為廣義質(zhì)量矩陣，Q為廣義外力矩陣，r，p為廣義位移矩陣，Γ為廣義角動(dòng)量矩陣。最后需要輸出的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：落地瞬間人體的姿態(tài)角和人體重心的水平速度，如圖2所示。

2 結(jié)果

表1為在推離馬時(shí)將人體重心的水平速度（Vx）和垂直速度（Vy）作為變量輸入仿真模型，通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)后，得到落地瞬間人體的姿態(tài)角和人體重心的水平速度。從表1可以看出，當(dāng)只增加推離馬的水平速度（Vx）時(shí)，落地時(shí)的水平速度也相應(yīng)增加，但是人體落地姿態(tài)角是先增加后下降的。當(dāng)只增加推離馬的垂直速度（Vy）時(shí)，落地時(shí)的水平速度沒有增加，人體落地姿態(tài)角變化暫不顯示規(guī)律性。當(dāng)推離馬的水平速度（Vx）和垂直速度（Vy）同時(shí)增加時(shí)，落地時(shí)的水平速度和人體落地姿態(tài)角都相應(yīng)增加了。

圖3程某推離馬時(shí)重心不同垂直速度，人體盆骨中心高度-時(shí)間變化曲線（左），身體水平位移及第二騰空時(shí)間（右）

如圖3所示，僅改變程某推離馬時(shí)身體重心垂直速度，左圖的實(shí)線表示該動(dòng)作的實(shí)際速度（2.64 m/s，高速攝影解析得到的速度在這里稱為實(shí)際速度），虛線“- -”表示105%實(shí)際速度（2.80 m/s），隔點(diǎn)虛線“-?-”表示110%的實(shí)際速度（2.94 m/s）；右圖黑色方塊和斜線方塊分別代表在這3種重心垂直速度下第二騰空所用時(shí)間和人體重心水平位移，3條曲線可以明顯地看到程某第二騰空階段盆骨中心的高度隨時(shí)間的變化情況，身體重心垂直速度越大，人體盆骨中心越高；從柱形圖來看，身體重心垂直速度的增加，也帶來人體的水平位移和第二騰空所用時(shí)間的增加。

圖4程某推離馬時(shí)重心不同水平速度，人體盆骨中心高度-時(shí)間變化曲線（左），身體水平位移及第二騰空時(shí)間（右）

如圖4所示，僅改變程某推離馬時(shí)身體重心水平速度，左圖實(shí)線表示該動(dòng)作的實(shí)際速度（3.17 m/s），虛線表示105%的實(shí)際速度（3.33 m/s）；右圖黑色方塊和斜線方塊分別代表在這2種重心水平速度下第二騰空所用時(shí)間和人體重心水平位移。從曲線圖可以看到，2條實(shí)線和虛線完全重合，看起來只有一條曲線，所以，身體重心水平速度的改變，對(duì)于骨盆中心高度沒有變化。從柱形圖上看，當(dāng)身體重心水平速度增加了，人體的水平位移也會(huì)增加，但第二騰空所用時(shí)間沒有增加。圖5為程某（左）和洪某（右）跳馬第二騰空及落地動(dòng)作仿真圖。

3分析與討論

體操技術(shù)發(fā)展迅速，跳馬空中動(dòng)作越來越驚險(xiǎn)、復(fù)雜，它既要表現(xiàn)出“高飄”，又要表現(xiàn)出舒展大方，最后落地要穩(wěn)定，給人以美的享受。跳馬落地瞬間，通常是決定成敗的關(guān)鍵。隨著跳馬難度增加，落地的穩(wěn)定性相對(duì)下降，如果不注意落地中的技術(shù)問題，還容易造成關(guān)節(jié)損傷，尤其是膝、踝關(guān)節(jié)[15]。人體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)仿真是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)理論方法中較高層次的研究內(nèi)容[16]，它可以實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果的可視化[17]，為揭示運(yùn)動(dòng)技術(shù)特點(diǎn)提供直觀的素材，為教練員指導(dǎo)跳馬訓(xùn)練提供科學(xué)的理論依據(jù)。

3.1跳馬落地技術(shù)分析

落地技術(shù)是指跳馬動(dòng)作技術(shù)環(huán)節(jié)中，從腳接觸體操落地墊，再經(jīng)過緩沖到身體起立站穩(wěn)階段的技術(shù)[18]。落地技術(shù)穩(wěn)定性實(shí)際上是指運(yùn)動(dòng)員根據(jù)不同的下法動(dòng)作充分調(diào)整身體姿勢，抵消傾倒力矩能力的穩(wěn)定性。落地技術(shù)它包括相互聯(lián)系的2個(gè)階段：準(zhǔn)備階段、落地緩沖階段。

準(zhǔn)備階段中，人體在空中完成各種動(dòng)作難度后，兩腳在還未觸墊前，身體處于準(zhǔn)備落地姿態(tài)。這一階段對(duì)落地的穩(wěn)定性有直接影響，跳馬第二騰空動(dòng)作一般以繞人體橫軸較多。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原理：I=MR2 （其中M為人體的質(zhì)量，R為人體的回轉(zhuǎn)半徑）。M不變，I與R2成正比，即R增大到原來的2倍，I就增大到原來的4倍。此外，I與角速度ω成反比（人在騰空之后，只受重力作用，根據(jù)動(dòng)量矩守恒：Iω=常量），所以當(dāng)R增大時(shí)，I隨增大，而ω減小，即當(dāng)人體轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑增大時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度相應(yīng)減小。因此，在人體完成空翻動(dòng)作后，身體要做一定的伸展，以減小落地時(shí)的角速度，增加落地的穩(wěn)定性。另外，這樣做同時(shí)增加肌肉的初長度，使落地時(shí)肌肉發(fā)揮更大的力量，有助于落地站穩(wěn)。

落地緩沖階段，此階段又包括一個(gè)較短的沖擊階段和一個(gè)較長的平衡穩(wěn)定階段[19] 。在沖擊階段，腳-落地墊間存在較大的地面反作用力（GRF），其峰值隨著推離馬高度（第二騰空高度）增加而增大，大約是運(yùn)動(dòng)員自身體重（BW）的8～14倍，而在較長的平衡穩(wěn)定階段，其GRF 約為1BW[20]。落地緩沖技術(shù)是穩(wěn)定的關(guān)鍵，其生物力學(xué)特點(diǎn)是落地瞬間的水平分力及翻轉(zhuǎn)力矩，通過合理緩沖使之消失，垂直分力逐漸趨近體重，即人體所受的合外力、合外力矩為零。在緩沖制動(dòng)過程中，動(dòng)力矩M主動(dòng)）必須始終大于破壞平衡的傾倒力矩M傾倒。當(dāng)制動(dòng)結(jié)束時(shí)M主動(dòng)=M傾倒，此時(shí)人體站立不動(dòng)。所以人體受到的合外力、合外力矩為零，是站穩(wěn)不動(dòng)的必要和充分的條件。沖擊階段雙腿肌肉用力特點(diǎn)是由積極主動(dòng)的退讓性工作過渡到克制性工作；落地方式由腳尖落地過渡到全腳掌，原因在于足尖落地時(shí)足弓等部位較好的變形和緩沖、踝關(guān)節(jié)處肌肉的預(yù)激活等大大降低了腳跟的負(fù)荷[11]。雙臂需要適度擺動(dòng)，以保持平衡。

3.2跳馬計(jì)算機(jī)仿真模型的落地速度及角度分析

跳馬從推離馬之后，人體重心運(yùn)行的軌跡基本上是一個(gè)曲率不同的拋物線，而重心的速度無論從數(shù)值大小和方向都時(shí)刻在變化，到接觸地面的瞬間達(dá)到最大值。落地的垂直速度與第二騰空高度有關(guān)，對(duì)落地發(fā)生傾倒的影響不大。落地的水平速度對(duì)落地穩(wěn)定性影響較大，較高或較低的落地水平速度，落地時(shí)有可能向前或向后傾倒。在分析跳馬落地時(shí)，人體與體操墊接觸符合動(dòng)量定理：

F=M（Vt-V0）/t

其中F為沖力（即地面給人體作用力的合力），M為人體質(zhì)量，Vt為瞬時(shí)末速度，V0為瞬時(shí)初速度，t為人體接觸地面緩沖時(shí)間。人體質(zhì)量M一般短時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變，人體接觸地面緩沖時(shí)間t越長，F(xiàn)會(huì)越小，落地會(huì)越穩(wěn)定，但t與落地高度、動(dòng)作控制、下肢神經(jīng)肌內(nèi)的控制和協(xié)調(diào)能力、肌肉組織的剛度和力量、落地方式和落地墊的力學(xué)特性等因素都有關(guān)[18]，相互關(guān)系較為復(fù)雜，不作詳細(xì)討論。本文假定t不變，只探討落地的速度和角度對(duì)跳馬落地穩(wěn)定性的影響。落地瞬時(shí)末速度Vt 一般為零，所以當(dāng)落地瞬時(shí)初速度V0越大時(shí)，F(xiàn)越大，人要落地站穩(wěn)越難。落地垂直速度是由落地高度決定的，落地高度越高，第二騰空的時(shí)間越長，運(yùn)動(dòng)員有足夠的時(shí)間完成翻騰和/或轉(zhuǎn)體動(dòng)作，這就越有利于跳馬動(dòng)作的完成，所以不應(yīng)該以犧牲落地垂直速度為代價(jià)，影響落地高度。因此，減小落地時(shí)的水平速度，是增加落地穩(wěn)定性的很好選擇。但是過小的水平速度，可能引起落地階段的遠(yuǎn)度不足，造成完成分（E分）被扣[1]。所以，在跳馬的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)中，為了不影響落地穩(wěn)定性，在不減小落地水平速度的情況下，應(yīng)增加推離馬的垂直速度，來增加第二騰空高度，這有利于跳馬動(dòng)作的完成。

本研究通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，只增加推離馬的垂直速度，對(duì)于落地姿態(tài)角影響不大，在53～76°內(nèi)呈不規(guī)則變化（見表1）。只增加推離馬的水平速度時(shí)，落地姿態(tài)角先增加后減小，姿態(tài)角的減小是為了降低水平速度的增加對(duì)落地穩(wěn)定性的影響。設(shè)人體落地時(shí)主矢和主矩不為零，主矢量與地面有夾角為 （如圖2所示），則相對(duì)A點(diǎn)產(chǎn)生動(dòng)量矩MA，其大小MA=mvrsin（θ- ）（順時(shí)針方向），其中v為O點(diǎn)瞬間線速度（以A為支點(diǎn)，OA為半徑r的轉(zhuǎn)動(dòng)）；重力相對(duì)A點(diǎn)產(chǎn)生重力矩M重=mgrcosθ（逆時(shí)針方向）。當(dāng)MA=M重，人體落地站立不動(dòng)，這是理想結(jié)果。當(dāng)MA>M重或MA

若MA=M重，即mvrsin（θ- ）=mgrcosθ，

那么

在不考慮跳馬落地失敗的情況，由表1可知，人體落地姿態(tài)角θ范圍在53°～76°，為銳角，又因?yàn)?≤θ，則

假設(shè)當(dāng)角 =0，即v正好等于人體落地水平速度，則

所以， v=g*cotθ

假設(shè)當(dāng) =90 °， v為人體落地垂直速度，此時(shí)落地?zé)o水平速度，落地的穩(wěn)定性更多與人體落地緩沖能力有關(guān)。

通常情況下，運(yùn)動(dòng)員跳馬落地是既有水平速度又有垂直速度。人體垂直速度給落地帶來的不穩(wěn)定因素更多與運(yùn)動(dòng)員的緩沖能力有關(guān)，本文不做討論。而對(duì)于跳馬中人體落地水平速度與落地姿態(tài)角應(yīng)更多的考慮v=g*cotθ的函數(shù)關(guān)系，通過計(jì)算機(jī)仿真獲知，人體落地姿態(tài)角θ范圍在53°～76°，函數(shù)在該區(qū)間為減函數(shù)。所以，人體水平速度與落地姿態(tài)角應(yīng)該呈負(fù)相關(guān)，即當(dāng)水平速度增加時(shí)，落地姿態(tài)角必須減小才能滿足落地的穩(wěn)定性。但是落地姿態(tài)角減少，將使人在落地時(shí)控制平衡的難度增大，使落地穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)增加。當(dāng)推離馬的水平速度和垂直速度同時(shí)增加時(shí)，落地姿態(tài)角和水平速度都會(huì)增加，MA將進(jìn)一步增加，人體向后傾倒趨勢增加，造成落地穩(wěn)定的難度更大。

本文還對(duì)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了理論驗(yàn)證。根據(jù)拋物線運(yùn)動(dòng)原理，跳馬第二騰空到落地過程，屬于落地點(diǎn)在拋出點(diǎn)下的拋物線運(yùn)動(dòng)。設(shè) 為推離馬瞬間身體重心速度， 為 與水平夾角，則有，推離馬瞬間身體重心水平速度：Vx= ，垂直速度：Vy= 。

所以，⑤、⑦式分別說明在拋物線運(yùn)動(dòng)中，物體飛行時(shí)間和高度由初速度的垂直分量決定，而不受初速度水平分量的影響（不計(jì)空氣阻力）。如圖3所示，身體重心的垂直速度增加了，第二騰空高度和所用時(shí)間都會(huì)增加，有更多的時(shí)間和空間完成第二騰空動(dòng)作，提高伸展身體，增加落地的穩(wěn)定性。而在圖4中，只改變了身體重心的水平速度，垂直速度沒有改變，所以第二騰空高度和所用時(shí)間都沒有發(fā)生改變，而落地的水平距離增加，這樣就增加了落地穩(wěn)定的難度。以上采用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)所得出的仿真結(jié)果，與拋物線運(yùn)動(dòng)原理相吻合，這就從拋物線運(yùn)動(dòng)原理對(duì)本研究中計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論驗(yàn)證。

4結(jié)論

本文利用高速攝影這一運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)較為成熟的技術(shù)手段，獲得人體運(yùn)動(dòng)三維坐標(biāo)，再基于MSC.ADAMS/LifeMod多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，對(duì)跳馬落地進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。以跳馬推離馬時(shí)的水平速度和垂直速度作為變量，獲得不同條件下的落地水平速度和落地姿態(tài)角，并分析它們對(duì)落地穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：在跳馬落地的最佳策略為，在保持推離馬時(shí)人體重心水平速度不減小的情況下，增加其垂直速度，能產(chǎn)生更多的時(shí)間和空間完成第二騰空動(dòng)作，并為落地作積極準(zhǔn)備；而在即將落地前，身體要做一定的伸展，以減小落地時(shí)的角速度，增大落地時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而增加落地的穩(wěn)定性。

誠然，本研究僅從落地速度和角度來評(píng)判落地穩(wěn)定性，不可避免地存在一些局限性。本文將人體簡化為多剛體模型，忽略了肌肉和軟組織對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，本身會(huì)帶來一定誤差。盡管如此，但我們可以通過模型評(píng)估出很難在人體上測量的結(jié)果，從而確定最佳的運(yùn)動(dòng)模式。今后的研究方向需要將模型的效度不斷提高，將肌肉和軟組織引入。綜上所述，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)也必將在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練指導(dǎo)及運(yùn)動(dòng)損傷預(yù)防上擁有廣泛的應(yīng)用前景。

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篇（2）

虛擬人是人在 計(jì)算 機(jī)生成空間中幾何特性與行為特性的逼真表示。虛擬人的運(yùn)動(dòng)生成及控制主要研究虛擬人在計(jì)算機(jī)生成空間中的動(dòng)態(tài)特性,它應(yīng)符合人體運(yùn)動(dòng)的基本 規(guī)律 ,并能提供簡單直觀的控制方式。

1 虛擬人運(yùn)動(dòng)模型的建立

人體有二百多個(gè)關(guān)節(jié),如果對(duì)人體進(jìn)行關(guān)節(jié)化的建模生成三維人體模型,并提供所有關(guān)節(jié)的位置量和旋轉(zhuǎn)角,產(chǎn)生模型的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。為了有效的應(yīng)用動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行虛擬人仿真,幾何建模時(shí)應(yīng)考慮三維人體的運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力學(xué)特性。將人體各部位體抽象為簡單的剛性幾何實(shí)體,即它們具有質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,這樣可以避免人體各部位任意表面形狀的復(fù)雜計(jì)算。描述人體的模型主要涉及人體的頭、軀干、四肢等部位。人體模型各肢體之間存在運(yùn)動(dòng)連帶關(guān)系,將關(guān)節(jié)看成點(diǎn),將關(guān)節(jié)之間的骨骼看成是鏈,就可以按運(yùn)動(dòng)關(guān)系將各肢體連接起來。三維虛擬人體模型是由相應(yīng)的部位體和關(guān)節(jié)組合而成的鏈狀層次結(jié)構(gòu) ,其運(yùn)動(dòng)是由整體的平移、旋轉(zhuǎn)以及各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。用樹結(jié)構(gòu)來表達(dá)人體模型的關(guān)節(jié)層次化結(jié)構(gòu)如圖1:

2 虛擬人運(yùn)動(dòng)控制

2.1 基于關(guān)鍵楨技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制

在應(yīng)用關(guān)鍵幀技術(shù)產(chǎn)生虛擬人的運(yùn)動(dòng)時(shí),應(yīng)注意所插值的參數(shù),否則會(huì)產(chǎn)生不恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)。由于關(guān)鍵幀插值不考慮人體的物理屬性以及參數(shù)之間的相互關(guān)系,因此插值得到的運(yùn)動(dòng)不一定是合理的,通常需要?jiǎng)赢嫀煂?duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仔細(xì)的調(diào)整。盡管如此,由于關(guān)鍵幀技術(shù)的使用簡便,因此仍然是最常用的動(dòng)畫生成方法。

從原理上說關(guān)鍵幀插值問題可歸結(jié)為參數(shù)插值問題,傳統(tǒng)的插值方法都可應(yīng)用到關(guān)鍵幀方法中。但關(guān)鍵幀插值又與純數(shù)學(xué)的插值不同,它有其特殊性。一個(gè)特定的運(yùn)動(dòng)從空間軌跡來看可能是正確的,但從運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)畫設(shè)計(jì)角度來看可能是錯(cuò)誤的或者不合適的。用戶必須能夠控制運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性,即通過調(diào)整插值函數(shù)來控制速度的變動(dòng)。為了很好地解決插值過程中的時(shí)間控制問題,用雙插值的方法來控制運(yùn)動(dòng)參數(shù)。其中之一為位置樣條,它是位置對(duì)關(guān)鍵幀的函數(shù),另一條為運(yùn)動(dòng)樣條,它是關(guān)鍵幀對(duì)時(shí)間的函數(shù)。

關(guān)鍵幀的位置插值可以由樣條驅(qū)動(dòng)插值和速度曲線插值實(shí)現(xiàn)。樣條驅(qū)動(dòng)動(dòng)畫是指先設(shè)計(jì)好物體的運(yùn)動(dòng)軌跡,然后指定物體沿該軌跡運(yùn)動(dòng)。通常,物體的運(yùn)動(dòng)軌跡為三次樣條曲線,并且由用戶交互給出。在利用速度曲線實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵幀插值中,物體的運(yùn)動(dòng)可由速度曲線來控制。對(duì)于給定的時(shí)間,先由速度曲線得到弧長,然后由弧長計(jì)算出軌跡曲線上的點(diǎn),最終實(shí)現(xiàn)位置插值。

關(guān)鍵幀插值系統(tǒng)中要解決的另一個(gè)問題是物體朝向的插值問題。物體的朝向一般可由euler角來表示,因此朝向的插值問題可簡單地轉(zhuǎn)化為3個(gè)euler角的插值問題。但euler角又有它的局限性,因?yàn)樾D(zhuǎn)矩陣是不可交換的。euler角的旋轉(zhuǎn)一定要按某個(gè)特定的次序進(jìn)行,等量的euler角變化不一定引起等量的旋轉(zhuǎn)變化導(dǎo)致了旋轉(zhuǎn)的不均勻性。shoemake為了解決因采用euler角表示引起的麻煩,最早把四元數(shù)引入了動(dòng)畫中并提出了用單位四元數(shù)空間上的bezier樣條來插值四元數(shù)。

2 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)

運(yùn)動(dòng)捕捉方法是指通過傳感設(shè)備記錄人體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡,并將其轉(zhuǎn)化為抽象運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬人運(yùn)動(dòng)的方法。為了達(dá)到虛擬人運(yùn)動(dòng)與控制的目的,通常還需要對(duì)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯與合成。同時(shí),運(yùn)動(dòng)編輯與合成還可以提高運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)的可重用性、建立超乎實(shí)際的運(yùn)動(dòng)、突出次要運(yùn)動(dòng)以及生成新的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)等。運(yùn)動(dòng)捕捉方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于虛擬人的運(yùn)動(dòng)基本上是真實(shí)人運(yùn)動(dòng)的復(fù)制品,因而效果非常逼真。但同時(shí)這種方法也存在運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備昂貴、附加在表演人員身上的傳感設(shè)備限制了人體的自由運(yùn)動(dòng)等缺陷。

從技術(shù)的角度來說,運(yùn)動(dòng)捕捉的實(shí)質(zhì)就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡。典型的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備一般由以下幾個(gè)部分組成:

(1)傳感器:被固定在運(yùn)動(dòng)物體特定的部位,向系統(tǒng)提供運(yùn)動(dòng)的位置信息。

(2)信號(hào)捕捉設(shè)備:負(fù)責(zé)捕捉和識(shí)別傳感器信號(hào)。

(3)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備:負(fù)責(zé)將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)從信號(hào)捕捉設(shè)備快速準(zhǔn)確地傳送到 計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)。

(4)處理設(shè)備:負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)捕捉到的原始信號(hào),計(jì)算傳感器的運(yùn)動(dòng)軌跡,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正、處理,并與三維角色模型相結(jié)合。

基于運(yùn)動(dòng)捕捉的虛擬人控制大致可以分為以下幾類:

(1)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng)

運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng)就是將運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)或者關(guān)節(jié)角賦給虛擬人模型,讓模型根據(jù)原始數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)。但是由于運(yùn)動(dòng)捕捉錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的存在,再加上表演者和模型的骨干匹配問題等,這種方法往往會(huì)產(chǎn)生很大的誤差,致使人體運(yùn)動(dòng)變形。

(2)與關(guān)鍵楨綜合

利用紋理和綜合的方法,讓動(dòng)畫師先設(shè)置少數(shù)的關(guān)鍵幀,根據(jù)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)來幫助制作動(dòng)畫。這樣做的原因是由于在人和動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)中,關(guān)節(jié)之間有很多關(guān)聯(lián)。這種關(guān)聯(lián)在重復(fù)動(dòng)作中更為明顯。

(3)動(dòng)力學(xué)匹配

動(dòng)力學(xué)匹配是用有人性特點(diǎn)的動(dòng)力仿真和跟蹤控制器來跟隨運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),因?yàn)樵诒徊蹲降难輪T和虛擬人之間有很多的動(dòng)力學(xué)匹配。人的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)成連接的角度且被用來作為軌跡控制器的期望值。控制器計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,是基于系統(tǒng)狀態(tài)和期望得到的連接角度的誤差。得到的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)模型,同時(shí)通過運(yùn)動(dòng)方程,就可以計(jì)算新的系統(tǒng)狀態(tài)。

用動(dòng)力學(xué)控制虛擬人的運(yùn)動(dòng)體現(xiàn)了人體運(yùn)動(dòng)的真實(shí)性,但運(yùn)動(dòng) 規(guī)律 性太強(qiáng)。在基于動(dòng)力學(xué)的模擬中,也要考慮兩個(gè)問題:正向動(dòng)力學(xué)問題和逆向動(dòng)力學(xué)問題: 正向動(dòng)力學(xué)問題是根據(jù)引起運(yùn)動(dòng)的力和力矩來計(jì)算末端效應(yīng)器的軌跡。逆動(dòng)力學(xué)問題更有用,用戶通過指定末端關(guān)節(jié)的位置,計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算出各中間關(guān)節(jié)的位置,即關(guān)節(jié)角是自動(dòng)確定的,可以確定產(chǎn)生系統(tǒng)中規(guī)定運(yùn)動(dòng)的力和力矩。

3 基于物理的仿真技術(shù)

與關(guān)鍵幀技術(shù)不同,基于物理的仿真技術(shù)是利用動(dòng)力學(xué)、生物力學(xué)等物理定律產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的。我們通常采用有關(guān)節(jié)的基于動(dòng)力學(xué)的模型來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真,即構(gòu)建角色的動(dòng)力學(xué)模型,通過仿真計(jì)算它們的運(yùn)動(dòng)。這就意味著物體的運(yùn)動(dòng)受物理規(guī)律的支配,以便創(chuàng)作 自然 逼真的動(dòng)畫。基于物理的仿真技術(shù)優(yōu)越于其它運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在:首先,利用基于物理的仿真技術(shù)可以生成用關(guān)鍵幀技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的完全符合物理特性的理想的運(yùn)動(dòng),基于物理的仿真技術(shù)在 體育 訓(xùn)練方面的應(yīng)用最為廣泛;其次,在與用戶的交互方面,基于物理的仿真技術(shù)能實(shí)現(xiàn)比關(guān)鍵幀或是運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)更精確的交互。

4 結(jié)語

虛擬人的運(yùn)動(dòng)控制需要解決的主要問題是:各種方法的組合以及現(xiàn)存運(yùn)動(dòng)的參數(shù)化。以上方法在運(yùn)用時(shí)都存在利弊,體現(xiàn)在自動(dòng)生成和手工控制之間。因此,將這幾種技術(shù)融合使用,充分發(fā)揮每種技術(shù)的優(yōu)勢,就成為了目前一個(gè)很好的解決方法。

參考 文獻(xiàn)

篇（3）

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以用來增強(qiáng)虛擬環(huán)境的“沉浸感”和“逼真性”。比如，在虛擬的計(jì)算機(jī)環(huán)境中仿真出各種逼真的物理效應(yīng)。物理效應(yīng)包括人體運(yùn)動(dòng)、水流、煙霧、火以及物體之間的碰撞和爆炸等。根據(jù)這些物理規(guī)律，人們可以建立它們的抽象數(shù)學(xué)模型并采用偏微分方程數(shù)值求解技術(shù)計(jì)算它們隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過程，并通過計(jì)算機(jī)圖形的渲染技術(shù)將這些物理效應(yīng)在計(jì)算機(jī)屏幕上呈現(xiàn)出來。使用仿真方法模擬出的許多物理效應(yīng)可以達(dá)到觀看者無法判斷是計(jì)算出的還是真實(shí)拍攝的地步，從而可以使用戶沉浸在計(jì)算機(jī)展示的虛擬環(huán)境中。

五個(gè)階段

在中學(xué)時(shí)我們就遇到過這樣的問題: 已知子彈離開槍口的速度，在不考慮空氣阻力的情況下求解子彈的運(yùn)動(dòng)軌跡。實(shí)際上這個(gè)問題可以看做是一個(gè)簡單的計(jì)算機(jī)仿真問題，我們可以利用經(jīng)典的牛頓力學(xué)模型來描述子彈的運(yùn)動(dòng)過程，再根據(jù)初始條件和微積分思想設(shè)計(jì)數(shù)值求解算法，求解該問題。

簡單說來，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)就是采用數(shù)學(xué)工具建立描述事物或系統(tǒng)變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型或物理模型，并設(shè)計(jì)數(shù)值計(jì)算方法求解模型參數(shù)，以及事物或系統(tǒng)在給定初始條件下隨時(shí)間的變化情況或者是在不同的邊界條件下系統(tǒng)狀態(tài)的變化。

一般而言，計(jì)算機(jī)仿真需要經(jīng)過建模、編寫計(jì)算程序、運(yùn)行程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、修改和完善模型這五個(gè)階段。建模的階段就是對(duì)待仿真的事物或系統(tǒng)分析其主要因素，忽略次要因素，分析主要因素之間的定量關(guān)系，并用數(shù)學(xué)語言描述出來。根據(jù)得到的定量關(guān)系和已知變量采用數(shù)學(xué)方法找出計(jì)算未知變量的算法。根據(jù)求解未知變量的算法編寫計(jì)算程序，然后在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行程序，觀察在不同輸入數(shù)據(jù)情況下系統(tǒng)的變化。最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析模型的準(zhǔn)確性。

如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際情況不符合，那么回到建模階段檢查，是否誤將主要因素忽略、主要因素之間的定量關(guān)系是否準(zhǔn)確。然后根據(jù)修改的模型在再進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，直到計(jì)算結(jié)果和觀察所得的實(shí)際情況相符為止。

根據(jù)被研究系統(tǒng)的特征又可以將仿真系統(tǒng)分為兩大類: 連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散事件系統(tǒng)仿真。連續(xù)系統(tǒng)仿真是指對(duì)那些系統(tǒng)狀態(tài)變量隨時(shí)間連續(xù)變化的系統(tǒng)的仿真研究。這類系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型包括連續(xù)模型（微分方程等），離散時(shí)間模型（差分方程等），以及連續(xù)－離散混合模型。離散事件系統(tǒng)仿真是指對(duì)那些系統(tǒng)的狀態(tài)只在一些時(shí)間點(diǎn)上由某種隨機(jī)事件的驅(qū)動(dòng)而發(fā)生變化的系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。這類系統(tǒng)的狀態(tài)量是由事件的驅(qū)動(dòng)而變化的，在兩個(gè)時(shí)間之間狀態(tài)量保持不變，因而是離散變化的，稱之為離散事件系統(tǒng)。

應(yīng)用范圍

通常，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)用在如下幾種情形。

1. 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)的代價(jià)高昂。比如在汽車工業(yè)中需要對(duì)新型的汽車做碰撞實(shí)驗(yàn)，檢測其安全特性。科研人員根據(jù)材料力學(xué)、碰撞力學(xué)等知識(shí)對(duì)碰撞過程建立物理模型，然后利用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算在不同碰撞條件下汽車的碰撞效果，并根據(jù)仿真的碰撞結(jié)果來改進(jìn)汽車的設(shè)計(jì)。

2. 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)只有一次機(jī)會(huì)，比如大壩的建造。因此需要在設(shè)計(jì)過程中對(duì)大壩以及相應(yīng)的地質(zhì)情況、水文情況建立較為準(zhǔn)確的模型，然后計(jì)算不同設(shè)計(jì)方案中大壩的承載能力、抗震能力等數(shù)據(jù)，最終挑選出一個(gè)合理的設(shè)計(jì)方案。

3. 需要預(yù)測系統(tǒng)在未來的變化，比如2008年奧運(yùn)會(huì)期間的天氣情況。首先，需要建立大氣動(dòng)力學(xué)模型，然后利用往年的天氣資料確定模型的一些系統(tǒng)參數(shù)，并把在計(jì)算機(jī)上運(yùn)算該模型以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確程度，最后利用該模型預(yù)測2008年奧運(yùn)會(huì)期間的天氣情況。

計(jì)算機(jī)仿真本質(zhì)上是對(duì)物理對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型，然后通過數(shù)學(xué)方法分析物理對(duì)象中的性質(zhì)、預(yù)測物理對(duì)象隨時(shí)間的變化情況。因此計(jì)算機(jī)仿真在航空航天的設(shè)計(jì)制造、天氣預(yù)報(bào)、交通模擬等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

一個(gè)人體運(yùn)動(dòng)仿真的例子

虛擬人是虛擬環(huán)境中一個(gè)很特殊的對(duì)象。他和其他對(duì)象不同之處在于人是一個(gè)主動(dòng)個(gè)體，他的行為不僅由物理規(guī)律還由人的意識(shí)決定。比如從房間的這一端走到那一端，不同的人有不同的行走路線，人在高興或者悲傷的時(shí)候面部表情、姿態(tài)都有很大的差異。為了把這些不同的行走姿態(tài)仿真出來，人們綜合了生物力學(xué)、控制論、數(shù)值優(yōu)化等技術(shù)，但是即便如此，還不能完全解決這個(gè)困難的仿真問題。另外大規(guī)模人群行為的仿真也是目前研究的熱點(diǎn)問題，它不僅要考慮單個(gè)人的仿真問題還需要考慮人與人之間的相互作用和影響對(duì)仿真結(jié)果的影響。

我們?cè)谌梭w運(yùn)動(dòng)仿真方面研究了人體空中運(yùn)動(dòng)的仿真，圖1中黃色代表一個(gè)初始的前空翻運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)是手工編輯出來的。綠色代表一個(gè)仿真的運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)比原始運(yùn)動(dòng)更逼真。圖2從左右視角和腳尖的軌跡對(duì)比兩個(gè)運(yùn)動(dòng)。

圖1 仿真運(yùn)動(dòng)（綠色）和初始運(yùn)動(dòng)（黃色）的對(duì)比圖

圖2 從左右兩個(gè)視角觀察運(yùn)動(dòng)，圓點(diǎn)表示有腳尖的運(yùn)動(dòng)軌跡

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算過程變成一個(gè)可以“看”得見的推演過程，即一個(gè)可信的計(jì)算過程，使結(jié)果直觀可信。因此，在虛擬環(huán)境中開展計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究是一項(xiàng)重要內(nèi)容。

鏈接:幾款優(yōu)秀仿真軟件

篇（4）

數(shù)字醫(yī)學(xué)3D重建技術(shù)使腹主動(dòng)脈瘤可視化，通過對(duì)可視化腹主動(dòng)脈瘤的測量，可以明確腹主動(dòng)脈瘤與最低腎動(dòng)脈的距離，明確腹主動(dòng)脈瘤的大小，明確瘤頸扭曲的程度，為腹主動(dòng)脈瘤分型、分級(jí)。筆者醫(yī)院的研究是將數(shù)字化腹主動(dòng)脈瘤3D模型導(dǎo)入至虛擬手術(shù)器械仿真系統(tǒng)，建立可視化腔內(nèi)隔絕術(shù)操作平臺(tái)，選擇合適的支架，進(jìn)行可視化腔內(nèi)隔絕支架植入術(shù)。應(yīng)用中曾有1例ⅡB型Ⅰ級(jí)病人經(jīng)數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)3D重建后顯示雙側(cè)髂動(dòng)脈嚴(yán)重迂曲，最高達(dá)170，經(jīng)過可視化腔內(nèi)隔絕手術(shù)預(yù)演提示支架不能通過雙側(cè)髂外動(dòng)脈迂曲處，勉強(qiáng)通過可能會(huì)穿破髂動(dòng)脈，故建議病人行開放手術(shù)（圖5）。另1例ⅡA型Ⅰ級(jí)腹主動(dòng)脈瘤并雙側(cè)髂總動(dòng)脈瘤病人，經(jīng)數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)3D重建后顯示左髂總動(dòng)脈起始處鈣化斑塊，可視化腔內(nèi)隔絕手術(shù)預(yù)演顯示植入支架后左髂動(dòng)脈支架展開不全，可能導(dǎo)致支架打折，導(dǎo)致左髂動(dòng)脈血流減慢，甚至血栓形成，故建議病人行開放手術(shù)治療（圖6）。在可視化手術(shù)過程中，還可以透明化腹主動(dòng)脈，了解支架的位置是否覆蓋腎動(dòng)脈，了解支架與腹主動(dòng)脈瘤頸貼合是否良好，判斷內(nèi)漏、移位等并發(fā)癥發(fā)生的可能性。因此，通過數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)，臨床醫(yī)生可按照術(shù)前模擬路徑反復(fù)進(jìn)行可視化腔內(nèi)隔絕手術(shù)演練，增強(qiáng)成功植入支架的信心，加快操作速度，節(jié)省手術(shù)時(shí)間，降低病人與醫(yī)護(hù)人員的射線吸收量。實(shí)踐證明，病人臨床介入DSA圖片顯示與可視化腔內(nèi)隔絕術(shù)高度一致，支架植入位置準(zhǔn)確，未出現(xiàn)嚴(yán)重并發(fā)癥［3］。

數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)在腹主動(dòng)脈瘤開放手術(shù)中的應(yīng)用價(jià)值

借助數(shù)字醫(yī)學(xué)3D重建技術(shù)可以將腹主動(dòng)脈瘤病人“數(shù)字化”，3D數(shù)字化人體模型可清晰顯示瘤頸粥樣硬化斑塊、瘤腔內(nèi)附壁血栓，能準(zhǔn)確測量腹主動(dòng)脈瘤最大內(nèi)徑、近遠(yuǎn)端瘤頸內(nèi)徑、右髂總動(dòng)脈內(nèi)徑、左髂總動(dòng)脈內(nèi)徑、近遠(yuǎn)端瘤頸長度、腹主動(dòng)脈瘤近端瘤頸成角等參數(shù)，進(jìn)行數(shù)字化分型、分級(jí)，有助于臨床醫(yī)師的診斷及手術(shù)前的評(píng)估，合理選擇手術(shù)徑路，進(jìn)行嚴(yán)密的手術(shù)規(guī)劃，臨床醫(yī)師術(shù)前可根據(jù)動(dòng)脈瘤近端瘤頸長度及雙側(cè)髂總動(dòng)脈直徑的測量結(jié)果，預(yù)先選擇好Y型人工血管型號(hào)，節(jié)省術(shù)中測量的時(shí)間。通過透明化不感興趣的器官能直觀清晰地了解腹主動(dòng)脈瘤的位置、大小，預(yù)設(shè)切口位置及長度以利于最佳顯露術(shù)野。還可以術(shù)前分析腹主動(dòng)脈近端瘤頸及雙側(cè)髂總動(dòng)脈鈣化情況，預(yù)先選擇血管壁彈性良好的平面進(jìn)行阻斷及吻合人工血管，有利于與人工血管嚴(yán)密吻合，避免術(shù)后出現(xiàn)血管吻合口出血、假性動(dòng)脈瘤形成甚至破裂，出現(xiàn)致命性的并發(fā)癥。了解腹主動(dòng)脈瘤與下腔靜脈、左腎靜脈的毗鄰關(guān)系，后兩者是否存在變異，術(shù)中避免誤傷。經(jīng)過3D仿真人工血管置換手術(shù)的反復(fù)“彩排”，使手術(shù)組醫(yī)生熟悉病人解剖，熟練手術(shù)步驟，有利于臨床手術(shù)過程中的配合，縮短各內(nèi)臟動(dòng)脈阻斷時(shí)間，降低缺血再灌注損傷。通過術(shù)前3D仿真手術(shù)“彩排”，病人及家屬比較容易理解手術(shù)過程，加強(qiáng)醫(yī)患的溝通，減少不必要的糾紛（圖7）。目前，腹主動(dòng)脈瘤數(shù)字可視化仿真技術(shù)的研究，僅從醫(yī)學(xué)影像和圖像處理的角度去考慮手術(shù)的過程，尚未形成完全真實(shí)手術(shù)操作場景中一些生物力學(xué)的形變及碰撞。但由于是通過數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)3D重建的立體模型、圖片均來自于臨床真實(shí)病人的螺旋CTA圖片，使得腹腔臟器解剖數(shù)字化、個(gè)體化、立體化，取代了傳統(tǒng)碳素筆手描線平面解剖圖［10］，為醫(yī)生了解器官內(nèi)部結(jié)構(gòu)、選擇手術(shù)路徑選擇及定位病灶等提供了真實(shí)的模擬；通過3D模擬演示腹主動(dòng)脈瘤的各種手術(shù)，可以為課堂的教學(xué)以及研究生、實(shí)習(xí)醫(yī)生、進(jìn)修生的教學(xué)提供較為真實(shí)直觀的手術(shù)情景；為遠(yuǎn)程會(huì)診、機(jī)器人手術(shù)奠定基礎(chǔ)。

篇（5）

1.工業(yè)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃

為了建設(shè)高水平的工業(yè)工程專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，我們進(jìn)行了精心的規(guī)劃和反復(fù)論證。我們對(duì)國內(nèi)外多所名校的工業(yè)工程系實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了調(diào)查和網(wǎng)上查詢，此外還重點(diǎn)請(qǐng)教了多位國際知名的工業(yè)工程專家。目前，各學(xué)校工業(yè)工程系由于各自的研究側(cè)重點(diǎn)不同，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)側(cè)重情況都有所不同。考慮到我系學(xué)生的培養(yǎng)需求以及今后的學(xué)科發(fā)展方向，以及我們現(xiàn)有的情況，發(fā)揮工科背景的后發(fā)優(yōu)勢，取其它學(xué)校之長，制定了比較符合時(shí)展要求和我校特點(diǎn)的建設(shè)方案。

我們決定重點(diǎn)建設(shè)3個(gè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室：先進(jìn)制造及數(shù)字化企業(yè)實(shí)驗(yàn)室，人因工程實(shí)驗(yàn)室，物流工程實(shí)驗(yàn)室。此外，我們不可能將工業(yè)工程面臨的各種系統(tǒng)都在實(shí)驗(yàn)室建立物理模型，因此利用信息技術(shù)和現(xiàn)代展示技術(shù)彌補(bǔ)這一不足是一個(gè)重要解決方法。因此，我們建設(shè)一個(gè)全面支持系統(tǒng)仿真與展示的綜合體驗(yàn)演示中心。利用信息技術(shù)將仿真結(jié)果更加逼真地展示出來，便于學(xué)生理解復(fù)雜企業(yè)大系統(tǒng)的運(yùn)行情況，同時(shí)可支持各類系統(tǒng)的遠(yuǎn)程體驗(yàn)和演示，演示中心與三個(gè)分實(shí)驗(yàn)室用內(nèi)部高速網(wǎng)絡(luò)連接起來。

這些專業(yè)實(shí)驗(yàn)室總面積約600m2，特點(diǎn)在于：一是著重于企業(yè)生產(chǎn)服務(wù)活動(dòng)的整體；二是立足于教學(xué)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室都考慮教學(xué)實(shí)驗(yàn)和案例的建設(shè)；三是可為全校學(xué)生進(jìn)行工業(yè)工程方面知識(shí)的教學(xué)和實(shí)踐培訓(xùn)；四是可為工業(yè)工程系學(xué)科的發(fā)展提供基本平臺(tái)，服務(wù)于長遠(yuǎn)科研基本需求。

2.工業(yè)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)情況

2.1 先進(jìn)制造及數(shù)字化企業(yè)實(shí)驗(yàn)室

“先進(jìn)制造及數(shù)字化企業(yè)實(shí)驗(yàn)室”在國家211和清華大學(xué)985有關(guān)經(jīng)費(fèi)資助下已經(jīng)具備相當(dāng)規(guī)模。設(shè)有先進(jìn)制造實(shí)驗(yàn)分室和數(shù)字化企業(yè)實(shí)驗(yàn)分室，面積約30cm2。目的在于全面培養(yǎng)學(xué)生對(duì)工廠、企業(yè)車間層的有關(guān)工程知識(shí)和實(shí)踐技能。為工業(yè)工程系學(xué)生開設(shè)制造、生產(chǎn)系統(tǒng)方面的專業(yè)課以及為全校學(xué)生開設(shè)制造系統(tǒng)方面選修課，并支持有關(guān)課題研究。

實(shí)驗(yàn)室目前擁有一套教學(xué)用微型CIMS系統(tǒng)（包括車中心、銑中心、立體倉庫、自動(dòng)導(dǎo)引小車、三坐標(biāo)測量機(jī)、機(jī)器人、物料傳輸線）7臺(tái)教學(xué)型數(shù)控機(jī)床以及40臺(tái)微機(jī)。擁有CAD/CAM軟件和數(shù)字化企業(yè)建模與仿真軟件，如Pro/E、I-DEAS、AutoCAD、FACTO-RY、Flexsim等。全部計(jì)算機(jī)、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，并與校園網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)資源共享，形成協(xié)同學(xué)習(xí)的環(huán)境。

利用實(shí)驗(yàn)室條件，學(xué)生可以進(jìn)行CAD/CAM技術(shù)、CNC技術(shù)、NC編程、物流系統(tǒng)控制、FMS技術(shù)、CIMS技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，可以進(jìn)行實(shí)際操作的訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的統(tǒng)一，教與學(xué)一體化。

2.2 人因工程實(shí)驗(yàn)室

人因工程是工業(yè)工程主要的專業(yè)方向之一。建設(shè)人因工程實(shí)驗(yàn)室的目的在于綜合運(yùn)用人因工程方面的設(shè)備和技術(shù)，教學(xué)上支持人因工程、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。協(xié)同設(shè)計(jì)與制造等方面的工業(yè)工程和制造工程課程實(shí)驗(yàn)，提供學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基本環(huán)境和設(shè)備技術(shù)實(shí)施手段，同時(shí)支持在虛擬設(shè)計(jì)制造、產(chǎn)品快速開發(fā)、勞動(dòng)作業(yè)安全、人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真等方面的研究。

人因工程實(shí)驗(yàn)室面積約156m2，分為4部分：人因工程基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室、人體測量與生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室、可用性評(píng)測與人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)室和虛擬現(xiàn)實(shí)與人機(jī)界面技術(shù)實(shí)驗(yàn)室。

1）人因工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

此實(shí)驗(yàn)室主要應(yīng)用是人體和環(huán)境基本測量與分析，工作地設(shè)計(jì)等。

主要滿足人因工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括人體基本測量（形體尺寸、生理參數(shù)、認(rèn)知特性等）、環(huán)境基本測量（溫度、濕度、光照、噪聲、輻射、空氣等）以及工作地基本測量（幾何、物理測量等）等。目的是讓學(xué)生掌握基本的人因?qū)W測量手段和測量概念，強(qiáng)化人因工程的概念，并且能在今后的實(shí)際工作中自覺地考慮“人-機(jī)-環(huán)境”的互動(dòng)關(guān)系，提高工程設(shè)計(jì)的人性化水平。結(jié)合這些實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)室建設(shè)內(nèi)容主要包括人體生理計(jì)測儀器、環(huán)境計(jì)測儀器等儀器的購置以及設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。

2）人體測量與生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

此實(shí)驗(yàn)室主要應(yīng)用是三維人體測量、建模、應(yīng)用與分析等。

主要針對(duì)現(xiàn)代三維無接觸人體測量技術(shù)及應(yīng)用，滿足人因工程高等專題實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目要求。建設(shè)內(nèi)容主要包括三維無接觸人體測量設(shè)備的購置、配套硬件建設(shè)和數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用軟件的研究與開發(fā)等。目的是讓學(xué)生掌握先進(jìn)的人體測量手段，了解三維人體數(shù)據(jù)的應(yīng)用，結(jié)合專題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或項(xiàng)目充分領(lǐng)會(huì)人因工程在工程設(shè)計(jì)中的重要性。

3）可用性評(píng)測與人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

此實(shí)驗(yàn)室主要應(yīng)用是用戶研究、心理測試、計(jì)算機(jī)人機(jī)交互評(píng)測等。

主要針對(duì)以下3個(gè)方面的內(nèi)容，產(chǎn)品的可用性（易用性）、用戶需求分析及用戶研究以及計(jì)算機(jī)人機(jī)交互測評(píng)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。重點(diǎn)針對(duì)現(xiàn)代信息產(chǎn)品的可用性測評(píng)；如何運(yùn)用工程手段把握用戶的特征和需求（顯性需求和隱性需求）以保證產(chǎn)品開發(fā)的成功率；針對(duì)軟件的界面設(shè)計(jì)以及移動(dòng)商務(wù)、移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過這3個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)，希望能培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用技術(shù)手段把握客戶需求，特別是針對(duì)當(dāng)前流行的電子商務(wù)、軟件和移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行人性化設(shè)計(jì)的綜合能力。建設(shè)內(nèi)容包括：用戶測試室和研究觀察室的監(jiān)控設(shè)備集成、人機(jī)交互設(shè)備、移動(dòng)電子產(chǎn)品評(píng)測樣本以及相應(yīng)的記錄和分析軟硬件。

4）虛擬現(xiàn)實(shí)與人機(jī)界面技術(shù)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

此實(shí)驗(yàn)室主要應(yīng)用是多通道復(fù)雜人機(jī)交互系統(tǒng)仿真與分析、虛擬體驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)、操作行為測評(píng)與分析、人體運(yùn)動(dòng)跟蹤與仿真等。

主要針對(duì)以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的復(fù)雜“人-機(jī)-環(huán)境”交互系統(tǒng)進(jìn)行模擬、仿真、測評(píng)和研究，立足于構(gòu)建各種人機(jī)界面進(jìn)行近似真實(shí)場景的測評(píng)，并運(yùn)用多通道人機(jī)界面技術(shù)開展部分虛擬體驗(yàn)教學(xué)研究，通過“視覺、聽覺、觸覺”的集成體驗(yàn)來加深理論知識(shí)的學(xué)習(xí)并“感知”復(fù)雜的系統(tǒng)或理論。本實(shí)驗(yàn)將作為高等人因工程專題實(shí)驗(yàn)和一系列研究類專題實(shí)驗(yàn)的重要部分，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用新技術(shù)解決復(fù)雜問題的思路和基本能力，特別是自己動(dòng)手進(jìn)行研究類實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、總結(jié)、提高的能力。同時(shí)本實(shí)驗(yàn)室還作為工業(yè)工程系其他專業(yè)方向教學(xué)和研究用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展體驗(yàn)類教學(xué)實(shí)驗(yàn)和成果展示。主要建設(shè)內(nèi)容包括三通道虛擬現(xiàn)實(shí)立體投影系統(tǒng)、觸覺人機(jī)交互裝置研制、虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)購置、駕駛行為仿真測試系統(tǒng)研究以及專題實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.3 物流工程實(shí)驗(yàn)室

物流（廣義包括企業(yè)內(nèi)部物資流動(dòng)和企業(yè)外部供應(yīng)鏈管理）在現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)活動(dòng)中占據(jù)日益重要的地位，并已經(jīng)引起政府和工業(yè)界的高度重視。物流實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)復(fù)雜的物流系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)施規(guī)劃、設(shè)計(jì)、過程優(yōu)化以及流程管理的實(shí)際能力。滿足相關(guān)的教學(xué)和科研的需求。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、仿真技術(shù)、信息管理與決策技術(shù)等多種技術(shù)手段，使實(shí)驗(yàn)室充分體現(xiàn)和展示現(xiàn)代物流技術(shù)。物流實(shí)驗(yàn)室面積約9cm2，硬件設(shè)備主要是二個(gè)方面：混流裝配生產(chǎn)線（企業(yè)內(nèi)部物流）物流實(shí)驗(yàn)室商業(yè)物流。

1）混流裝配生產(chǎn)線（企業(yè)內(nèi)部物流）

該生產(chǎn)線是裝配生產(chǎn)線，有8個(gè)工位，傳送帶可以連續(xù)移動(dòng)或節(jié)拍移動(dòng)。在生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)過程中教師可以生產(chǎn)指令、監(jiān)控生產(chǎn)狀態(tài)、控制裝配線的運(yùn)轉(zhuǎn)，讓學(xué)生直觀地看到企業(yè)實(shí)際加工的裝配生產(chǎn)線，讓學(xué)生了解和熟悉企業(yè)內(nèi)物流。同時(shí)可以進(jìn)行產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)分析與裝配流程規(guī)劃、裝配線配置與布局、裝配線平衡、裝配作業(yè)動(dòng)作分析時(shí)間研究、在線庫存管理與生產(chǎn)現(xiàn)場物流、MRP與JIT生產(chǎn)模式對(duì)比、JIT方式下停線實(shí)驗(yàn)、裝配質(zhì)量控制、基于MES實(shí)時(shí)計(jì)劃調(diào)度等實(shí)驗(yàn)。

2）物流實(shí)驗(yàn)室商業(yè)物流部分

物流實(shí)驗(yàn)室商業(yè)物流部分主要由40個(gè)貨位的自動(dòng)倉庫、貨柜、電子標(biāo)簽系統(tǒng)、電動(dòng)傳輸帶、條形碼系統(tǒng)組成。學(xué)生根據(jù)老師提出的物流系統(tǒng)的需求，自行設(shè)計(jì)、分析、建立一個(gè)配送中心（倉儲(chǔ)、分揀、搬運(yùn)、進(jìn)出庫等）規(guī)劃物流系統(tǒng)。提高其運(yùn)用理論解決實(shí)際問題能力，同時(shí)，對(duì)于現(xiàn)代物流配送有基本認(rèn)識(shí)，了解和熟悉庫存管理。對(duì)于可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、實(shí)施的配送中心部分，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，對(duì)于不便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析、實(shí)施的送貨線路部分，采用規(guī)劃及仿真軟件進(jìn)行。

3.工業(yè)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成果

目前，先進(jìn)制造及數(shù)字化企業(yè)實(shí)驗(yàn)室中的先進(jìn)制造實(shí)驗(yàn)分室在原有的基礎(chǔ)上繼續(xù)完善，開發(fā)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件，増加新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，擴(kuò)大效益。學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行數(shù)控編程及加工，CAD/CAPP/CAM、FMS、機(jī)器人、CIMS、生產(chǎn)調(diào)度及仿真優(yōu)化等反映先進(jìn)制造技術(shù)的單元或系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐訓(xùn)練。除為我校學(xué)生提供教學(xué)實(shí)踐服務(wù)外，每年都有其他院校（北京農(nóng)業(yè)大學(xué)、北京林業(yè)大學(xué)、北方交通大學(xué)等）來我系實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)。數(shù)字化企業(yè)實(shí)驗(yàn)分室已經(jīng)實(shí)現(xiàn)從零件設(shè)計(jì)、工藝分析、工廠設(shè)計(jì)、企業(yè)管理到企業(yè)運(yùn)作仿真的系統(tǒng)集成。學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)數(shù)字化時(shí)代與企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營有關(guān)的幾乎所有軟件系統(tǒng)，進(jìn)行企業(yè)知識(shí)的全方位訓(xùn)練。

已經(jīng)建成的人因工程實(shí)驗(yàn)室，是國內(nèi)高校中建設(shè)比較完備的一個(gè)人因工程教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，而且建設(shè)內(nèi)容突出反映了國際上人因工程專業(yè)方向的發(fā)展趨勢，融入了較多的新技術(shù)和新思路，如信息產(chǎn)品的可用性及用戶研究、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在復(fù)雜人機(jī)界面方面的應(yīng)用、虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)與展示等。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)劃內(nèi)容被許多國內(nèi)兄弟院校的工業(yè)工程系索取和參考，為國內(nèi)工業(yè)工程系人因工程方向的教學(xué)改革提供了先例。

物流工程實(shí)驗(yàn)室各個(gè)部分設(shè)備已基本建成。物流實(shí)驗(yàn)室的軟件建設(shè)正在進(jìn)行，軟件建設(shè)主要以科研成果為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)，形成與實(shí)驗(yàn)設(shè)備配套的軟件，如倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)、運(yùn)輸管理系統(tǒng)、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)等。這些軟件補(bǔ)充物流實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)功能，通過該系統(tǒng)的應(yīng)用不僅能夠使學(xué)生了解先進(jìn)的物流管理信息技術(shù)，而且通過模擬操作，能夠培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力。同時(shí)把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容同企業(yè)的實(shí)際需要相結(jié)合，能夠大大提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性。

通過實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，培養(yǎng)和鍛煉了一批研究生和有關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員。實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員結(jié)合實(shí)踐教學(xué)基地建設(shè)，包括軟硬件建設(shè)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)建設(shè)，熟悉了工業(yè)工程新的學(xué)科方向，主動(dòng)參與了所有實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的準(zhǔn)備。研究生通過參與開發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，特別是研制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不僅為學(xué)校節(jié)省了巨額的資金，而且也培養(yǎng)了獨(dú)立從事科學(xué)研究的能力。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也推動(dòng)了國際交流與合作，目前承擔(dān)了六項(xiàng)大型國際合作項(xiàng)目，總經(jīng)費(fèi)約300多萬元。

4.工業(yè)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行和管理

目前，年輕教師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員共同參與管理專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，以教學(xué)與研究互動(dòng)的原則運(yùn)行和發(fā)展實(shí)驗(yàn)室。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)階段是教師、研究生和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員共同策劃開發(fā)，一旦成熟就完全交給實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員負(fù)責(zé)運(yùn)行。

利用現(xiàn)有的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，以教學(xué)計(jì)劃為依據(jù)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐動(dòng)手能力、協(xié)同合作能力、分析和解決問題的能力、創(chuàng)新能力等全面素質(zhì)的培養(yǎng)。針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，我們精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和提高實(shí)驗(yàn)，單元實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，以及研究類專題實(shí)驗(yàn)和新技術(shù)含量的專題實(shí)驗(yàn)。采用多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，比如看錄相、現(xiàn)場操作演示、學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐、計(jì)算機(jī)仿真等。與此同時(shí)，也將新研究成果引入教學(xué)，不斷更新和豐富教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)始終能夠緊跟學(xué)科的發(fā)展，具有一定的先進(jìn)性和代表性。針對(duì)19門課程，我們已新開設(shè)實(shí)驗(yàn)40多個(gè)，年接納學(xué)生人數(shù)1000多人次。

篇（6）

中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

1引言

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,簡稱VR)主要采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高技術(shù)生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境(Virtual Environment,簡稱VE),用戶借助必要的設(shè)備(如特制的服裝、頭盔、手套和鞋),以自然的方式與虛擬環(huán)境中的實(shí)體對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響,從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)具有3I特性,即交互(Interaction)特性、沉浸(Immersion)特性和構(gòu)想(Imagination)特性。交互特性強(qiáng)調(diào)參與者通過專用設(shè)備以人類自然方式與VE中的對(duì)象進(jìn)行相互操作;沉浸特性要求計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境能使參與者產(chǎn)生置身其中的體驗(yàn);構(gòu)想特性是指虛擬環(huán)境能夠啟發(fā)參與者發(fā)現(xiàn)新問題并輔助產(chǎn)生創(chuàng)新思維。

二十世紀(jì)六十年代初,“圖靈獎(jiǎng)”獲得者,被稱為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父的美國科學(xué)家Ivan Sutherland發(fā)表“終極顯示”論文提出虛擬現(xiàn)實(shí)概念,自此,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)歷經(jīng)一系列里程碑式的理論、方法與技術(shù)研究工作,并取得了重大工程應(yīng)用成果。今天虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)非常廣泛,主要包括三大應(yīng)用方向,即訓(xùn)練演練、規(guī)劃設(shè)計(jì)與預(yù)測、觀賞娛樂等。例如在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中進(jìn)行作戰(zhàn)指揮模擬,宇宙飛船、飛機(jī)、艦船模擬駕駛訓(xùn)練,飛機(jī)、導(dǎo)彈、輪船等復(fù)雜系統(tǒng)的虛擬設(shè)計(jì)與制造,城市環(huán)境規(guī)劃及其建筑物的展示,手術(shù)培訓(xùn)與導(dǎo)航,游戲動(dòng)漫與影視制作等。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)涉及的學(xué)科綜合性、交叉性強(qiáng),是可以拉動(dòng)多學(xué)科發(fā)展,不斷產(chǎn)生新思想、新技術(shù),具有廣泛和重大應(yīng)用前景的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)確定為信息領(lǐng)域優(yōu)先支持的三大前沿技術(shù)之一。

2課程的特點(diǎn)

北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院從1994年開始從事虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域的研究,取得許多創(chuàng)新成果,在相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域產(chǎn)生了較大影響,逐步形成了北航計(jì)算機(jī)學(xué)院一個(gè)新的優(yōu)勢學(xué)科方向。作為計(jì)算機(jī)應(yīng)用本科生的專業(yè)限選課程,“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”課程教學(xué)已經(jīng)講授了5年。本課程的教學(xué)目的是通過對(duì)有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)國內(nèi)外研究熱點(diǎn)問題、典型研究工作的介紹,使學(xué)生了解當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展趨勢;通過對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)基本原理、基本算法、開發(fā)方法、主流系統(tǒng)的介紹,使學(xué)生掌握虛擬現(xiàn)實(shí)主要技術(shù)、開發(fā)環(huán)境與平臺(tái);以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究工作為主要實(shí)踐教學(xué)支撐,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,滿足國民經(jīng)濟(jì)和國防部門對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域?qū)ｉT人才的需求。虛擬現(xiàn)實(shí)課程具有以下特點(diǎn):

2.1學(xué)科交叉性、綜合性強(qiáng)

國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要指出:“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)重點(diǎn)研究心理學(xué)、控制學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)分布系統(tǒng)、電子學(xué)和多媒體技術(shù)等多學(xué)科融合的技術(shù),研究醫(yī)學(xué)、娛樂、藝術(shù)與教育、軍事及工業(yè)制造等多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和系統(tǒng)。”虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要從計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、控制科學(xué)與技術(shù)、機(jī)械工程科學(xué)與先進(jìn)制造技術(shù)等學(xué)科中孕育并實(shí)現(xiàn)跨越,逐步發(fā)展成熟,涉及心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)等,學(xué)科交叉性、綜合性強(qiáng),如圖1所示。

2.2數(shù)理基礎(chǔ)要求高

虛擬現(xiàn)實(shí)課程的許多理論、方法和技術(shù)涉及大量的數(shù)學(xué)公式和物理定律,例如在基于圖形的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中所涉及的計(jì)算機(jī)圖形學(xué),基于圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中所涉及的圖像處理和信號(hào)處理技術(shù),在建模技術(shù)中涉及的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等,都需要學(xué)生具備深厚的數(shù)理基礎(chǔ)。

2.3創(chuàng)新思維豐富

虛擬現(xiàn)實(shí)被眾多學(xué)者認(rèn)為是科學(xué)研究與工程實(shí)踐中理論和實(shí)驗(yàn)方法之外的第三種方法,可以虛擬和仿真人類難以到達(dá)的宏觀或微觀環(huán)境,進(jìn)行研究和體驗(yàn);在虛擬環(huán)境下進(jìn)行逼真的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、訓(xùn)練演練,作出評(píng)價(jià)和決策,其與生俱來的構(gòu)想特性能夠啟發(fā)參與者發(fā)現(xiàn)新問題并產(chǎn)生創(chuàng)新思維。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)由于多學(xué)科交叉性,在不同學(xué)科交叉融合中源源不斷地產(chǎn)生新思想、新方法。

2.4工程應(yīng)用突出

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)既有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和方法,也有大量的典型算法,同時(shí)又是一門應(yīng)用牽引強(qiáng),各種開發(fā)平臺(tái)和應(yīng)用工具豐富,人機(jī)交互設(shè)備多,軟硬件結(jié)合與系統(tǒng)集成占相當(dāng)比重的課程。

2.5課程內(nèi)容多課時(shí)緊

本課程是本科生計(jì)算機(jī)應(yīng)用方向的限選課程,在本科四年級(jí)上學(xué)期開設(shè),其間正值學(xué)生考研復(fù)習(xí)準(zhǔn)備階段,課時(shí)總計(jì)36學(xué)時(shí),課內(nèi)教學(xué)18學(xué)時(shí)、課外實(shí)踐18學(xué)時(shí),授課時(shí)間十分緊張。

3教學(xué)內(nèi)容安排

我們經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐,在不斷與學(xué)生教與學(xué)交互的活動(dòng)中,結(jié)合自身學(xué)科研究特色,總結(jié)、完善主要教學(xué)內(nèi)容,形成了如下的教學(xué)大綱:

第一章:概論(2h)

問題的提出、名詞術(shù)語、虛擬現(xiàn)實(shí)特征、里程碑工作和研究現(xiàn)狀、國內(nèi)外典型應(yīng)用實(shí)例。

第二章:虛擬現(xiàn)實(shí)硬件與系統(tǒng)(2h)

虛擬現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)輸出設(shè)備、高端圖形工作站、圖形處理單元(Graphic Processing Unit簡稱GPU)、典型沉浸式交互系統(tǒng)的構(gòu)建實(shí)例。

第三章:基于圖形的虛擬現(xiàn)實(shí)建模與開發(fā)技術(shù)(6h)

視覺感知相關(guān)基本概念、場景表示與數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、CREATOR建模軟件與合成自然環(huán)實(shí)例、場景圖組織與基本繪制流程、OpenGVS與WTK開發(fā)軟件、虛擬場景漫游應(yīng)用程序開發(fā)實(shí)例。

第四章:基于圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)建模與繪制技術(shù)(2h)

IBMR技術(shù)與全光函數(shù)、全景圖像與柱面全景圖像實(shí)例、同心拼圖方法。

第五章:人工生命-人工魚實(shí)例(2h)

人工魚的總體方案、人工魚的生物力學(xué)分析、感知與行為建模、幾何建模與外觀屬性、虛擬海洋環(huán)境建模、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、逼真性與效率權(quán)衡。

第六章:虛擬人技術(shù)(2h)

人體抽象模型與國際標(biāo)準(zhǔn)、逼真運(yùn)動(dòng)獲取與表示、運(yùn)動(dòng)約束與重用、虛擬人技術(shù)應(yīng)用實(shí)例。

第七章:分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(2h)

DIS技術(shù)與IEEE1278、HLA技術(shù)與IEEE1516、分布交互仿真程序開發(fā)與應(yīng)用實(shí)例。

教學(xué)實(shí)踐與課外教學(xué)安排:(18h)

課外研讀學(xué)習(xí)OpenGL、構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)漫游程序;參觀虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,觀看演示、操作實(shí)驗(yàn)室研究設(shè)備,了解當(dāng)前主要研究方向和趨勢。

4教學(xué)實(shí)踐與思考

針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)課程的上述特點(diǎn),我們?cè)谡n程的教學(xué)活動(dòng)中形成了“突出三個(gè)基本,注重融會(huì)貫通;點(diǎn)面結(jié)合,各有側(cè)重;結(jié)合實(shí)例,促進(jìn)創(chuàng)新思維”的教學(xué)思路。

4.1突出三個(gè)基本,注重融會(huì)貫通

在教學(xué)中突出三個(gè)基本,即突出基本原理、基本方法、基本算法的講授。虛擬現(xiàn)實(shí)課程的諸多內(nèi)容來自不同的研究和應(yīng)用領(lǐng)域,貌似差之千里,但是其核心思想常常殊途同歸。對(duì)于這部分內(nèi)容在教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)有意識(shí)進(jìn)行聯(lián)系,分析講解,努力讓學(xué)生融會(huì)貫通。以細(xì)節(jié)層次概念(LOD)為例,細(xì)節(jié)層次概念是圖形建模中的基本概念,是指用一組復(fù)雜程度(常常以多邊形數(shù)來衡量)各不相同的實(shí)體細(xì)節(jié)層次模型來描述對(duì)象,在運(yùn)行時(shí)根據(jù)一些主客觀標(biāo)準(zhǔn)在這些LOD模型間進(jìn)行切換,實(shí)時(shí)改變場景的復(fù)雜度,從而能夠繪制效率與效果的平衡,該方法需要解決模型間切換時(shí)產(chǎn)生的視景跳躍問題。在GPU的基本貼圖處理(MIP MAPPING )、復(fù)雜光照模型實(shí)時(shí)繪制等研究工作中也引入和應(yīng)用了同樣的原理,因此在講解細(xì)節(jié)層次概念時(shí)進(jìn)行舉一反三,加深學(xué)生對(duì)這一滿足逼真性和繪制實(shí)時(shí)性普適基本方法的理解,進(jìn)一步可以引伸出連續(xù)細(xì)節(jié)層次方法以及與視點(diǎn)相關(guān)的遞進(jìn)傳輸技術(shù)如何滿足基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用問題。這樣教學(xué)思路始終貫徹在七維全光函數(shù)降維、八叉樹的數(shù)據(jù)組織方法等諸多教學(xué)內(nèi)容中,以達(dá)到融會(huì)貫通的目的。

4.2點(diǎn)面結(jié)合,各有側(cè)重

虛擬現(xiàn)實(shí)課程涉及學(xué)科眾多,內(nèi)容十分豐富,有限的課時(shí)內(nèi)做到面面俱到幾乎不可能。我們的教學(xué)大綱基本覆蓋虛擬現(xiàn)實(shí)的主要研究分支,重點(diǎn)是基于圖形和基于圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在其他課程有重點(diǎn)講授,不過多涉及。其次注重對(duì)當(dāng)前國內(nèi)外的研究重點(diǎn)、熱點(diǎn)問題,以及當(dāng)前的主流設(shè)備、開發(fā)工具與平臺(tái)介紹。通過發(fā)揮授課教師的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)背景,結(jié)合實(shí)驗(yàn)室多年的研究工作進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的深入講解。例如在分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)室在該方向上開展了長達(dá)十年的研究工作,研究成果既體現(xiàn)了該內(nèi)容的基本方法、國際標(biāo)準(zhǔn),又體現(xiàn)了當(dāng)前的最新研究成果。該內(nèi)容的教學(xué)從早期的DIS入手,通過與HLA核心技術(shù)的對(duì)比,重點(diǎn)講解分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)如何應(yīng)用數(shù)據(jù)抽象與封裝、與訂購、基于值的信息過濾 (DDM)等核心技術(shù)解決大規(guī)模交互仿真問題,進(jìn)一步引伸介紹目前該方向的研究進(jìn)展,讓同學(xué)了解當(dāng)前研究熱點(diǎn)問題。

4.3結(jié)合實(shí)例,促進(jìn)創(chuàng)新思維

虛擬現(xiàn)實(shí)是一門多學(xué)科交叉的科學(xué)技術(shù),不同學(xué)科理論與方法的互相借鑒、啟迪、創(chuàng)新尤為明顯。因此在講授具體內(nèi)容的同時(shí),應(yīng)介紹該研究工作和成果產(chǎn)生的背景,體現(xiàn)交叉創(chuàng)新、集成創(chuàng)新思路,啟迪同學(xué)的創(chuàng)造性思維是本課程不斷追求“授之與漁”的目標(biāo)。在課程綜述中重點(diǎn)介紹信息資源環(huán)境的智能化、普適化、協(xié)同化、沉浸化發(fā)展的各個(gè)不同歷史時(shí)期代表性工作,以及仿真技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)等學(xué)科對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的重要貢獻(xiàn),突出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)交叉融合的特性。將具體的課程知識(shí)點(diǎn)講授融入到典型實(shí)例中,人工生命課程教學(xué)中以ACM優(yōu)秀博士論文工作為基礎(chǔ),講述了人工魚的感知與行為建模、幾何與外觀屬性建模、虛擬海洋環(huán)境建模等,目的在于突出建模內(nèi)涵的寬泛性和在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的重要地位,通過詳述人工魚的生物力學(xué)分析、總體方案設(shè)計(jì),行為與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),歸納總結(jié)出多學(xué)科交叉、逼真性與效率的完美平衡是其創(chuàng)新所在。在講授虛擬人技術(shù)時(shí),首先提出逼真人體運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性這一矛盾,引入機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)以及信號(hào)與系統(tǒng)中的信號(hào)處理方法,重點(diǎn)介紹借鑒其他學(xué)科方法解決虛擬人運(yùn)動(dòng)重用和大規(guī)模人群等關(guān)鍵問題,強(qiáng)調(diào)借鑒啟迪是創(chuàng)新的源泉。在諸如同心拼圖、分布式虛擬環(huán)境中同樣貫徹了結(jié)合實(shí)例,促進(jìn)創(chuàng)新思維這一教學(xué)思路。

5結(jié)論與展望

“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”涉及面寬、內(nèi)容十分豐富,同時(shí)發(fā)展迅速,應(yīng)用越來越廣泛,如何講授好該課程是一個(gè)需要不斷探討、研究總結(jié)的教學(xué)課題。筆者在多年的教學(xué)活動(dòng)中,通過教與學(xué)的交流,不斷總結(jié)形成了一些教學(xué)思路和方法,取得了良好的效果,但是仍然需要不斷完善充實(shí),主要包括兩個(gè)方面內(nèi)容:(1)如何做好虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課程與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、圖像處理技術(shù)的銜接;(2)如何利用好虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究環(huán)境、軟硬件資源以進(jìn)一步加強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)。我們將在今后繼續(xù)研究探索,以解決這些重要問題。

參考文獻(xiàn):

篇（7）

1.體育系統(tǒng)仿真的概況

體育系統(tǒng)仿真是一門交叉學(xué)科，它以運(yùn)用多學(xué)科多因素超時(shí)空綜合集成的特征不同于其它學(xué)科。現(xiàn)代體育運(yùn)動(dòng)實(shí)踐展現(xiàn)了寬闊宏大多姿多彩的時(shí)空?qǐng)鏊瑸轶w育系統(tǒng)仿真的產(chǎn)生和建立提供了肥沃的土壤和基礎(chǔ)，同時(shí)體育運(yùn)動(dòng)實(shí)踐和體育科研的諸多問題也在強(qiáng)烈呼喚體育系統(tǒng)仿真作出回答和解決。[1]

2000年6月“體育系統(tǒng)仿真”這一交叉學(xué)科概念正式被提出，2002年10月中國國家體育科學(xué)研究所體育系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室開放實(shí)驗(yàn)室成立，2004年10月中國系統(tǒng)仿真學(xué)會(huì)理事會(huì)接受體育系統(tǒng)仿真專業(yè)委員會(huì)申請(qǐng)，2005 年正式備案，標(biāo)志國內(nèi)這一學(xué)科的建立。體育系統(tǒng)仿真的定義是：通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)再現(xiàn)體育教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、教練員的訓(xùn)練意圖、管理者的組織方案和運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練過程，從而達(dá)到對(duì)體育系統(tǒng)的解釋、分析、預(yù)測、評(píng)價(jià)的一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)科學(xué)，運(yùn)動(dòng)捕捉作為體育系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集與捕獲。[2]

一個(gè)典型的體育仿真系統(tǒng)具有如下主要功能：（1）虛擬訓(xùn)練場景構(gòu)建。依據(jù)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的具體要求對(duì)虛擬訓(xùn)練場地、虛擬訓(xùn)練器材和虛擬人等的建模；（2）運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)捕獲。運(yùn)用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)采集運(yùn)動(dòng)實(shí)體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并將其用于生成虛擬人動(dòng)畫；（3）生理生化和心理數(shù)據(jù)采集。生理生化和心理指標(biāo)是運(yùn)動(dòng)員競技狀態(tài)的重要反映，根據(jù)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的不同，通過各種傳感器和智能化儀器來采集運(yùn)動(dòng)員的生理生化數(shù)據(jù)、心理數(shù)據(jù)；（4）動(dòng)作重演和展現(xiàn)。動(dòng)作重現(xiàn)是體育系統(tǒng)仿真的重要要求，運(yùn)動(dòng)捕捉可以很好地完成該任務(wù)，例如在體操項(xiàng)目中，教練員首先采集真實(shí)體操運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，之后重新編排，產(chǎn)生新動(dòng)作，再利用虛擬體操運(yùn)動(dòng)員精確地重現(xiàn)體操運(yùn)動(dòng)員的體操動(dòng)作，從而幫助體操運(yùn)動(dòng)員改進(jìn)和創(chuàng)新動(dòng)作，提高水平；（5）技術(shù)診斷與分析。通過對(duì)技術(shù)動(dòng)作做量化分析，且以圖形方式展示分析結(jié)果，以此為基礎(chǔ)，對(duì)“理想”的技術(shù)動(dòng)作與運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作做比較， 進(jìn)行深層次的分析，然后給出改進(jìn)技術(shù)動(dòng)作的指導(dǎo)性意見。[3]

2.運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)是體育系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵

2.1運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的發(fā)展

光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛、發(fā)展最為成熟的一類捕捉技術(shù)。這類技術(shù)利用計(jì)算機(jī)視覺原理。光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)通常使用 6～12 個(gè)攝相機(jī)環(huán)繞表演場地排列，這些攝相機(jī)的視野重疊區(qū)域就是表演者的動(dòng)作范圍。隨著機(jī)器視覺、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的迅速發(fā)展，精確捕捉人體動(dòng)作并且進(jìn)行重現(xiàn)，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。通過運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)獲取某類技術(shù)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)參數(shù)及生理生化指標(biāo)等數(shù)據(jù)，從而統(tǒng)計(jì)出運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為體育教學(xué)和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練提供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的技術(shù)指導(dǎo)，從而擺脫純粹的依靠經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)，進(jìn)入科學(xué)化、數(shù)字化時(shí)代。

2.2運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在體育教學(xué)和訓(xùn)練中的應(yīng)用

目前， 我國的學(xué)校體育教學(xué)內(nèi)容和方法比較落后，仍然采用從教材中傳授既定的基本解錄像等較傳統(tǒng)的方法。基于運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的體育系統(tǒng)仿真教學(xué)與訓(xùn)練， 由于具有高仿真性、開放共享性、人機(jī)交互性、重復(fù)使用性以及安全性好等特點(diǎn)， 已經(jīng)成為傳統(tǒng)體育教學(xué)與訓(xùn)練方法的一種有益補(bǔ)充， 并顯示出巨大的潛力， 在教學(xué)和訓(xùn)練中的應(yīng)用將有著廣闊的空間。

3.運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在籃球教學(xué)和訓(xùn)練中的應(yīng)用

我們知道現(xiàn)在籃球在技、戰(zhàn)術(shù)與籃球規(guī)則的相互促進(jìn)和制約過程中不斷發(fā)展和提高。而從事籃球運(yùn)動(dòng)普及與提高的教師和教練員技術(shù)動(dòng)作也并不都是規(guī)范合理的，即使是國手級(jí)人物，他們也因退役后在二線而從事教學(xué)、訓(xùn)練工作，隨著年齡的增長和技術(shù)、身體素質(zhì)的逐漸退化，有時(shí)也很難在教學(xué)和訓(xùn)練中完成正確的示范動(dòng)作。體校和專業(yè)隊(duì)通常都是通過學(xué)員反復(fù)練習(xí)和教員不斷提示的反饋過程來實(shí)現(xiàn)掌握正確技術(shù)動(dòng)作的目的；許多戰(zhàn)術(shù)內(nèi)容也較復(fù)雜多變，教員一時(shí)也很難在許多交叉線條圖中分清戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)方向和行動(dòng)時(shí)機(jī)，許多教員都是通過經(jīng)驗(yàn)閱讀和理解戰(zhàn)術(shù)線路圖。何況我們學(xué)校體育課堂教學(xué)只能是望塵莫及。

3.1虛擬球館建模

3d軟件構(gòu)建場館要以場館建筑設(shè)計(jì)圖按比例還原，虛擬設(shè)計(jì)的場館要注意各處比例和建筑設(shè)計(jì)規(guī)范。盡量減少模型面數(shù)，刪除立體模型不可見的面。座椅欄桿等大量模型盡量以簡模加透視紋理來實(shí)現(xiàn)，以減小場館模型的文件尺寸。

3.2虛擬運(yùn)動(dòng)員角色

3dmax 和 Maya 是目前最為流行的三維圖形和動(dòng)畫軟件，它們雖然有很強(qiáng)的建模和動(dòng)畫功能，但是在人物建模方面還是比較繁瑣。我們可以通過專門的人物造型軟件建立人體模型。然后將人體模型倒入 3dmax 和 Maya 軟件環(huán)境。[4]

3.3 動(dòng)畫數(shù)據(jù)的獲得

采用光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)，要求表演者穿上單色的服裝，在身體的關(guān)鍵部位，如關(guān)節(jié)、髖部、肘、腕等位置貼上一些特制的標(biāo)志或發(fā)光點(diǎn)稱為“Marker”，視覺系統(tǒng)將識(shí)別和處理這些標(biāo)志。系統(tǒng)定標(biāo)后，攝相機(jī)連續(xù)拍攝表演者動(dòng)作，并將光點(diǎn)圖像序列保存下來，然后再進(jìn)行光點(diǎn)處理，進(jìn)而得到其運(yùn)動(dòng)軌跡和骨骼動(dòng)畫。

4.虛擬現(xiàn)實(shí)與籃球運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫的交互程序設(shè)計(jì)

4.1 主程序與功能模塊設(shè)計(jì)

主程序主要起分類導(dǎo)向作用，根據(jù)籃球教學(xué)訓(xùn)練內(nèi)容和動(dòng)態(tài)展示的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了技術(shù)動(dòng)作、戰(zhàn)術(shù)配合、裁判方法三個(gè)主要的分支程序?qū)Ш健?/p>

4.2 技術(shù)動(dòng)作交互程序設(shè)計(jì)與功能模塊

技術(shù)動(dòng)作模塊按籃球技術(shù)分類設(shè)計(jì)了五個(gè)，傳球、運(yùn)球、投籃、突破、防守。一級(jí)分類導(dǎo)航和二十五個(gè)二級(jí)動(dòng)作激活按鈕。以及慢動(dòng)作、逐幀進(jìn)退功能，四視角快速切換和視角任意操控與跟蹤追隨運(yùn)動(dòng)員功能。

4.3 戰(zhàn)術(shù)配合交互程序設(shè)計(jì)與功能模塊

戰(zhàn)術(shù)配合模塊按籃球戰(zhàn)術(shù)分類設(shè)計(jì)了四個(gè)，進(jìn)攻基礎(chǔ)配合、防守基礎(chǔ)配合、半場進(jìn)攻戰(zhàn)術(shù)、半場防守戰(zhàn)術(shù)。一級(jí)分類導(dǎo)航和二十個(gè)二級(jí)戰(zhàn)術(shù)配合激活按鈕。以及慢動(dòng)作、逐幀進(jìn)退功能，四視角快速切換和視角任意操控功能。

4.4 裁判方法交互程序設(shè)計(jì)與功能模塊

裁判方法模塊按籃球競賽規(guī)則與裁判方法分類設(shè)計(jì)了五個(gè)（區(qū)域分工、分工配合、常用手勢、違例手勢、犯規(guī)手勢）一級(jí)分類導(dǎo)航和二十個(gè)二級(jí)動(dòng)畫激活按鈕。以及慢動(dòng)作、逐幀進(jìn)退功能，四視角快速切換和視角任意操控功能。

5.討論與建議

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)經(jīng)過40年的發(fā)展，已在許多研究領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如表演動(dòng)畫、體育訓(xùn)練與教學(xué)、影視和游戲、人體生物力學(xué)等。基于運(yùn)動(dòng)捕捉等技術(shù)發(fā)展起來的虛擬現(xiàn)實(shí)體育教學(xué)與訓(xùn)練方法，是以現(xiàn)代教育理論為指導(dǎo)，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等為支撐而建立的新型教學(xué)與訓(xùn)練方法。該方法運(yùn)用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采集人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并將其用于生成虛擬人動(dòng)畫，效果非常逼真，且能保證訓(xùn)練的科學(xué)性；同時(shí)運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)建立虛擬訓(xùn)練場景，并使軟件系統(tǒng)具備了互動(dòng)操作、全方位觀摩以及運(yùn)動(dòng)輔助教學(xué)、動(dòng)作技術(shù)分析等功能。[5]隨著寬帶時(shí)代的來臨，運(yùn)動(dòng)捕捉等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必將具有更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景，在體育領(lǐng)域我們需要緊密關(guān)注、大膽應(yīng)用， 這對(duì)于深化籃球教學(xué)和訓(xùn)練改革，提高教學(xué)與訓(xùn)練的效率大有裨益。

參考文獻(xiàn)

[1] 解毅飛.關(guān)于創(chuàng)建體育系統(tǒng)仿真學(xué)科理論體系的構(gòu)想[J].廣州體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2002.

[2] 付 全.運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)仿真中的應(yīng)用[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)，2013.

篇（8）

作者簡介：丁軍（1978-），男，重慶人，重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，副教授；黃霞（1977-），女，四川射洪人，重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，講師。（重慶 400054）

基金項(xiàng)目：本文系重慶市高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：112013）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）35-0051-02

力學(xué)是研究物質(zhì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。它以理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)值模擬為主要研究手段，揭示和解決工程技術(shù)中的普遍規(guī)律和共性問題，涉及航空、航天、造船、核能、建筑、機(jī)械、汽車、環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域。它包括力學(xué)中的基本問題和方法、動(dòng)力學(xué)與控制、固體力學(xué)、流體力學(xué)、生物力學(xué)、爆炸與沖擊動(dòng)力學(xué)等學(xué)科。[1]力學(xué)基礎(chǔ)課程和力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)是大多數(shù)工科專業(yè)，特別是機(jī)械、汽車相關(guān)領(lǐng)域的必備基礎(chǔ)。力學(xué)具有基礎(chǔ)和技術(shù)學(xué)科的雙重特征，力學(xué)專業(yè)不僅十分關(guān)注科學(xué)技術(shù)的發(fā)展前沿，成為推動(dòng)新學(xué)科發(fā)展的重要力量，而且特別注重解決工程實(shí)際問題。例如在固體力學(xué)的范疇內(nèi)，新材料的發(fā)展帶來了新的固體力學(xué)問題。當(dāng)經(jīng)典力學(xué)的連續(xù)、均勻、小變形假設(shè)不再成立時(shí)，要想找到精確解是不可能的，唯一解決手段是計(jì)算力學(xué)方法。另一方面，在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的重大工程問題中，例如交通運(yùn)輸、先進(jìn)裝備以及航空航天等領(lǐng)域，工程力學(xué)的作用越來越大。現(xiàn)代力學(xué)問題追求更加真實(shí)的工程環(huán)境以及跨尺度、多物理場耦合的相互影響，因而提出了大量的數(shù)值模擬仿真問題，計(jì)算力學(xué)是解決工程數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)的主要手段。[2-3]我國著名科學(xué)家錢學(xué)森曾經(jīng)預(yù)言：在21世紀(jì)，“力學(xué)加計(jì)算機(jī)將成為工程設(shè)計(jì)的主要手段”。[4]當(dāng)今數(shù)值計(jì)算理論及CAE仿真技術(shù)的飛速發(fā)展驗(yàn)證了錢老的真知灼見。

重慶理工大學(xué)（以下簡稱“我校”）地處我國兵器工業(yè)和裝備制造業(yè)的集結(jié)重鎮(zhèn)——重慶。汽車、摩托車產(chǎn)業(yè)和裝備制造業(yè)是重慶市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，是催生重慶市地方區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新增長點(diǎn)，促進(jìn)和推動(dòng)重慶市經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)步增長的核心和動(dòng)力。目前，重慶已發(fā)展成為全國重要的汽車生產(chǎn)基地、世界最大的摩托車零部件制造基地和全國最大的摩托車整車生產(chǎn)基地。《2013重慶經(jīng)濟(jì)展望》指出：2012年全年，重慶市汽車、摩托車產(chǎn)值高達(dá)3600億元，預(yù)計(jì)2013年汽車、摩托車產(chǎn)業(yè)總值將達(dá)到4000億元左右。同時(shí)，重慶是我國10個(gè)重大裝備制造業(yè)基地之一。《重慶市裝備制造業(yè)三年振興規(guī)劃》指出：未來三年，重慶將依托現(xiàn)有裝備制造產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)，形成特色產(chǎn)業(yè)集群，全面提升產(chǎn)業(yè)競爭力，預(yù)計(jì)三年后，即2015年，重慶裝備制造業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值5000億元的規(guī)模。汽車、摩托車產(chǎn)業(yè)和裝備制造業(yè)帶來的龐大經(jīng)濟(jì)規(guī)模，勢必提高產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)大學(xué)本科應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的要求。

我校主動(dòng)適應(yīng)地方區(qū)域經(jīng)濟(jì)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)應(yīng)用型人才的需求，將理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)與汽車產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合，形成具有汽車CAE特色的力學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)具有較強(qiáng)汽車CAE分析能力和堅(jiān)實(shí)力學(xué)專門知識(shí)的應(yīng)用型人才。

一、數(shù)值模擬能力范疇

近年來，數(shù)值模擬分析能力水平已成為工科研究生，特別是汽車和機(jī)械類研究生的必備工具之一，而對(duì)于機(jī)械、汽車專業(yè)學(xué)生來講，其CAE分析水平主要還是停留在利用軟件進(jìn)行簡單的建模分析階段，由于CAE分析軟件具有較強(qiáng)力學(xué)專業(yè)背景，多數(shù)學(xué)生并不了解CAE分析的具體過程和產(chǎn)生此種分析結(jié)果的緣由；另一方面，力學(xué)專業(yè)的學(xué)生往往又不具備很強(qiáng)的汽車結(jié)構(gòu)專業(yè)知識(shí)和工程背景。因此，為了彌補(bǔ)既有較強(qiáng)汽車專業(yè)知識(shí)又具有扎實(shí)力學(xué)專門知識(shí)的人才空白，我們將力學(xué)與車輛兩個(gè)專業(yè)有機(jī)而緊密結(jié)合起來，將數(shù)值計(jì)算模擬分析能力進(jìn)行進(jìn)一步深化和拓展，培養(yǎng)力學(xué)專業(yè)學(xué)生扎實(shí)的數(shù)值模擬分析能力和較強(qiáng)汽車工程背景。數(shù)值模擬能力主要?dú)w結(jié)為以下方面：

1.數(shù)學(xué)建模能力

建立正確的模型是進(jìn)行計(jì)算分析的基礎(chǔ)。對(duì)于工程問題，首先要建立反映問題本質(zhì)的數(shù)學(xué)力學(xué)模型，建立反映問題變量之間關(guān)系的微分方程及相應(yīng)定解條件，這是數(shù)值計(jì)算的出發(fā)點(diǎn)。沒有正確完善的數(shù)學(xué)模型，數(shù)值計(jì)算就無法模擬真實(shí)情況。

2.結(jié)果分析能力

在CAE分析過程中，一旦確定了正確的力學(xué)模型之后，求解過程是一個(gè)關(guān)鍵問題。但問題在于，任何一種通用有限元分析軟件的求解過程都是一個(gè)“黑匣子”，其所有方程求解都封裝于求解器之內(nèi)，對(duì)于一般大學(xué)本科生層次來講，無需深入了解暗箱中的操作。但結(jié)果出來之后，結(jié)果分析能力就顯得至關(guān)重要。如何去判斷所得的結(jié)果是否正確，是CAE分析的關(guān)鍵所在。因此，力學(xué)專業(yè)本科生要掌握運(yùn)用所學(xué)力學(xué)知識(shí)進(jìn)行結(jié)果分析和討論的能力，不能只看到表面上的數(shù)字和圖表，而是通過分析和討論，挖掘數(shù)字和圖表后面所隱含的力學(xué)原理和實(shí)際意義，學(xué)會(huì)判斷計(jì)算結(jié)果的正確性、精確度、應(yīng)用限制與改進(jìn)方法。

3.程序編制能力

前面所說CAE的求解是一個(gè)封裝后的黑匣子，對(duì)于一般用戶來講無需去細(xì)究，但是，對(duì)于想要成為具有較強(qiáng)數(shù)值模擬能力的CAE專業(yè)人員來講，具備一定的程序編制能力非常必要，是實(shí)現(xiàn)自己新思想、新方法的唯一途徑。目前，通用有限元分析軟件如SIMULIA（ABAQUS）、ANSYS、PATRAN&NASTRAN等都是針對(duì)用戶實(shí)現(xiàn)一般分析功能的通用程序，在某些特定環(huán)境下或針對(duì)某些具體的工程實(shí)際問題，如先進(jìn)復(fù)合材料分析，由于軟件本身自帶的材料物理本構(gòu)模型無法表述某種復(fù)合材料時(shí)，此時(shí)就必須利用程序來編制適合工程實(shí)際的材料本構(gòu)方程。

4.軟件的綜合應(yīng)用與開發(fā)能力

軟件的綜合應(yīng)用能力是解決工程問題的利器，也是分析和提高計(jì)算的可靠性、有效性和精確性的有利方法。現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)發(fā)展已經(jīng)逐步專業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化，功能強(qiáng)大的、成熟的商業(yè)軟件是解決工程實(shí)際問題的有力工具。在掌握模型建立的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生熟悉多種商業(yè)軟件的使用既有利于對(duì)前期建模、計(jì)算方法、有限元分析等知識(shí)的進(jìn)一步深化，也為今后解決工程實(shí)際問題掌握了有力工具。教學(xué)中要求學(xué)生針對(duì)具體的、較復(fù)雜的工程問題采用成熟軟件進(jìn)行模擬分析，寫出分析報(bào)告，并在課堂講解接受答辯。

二、汽車CAE特色的數(shù)值模擬能力培養(yǎng)和提升的核心課程體系

為了培養(yǎng)既具有汽車結(jié)構(gòu)專業(yè)知識(shí)，又具有較強(qiáng)數(shù)值模擬計(jì)算能力的力學(xué)專業(yè)高素質(zhì)應(yīng)用型專門人才，我們?cè)诶碚撆c應(yīng)用力學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)方案中設(shè)置了“汽車構(gòu)造”和“現(xiàn)代汽車技術(shù)”兩門課程，專門用于培養(yǎng)學(xué)生汽車結(jié)構(gòu)專業(yè)知識(shí)和提高其對(duì)現(xiàn)代汽車技術(shù)發(fā)展的了解和掌握，強(qiáng)化了學(xué)生的工程背景，構(gòu)建了以數(shù)值計(jì)算能力培養(yǎng)和提高為驅(qū)動(dòng)的力學(xué)專業(yè)核心課程體系。整個(gè)課程體系設(shè)置如圖1所示。

數(shù)值模擬能力的基礎(chǔ)是有限單元法，其將工程結(jié)構(gòu)問題抽象成數(shù)學(xué)力學(xué)模型，然后再采用偏微分方程、泛函分析、數(shù)值分析等數(shù)學(xué)工具求出工程實(shí)際問題的近似解，通過不斷提高網(wǎng)格質(zhì)量和增加網(wǎng)格數(shù)量等技術(shù)手段來逼近物理問題的真實(shí)解，學(xué)生要很好掌握有限單元法知識(shí)必須得具有扎實(shí)的彈塑性力學(xué)知識(shí)（其是理解并抽象工程實(shí)際問題的最基本工具和方法），C語言或Fortran語言程序識(shí)讀及編程能力，以及必備的數(shù)值分析能力，這三門學(xué)科知識(shí)奠定了有限單元法堅(jiān)固的理論基礎(chǔ)。[5-6]

在良好掌握有限單元法知識(shí)后，開設(shè)了“CAE軟件應(yīng)用”、“多體動(dòng)力學(xué)軟件及應(yīng)用”、“動(dòng)力學(xué)有限元軟件及應(yīng)用”、“計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及軟件應(yīng)用”等技術(shù)課程。這四門課程的學(xué)習(xí)可以使學(xué)生對(duì)有限元法的理論和編程思想有更深刻的理解和認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)的提升。在“CAE軟件應(yīng)用”課程的學(xué)習(xí)中，采用ABAQUS軟件作為學(xué)生的操作軟件。ABAQUS一直是國外高校科研院所、航空航天領(lǐng)域的標(biāo)志性工具軟件。作為力學(xué)專業(yè)學(xué)生，理應(yīng)需要學(xué)習(xí)專業(yè)性更強(qiáng)、拓展性更好的分析軟件。“多體動(dòng)力學(xué)軟件及應(yīng)用”課程采用的是ADAMS軟件，該軟件在國際多體動(dòng)力學(xué)分析行業(yè)中得到一致認(rèn)可，通過對(duì)多體動(dòng)力學(xué)理論和軟件的學(xué)習(xí)，彌補(bǔ)了理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)學(xué)生機(jī)械知識(shí)薄弱等不足，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)機(jī)構(gòu)等構(gòu)件的認(rèn)識(shí)和理解，同時(shí)，ADAMS軟件在汽車業(yè)界也是公認(rèn)的主流軟件，加深了力學(xué)專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后在汽車業(yè)界的被認(rèn)同感。“動(dòng)力學(xué)有限元軟件及應(yīng)用”主要采用LS-Dyna和Nastran，結(jié)合我校的學(xué)科特點(diǎn)和專業(yè)特色，讓學(xué)生通過動(dòng)力學(xué)理論及軟件的學(xué)習(xí)掌握對(duì)機(jī)械零部件、汽車零部件及整車的動(dòng)力學(xué)特性分析（如機(jī)械零部件的振動(dòng)、汽車的碰撞等）。“計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件及應(yīng)用”課程采用國際公認(rèn)的專業(yè)流體分析軟件Fluent。隨著近年來國內(nèi)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，國產(chǎn)轎車技術(shù)的突飛猛進(jìn)，產(chǎn)生大量需要利用空氣動(dòng)力學(xué)理論來解決的汽車工程問題，如車身外形的設(shè)計(jì)及優(yōu)化、發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻、車內(nèi)空調(diào)制冷優(yōu)化等問題。在掌握了ABAQUS、ADAMS、Nastran、Fluent等通用或?qū)I(yè)分析軟件之后，在人才培養(yǎng)方案中，我們結(jié)合“汽車構(gòu)造”和“現(xiàn)代汽車技術(shù)”兩門專業(yè)課程，讓力學(xué)專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)汽車專業(yè)知識(shí)，將汽車工程實(shí)際問題與已獲得的CAE分析能力有機(jī)結(jié)合起來，達(dá)到力學(xué)專業(yè)并不是只注重理論，還要將力學(xué)專業(yè)知識(shí)與工程背景相結(jié)合的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

三、教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施

在每門課程教學(xué)中，特別注意重點(diǎn)內(nèi)容的選擇，把主要精力放在有限單元法的基本原理、工程實(shí)際問題建模和程序?qū)崿F(xiàn)上，特別是不能把有限單元法的求解過程講解成計(jì)算方法或線性代數(shù)。主要的實(shí)施環(huán)節(jié)可以歸結(jié)為三項(xiàng)。

1.研讀源程序

學(xué)生最早接觸有限元源程序是在有限單元法課程學(xué)習(xí)中，因此，要求學(xué)生不僅理解有限元法程序的設(shè)計(jì)流程、主要模塊功能、算法實(shí)現(xiàn)和調(diào)試驗(yàn)證等主要環(huán)節(jié)的基本原理，而且要求學(xué)生具備對(duì)源程序進(jìn)行修改、增加功能模塊和自行編制調(diào)試程序的能力。在有限單元法課程上準(zhǔn)備了三個(gè)源程序，即入門級(jí)的三角形常應(yīng)變程序、平面問題的等參元程序和板殼單元程序。

2.自主建模

為了培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力，特別是汽車工程的建模能力，在上機(jī)實(shí)習(xí)、考試和課外作業(yè)中實(shí)行自我命題、自我解決、自我判斷的能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)。工程實(shí)際問題的分析模型可能有多個(gè)，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)不同的幾何簡化、載荷工況和邊界約束進(jìn)行分析比較。找到合理模型，積累建模經(jīng)驗(yàn)。

3.閱讀經(jīng)典著作及文獻(xiàn)

以有限元分析軟件為手段的數(shù)值模擬計(jì)算現(xiàn)在已經(jīng)成為各個(gè)研究領(lǐng)域解決工程實(shí)際問題特別是大工程問題的主要手段。因此，培養(yǎng)和提高數(shù)值模擬計(jì)算能力對(duì)于地方工科院校人才培養(yǎng)是十分重要的環(huán)節(jié)。地方高校要加強(qiáng)內(nèi)涵發(fā)展，培養(yǎng)和提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，全面提高人才的培養(yǎng)質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新精神和能力的培養(yǎng)需要對(duì)所學(xué)行業(yè)、學(xué)科及專業(yè)的縱深有了解，因此，在教學(xué)過程中，我們十分重視向?qū)W生引入汽車的先進(jìn)技術(shù)知識(shí)、數(shù)值模擬先進(jìn)手段、超高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。推薦學(xué)生閱讀優(yōu)秀的科研論文以對(duì)計(jì)算力學(xué)的先進(jìn)理論成果進(jìn)行了解，對(duì)CAE領(lǐng)域的發(fā)展具有一個(gè)總體的研判。

有限單元法課程理論深?yuàn)W，涉及學(xué)科錯(cuò)綜復(fù)雜，不同版本教材的作者站在不同的學(xué)科和專業(yè)視角，可能會(huì)讓學(xué)生產(chǎn)生難學(xué)難懂的錯(cuò)覺，甚至有學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)抵觸情緒。我們就此專門向?qū)W生推薦有限單元法領(lǐng)域世界級(jí)大師的著作，如K.J Bathe，J.N Reddy等有限元法原著，傾聽大師對(duì)有限元法的風(fēng)趣詮釋和超凡理解，讓學(xué)生從另外一個(gè)角度來深刻體會(huì)和學(xué)習(xí)知識(shí)。

在該課程體系的實(shí)踐下，我校首屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)學(xué)生取得了良好成績和效果，有33%左右的學(xué)生考上了國內(nèi)著名985高校的研究生，多名學(xué)生就讀于在國際國內(nèi)計(jì)算力學(xué)領(lǐng)域具有重大影響的大連理工大學(xué)，師從業(yè)界有名的計(jì)算力學(xué)專家。其中一名學(xué)生更是以專業(yè)第一名的優(yōu)異成績完勝其他高校學(xué)生，被大連理工大學(xué)計(jì)算力學(xué)專業(yè)錄取為直博研究生。部分學(xué)生憑借其在校期間掌握和積累的數(shù)值模擬計(jì)算分析能力就職于國內(nèi)多家著名汽車整機(jī)或零部件企業(yè)，獲得用人單位一致好評(píng)。

四、結(jié)論

以掌握有限元軟件分析應(yīng)用為手段的數(shù)值模擬計(jì)算能力是地方工科院校力學(xué)專業(yè)學(xué)生應(yīng)具備的基本素質(zhì)。將力學(xué)專業(yè)知識(shí)和飛速發(fā)展的汽車行業(yè)緊密結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生堅(jiān)實(shí)的力學(xué)知識(shí)且具有熱門行業(yè)的專業(yè)知識(shí)和工程背景。拓寬了地方工科院校力學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)的思路和渠道，為力學(xué)專業(yè)畢業(yè)生提供了更為廣闊的用武之地和發(fā)展愿景。通過系列化的課程設(shè)置、工程化的培養(yǎng)手段和融入少許國際元素的教學(xué)理念，為國家培養(yǎng)具有高水平數(shù)值計(jì)算模擬能力的力學(xué)和汽車專業(yè)人才。

參考文獻(xiàn)：

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篇（9）

中圖分類號(hào)：TU2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.前言

工業(yè)工程 （Industrial Engineering， 簡稱IE） 是20世紀(jì)產(chǎn)生的一門學(xué)科。工業(yè)工程學(xué)科產(chǎn)生于美國， 但是在許多發(fā)達(dá)國家得到了廣泛的傳播和應(yīng)用， 并在這些國家的工業(yè)現(xiàn)代化過程中發(fā)揮了重要作用。近年來一些學(xué)者為工業(yè)工程下了一些新定義， 用以反映現(xiàn)代工業(yè)工程的內(nèi)容和職能。其中我國學(xué)者對(duì)工業(yè)工程的認(rèn)識(shí)為： 工業(yè)工程是以系統(tǒng)科學(xué)和運(yùn)籌學(xué)為理論基礎(chǔ)， 從技術(shù)角度對(duì)各種系統(tǒng) （主要是生產(chǎn)系統(tǒng)） 進(jìn)行分析、 規(guī)劃、 設(shè)計(jì)、 優(yōu)化、 評(píng)價(jià)和實(shí)踐， 以達(dá)到不斷提高生產(chǎn)率和整體效益的目的。下面就對(duì)工業(yè)工程涉及的管理、 規(guī)劃與設(shè)計(jì)進(jìn)行淺析。

1.項(xiàng)目管理

在一個(gè)項(xiàng)目中， 個(gè)人和組織之間的協(xié)調(diào)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的任務(wù)。為了確保成功， 要求來自不同組織的工作人員在不同時(shí)間和不同地理位置上有一個(gè)整體的溝通。在項(xiàng)目管理中， 主要可以分為幾大部分： 綜合管理、 范圍管理、 時(shí)間管理、 成本管理、 質(zhì)量管理、 人力資源管理、 溝通管理、 風(fēng)險(xiǎn)管理和采購管理。隨著項(xiàng)目過程和項(xiàng)目生命周期的集成出現(xiàn)的項(xiàng)目管理方法學(xué)中，首先確定在項(xiàng)目生命周期的各個(gè)階段施行過程的哪一個(gè)部分； 其次指派專門人員完成各個(gè)過程或是一個(gè)過程的一部分， 這些人員都要進(jìn)行特定工具或特定技術(shù)的培訓(xùn)； 最后將各個(gè)過程所需的信息輸入或傳出給負(fù)責(zé)項(xiàng)目的人員， 以保證項(xiàng)目參與者良好協(xié)調(diào)的信息流和很好的溝通。一系列設(shè)計(jì)嚴(yán)密的過程由適宜的信息系統(tǒng)支持且由訓(xùn)練有素的團(tuán)隊(duì)執(zhí)行， 那么該組織定會(huì)有很大的競爭力。成功的項(xiàng)目管理要求成功的進(jìn)行項(xiàng)目范圍和成果范圍的計(jì)劃、 執(zhí)行、 控制。而建立團(tuán)隊(duì)和組織學(xué)習(xí)在項(xiàng)目環(huán)境中占有舉足輕重的地位，建立一個(gè)清晰的流程， 并知道如何在過程中正確的走每一步， 這樣在項(xiàng)目管理中才可以取得卓越的績效。

2.產(chǎn)品規(guī)劃

2.1規(guī)劃與產(chǎn)品整合開發(fā)

當(dāng)前市場的特性是： 越來越激烈的國際競爭、 迅速增長的商品復(fù)雜度和極度變革的技術(shù)創(chuàng)新。在創(chuàng)新周期逐漸縮短的同時(shí)， 產(chǎn)品的生命周期和投資回收期也在不斷縮短。這樣， 時(shí)間就成為目前最富挑戰(zhàn)的因素。企業(yè)如何快速成功的占據(jù)市場便成為了重中之重， 這就要求加速創(chuàng)新產(chǎn)品的開發(fā)， 而產(chǎn)品原型的生產(chǎn)則成為了快速開發(fā)產(chǎn)品的關(guān)鍵。

2.1.1快速開發(fā)產(chǎn)品的特征

特征有完整的生命周期、 正確的組織形式、 流程的實(shí)施、 人力和技術(shù)資源的協(xié)調(diào)以及產(chǎn)品開發(fā)流程的結(jié)果。這些獨(dú)立模塊在有一個(gè)大致邊界后可自由發(fā)展至成熟， 但這些帶來的資源的重新配置、 整個(gè)項(xiàng)目過程的同步等問題需我們進(jìn)一步研究。

2.1.2快速產(chǎn)品開發(fā)的基本方法

(1)過程計(jì)劃，

計(jì)劃是規(guī)劃各種過程的第一步， 在涉及一個(gè)復(fù)雜的研發(fā)項(xiàng)目時(shí)， 過程的計(jì)劃是必須的。目前已經(jīng)開發(fā)出的面向小組的項(xiàng)目計(jì)劃系統(tǒng) （TOPP） 的協(xié)調(diào)是通過單一通道下的計(jì)劃來實(shí)現(xiàn)的， 它實(shí)現(xiàn)了面向階段和面向結(jié)果的集成， 并且可支持計(jì)劃制定者來協(xié)調(diào)快速產(chǎn)品開發(fā)和研發(fā)中的全局性工程項(xiàng)目。

(2)數(shù)字原型

總體而言， 建立整個(gè)系統(tǒng)的物理或者虛擬原型極其重要， 尤其在產(chǎn)品開發(fā)的初始階段。掌握了快速開發(fā)產(chǎn)品的特征和快速產(chǎn)品開發(fā)的基本方法之后， 還要考慮研發(fā)隊(duì)伍成員之間的通信與協(xié)作問題。在研發(fā)創(chuàng)新性產(chǎn)品這個(gè)動(dòng)態(tài)的過程中， 小組成員之間的交流會(huì)為實(shí)現(xiàn)高效率和高效益的項(xiàng)目合作起到重要作用。

3.以人為中心的產(chǎn)品規(guī)劃與設(shè)計(jì)

3.1以人為中心的3個(gè)基本目的

目的是： 設(shè)計(jì)應(yīng)該促進(jìn)人的能力提高、 應(yīng)該幫助克服人的局限性、培養(yǎng)人的接受能力。這些目的應(yīng)該在整個(gè)設(shè)計(jì)過程別是初始設(shè)計(jì)階段成為設(shè)計(jì)人員的驅(qū)動(dòng)性思維。運(yùn)用以人為中心的框架會(huì)保證產(chǎn)品或系統(tǒng)的生存性、 認(rèn)可性和有效性等方面的成功。

3.2面向制造的設(shè)計(jì)

面向制造的設(shè)計(jì)的目標(biāo)在于在早期的產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就考慮可生產(chǎn)性的問題， 以便在較短的交付時(shí)間內(nèi)以較低的價(jià)格吸引顧客并滿足顧客需要。面向制造的設(shè)計(jì)將被運(yùn)用于工業(yè)環(huán)境中， 所以我們要關(guān)注提高工程師個(gè)體在設(shè)計(jì)與制造方面的專業(yè)知識(shí)水平以及促進(jìn)設(shè)計(jì)與制造小組之間較好較早地交流溝通。

3.3面向客戶端的設(shè)計(jì)

面向客戶端的設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是以客戶需求為基礎(chǔ)，通過充分市場調(diào)研，了解客戶需求和使用習(xí)慣，滿足客戶最大化的服務(wù)要求。通過準(zhǔn)確的市場細(xì)分和市場定位，使得產(chǎn)品能迅速打開市場，同時(shí)不斷提高客戶對(duì)產(chǎn)品的忠誠度，從而使得產(chǎn)品的市場份額不斷得到鞏固和提高。

4.工業(yè)工程未來的發(fā)展趨勢

20世紀(jì)90年代以來， 特別是進(jìn)入新世紀(jì)之后， 工業(yè)生產(chǎn)的全球化日益加深， 市場競爭愈演愈烈， 新技術(shù)不斷涌現(xiàn)， 工業(yè)技術(shù)水平日益提高社會(huì)需求不斷變化， 工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大。這些都客觀上要求工業(yè)工程不斷吸收新技術(shù)， 以適應(yīng)全球化的工業(yè)生產(chǎn)。工業(yè)工程的發(fā)展趨勢體現(xiàn)出新形勢下發(fā)展要求。

(1)多學(xué)科融合加快。現(xiàn)代生產(chǎn)日趨復(fù)雜， 新產(chǎn)品新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，這些促進(jìn)了工業(yè)工程學(xué)科大量的引進(jìn)系統(tǒng)的科學(xué)思想及系統(tǒng)的工程理論和方法， 廣泛吸收各種現(xiàn)代科學(xué)理論和方法， 如計(jì)算機(jī)技術(shù)、 微電子技術(shù)、 機(jī)電一體化技術(shù)、 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、 管理信息系統(tǒng)、 決策支持技術(shù)、 人工智能技術(shù)、 計(jì)算機(jī)專家系統(tǒng)以及生物力學(xué)、 心理學(xué)、 運(yùn)籌學(xué)等， 使工業(yè)工程這門綜合性學(xué)科不斷充實(shí)完善， 日趨現(xiàn)代化。

(2)應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。工業(yè)工程的研究應(yīng)用領(lǐng)域遍及生產(chǎn)工程、物料搬運(yùn)與存儲(chǔ)管理、 工廠與車間管理、 成本分析與控制、 價(jià)值工程、 可靠性工程、 投資分析、 財(cái)務(wù)分析與管理等各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。近年來， 工業(yè)工程技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)大到如流通、 商貿(mào)、 服務(wù)業(yè)、 非盈利性組織等非生產(chǎn)制造領(lǐng)域。

(3)研究手段日趨復(fù)雜。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及其他科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展， 新的工業(yè)工程研究手段不斷出現(xiàn)， 其研究方法也日趨復(fù)雜。如傳統(tǒng)的數(shù)字仿真只能得到用數(shù)字表示的仿真結(jié)果， 以及相應(yīng)的二維圖像， 其應(yīng)用深度受到很大的限制， 而最新的仿真技術(shù)可以將仿真與虛幻現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合， 將設(shè)計(jì)者置于虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中， 使其能 “身臨其境” 地發(fā)現(xiàn)潛在問題， 從而降低制造成本、 縮短實(shí)施時(shí)間、 避免反復(fù)的設(shè)計(jì)。模糊數(shù)學(xué)、 遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等， 也不斷引入到方法研究中。

(4)強(qiáng)調(diào)以人為本。現(xiàn)代工業(yè)工程對(duì)生產(chǎn)要素優(yōu)化組合新規(guī)律的探索不斷深化， 其中心問題是對(duì)人和其他生產(chǎn)要素之間的關(guān)系的研究。在生產(chǎn)系統(tǒng)中， 人始終是重要角色， 提高生產(chǎn)率的問題歸根到底是以人為中心來展開研究。人、 機(jī)器和設(shè)施的最佳組合， 人在變速、 高速系統(tǒng)中的適應(yīng)性， 環(huán)境對(duì)人的影響等這些人類工程學(xué)的課題也是工業(yè)工程

的重要研究領(lǐng)域。

5.結(jié)語

當(dāng)代全球競爭的熱點(diǎn)已由硬資源(物質(zhì)資源)轉(zhuǎn)向軟資源——科技、信息、 資金和人才， 爭奪的焦點(diǎn)不僅是占有這些資源， 更重要的是資源的優(yōu)化配置和合理利用。面臨21世紀(jì)， 強(qiáng)大的先進(jìn)制造技術(shù)將使制造業(yè)能夠靈活、 快捷地適應(yīng)市場需求， 向社會(huì)提供更多、 更好、 更能讓顧客滿意的產(chǎn)品和服務(wù)。

在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代， 創(chuàng)新是靈魂， 通過持續(xù)不斷的技術(shù)創(chuàng)新、 組織創(chuàng)新和管理創(chuàng)新， 將進(jìn)一步激發(fā)工業(yè)工程的創(chuàng)造活力， 使工業(yè)工程學(xué)科更加充實(shí)， 更加完善， 更加普及。隨著制造業(yè)的曙光在中國大地的展現(xiàn)，工業(yè)工程在中國的研究和應(yīng)用也必將出現(xiàn)重大突破和飛躍發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

［1］ 熊永家， 婁文忠.工業(yè)工程方法從入門到精通.機(jī)械工業(yè)出版社，2009 年10月第1版 8-9

篇（10）

檢 索：.cn

中圖分類號(hào)：TB47 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008-2832（2016）07-0105-03

Man Machine Engineering in Machine Tool Design

MAO Yang（Dalian Polytechinc University Art and Information Engineering，Dalian 116600，China）

Abstract ：In the field of industrial production， NC machine tool is a kind of very important equipment，its quality directly affects the quality of the product. Is the current situation， domestic CNC machine tools exist defects in rigid lines， the operation is complicated， not only can not effectively enhance machining quality and efficiency， also may endanger the safety of life and property of the assembly line workers. The author combined the work experience and the related theory knowledge， in this paper has studied the machine tool design in the man-machine engineering application， for the related personnel reference.

Key words ：machine tool modeling； design； ergonomics

Internet ：.cn

人機(jī)工程學(xué)自誕生以來便受到了數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)界的廣泛關(guān)注，機(jī)床設(shè)計(jì)者利用人機(jī)工程學(xué)來改善數(shù)控機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)條件、調(diào)整機(jī)床顯示屏安裝角度等。現(xiàn)階段，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)知識(shí)所制造的數(shù)控機(jī)床不僅具備美觀的外型，性能也得到了顯著的提升。

一、人機(jī)工程學(xué)概述

心理學(xué)、人體測量學(xué)、生物力學(xué)、生理學(xué)與工程學(xué)等學(xué)科知識(shí)共同構(gòu)成了人機(jī)工程學(xué)。在機(jī)床造型設(shè)計(jì)中應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)的主要目標(biāo)是結(jié)合該學(xué)科理論，設(shè)計(jì)出擁有最大運(yùn)轉(zhuǎn)效率、操作便利安全的機(jī)械設(shè)備。人機(jī)工程學(xué)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)確保人、機(jī)器以及環(huán)境系統(tǒng)總體性能最優(yōu)化的目的，主要原因是其向設(shè)計(jì)者揭示了人、機(jī)器以及環(huán)境三者之間的規(guī)律與關(guān)系。

近年來，人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用愈來愈廣泛，應(yīng)用主要集中于工業(yè)領(lǐng)域。通過應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)，人們有效地提升了機(jī)器的性能、改善了工人的操作條件、減少了職業(yè)病的發(fā)生幾率。就目前狀況而言，我國工業(yè)發(fā)展勢頭較好，數(shù)控機(jī)床應(yīng)用普遍，所以人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用條件良好。

二、數(shù)控機(jī)床人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

人機(jī)系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用的基本目標(biāo)便是實(shí)現(xiàn)“機(jī)宜人，人適機(jī)”。數(shù)控機(jī)床能夠承受巨大的工作量，在工件精度控制方面具有巨大的優(yōu)勢，而相比于數(shù)控機(jī)床，人擁有活躍的思維，能夠?qū)ぷ髦械耐话l(fā)狀況做出緊急處理。在數(shù)控機(jī)床造型設(shè)計(jì)上應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)知識(shí)，就是為了加強(qiáng)人與機(jī)器的配合，從而最大程度地強(qiáng)化人機(jī)系統(tǒng)的總體功能并提升系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

人與數(shù)控機(jī)床構(gòu)成和諧的人機(jī)系統(tǒng)，人與機(jī)器共同履行應(yīng)盡的職責(zé)。人機(jī)系統(tǒng)中，機(jī)器負(fù)責(zé)開展高強(qiáng)度的運(yùn)算以及工件加工工作，操作人員則負(fù)責(zé)編寫控制程序、下發(fā)操作指令以及維護(hù)保養(yǎng)數(shù)控機(jī)床等。

三、人機(jī)系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

（一）工作臺(tái)控制裝置設(shè)計(jì)

工作臺(tái)是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵構(gòu)成成分，其負(fù)責(zé)對(duì)相關(guān)工件進(jìn)行加工。工作臺(tái)控制裝置是指揮機(jī)械臂運(yùn)轉(zhuǎn)的“大腦”，在工作臺(tái)控制裝置設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)者必須要考慮到操作人員手臂活動(dòng)范圍等因素，力求使操作人員能夠便捷地操作工作臺(tái)。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床操作人員患有腰肌勞損、腰椎盤突出等疾病，造成該現(xiàn)象的主要原因之一是常規(guī)的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)使得操作者長時(shí)間地處于靜態(tài)彎腰狀態(tài)中。因此，數(shù)控機(jī)床人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)竭力避免上述問題的發(fā)生，合理地設(shè)計(jì)工作臺(tái)臺(tái)面，充分結(jié)合人機(jī)工程學(xué)相關(guān)知識(shí)來確定臺(tái)面的高度。

通常情況下，操作人員是站立操作工作臺(tái)的，在此情況下，工作臺(tái)面應(yīng)當(dāng)靠近操作員的手部，如此方能避免操作人員長時(shí)間彎腰的現(xiàn)象出現(xiàn)，還能有效地防止操作人員因身體前傾而跌倒。數(shù)控機(jī)床的控制桿和手柄由杠桿以及執(zhí)握柄構(gòu)成，從操作條件來看，控制桿以及手柄屬于單手控制器范疇，數(shù)控機(jī)床的手柄一般在操縱力相對(duì)較小的操作環(huán)境下使用。結(jié)合人體工程學(xué)相關(guān)知識(shí)，認(rèn)為在手柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度不大于手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的常規(guī)角度的條件下，工作人員的操作將更加地輕松高效。

為了最大程度地消除數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程中手柄與操作人員手掌之間的摩擦，可以采用軸套式的手柄設(shè)計(jì)。為了提升操作人員手部的舒適性，可以采用觸感良好的軟樹脂作為手柄套的材料，也可以為操作人員發(fā)放軟樹脂制成的工作手套，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)操作人員手部進(jìn)行雙重保護(hù)的目的。

（二）顯示輸入面板設(shè)計(jì)

顯示輸入面板是數(shù)控機(jī)床的核心組分，負(fù)責(zé)顯示數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)等重要工作。顯示輸入面板的高度設(shè)計(jì)十分重要，傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床未重視顯示輸入面板的高度設(shè)計(jì)工作，從而導(dǎo)致操作人員無法便捷地觀測運(yùn)行數(shù)據(jù)，不僅影響了數(shù)控機(jī)床的正常運(yùn)行，同時(shí)在一定程度上影響了操作人員的身體健康。

依照人機(jī)工程學(xué)理論，認(rèn)為數(shù)控機(jī)床顯示輸入面板的高度應(yīng)當(dāng)取百分之五十的人體尺寸，即設(shè)計(jì)成操作人員平均身高的一半，事實(shí)表明，該種設(shè)計(jì)能夠有效地滿足機(jī)床操作人員的操作要求，使操作人員能夠輕松地完成數(shù)據(jù)分析、輸入等工序。為了提升面板操作的舒適性，機(jī)床設(shè)計(jì)者還需要重點(diǎn)考慮面板高度與操作人員肘高的適應(yīng)性。如果操作人員經(jīng)常性地抬高手臂以進(jìn)行顯示輸入面板操作，則容易產(chǎn)生肌肉酸痛感，長此以往可能造成手臂肌肉血液循環(huán)不暢，所以，機(jī)床設(shè)計(jì)者需要充分確保面板與操作人員的肘高相匹配。

需要特別指出的是，應(yīng)當(dāng)采用可調(diào)節(jié)式面板設(shè)計(jì)，這是因?yàn)槊總€(gè)人的生理構(gòu)造有著細(xì)微的差別，在此情況下，如果面板是固定的，即使高度設(shè)計(jì)考慮到了操作人員身高平均值、肘高平均值等因素，也難以最為有效地為每一個(gè)操作人員提供最優(yōu)的工作環(huán)境。就目前狀況而言，懸掛式、分離式、貼合式以及下伸式等形式的顯示輸入面板技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較低、實(shí)際應(yīng)用效果頗佳，因此被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床中。每個(gè)操作人員對(duì)面板高度的要求不同，所以應(yīng)當(dāng)在控制面板上安裝體積與高度合理的把手，從而有效地增強(qiáng)操作人員的工作便利性。

由于現(xiàn)代化的數(shù)控機(jī)床需要執(zhí)行多類加工任務(wù)，功能比較豐富，因此顯示輸入面板上分布著大量的按鍵，按鍵的大小設(shè)計(jì)工作十分重要，按鍵過大或者過小都可能導(dǎo)致操作效率低下甚至引發(fā)誤操作，影響數(shù)控機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)效率與質(zhì)量。面板按鍵尺寸大小要與操作人員手指端面積相匹配。一般來講，按鍵面積需要稍稍大于人的手指端面積。為了保障操作的準(zhǔn)確性，按鍵的工作行程以及按壓力需要符合相關(guān)行業(yè)規(guī)范與國家標(biāo)準(zhǔn)。

為了盡量縮小顯示輸入面板的體積，按鍵的排布應(yīng)當(dāng)盡量緊密，但是應(yīng)當(dāng)注意按鍵排布不能過于緊密，否則操作人員可能在無意間同時(shí)按下兩個(gè)鍵位，如此有可能引發(fā)相關(guān)安全事故。得益于科技的迅猛進(jìn)步，現(xiàn)階段數(shù)控機(jī)床控制面板按鍵技術(shù)得到了極大的改進(jìn)，國有企業(yè)基本普及了感應(yīng)式鍵盤設(shè)計(jì)，這種面板感應(yīng)靈敏度非常好，并且擁有極佳的觸感，能夠顯著地增強(qiáng)數(shù)控機(jī)床操控工作的舒適性。

為了促使操作人員能夠更好更快地獲取收索信息，應(yīng)當(dāng)依照一定的原則來設(shè)計(jì)按鍵的排布，經(jīng)驗(yàn)表明，奇數(shù)個(gè)橫向的按鍵排列方式能夠最為有效地提升操作人員信息獲取工作的便利性與準(zhǔn)確性。最好劃分功能鍵位區(qū)域，劃出字母鍵、數(shù)字鍵以及方向指示鍵等鍵位區(qū)域，如此能夠幫助操作人員更好地找到所需鍵位，同時(shí)有利于操作人員養(yǎng)成良好的擊鍵習(xí)慣。

數(shù)控機(jī)床顯示輸入面板上分布著大量的旋鈕，有的旋鈕可以旋轉(zhuǎn)一周以上，有的旋鈕只能旋轉(zhuǎn)一周以內(nèi)，而有的旋鈕則無法旋轉(zhuǎn)，這類旋鈕發(fā)揮著定向指示的作用。為了便于操作人員迅速區(qū)分不同功能的旋鈕，可以在旋鈕設(shè)計(jì)中應(yīng)用色彩編碼技術(shù)。依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范可知，紅色可以用來表示停止機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)，而綠色則表示接通或者啟動(dòng)數(shù)控機(jī)床。

為了提升操作的準(zhǔn)確性與便捷性，數(shù)控機(jī)床面板上分布了一些符號(hào)與文字以標(biāo)示鍵位的功能，如果操作環(huán)境中照明條件不佳，則操作人員將較難在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確獲取標(biāo)示文字以及符號(hào)的信息，因此，建議設(shè)計(jì)者在面板鍵盤設(shè)計(jì)上采用背光技術(shù)，如此能夠顯著地改善面板操作環(huán)境，增強(qiáng)擊鍵的準(zhǔn)確性與便捷性。

（三）機(jī)床開合門設(shè)計(jì)

在數(shù)控機(jī)床中，開合門是一道非常重要的設(shè)施，其能夠較為有效地保護(hù)操作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，與此同時(shí)還能發(fā)揮隔聲的效果。機(jī)床操作人員需要實(shí)時(shí)監(jiān)控工作臺(tái)，為了支持這一工作，設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計(jì)開合門上的視窗，視窗不宜過大也不能太小。現(xiàn)階段，數(shù)控機(jī)床開合門主要采用左右拖拉設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)確保拖拉開合門的力的大小處于合理水平。通常情況下，加工中心中的加工任務(wù)繁多、而且數(shù)控機(jī)床的體積也較大，而對(duì)于大型數(shù)控機(jī)床而言，最好增大把手的長度與開合門的尺寸。

（四）生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計(jì)

現(xiàn)代化的數(shù)控機(jī)床操作業(yè)務(wù)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求極高，因此要確保生產(chǎn)環(huán)境具備干凈整潔的特征。為了增強(qiáng)工作人員操作機(jī)床面板的舒適性，認(rèn)為需要確保數(shù)控機(jī)床的造型與生產(chǎn)環(huán)境相和諧，著重突出數(shù)控機(jī)床造型的人性化特點(diǎn)。行為心理學(xué)相關(guān)理論指出，顏色可以影響人的行為與心理，在中國傳統(tǒng)文化中，紅色象征著喜悅、豐收，藍(lán)色代表著沉穩(wěn)、寧靜，鑒于數(shù)控機(jī)床實(shí)際操作狀況，認(rèn)為采用紅色作為機(jī)床裝飾色的方案不太實(shí)際，綜合考慮后，認(rèn)為可以將藍(lán)色與綠色作為數(shù)控機(jī)床的主色調(diào)。

使用藍(lán)色與綠色來裝飾數(shù)控機(jī)床益處頗多。藍(lán)色能夠在一定程度放松人的心情，使得操作人員在輕松愉悅的環(huán)境中開展相關(guān)工作，而綠色不僅給人以清新的感受，還能有效地減緩操作人員的視覺疲勞，防止操作人員患上近視眼，有效地保護(hù)了操作人員的視力。德國是數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)技術(shù)最發(fā)達(dá)的國家，而韓國DMG公司生產(chǎn)的一款數(shù)控機(jī)床便采用了藍(lán)綠色開合門設(shè)計(jì)，據(jù)一些機(jī)床操作人員反映，操作藍(lán)綠色的機(jī)床設(shè)備能夠放松自身的心情，從而提升了工作效率以及質(zhì)量。

（五）安全防護(hù)設(shè)計(jì)

安全防護(hù)設(shè)計(jì)工作意義重大，在過去幾年中，媒體報(bào)道了許多慘烈的機(jī)床安全事故，主要原因之一是數(shù)控機(jī)床安全設(shè)計(jì)不到位，因此必須要確保數(shù)控機(jī)床的造型設(shè)計(jì)滿足相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，能夠給予操作人員一個(gè)安全舒適的操作環(huán)境。為了提升操作人員的心理安全感，數(shù)控機(jī)床的造型必須完全符合人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)要求，要擁有飽滿的整體造型。應(yīng)當(dāng)高度重視數(shù)控機(jī)床的著色處理工作，主要采用藍(lán)色與綠色，如此能夠促使操作人員獲得足夠的心理安全感。除此之外，要著力于完善人機(jī)工程設(shè)計(jì)，做好造型尺寸設(shè)計(jì)工作。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，很大一部分機(jī)床安全事故的誘因是操作人員無意間接觸了機(jī)床的按鈕開關(guān)，所以為了保障操作人員的安全，必須要規(guī)范數(shù)控機(jī)床的尺寸設(shè)計(jì)，并將關(guān)鍵按鈕置于不易被無意碰觸到的位置上。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)做好數(shù)控機(jī)床顯示以及控制裝置設(shè)計(jì)工作，各項(xiàng)設(shè)計(jì)需要充分結(jié)合操作人員的心理以及生理特點(diǎn)，最大程度地避免不合理設(shè)計(jì)的出現(xiàn)。由于操作人員需要長時(shí)間地查看顯示面板上的數(shù)據(jù)，長此以往可能會(huì)影響操作人員的視力，因此可以采用智能化面板設(shè)計(jì)，設(shè)置視力保護(hù)提醒時(shí)間。

四、如何提升數(shù)控機(jī)床造型設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量

（一）提升機(jī)床設(shè)計(jì)者的綜合素質(zhì)

無論是何種工作，在其中發(fā)揮最關(guān)鍵作用的因素的“人才”，數(shù)控機(jī)床造型設(shè)計(jì)工作也不例外。通過調(diào)查走訪，發(fā)現(xiàn)部分機(jī)床設(shè)計(jì)者的綜合素質(zhì)不高，主要表現(xiàn)在專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備量不足與對(duì)人機(jī)工程學(xué)知識(shí)理解不透徹上。因此，企業(yè)要對(duì)癥下藥，采取針對(duì)性措施以提升機(jī)床設(shè)計(jì)者的綜合素質(zhì)。建議企業(yè)通過舉辦行業(yè)專家講座以及組織專業(yè)技能培訓(xùn)活動(dòng)等形式來切實(shí)地?cái)U(kuò)充機(jī)床設(shè)計(jì)者的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備與強(qiáng)化其實(shí)踐設(shè)計(jì)能力，從而使其更加適應(yīng)新時(shí)期數(shù)控機(jī)床造型設(shè)計(jì)工作的各類要求。

除此之外，企業(yè)應(yīng)當(dāng)定期派遣業(yè)績突出、學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的設(shè)計(jì)者前往德國、日本等數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)、制造技術(shù)成熟發(fā)達(dá)的國家學(xué)習(xí)交流，以便回國后提升設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的整體綜合素質(zhì)。企業(yè)可以制定合理的薪資分層制度，將機(jī)床設(shè)計(jì)人員的工作業(yè)績、工作態(tài)度以及周圍同事對(duì)其的評(píng)價(jià)等因素納入薪資考核體系當(dāng)中，通過物質(zhì)方面的激勵(lì)以激發(fā)設(shè)計(jì)人員的工作積極性。

（二）加快數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

客觀上講，我國數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)與制造技術(shù)與德日等國家仍有較大的差距，除了人才保障體系方面有一定差落外，機(jī)床設(shè)計(jì)制造行業(yè)缺乏健全的技術(shù)指導(dǎo)體系也是造成中國數(shù)控機(jī)床整體性能落后進(jìn)口德日機(jī)床的主要原因之一。鑒于上述情況，認(rèn)為政府應(yīng)當(dāng)盡快組織專家小組，研討建立合理可行的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)與制造標(biāo)準(zhǔn)體系，從而為廣大機(jī)床設(shè)計(jì)、制造企業(yè)提供權(quán)威可靠的參考。此外，政府應(yīng)當(dāng)加大對(duì)中小型機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)的財(cái)政補(bǔ)貼力度，降低這些企業(yè)的銀行貸款門檻，如此方能最大程度地促進(jìn)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)行業(yè)的總體進(jìn)步。

五、結(jié)語

新的發(fā)展形勢下開展機(jī)床造型設(shè)計(jì)革新工作極為必要，人體工程學(xué)在機(jī)床設(shè)計(jì)中能發(fā)揮巨大的作用，為此，廣大設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)積極學(xué)習(xí)人機(jī)工程學(xué)知識(shí)，善于借鑒優(yōu)秀的機(jī)床設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際工作中保持認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，如此方能促進(jìn)我國工業(yè)的長足發(fā)展。

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