基于Jack虛擬仿真技術(shù)的校園床位設(shè)施優(yōu)化設(shè)計

王平凱　鐘嶺

中圖分類號：TS664 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2021）09-0157-02

1 Jack 虛擬仿真技術(shù)概述

Simens Jack是西門子工業(yè)軟件有限公司旗下的一款人因工程分析軟件。目前該軟件已成為集三維仿真、數(shù)字人體建模、人因功效分析等主要功能于一體的高端仿真軟件。Jack虛擬仿真軟件能夠?qū)θ藱C交互行為進(jìn)行動態(tài)可視化，通過導(dǎo)入用戶創(chuàng)建的三維模型，構(gòu)建仿真環(huán)境。其還能引入具有生物力學(xué)特性的三維人體模型，給數(shù)字人指派動作任務(wù)，通過數(shù)字人行為仿真分析以獲取所需的研究信息。數(shù)字人建模技術(shù)是Jack 虛擬仿真軟件中的關(guān)鍵技術(shù)，主要優(yōu)勢在于其十分靈活、逼真的三維人體仿真行為，包含詳細(xì)的三維人體模型，特別是手、脊柱、肩等部位的模型。同時，Jack 虛擬仿真軟件的人機分析工具和評價方法全面且適用范圍廣泛，包括下背部受力分析、靜態(tài)強度分析、工作姿勢分析等工具。

2 校園床位設(shè)施設(shè)計現(xiàn)狀

床位設(shè)施作為校園設(shè)施中重要的一部分，是學(xué)生日常生活的主要場所。隨著我國的教育事業(yè)蓬勃發(fā)展，高校在校學(xué)生人數(shù)由1978年的86萬發(fā)展到如今的3833多萬。然而與大幅度增長的在校生人數(shù)以及寢室數(shù)量相比，學(xué)生寢室在居住環(huán)境方面的改善卻相當(dāng)有限，雖然寢室宿舍在居住面積以及居住人數(shù)上已經(jīng)有了相應(yīng)的改善，但是對于寢室設(shè)施建設(shè)的布局、床位設(shè)施的設(shè)計等方面還存在很多問題。

國外對學(xué)生宿舍的相關(guān)研究較早，美國著名的校園規(guī)劃專家、大學(xué)規(guī)劃學(xué)會創(chuàng)始人理查德· 道貝爾在二十世紀(jì)先后著述了多部關(guān)于校園規(guī)劃與設(shè)計的著作?？偨Y(jié)了世界各國大學(xué)校園的建設(shè)經(jīng)驗，提出了對這些設(shè)施的設(shè)計準(zhǔn)則，詳細(xì)闡述了這些建筑的類型，尤其是和大學(xué)生居住生活相關(guān)的設(shè)施。我國國內(nèi)學(xué)者對學(xué)生公寓的研究也取得一定成果，黃艷芳對大學(xué)生宿舍居室合理的設(shè)計模式進(jìn)行探討，提出大學(xué)生宿舍的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，張玉潔提出了學(xué)生公寓設(shè)計要以人為本，以學(xué)生的生活需求為設(shè)計原則，合理配置公寓的功能結(jié)構(gòu)等。

3 基于Jack 虛擬仿真技術(shù)的校園床位設(shè)施優(yōu)化設(shè)計流程

3.1 建立虛擬仿真分析環(huán)境

虛擬仿真環(huán)境的構(gòu)建是校園床位設(shè)施人機舒適性分析的基礎(chǔ)，其中數(shù)字人模型與床位設(shè)施模型是仿真環(huán)境的組成要素。為了使研究能夠更加具備普適性，虛擬環(huán)境中的動作主體確定為CHINESE 數(shù)據(jù)庫中第50百分位的人體尺寸的數(shù)字人模型，建立后檢查其形態(tài)是否存在比例異常等現(xiàn)象，并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。校園床位設(shè)施的三維模型使用Catia軟件進(jìn)行建立，其參數(shù)設(shè)置均為實際測量所得。模型建立完成之后，保存為通用格式“igs.”文件，用“Import”命令將外部的“igs.”格式的模型導(dǎo)入到Jack軟件中，導(dǎo)入時要注意比例大小和坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，建立虛擬仿真分析環(huán)境。

3.2 分析校園床位設(shè)施的舒適性

首先在初步建立的仿真環(huán)境中進(jìn)行人機舒適性分析。根據(jù)學(xué)生對于床位設(shè)施的實際使用情況，確定爬梯動作為主要姿態(tài)，文章以第50 百分位數(shù)字人為例，選擇靜態(tài)強度分析和工作姿勢分析對學(xué)生爬梯姿態(tài)進(jìn)行研究。

3.2.1 靜態(tài)強度分析

[Static Strength Prediction]（靜態(tài)強度分析）工具可以從動力學(xué)的角度評估有多少百分比的人能夠保持任務(wù)中的某一姿勢進(jìn)行工作。通過對爬梯姿態(tài)進(jìn)行細(xì)致觀察和詳細(xì)記錄后，確定完成爬梯動作共需要六個步驟，在仿真環(huán)境中調(diào)整數(shù)字人的關(guān)節(jié)姿勢，逐一還原爬梯動作，并對每一步動作依次進(jìn)行靜態(tài)強度分析。

第一步動作分析：數(shù)字人高舉雙臂抓握上部欄桿。如圖1為

靜態(tài)強度分析直方圖和靜態(tài)強度評估圖表。靜態(tài)強度分析直方圖表示在完成該任務(wù)的情況下，能夠承受每個關(guān)節(jié)上肌肉受力的男性（或者女性）百分比，從圖中可知各關(guān)節(jié)完成百分?jǐn)?shù)為100%，在此動作下各個指標(biāo)都接近100%，說明該動作舒適度良好。

第二步動作分析：抬起左腳踩踏在第一階梯上。此時靜態(tài)強度分析直方圖中手腕、肘、肩膀、軀干、臀部、膝蓋、腳踝動作完成百分?jǐn)?shù)為100%，靜態(tài)強度評估圖表中各參數(shù)均在正常范圍內(nèi)，說明該動作舒適度良好。

第三步動作分析：抬起右腳踩踏在第二階梯上，身體發(fā)生一定程度的彎曲。此時靜態(tài)強度分析直方圖中手腕、肘、肩膀、軀干、腳踝動作完成百分?jǐn)?shù)為100%，臀部、膝蓋的動作完成過程中出現(xiàn)了輕微的不適，靜態(tài)強度評估圖表中Torque Value和Mean Strengths參數(shù)開始發(fā)生變化，說明該動作完成過程中有少數(shù)人感覺吃力。

第四步動作分析：高抬左腳，左小腿與膝蓋到達(dá)床鋪位置。此時靜態(tài)強度分析直方圖中，手腕、肘、肩膀、軀干、動作完成百分?jǐn)?shù)為100%，臀部、腳踝動作在完成時會有少數(shù)人產(chǎn)生不適，但在完成膝蓋的動作時，百分?jǐn)?shù)不足50%，會有大部分人感到疲勞。同時，靜態(tài)強度評估圖表中左膝蓋的力矩已經(jīng)超過100Nm。說明在完成此動作時，局部部位會產(chǎn)生較嚴(yán)重的不適感。

第五步動作分析：高抬右腳，右小腿與膝蓋到達(dá)床鋪位置。此時靜態(tài)強度分析直方圖中手腕、肘、肩膀、軀干、動作完成百分?jǐn)?shù)為100%，臀部、膝蓋、腳踝動作在完成時會有少數(shù)人產(chǎn)生不適。說明在完成此動作時，局部部位會產(chǎn)生一些不適感。

3.2.2 工作姿勢分析

[Ovako Working Posture Analysis]（工作姿勢分析）簡稱[OWAS]，可以快速檢查工作姿勢，評價基于背部、手臂和腿負(fù)載要求的工作姿勢的不適度。

對于指定的姿態(tài)，[OWAS] 工具制定了背部、手臂的評分，腿的位置及負(fù)荷要求。這些評分及工作姿勢的“糾正需求”等級顯示在一個對話框中，[OWAS] 將工作姿態(tài)需要改進(jìn)的緊迫程度、工作姿態(tài)疲勞等級按1～4進(jìn)行劃分。四個級別如下：（1） 級別1（AC1）：姿勢是正常的，沒有糾正的必要;（2） 級別2（AC2）：姿勢可能有一定的不良影響，雖不需要立即采取行動，但也應(yīng)近期調(diào)整;（3） 級別3（AC3）：姿勢有不良影響，應(yīng)盡快糾正;（4） 級別4（AC4）：姿勢有害，必須立即糾正。

對第一步動作進(jìn)行分析：如圖2，得出結(jié)果數(shù)據(jù)為“2321”，對照評分及工作姿勢的“糾正需求”等級對話框，對應(yīng)背部、手臂、腿部、重量與施力的數(shù)值，即得到級別2（AC2）：姿勢可能有一定的不良影響，雖不需要立即采取行動，但也應(yīng)近期調(diào)整。

對爬梯動作依次進(jìn)行工作姿勢分析，其OWAS 級別分別為：級別1（AC1）、級別2（AC2）、級別1（AC1）、級別2（AC2）、級別3（AC3）。

通過對學(xué)生爬梯動作的仿真和校園床位設(shè)施的舒適性分析，發(fā)現(xiàn)爬梯動作存在的不合理性：爬梯角度垂直，雖然能夠節(jié)省所占用空間，但對于使用者而言爬梯過程費力，舒適性差，極易造成人體產(chǎn)生疲勞和不適，不符合人因工程學(xué)理論。鑒于此，對現(xiàn)有的床位設(shè)施展開優(yōu)化設(shè)計。

3.3 提出校園床位設(shè)施優(yōu)化設(shè)計策略

經(jīng)過上述分析，對當(dāng)前床位設(shè)施提出優(yōu)化設(shè)計策略方案。如圖3 所示，模型改善了爬梯過程中的爬梯角度，設(shè)置了可收放的爬梯;為降低在爬梯過程中雙腳的不適感受，改善后的模型將腳踏板加寬且可轉(zhuǎn)動收納，增加腳踏面積且節(jié)省空間。爬梯下部增加了可轉(zhuǎn)動橫桿，在對應(yīng)下鋪床架處增加固定卡槽。使用時，將可轉(zhuǎn)動橫桿向上轉(zhuǎn)動90°，固定在下鋪床架的卡槽上，梯子自動傾斜，可腳踩踏板上床;不使用時，將橫桿豎直放下，梯子自動回落，靠于原爬梯上，同時將踏板翻轉(zhuǎn)90°垂直放置。

將優(yōu)化設(shè)計后的床位設(shè)施三維模型文件導(dǎo)入Jack 軟件中，同時建立第50百分位的虛擬數(shù)字人模型，創(chuàng)建新的虛擬仿真環(huán)境。通過再次利用[Static Strength Prediction]和[Ovako WorkingPosture Analysis]工具進(jìn)行舒適性分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)字人在優(yōu)化設(shè)計后的床位設(shè)施上完成爬梯動作時，各項參數(shù)均在正常范圍內(nèi)，能夠達(dá)到人機工程學(xué)要求，降低了使用者的身體疲勞感。

4 結(jié)語

基于校園床位設(shè)施的實際情況，文章對現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行仿真分析，探究更為合理舒適的床位設(shè)施設(shè)計，通過初步模擬仿真，發(fā)現(xiàn)設(shè)施的不合理處，進(jìn)而在原有床位設(shè)施基礎(chǔ)上展開優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后的校園床位設(shè)施提高了學(xué)生的使用舒適性，符合人機工程學(xué)要求。由于實際環(huán)境條件的制約，優(yōu)化設(shè)計后的床位設(shè)施尚未達(dá)到完全理想的狀態(tài)，其舒適性和宜人性仍存在上升空間，在后續(xù)的研究中將繼續(xù)進(jìn)行深入地優(yōu)化設(shè)計，為校園設(shè)施設(shè)計提供理論參考。