生物力学与仿真技术大全11篇

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篇（1）

中图分类号： 文献标识码： A 文章编号：

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

基金项目： 国家自然科学基金（10972062）；国家体育总局科教司项目（2014B036）；重庆三峡学院青年基金项目（14QN16）

作者简介：吴成亮（1984-），男，湖北人，硕士，讲师，研究方向为运动生物力学；向家俊（1965-），男，重庆人，本科，教授，研究方向为体育专业教育；徐波 （1965- ），男， 四川乐山人，博士，教授，研究方向学校体育。

作者单位： 1.重庆三峡学院，重庆 404100；2.浙江体育科学研究所，浙江杭州 310004；3.山东工商学院，山东烟台 264005；4.河北体育科学研究所，河北石家庄 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.

体操是我国的优势项目，但从伦敦奥运会和近几届世锦赛成绩来看，这个优势在逐渐缩小，与世界强队的差距正在扩大。体操落地技术是影响比赛成绩的关键因素，它不同于其他项目（如跳高、跳远） 的落地动作，它要求落地站稳不动。国际体联会（FIG）在2009年体操落地的评分规则中规定[1]，落地时脚移动一步将导致0.1～0.5的扣分；落地摔倒直接扣1分，而且还存在难度分认定不全风险。在当今的重大国际比赛中，运动员落地能否站稳不动，已成为能否夺冠和取得好成绩的决定性因素之一。跳马落地难度较大，也具有典型性，因此，研究跳马落地稳定性是体育科学工作者们关注的热点问题，并受到广大教练员和运动员的重视。跳马一般由8个动作阶段组成，包括助跑、趋步、踺子、踺子踏跳、第一腾空、推马、第二腾空和落地[2]。如今跳马不断地朝多轴的复合翻转方向发展，这无疑加大了落地稳定性的难度。黄强等[3]对27届奥运会我国男子体操选手落地稳定性进行统计与分析，结果表明落地动作完成较差，落地稳定的仅占43.19%。北京奥运会女子跳马落地稳定性也不乐观，在决赛16次试跳中，无一人能站稳，大部分选手落地会有一小步或中步移动，有4名运动员落地失败。可见，跳马落地稳定与否成为制约跳马成绩的关键因素。

目前，对跳马落地稳定性影响的研究主要集中在跳马落地技术与落地方式、肌肉组织的刚度和力量、心理调控能力等。严波涛等[4]对30人次的跳马落地进行分析，建立跳马落地的运动方程，指出落地的稳定性需要高质量的空中动作，旋翻转体周数尽量提前完成，留有充足的空间和时间展体收臂准备着地。姚吉庆[5]对体操跳马落地技术稳定性中分析指出，第二腾空阶段技术好坏直接影响着落地技术的稳定性；良好的空间、时间知觉和训练比赛中情绪变化也会影响到落地技术的稳定性。杨继美等[6]对体操运动员进行核心力量训练，提高其落地的稳定性。李旭鸿等[7]从人体肌肉骨骼系统具有缓冲减震的功能、落地垫的刚度和阻尼探讨落地的稳定性及下肢损伤风险。魏书涛[8]从人体下肢刚度及落地高度据探讨了落地缓冲特征。Hsiang等[9]研究认为有效地控制股四头肌和小腿肌可以提高落地的稳定性。Khaleghi等[10]对15名健康人进行起跳-落地研究，发现股四头肌的峰值力矩对落地稳定性影响最大。Pedro等[11]对6种落地垫进行研究，发现垫子的力学特性对人体落地稳定性影响较大。这其中大多数研究是运用生物力学原理对落地稳定性进行定性分析，鲜有实验数据作为支撑，且推理过程往往较为繁琐。所以本文在不考虑其它因素的提前下，旨在通过计算机建模与仿真技术，从速度和角度2个方面来分析跳马落地的稳定性。

1研究对象与方法

1.1研究对象

程某，中国体操跳马前世界冠军，1988年出生，身高1.52 m，体重41 kg。

洪某，朝鲜体操跳马前奥运冠军，1986年出生，身高1.54 m，体重42 kg。

1.2研究方法

1.2.1三维运动学分析

对程某和洪某完成的“踺子转体180°前手翻接直体前空翻转体180°”跳马动作，进行三维运动学分析。使用Troubleshooter高速摄像机拍摄，2台摄像机同在跑道一侧，夹角约70°，拍摄频率为250帧/s。采用SIMI Motion软件进行解析，获得人体运动轨迹坐标、速度等运动学数据。

1.2.2计算机仿真技术

基于MSC.ADAMS/ LifeMod运动仿真软件，输入受试对象的性别、年龄、身高和体重等人体形态参数，根据人体模型数据库 GEBOD（Generator of Body Data）中的回归方程计算得到环节长度、围度和人体惯性参数等，建立19环节的人体模型，各环节之间由不同自由度的铰链连接，共有52个自由度 [12]。在此人体模型基础上，对各环节的关节铰链赋予约束，并调整人体模型的初始姿态，使它更接近实际的运动状态；然后进行平衡分析，即将运动学解析得到的2人跳马动作中人体各个关节的三维坐标赋予三维人体模型，其目的是为了使人体模型的关节中心和实际人体关节运动坐标点相匹配。再按国标[13]建立（GB/T 23124-2008）跳马的落地环境，即与人体相接触的体操落地垫，并完成与人体模型的接触。通过逆向动力学分析，记录人体运动轨迹和各个关节力及力矩，再进行正向动力学分析，在关节力及力矩的驱动下，实现跳马运动员落地过程中的人体运动仿真。最后将人在推离马瞬间，身体重心的水平速度（Vx）和垂直速度（Vy）作为输入条件变量，改变该变量值，以100%、105%及110%人体重心水平速度（Vx）和垂直速度（Vy）组合输入，进行仿真实验，如图 1所示。

计算机仿真软件MSC.ADAMS/ LifeMod基于带乘子的拉格朗日方程，并根据人体模型最终建立如下方程[14]：

其中，M为广义质量矩阵，Q为广义外力矩阵，r，p为广义位移矩阵，Γ为广义角动量矩阵。最后需要输出的仿真实验结果为：落地瞬间人体的姿态角和人体重心的水平速度，如图2所示。

2 结果

表1为在推离马时将人体重心的水平速度（Vx）和垂直速度（Vy）作为变量输入仿真模型，通过计算机仿真实验后，得到落地瞬间人体的姿态角和人体重心的水平速度。从表1可以看出，当只增加推离马的水平速度（Vx）时，落地时的水平速度也相应增加，但是人体落地姿态角是先增加后下降的。当只增加推离马的垂直速度（Vy）时，落地时的水平速度没有增加，人体落地姿态角变化暂不显示规律性。当推离马的水平速度（Vx）和垂直速度（Vy）同时增加时，落地时的水平速度和人体落地姿态角都相应增加了。

图3程某推离马时重心不同垂直速度，人体盆骨中心高度-时间变化曲线（左），身体水平位移及第二腾空时间（右）

如图3所示，仅改变程某推离马时身体重心垂直速度，左图的实线表示该动作的实际速度（2.64 m/s，高速摄影解析得到的速度在这里称为实际速度），虚线“- -”表示105%实际速度（2.80 m/s），隔点虚线“-・-”表示110%的实际速度（2.94 m/s）；右图黑色方块和斜线方块分别代表在这3种重心垂直速度下第二腾空所用时间和人体重心水平位移，3条曲线可以明显地看到程某第二腾空阶段盆骨中心的高度随时间的变化情况，身体重心垂直速度越大，人体盆骨中心越高；从柱形图来看，身体重心垂直速度的增加，也带来人体的水平位移和第二腾空所用时间的增加。

图4程某推离马时重心不同水平速度，人体盆骨中心高度-时间变化曲线（左），身体水平位移及第二腾空时间（右）

如图4所示，仅改变程某推离马时身体重心水平速度，左图实线表示该动作的实际速度（3.17 m/s），虚线表示105%的实际速度（3.33 m/s）；右图黑色方块和斜线方块分别代表在这2种重心水平速度下第二腾空所用时间和人体重心水平位移。从曲线图可以看到，2条实线和虚线完全重合，看起来只有一条曲线，所以，身体重心水平速度的改变，对于骨盆中心高度没有变化。从柱形图上看，当身体重心水平速度增加了，人体的水平位移也会增加，但第二腾空所用时间没有增加。图5为程某（左）和洪某（右）跳马第二腾空及落地动作仿真图。

3分析与讨论

体操技术发展迅速，跳马空中动作越来越惊险、复杂，它既要表现出“高飘”，又要表现出舒展大方，最后落地要稳定，给人以美的享受。跳马落地瞬间，通常是决定成败的关键。随着跳马难度增加，落地的稳定性相对下降，如果不注意落地中的技术问题，还容易造成关节损伤，尤其是膝、踝关节[15]。人体运动的计算机仿真是运动生物力学理论方法中较高层次的研究内容[16]，它可以实现人体运动的计算机仿真实验及结果的可视化[17]，为揭示运动技术特点提供直观的素材，为教练员指导跳马训练提供科学的理论依据。

3.1跳马落地技术分析

落地技术是指跳马动作技术环节中，从脚接触体操落地垫，再经过缓冲到身体起立站稳阶段的技术[18]。落地技术稳定性实际上是指运动员根据不同的下法动作充分调整身体姿势，抵消倾倒力矩能力的稳定性。落地技术它包括相互联系的2个阶段：准备阶段、落地缓冲阶段。

准备阶段中，人体在空中完成各种动作难度后，两脚在还未触垫前，身体处于准备落地姿态。这一阶段对落地的稳定性有直接影响，跳马第二腾空动作一般以绕人体横轴较多。根据转动惯量原理：I=MR2 （其中M为人体的质量，R为人体的回转半径）。M不变，I与R2成正比，即R增大到原来的2倍，I就增大到原来的4倍。此外，I与角速度ω成反比（人在腾空之后，只受重力作用，根据动量矩守恒：Iω=常量），所以当R增大时，I随增大，而ω减小，即当人体转动的半径增大时，其转动速度相应减小。因此，在人体完成空翻动作后，身体要做一定的伸展，以减小落地时的角速度，增加落地的稳定性。另外，这样做同时增加肌肉的初长度，使落地时肌肉发挥更大的力量，有助于落地站稳。

落地缓冲阶段，此阶段又包括一个较短的冲击阶段和一个较长的平衡稳定阶段[19] 。在冲击阶段，脚-落地垫间存在较大的地面反作用力（GRF），其峰值随着推离马高度（第二腾空高度）增加而增大，大约是运动员自身体重（BW）的8～14倍，而在较长的平衡稳定阶段，其GRF 约为1BW[20]。落地缓冲技术是稳定的关键，其生物力学特点是落地瞬间的水平分力及翻转力矩，通过合理缓冲使之消失，垂直分力逐渐趋近体重，即人体所受的合外力、合外力矩为零。在缓冲制动过程中，动力矩M主动）必须始终大于破坏平衡的倾倒力矩M倾倒。当制动结束时M主动=M倾倒，此时人体站立不动。所以人体受到的合外力、合外力矩为零，是站稳不动的必要和充分的条件。冲击阶段双腿肌肉用力特点是由积极主动的退让性工作过渡到克制性工作；落地方式由脚尖落地过渡到全脚掌，原因在于足尖落地时足弓等部位较好的变形和缓冲、踝关节处肌肉的预激活等大大降低了脚跟的负荷[11]。双臂需要适度摆动，以保持平衡。

3.2跳马计算机仿真模型的落地速度及角度分析

跳马从推离马之后，人体重心运行的轨迹基本上是一个曲率不同的抛物线，而重心的速度无论从数值大小和方向都时刻在变化，到接触地面的瞬间达到最大值。落地的垂直速度与第二腾空高度有关，对落地发生倾倒的影响不大。落地的水平速度对落地稳定性影响较大，较高或较低的落地水平速度，落地时有可能向前或向后倾倒。在分析跳马落地时，人体与体操垫接触符合动量定理：

F=M（Vt-V0）/t

其中F为冲力（即地面给人体作用力的合力），M为人体质量，Vt为瞬时末速度，V0为瞬时初速度，t为人体接触地面缓冲时间。人体质量M一般短时间内不会改变，人体接触地面缓冲时间t越长，F会越小，落地会越稳定，但t与落地高度、动作控制、下肢神经肌内的控制和协调能力、肌肉组织的刚度和力量、落地方式和落地垫的力学特性等因素都有关[18]，相互关系较为复杂，不作详细讨论。本文假定t不变，只探讨落地的速度和角度对跳马落地稳定性的影响。落地瞬时末速度Vt 一般为零，所以当落地瞬时初速度V0越大时，F越大，人要落地站稳越难。落地垂直速度是由落地高度决定的，落地高度越高，第二腾空的时间越长，运动员有足够的时间完成翻腾和/或转体动作，这就越有利于跳马动作的完成，所以不应该以牺牲落地垂直速度为代价，影响落地高度。因此，减小落地时的水平速度，是增加落地稳定性的很好选择。但是过小的水平速度，可能引起落地阶段的远度不足，造成完成分（E分）被扣[1]。所以，在跳马的计算机仿真实验中，为了不影响落地稳定性，在不减小落地水平速度的情况下，应增加推离马的垂直速度，来增加第二腾空高度，这有利于跳马动作的完成。

本研究通过计算机仿真实验，只增加推离马的垂直速度，对于落地姿态角影响不大，在53～76°内呈不规则变化（见表1）。只增加推离马的水平速度时，落地姿态角先增加后减小，姿态角的减小是为了降低水平速度的增加对落地稳定性的影响。设人体落地时主矢和主矩不为零，主矢量与地面有夹角为 （如图2所示），则相对A点产生动量矩MA，其大小MA=mvrsin（θ- ）（顺时针方向），其中v为O点瞬间线速度（以A为支点，OA为半径r的转动）；重力相对A点产生重力矩M重=mgrcosθ（逆时针方向）。当MA=M重，人体落地站立不动，这是理想结果。当MA>M重或MA

若MA=M重，即mvrsin（θ- ）=mgrcosθ，

那么

在不考虑跳马落地失败的情况，由表1可知，人体落地姿态角θ范围在53°～76°，为锐角，又因为 ≤θ，则

假设当角 =0，即v正好等于人体落地水平速度，则

所以， v=g*cotθ

假设当 =90 °， v为人体落地垂直速度，此时落地无水平速度，落地的稳定性更多与人体落地缓冲能力有关。

通常情况下，运动员跳马落地是既有水平速度又有垂直速度。人体垂直速度给落地带来的不稳定因素更多与运动员的缓冲能力有关，本文不做讨论。而对于跳马中人体落地水平速度与落地姿态角应更多的考虑v=g*cotθ的函数关系，通过计算机仿真获知，人体落地姿态角θ范围在53°～76°，函数在该区间为减函数。所以，人体水平速度与落地姿态角应该呈负相关，即当水平速度增加时，落地姿态角必须减小才能满足落地的稳定性。但是落地姿态角减少，将使人在落地时控制平衡的难度增大，使落地稳定的风险增加。当推离马的水平速度和垂直速度同时增加时，落地姿态角和水平速度都会增加，MA将进一步增加，人体向后倾倒趋势增加，造成落地稳定的难度更大。

本文还对计算机仿真实验结果，进行了理论验证。根据抛物线运动原理，跳马第二腾空到落地过程，属于落地点在抛出点下的抛物线运动。设 为推离马瞬间身体重心速度， 为 与水平夹角，则有，推离马瞬间身体重心水平速度：Vx= ，垂直速度：Vy= 。

所以，⑤、⑦式分别说明在抛物线运动中，物体飞行时间和高度由初速度的垂直分量决定，而不受初速度水平分量的影响（不计空气阻力）。如图3所示，身体重心的垂直速度增加了，第二腾空高度和所用时间都会增加，有更多的时间和空间完成第二腾空动作，提高伸展身体，增加落地的稳定性。而在图4中，只改变了身体重心的水平速度，垂直速度没有改变，所以第二腾空高度和所用时间都没有发生改变，而落地的水平距离增加，这样就增加了落地稳定的难度。以上采用计算机仿真实验所得出的仿真结果，与抛物线运动原理相吻合，这就从抛物线运动原理对本研究中计算机仿真实验结果进行了理论验证。

4结论

本文利用高速摄影这一运动生物力学较为成熟的技术手段，获得人体运动三维坐标，再基于MSC.ADAMS/LifeMod多体动力学仿真软件，对跳马落地进行仿真实验。以跳马推离马时的水平速度和垂直速度作为变量，获得不同条件下的落地水平速度和落地姿态角，并分析它们对落地稳定性的影响。结果表明：在跳马落地的最佳策略为，在保持推离马时人体重心水平速度不减小的情况下，增加其垂直速度，能产生更多的时间和空间完成第二腾空动作，并为落地作积极准备；而在即将落地前，身体要做一定的伸展，以减小落地时的角速度，增大落地时的转动惯量，从而增加落地的稳定性。

诚然，本研究仅从落地速度和角度来评判落地稳定性，不可避免地存在一些局限性。本文将人体简化为多刚体模型，忽略了肌肉和软组织对运动的影响，本身会带来一定误差。尽管如此，但我们可以通过模型评估出很难在人体上测量的结果，从而确定最佳的运动模式。今后的研究方向需要将模型的效度不断提高，将肌肉和软组织引入。综上所述，计算机仿真技术也必将在运动训练指导及运动损伤预防上拥有广泛的应用前景。

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篇（2）

虚拟人是人在 计算 机生成空间中几何特性与行为特性的逼真表示。虚拟人的运动生成及控制主要研究虚拟人在计算机生成空间中的动态特性,它应符合人体运动的基本 规律 ,并能提供简单直观的控制方式。

1 虚拟人运动模型的建立

人体有二百多个关节,如果对人体进行关节化的建模生成三维人体模型,并提供所有关节的位置量和旋转角,产生模型的驱动数据进行仿真是一项艰巨的任务。为了有效的应用动力学方法进行虚拟人仿真,几何建模时应考虑三维人体的运动特性和动力学特性。将人体各部位体抽象为简单的刚性几何实体,即它们具有质量和转动惯量,这样可以避免人体各部位任意表面形状的复杂计算。描述人体的模型主要涉及人体的头、躯干、四肢等部位。人体模型各肢体之间存在运动连带关系,将关节看成点,将关节之间的骨骼看成是链,就可以按运动关系将各肢体连接起来。三维虚拟人体模型是由相应的部位体和关节组合而成的链状层次结构 ,其运动是由整体的平移、旋转以及各关节的旋转产生的。用树结构来表达人体模型的关节层次化结构如图1:

2 虚拟人运动控制

2.1 基于关键桢技术的运动控制

在应用关键帧技术产生虚拟人的运动时,应注意所插值的参数,否则会产生不恰当的运动。由于关键帧插值不考虑人体的物理属性以及参数之间的相互关系,因此插值得到的运动不一定是合理的,通常需要动画师对运动进行仔细的调整。尽管如此,由于关键帧技术的使用简便,因此仍然是最常用的动画生成方法。

从原理上说关键帧插值问题可归结为参数插值问题,传统的插值方法都可应用到关键帧方法中。但关键帧插值又与纯数学的插值不同,它有其特殊性。一个特定的运动从空间轨迹来看可能是正确的,但从运动学或动画设计角度来看可能是错误的或者不合适的。用户必须能够控制运动的运动特性,即通过调整插值函数来控制速度的变动。为了很好地解决插值过程中的时间控制问题,用双插值的方法来控制运动参数。其中之一为位置样条,它是位置对关键帧的函数,另一条为运动样条,它是关键帧对时间的函数。

关键帧的位置插值可以由样条驱动插值和速度曲线插值实现。样条驱动动画是指先设计好物体的运动轨迹,然后指定物体沿该轨迹运动。通常,物体的运动轨迹为三次样条曲线,并且由用户交互给出。在利用速度曲线实现关键帧插值中,物体的运动可由速度曲线来控制。对于给定的时间,先由速度曲线得到弧长,然后由弧长计算出轨迹曲线上的点,最终实现位置插值。

关键帧插值系统中要解决的另一个问题是物体朝向的插值问题。物体的朝向一般可由euler角来表示,因此朝向的插值问题可简单地转化为3个euler角的插值问题。但euler角又有它的局限性,因为旋转矩阵是不可交换的。euler角的旋转一定要按某个特定的次序进行,等量的euler角变化不一定引起等量的旋转变化导致了旋转的不均匀性。shoemake为了解决因采用euler角表示引起的麻烦,最早把四元数引入了动画中并提出了用单位四元数空间上的bezier样条来插值四元数。

2 运动捕捉技术

运动捕捉方法是指通过传感设备记录人体在三维空间中的运动轨迹,并将其转化为抽象运动数据,然后根据这些数据驱动虚拟人运动的方法。为了达到虚拟人运动与控制的目的,通常还需要对运动捕捉数据进行编辑与合成。同时,运动编辑与合成还可以提高运动捕捉数据的可重用性、建立超乎实际的运动、突出次要运动以及生成新的复杂运动等。运动捕捉方法最大的优点在于虚拟人的运动基本上是真实人运动的复制品,因而效果非常逼真。但同时这种方法也存在运动捕捉设备昂贵、附加在表演人员身上的传感设备限制了人体的自由运动等缺陷。

从技术的角度来说,运动捕捉的实质就是要测量、跟踪、记录物体在三维空间中的运动轨迹。典型的运动捕捉设备一般由以下几个部分组成:

(1)传感器:被固定在运动物体特定的部位,向系统提供运动的位置信息。

(2)信号捕捉设备:负责捕捉和识别传感器信号。

(3)数据传输设备:负责将运动数据从信号捕捉设备快速准确地传送到 计算 机系统。

(4)处理设备:负责处理系统捕捉到的原始信号,计算传感器的运动轨迹,对数据进行修正、处理,并与三维角色模型相结合。

基于运动捕捉的虚拟人控制大致可以分为以下几类:

(1)运动捕捉数据直接驱动

运动捕捉数据直接驱动就是将运动捕捉数据的空间坐标或者关节角赋给虚拟人模型,让模型根据原始数据运动。但是由于运动捕捉错误数据的存在,再加上表演者和模型的骨干匹配问题等,这种方法往往会产生很大的误差,致使人体运动变形。

(2)与关键桢综合

利用纹理和综合的方法,让动画师先设置少数的关键帧,根据运动捕捉数据来帮助制作动画。这样做的原因是由于在人和动物的运动中,关节之间有很多关联。这种关联在重复动作中更为明显。

(3)动力学匹配

动力学匹配是用有人性特点的动力仿真和跟踪控制器来跟随运动数据,因为在被捕捉的演员和虚拟人之间有很多的动力学匹配。人的运动数据被转成连接的角度且被用来作为轨迹控制器的期望值。控制器计算转动力矩,是基于系统状态和期望得到的连接角度的误差。得到的转动力矩应用于动力学模型,同时通过运动方程,就可以计算新的系统状态。

用动力学控制虚拟人的运动体现了人体运动的真实性,但运动 规律 性太强。在基于动力学的模拟中,也要考虑两个问题:正向动力学问题和逆向动力学问题: 正向动力学问题是根据引起运动的力和力矩来计算末端效应器的轨迹。逆动力学问题更有用,用户通过指定末端关节的位置,计算机自动计算出各中间关节的位置,即关节角是自动确定的,可以确定产生系统中规定运动的力和力矩。

3 基于物理的仿真技术

与关键帧技术不同,基于物理的仿真技术是利用动力学、生物力学等物理定律产生运动的。我们通常采用有关节的基于动力学的模型来实现动态仿真,即构建角色的动力学模型,通过仿真计算它们的运动。这就意味着物体的运动受物理规律的支配,以便创作 自然 逼真的动画。基于物理的仿真技术优越于其它运动控制技术的优点主要表现在:首先,利用基于物理的仿真技术可以生成用关键帧技术无法实现的完全符合物理特性的理想的运动,基于物理的仿真技术在 体育 训练方面的应用最为广泛;其次,在与用户的交互方面,基于物理的仿真技术能实现比关键帧或是运动捕获技术更精确的交互。

4 结语

虚拟人的运动控制需要解决的主要问题是:各种方法的组合以及现存运动的参数化。以上方法在运用时都存在利弊,体现在自动生成和手工控制之间。因此,将这几种技术融合使用,充分发挥每种技术的优势,就成为了目前一个很好的解决方法。

参考 文献

篇（3）

计算机仿真技术可以用来增强虚拟环境的“沉浸感”和“逼真性”。比如，在虚拟的计算机环境中仿真出各种逼真的物理效应。物理效应包括人体运动、水流、烟雾、火以及物体之间的碰撞和爆炸等。根据这些物理规律，人们可以建立它们的抽象数学模型并采用偏微分方程数值求解技术计算它们随时间变化的动态过程，并通过计算机图形的渲染技术将这些物理效应在计算机屏幕上呈现出来。使用仿真方法模拟出的许多物理效应可以达到观看者无法判断是计算出的还是真实拍摄的地步，从而可以使用户沉浸在计算机展示的虚拟环境中。

五个阶段

在中学时我们就遇到过这样的问题: 已知子弹离开枪口的速度，在不考虑空气阻力的情况下求解子弹的运动轨迹。实际上这个问题可以看做是一个简单的计算机仿真问题，我们可以利用经典的牛顿力学模型来描述子弹的运动过程，再根据初始条件和微积分思想设计数值求解算法，求解该问题。

简单说来，计算机仿真技术就是采用数学工具建立描述事物或系统变化规律的数学模型或物理模型，并设计数值计算方法求解模型参数，以及事物或系统在给定初始条件下随时间的变化情况或者是在不同的边界条件下系统状态的变化。

一般而言，计算机仿真需要经过建模、编写计算程序、运行程序进行实验、分析实验结果、修改和完善模型这五个阶段。建模的阶段就是对待仿真的事物或系统分析其主要因素，忽略次要因素，分析主要因素之间的定量关系，并用数学语言描述出来。根据得到的定量关系和已知变量采用数学方法找出计算未知变量的算法。根据求解未知变量的算法编写计算程序，然后在计算机上运行程序，观察在不同输入数据情况下系统的变化。最后根据实验结果分析模型的准确性。

如果实验结果和实际情况不符合，那么回到建模阶段检查，是否误将主要因素忽略、主要因素之间的定量关系是否准确。然后根据修改的模型在再进行仿真实验，直到计算结果和观察所得的实际情况相符为止。

根据被研究系统的特征又可以将仿真系统分为两大类: 连续系统仿真和离散事件系统仿真。连续系统仿真是指对那些系统状态变量随时间连续变化的系统的仿真研究。这类系统的数学模型包括连续模型（微分方程等），离散时间模型（差分方程等），以及连续－离散混合模型。离散事件系统仿真是指对那些系统的状态只在一些时间点上由某种随机事件的驱动而发生变化的系统进行仿真实验。这类系统的状态量是由事件的驱动而变化的，在两个时间之间状态量保持不变，因而是离散变化的，称之为离散事件系统。

应用范围

通常，计算机仿真技术用在如下几种情形。

1. 对系统进行真实实验的代价高昂。比如在汽车工业中需要对新型的汽车做碰撞实验，检测其安全特性。科研人员根据材料力学、碰撞力学等知识对碰撞过程建立物理模型，然后利用计算机仿真计算在不同碰撞条件下汽车的碰撞效果，并根据仿真的碰撞结果来改进汽车的设计。

2. 系统的实现只有一次机会，比如大坝的建造。因此需要在设计过程中对大坝以及相应的地质情况、水文情况建立较为准确的模型，然后计算不同设计方案中大坝的承载能力、抗震能力等数据，最终挑选出一个合理的设计方案。

3. 需要预测系统在未来的变化，比如2008年奥运会期间的天气情况。首先，需要建立大气动力学模型，然后利用往年的天气资料确定模型的一些系统参数，并把在计算机上运算该模型以验证模型的准确程度，最后利用该模型预测2008年奥运会期间的天气情况。

计算机仿真本质上是对物理对象建立数学模型，然后通过数学方法分析物理对象中的性质、预测物理对象随时间的变化情况。因此计算机仿真在航空航天的设计制造、天气预报、交通模拟等领域中得到了广泛应用。

一个人体运动仿真的例子

虚拟人是虚拟环境中一个很特殊的对象。他和其他对象不同之处在于人是一个主动个体，他的行为不仅由物理规律还由人的意识决定。比如从房间的这一端走到那一端，不同的人有不同的行走路线，人在高兴或者悲伤的时候面部表情、姿态都有很大的差异。为了把这些不同的行走姿态仿真出来，人们综合了生物力学、控制论、数值优化等技术，但是即便如此，还不能完全解决这个困难的仿真问题。另外大规模人群行为的仿真也是目前研究的热点问题，它不仅要考虑单个人的仿真问题还需要考虑人与人之间的相互作用和影响对仿真结果的影响。

我们在人体运动仿真方面研究了人体空中运动的仿真，图1中黄色代表一个初始的前空翻运动，该运动是手工编辑出来的。绿色代表一个仿真的运动，该运动比原始运动更逼真。图2从左右视角和脚尖的轨迹对比两个运动。

图1 仿真运动（绿色）和初始运动（黄色）的对比图

图2 从左右两个视角观察运动，圆点表示有脚尖的运动轨迹

虚拟现实技术可以将复杂的数值计算过程变成一个可以“看”得见的推演过程，即一个可信的计算过程，使结果直观可信。因此，在虚拟环境中开展计算机仿真技术研究是一项重要内容。

链接:几款优秀仿真软件

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数字医学3D重建技术使腹主动脉瘤可视化，通过对可视化腹主动脉瘤的测量，可以明确腹主动脉瘤与最低肾动脉的距离，明确腹主动脉瘤的大小，明确瘤颈扭曲的程度，为腹主动脉瘤分型、分级。笔者医院的研究是将数字化腹主动脉瘤3D模型导入至虚拟手术器械仿真系统，建立可视化腔内隔绝术操作平台，选择合适的支架，进行可视化腔内隔绝支架植入术。应用中曾有1例ⅡB型Ⅰ级病人经数字医学技术3D重建后显示双侧髂动脉严重迂曲，最高达170，经过可视化腔内隔绝手术预演提示支架不能通过双侧髂外动脉迂曲处，勉强通过可能会穿破髂动脉，故建议病人行开放手术（图5）。另1例ⅡA型Ⅰ级腹主动脉瘤并双侧髂总动脉瘤病人，经数字医学技术3D重建后显示左髂总动脉起始处钙化斑块，可视化腔内隔绝手术预演显示植入支架后左髂动脉支架展开不全，可能导致支架打折，导致左髂动脉血流减慢，甚至血栓形成，故建议病人行开放手术治疗（图6）。在可视化手术过程中，还可以透明化腹主动脉，了解支架的位置是否覆盖肾动脉，了解支架与腹主动脉瘤颈贴合是否良好，判断内漏、移位等并发症发生的可能性。因此，通过数字医学技术，临床医生可按照术前模拟路径反复进行可视化腔内隔绝手术演练，增强成功植入支架的信心，加快操作速度，节省手术时间，降低病人与医护人员的射线吸收量。实践证明，病人临床介入DSA图片显示与可视化腔内隔绝术高度一致，支架植入位置准确，未出现严重并发症［3］。

数字医学技术在腹主动脉瘤开放手术中的应用价值

借助数字医学3D重建技术可以将腹主动脉瘤病人“数字化”，3D数字化人体模型可清晰显示瘤颈粥样硬化斑块、瘤腔内附壁血栓，能准确测量腹主动脉瘤最大内径、近远端瘤颈内径、右髂总动脉内径、左髂总动脉内径、近远端瘤颈长度、腹主动脉瘤近端瘤颈成角等参数，进行数字化分型、分级，有助于临床医师的诊断及手术前的评估，合理选择手术径路，进行严密的手术规划，临床医师术前可根据动脉瘤近端瘤颈长度及双侧髂总动脉直径的测量结果，预先选择好Y型人工血管型号，节省术中测量的时间。通过透明化不感兴趣的器官能直观清晰地了解腹主动脉瘤的位置、大小，预设切口位置及长度以利于最佳显露术野。还可以术前分析腹主动脉近端瘤颈及双侧髂总动脉钙化情况，预先选择血管壁弹性良好的平面进行阻断及吻合人工血管，有利于与人工血管严密吻合，避免术后出现血管吻合口出血、假性动脉瘤形成甚至破裂，出现致命性的并发症。了解腹主动脉瘤与下腔静脉、左肾静脉的毗邻关系，后两者是否存在变异，术中避免误伤。经过3D仿真人工血管置换手术的反复“彩排”，使手术组医生熟悉病人解剖，熟练手术步骤，有利于临床手术过程中的配合，缩短各内脏动脉阻断时间，降低缺血再灌注损伤。通过术前3D仿真手术“彩排”，病人及家属比较容易理解手术过程，加强医患的沟通，减少不必要的纠纷（图7）。目前，腹主动脉瘤数字可视化仿真技术的研究，仅从医学影像和图像处理的角度去考虑手术的过程，尚未形成完全真实手术操作场景中一些生物力学的形变及碰撞。但由于是通过数字医学技术3D重建的立体模型、图片均来自于临床真实病人的螺旋CTA图片，使得腹腔脏器解剖数字化、个体化、立体化，取代了传统碳素笔手描线平面解剖图［10］，为医生了解器官内部结构、选择手术路径选择及定位病灶等提供了真实的模拟；通过3D模拟演示腹主动脉瘤的各种手术，可以为课堂的教学以及研究生、实习医生、进修生的教学提供较为真实直观的手术情景；为远程会诊、机器人手术奠定基础。

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1.工业工程专业实验室的规划

为了建设高水平的工业工程专业教学实验室，我们进行了精心的规划和反复论证。我们对国内外多所名校的工业工程系实验室进行了调查和网上查询，此外还重点请教了多位国际知名的工业工程专家。目前，各学校工业工程系由于各自的研究侧重点不同，实验室建设侧重情况都有所不同。考虑到我系学生的培养需求以及今后的学科发展方向，以及我们现有的情况，发挥工科背景的后发优势，取其它学校之长，制定了比较符合时展要求和我校特点的建设方案。

我们决定重点建设3个专业实验室：先进制造及数字化企业实验室，人因工程实验室，物流工程实验室。此外，我们不可能将工业工程面临的各种系统都在实验室建立物理模型，因此利用信息技术和现代展示技术弥补这一不足是一个重要解决方法。因此，我们建设一个全面支持系统仿真与展示的综合体验演示中心。利用信息技术将仿真结果更加逼真地展示出来，便于学生理解复杂企业大系统的运行情况，同时可支持各类系统的远程体验和演示，演示中心与三个分实验室用内部高速网络连接起来。

这些专业实验室总面积约600m2，特点在于：一是着重于企业生产服务活动的整体；二是立足于教学，每个实验室都考虑教学实验和案例的建设；三是可为全校学生进行工业工程方面知识的教学和实践培训；四是可为工业工程系学科的发展提供基本平台，服务于长远科研基本需求。

2.工业工程专业实验室的建设情况

2.1 先进制造及数字化企业实验室

“先进制造及数字化企业实验室”在国家211和清华大学985有关经费资助下已经具备相当规模。设有先进制造实验分室和数字化企业实验分室，面积约30cm2。目的在于全面培养学生对工厂、企业车间层的有关工程知识和实践技能。为工业工程系学生开设制造、生产系统方面的专业课以及为全校学生开设制造系统方面选修课，并支持有关课题研究。

实验室目前拥有一套教学用微型CIMS系统（包括车中心、铣中心、立体仓库、自动导引小车、三坐标测量机、机器人、物料传输线）7台教学型数控机床以及40台微机。拥有CAD/CAM软件和数字化企业建模与仿真软件，如Pro/E、I-DEAS、AutoCAD、FACTO-RY、Flexsim等。全部计算机、设备联网，并与校园网相连，实现资源共享，形成协同学习的环境。

利用实验室条件，学生可以进行CAD/CAM技术、CNC技术、NC编程、物流系统控制、FMS技术、CIMS技术、仿真技术、虚拟产品开发技术等内容的学习，可以进行实际操作的训练，实现理论与实践的统一，教与学一体化。

2.2 人因工程实验室

人因工程是工业工程主要的专业方向之一。建设人因工程实验室的目的在于综合运用人因工程方面的设备和技术，教学上支持人因工程、虚拟现实应用。协同设计与制造等方面的工业工程和制造工程课程实验，提供学生创新能力培养的基本环境和设备技术实施手段，同时支持在虚拟设计制造、产品快速开发、劳动作业安全、人机系统设计与仿真等方面的研究。

人因工程实验室面积约156m2，分为4部分：人因工程基础教学实验室、人体测量与生物力学实验室、可用性评测与人机交互实验室和虚拟现实与人机界面技术实验室。

1）人因工程基础实验室建设

此实验室主要应用是人体和环境基本测量与分析，工作地设计等。

主要满足人因工程基础实验教学要求。主要实验内容包括人体基本测量（形体尺寸、生理参数、认知特性等）、环境基本测量（温度、湿度、光照、噪声、辐射、空气等）以及工作地基本测量（几何、物理测量等）等。目的是让学生掌握基本的人因学测量手段和测量概念，强化人因工程的概念，并且能在今后的实际工作中自觉地考虑“人-机-环境”的互动关系，提高工程设计的人性化水平。结合这些实验，本实验室建设内容主要包括人体生理计测仪器、环境计测仪器等仪器的购置以及设计基础实验。

2）人体测量与生物力学实验室建设

此实验室主要应用是三维人体测量、建模、应用与分析等。

主要针对现代三维无接触人体测量技术及应用，满足人因工程高等专题实验教学项目要求。建设内容主要包括三维无接触人体测量设备的购置、配套硬件建设和数据处理及应用软件的研究与开发等。目的是让学生掌握先进的人体测量手段，了解三维人体数据的应用，结合专题设计实验或项目充分领会人因工程在工程设计中的重要性。

3）可用性评测与人机交互实验室建设

此实验室主要应用是用户研究、心理测试、计算机人机交互评测等。

主要针对以下3个方面的内容，产品的可用性（易用性）、用户需求分析及用户研究以及计算机人机交互测评等实验内容。重点针对现代信息产品的可用性测评；如何运用工程手段把握用户的特征和需求（显性需求和隐性需求）以保证产品开发的成功率；针对软件的界面设计以及移动商务、移动设备进行实验研究。通过这3个方面的实验，希望能培养学生运用技术手段把握客户需求，特别是针对当前流行的电子商务、软件和移动设备进行人性化设计的综合能力。建设内容包括：用户测试室和研究观察室的监控设备集成、人机交互设备、移动电子产品评测样本以及相应的记录和分析软硬件。

4）虚拟现实与人机界面技术实验室建设

此实验室主要应用是多通道复杂人机交互系统仿真与分析、虚拟体验教学实验、操作行为测评与分析、人体运动跟踪与仿真等。

主要针对以虚拟现实技术为基础的复杂“人-机-环境”交互系统进行模拟、仿真、测评和研究，立足于构建各种人机界面进行近似真实场景的测评，并运用多通道人机界面技术开展部分虚拟体验教学研究，通过“视觉、听觉、触觉”的集成体验来加深理论知识的学习并“感知”复杂的系统或理论。本实验将作为高等人因工程专题实验和一系列研究类专题实验的重要部分，培养学生运用新技术解决复杂问题的思路和基本能力，特别是自己动手进行研究类实验的设计、运行、总结、提高的能力。同时本实验室还作为工业工程系其他专业方向教学和研究用实验平台，开展体验类教学实验和成果展示。主要建设内容包括三通道虚拟现实立体投影系统、触觉人机交互装置研制、虚拟现实软件平台购置、驾驶行为仿真测试系统研究以及专题实验设计。

2.3 物流工程实验室

物流（广义包括企业内部物资流动和企业外部供应链管理）在现代企业生产和服务活动中占据日益重要的地位，并已经引起政府和工业界的高度重视。物流实验室建设的目的在于培养学生对复杂的物流系统进行设施规划、设计、过程优化以及流程管理的实际能力。满足相关的教学和科研的需求。利用计算机网络技术，虚拟现实技术、仿真技术、信息管理与决策技术等多种技术手段，使实验室充分体现和展示现代物流技术。物流实验室面积约9cm2，硬件设备主要是二个方面：混流装配生产线（企业内部物流）物流实验室商业物流。

1）混流装配生产线（企业内部物流）

该生产线是装配生产线，有8个工位，传送带可以连续移动或节拍移动。在生产实验过程中教师可以生产指令、监控生产状态、控制装配线的运转，让学生直观地看到企业实际加工的装配生产线，让学生了解和熟悉企业内物流。同时可以进行产品的功能结构分析与装配流程规划、装配线配置与布局、装配线平衡、装配作业动作分析时间研究、在线库存管理与生产现场物流、MRP与JIT生产模式对比、JIT方式下停线实验、装配质量控制、基于MES实时计划调度等实验。

2）物流实验室商业物流部分

物流实验室商业物流部分主要由40个货位的自动仓库、货柜、电子标签系统、电动传输带、条形码系统组成。学生根据老师提出的物流系统的需求，自行设计、分析、建立一个配送中心（仓储、分拣、搬运、进出库等）规划物流系统。提高其运用理论解决实际问题能力，同时，对于现代物流配送有基本认识，了解和熟悉库存管理。对于可以进行实验室实验、设计、实施的配送中心部分，在实验室进行，对于不便进行实验室分析、实施的送货线路部分，采用规划及仿真软件进行。

3.工业工程专业实验室的建设成果

目前，先进制造及数字化企业实验室中的先进制造实验分室在原有的基础上继续完善，开发实验网络教学课件，増加新的实验内容，扩大效益。学生可在实验室里进行数控编程及加工，CAD/CAPP/CAM、FMS、机器人、CIMS、生产调度及仿真优化等反映先进制造技术的单元或系统的学习和实践训练。除为我校学生提供教学实践服务外，每年都有其他院校（北京农业大学、北京林业大学、北方交通大学等）来我系实验室做实验和实习。数字化企业实验分室已经实现从零件设计、工艺分析、工厂设计、企业管理到企业运作仿真的系统集成。学生可以在实验室学习数字化时代与企业生产经营有关的几乎所有软件系统，进行企业知识的全方位训练。

已经建成的人因工程实验室，是国内高校中建设比较完备的一个人因工程教学实验室，而且建设内容突出反映了国际上人因工程专业方向的发展趋势，融入了较多的新技术和新思路，如信息产品的可用性及用户研究、虚拟现实技术在复杂人机界面方面的应用、虚拟现实体验与展示等。实验室建设规划内容被许多国内兄弟院校的工业工程系索取和参考，为国内工业工程系人因工程方向的教学改革提供了先例。

物流工程实验室各个部分设备已基本建成。物流实验室的软件建设正在进行，软件建设主要以科研成果为基础进行开发，形成与实验设备配套的软件，如仓储管理系统、运输管理系统、供应链管理系统等。这些软件补充物流实验室的教学功能，通过该系统的应用不仅能够使学生了解先进的物流管理信息技术，而且通过模拟操作，能够培养学生的实际操作能力。同时把实验内容同企业的实际需要相结合，能够大大提高学生参与实验的积极性。

通过实验室建设，培养和锻炼了一批研究生和有关实验技术人员。实验技术人员结合实践教学基地建设，包括软硬件建设和教学实验建设，熟悉了工业工程新的学科方向，主动参与了所有实验教学内容的准备。研究生通过参与开发教学实验，特别是研制实验系统，不仅为学校节省了巨额的资金，而且也培养了独立从事科学研究的能力。同时，实验室的建设也推动了国际交流与合作，目前承担了六项大型国际合作项目，总经费约300多万元。

4.工业工程专业实验室的运行和管理

目前，年轻教师和实验技术人员共同参与管理专业实验室，以教学与研究互动的原则运行和发展实验室。在教学实验的设计阶段是教师、研究生和实验技术人员共同策划开发，一旦成熟就完全交给实验技术人员负责运行。

利用现有的专业实验室，以教学计划为依据，对学生进行实践动手能力、协同合作能力、分析和解决问题的能力、创新能力等全面素质的培养。针对不同的实验对象，我们精心设计实验内容，包括基础实验和提高实验，单元实验和系统实验，以及研究类专题实验和新技术含量的专题实验。采用多种实验教学方式，比如看录相、现场操作演示、学生动手实践、计算机仿真等。与此同时，也将新研究成果引入教学，不断更新和丰富教学实验内容，使实验教学始终能够紧跟学科的发展，具有一定的先进性和代表性。针对19门课程，我们已新开设实验40多个，年接纳学生人数1000多人次。

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中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)主要采用以计算机技术为核心的现代高技术生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境(Virtual Environment,简称VE),用户借助必要的设备(如特制的服装、头盔、手套和鞋),以自然的方式与虚拟环境中的实体对象进行交互作用、相互影响,从而产生身临其境的感受和体验。虚拟现实具有3I特性,即交互(Interaction)特性、沉浸(Immersion)特性和构想(Imagination)特性。交互特性强调参与者通过专用设备以人类自然方式与VE中的对象进行相互操作;沉浸特性要求计算机所创建的虚拟环境能使参与者产生置身其中的体验;构想特性是指虚拟环境能够启发参与者发现新问题并辅助产生创新思维。

二十世纪六十年代初,“图灵奖”获得者,被称为计算机图形学之父的美国科学家Ivan Sutherland发表“终极显示”论文提出虚拟现实概念,自此,虚拟现实技术历经一系列里程碑式的理论、方法与技术研究工作,并取得了重大工程应用成果。今天虚拟现实技术的应用领域已经非常广泛,主要包括三大应用方向,即训练演练、规划设计与预测、观赏娱乐等。例如在虚拟战场环境中进行作战指挥模拟,宇宙飞船、飞机、舰船模拟驾驶训练,飞机、导弹、轮船等复杂系统的虚拟设计与制造,城市环境规划及其建筑物的展示,手术培训与导航,游戏动漫与影视制作等。由于虚拟现实技术涉及的学科综合性、交叉性强,是可以拉动多学科发展,不断产生新思想、新技术,具有广泛和重大应用前景的科学技术领域,国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)把虚拟现实技术确定为信息领域优先支持的三大前沿技术之一。

2课程的特点

北京航空航天大学计算机学院从1994年开始从事虚拟现实技术领域的研究,取得许多创新成果,在相关学科领域产生了较大影响,逐步形成了北航计算机学院一个新的优势学科方向。作为计算机应用本科生的专业限选课程,“虚拟现实技术”课程教学已经讲授了5年。本课程的教学目的是通过对有关虚拟现实技术国内外研究热点问题、典型研究工作的介绍,使学生了解当前虚拟现实技术的发展趋势;通过对虚拟现实基本原理、基本算法、开发方法、主流系统的介绍,使学生掌握虚拟现实主要技术、开发环境与平台;以虚拟现实技术与系统国家重点实验室研究工作为主要实践教学支撑,培养学生的创新能力,满足国民经济和国防部门对虚拟现实领域专门人才的需求。虚拟现实课程具有以下特点:

2.1学科交叉性、综合性强

国家中长期科学和技术发展规划纲要指出:“虚拟现实技术重点研究心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学和多媒体技术等多学科融合的技术,研究医学、娱乐、艺术与教育、军事及工业制造等多个相关领域的虚拟现实技术和系统。”虚拟现实技术主要从计算机科学与技术、控制科学与技术、机械工程科学与先进制造技术等学科中孕育并实现跨越,逐步发展成熟,涉及心理学、认知科学、计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术等,学科交叉性、综合性强,如图1所示。

2.2数理基础要求高

虚拟现实课程的许多理论、方法和技术涉及大量的数学公式和物理定律,例如在基于图形的虚拟现实技术中所涉及的计算机图形学,基于图像的虚拟现实技术中所涉及的图像处理和信号处理技术,在建模技术中涉及的动力学、运动学等,都需要学生具备深厚的数理基础。

2.3创新思维丰富

虚拟现实被众多学者认为是科学研究与工程实践中理论和实验方法之外的第三种方法,可以虚拟和仿真人类难以到达的宏观或微观环境,进行研究和体验;在虚拟环境下进行逼真的规划、设计、训练演练,作出评价和决策,其与生俱来的构想特性能够启发参与者发现新问题并产生创新思维。虚拟现实技术由于多学科交叉性,在不同学科交叉融合中源源不断地产生新思想、新方法。

2.4工程应用突出

虚拟现实技术既有坚实的理论基础和方法,也有大量的典型算法,同时又是一门应用牵引强,各种开发平台和应用工具丰富,人机交互设备多,软硬件结合与系统集成占相当比重的课程。

2.5课程内容多课时紧

本课程是本科生计算机应用方向的限选课程,在本科四年级上学期开设,其间正值学生考研复习准备阶段,课时总计36学时,课内教学18学时、课外实践18学时,授课时间十分紧张。

3教学内容安排

我们经过多年的教学实践,在不断与学生教与学交互的活动中,结合自身学科研究特色,总结、完善主要教学内容,形成了如下的教学大纲:

第一章:概论(2h)

问题的提出、名词术语、虚拟现实特征、里程碑工作和研究现状、国内外典型应用实例。

第二章:虚拟现实硬件与系统(2h)

虚拟现实输入设备、虚拟现实输出设备、高端图形工作站、图形处理单元(Graphic Processing Unit简称GPU)、典型沉浸式交互系统的构建实例。

第三章:基于图形的虚拟现实建模与开发技术(6h)

视觉感知相关基本概念、场景表示与数据库结构设计、CREATOR建模软件与合成自然环实例、场景图组织与基本绘制流程、OpenGVS与WTK开发软件、虚拟场景漫游应用程序开发实例。

第四章:基于图像的虚拟现实建模与绘制技术(2h)

IBMR技术与全光函数、全景图像与柱面全景图像实例、同心拼图方法。

第五章:人工生命-人工鱼实例(2h)

人工鱼的总体方案、人工鱼的生物力学分析、感知与行为建模、几何建模与外观属性、虚拟海洋环境建模、运动系统、逼真性与效率权衡。

第六章:虚拟人技术(2h)

人体抽象模型与国际标准、逼真运动获取与表示、运动约束与重用、虚拟人技术应用实例。

第七章:分布式虚拟现实技术(2h)

DIS技术与IEEE1278、HLA技术与IEEE1516、分布交互仿真程序开发与应用实例。

教学实践与课外教学安排:(18h)

课外研读学习OpenGL、构建虚拟现实漫游程序;参观虚拟现实技术与系统国家重点实验室,观看演示、操作实验室研究设备,了解当前主要研究方向和趋势。

4教学实践与思考

针对虚拟现实课程的上述特点,我们在课程的教学活动中形成了“突出三个基本,注重融会贯通;点面结合,各有侧重;结合实例,促进创新思维”的教学思路。

4.1突出三个基本,注重融会贯通

在教学中突出三个基本,即突出基本原理、基本方法、基本算法的讲授。虚拟现实课程的诸多内容来自不同的研究和应用领域,貌似差之千里,但是其核心思想常常殊途同归。对于这部分内容在教学活动中应有意识进行联系,分析讲解,努力让学生融会贯通。以细节层次概念(LOD)为例,细节层次概念是图形建模中的基本概念,是指用一组复杂程度(常常以多边形数来衡量)各不相同的实体细节层次模型来描述对象,在运行时根据一些主客观标准在这些LOD模型间进行切换,实时改变场景的复杂度,从而能够绘制效率与效果的平衡,该方法需要解决模型间切换时产生的视景跳跃问题。在GPU的基本贴图处理(MIP MAPPING )、复杂光照模型实时绘制等研究工作中也引入和应用了同样的原理,因此在讲解细节层次概念时进行举一反三,加深学生对这一满足逼真性和绘制实时性普适基本方法的理解,进一步可以引伸出连续细节层次方法以及与视点相关的递进传输技术如何满足基于网络的虚拟现实应用问题。这样教学思路始终贯彻在七维全光函数降维、八叉树的数据组织方法等诸多教学内容中,以达到融会贯通的目的。

4.2点面结合,各有侧重

虚拟现实课程涉及学科众多,内容十分丰富,有限的课时内做到面面俱到几乎不可能。我们的教学大纲基本覆盖虚拟现实的主要研究分支,重点是基于图形和基于图像的虚拟现实技术,由于增强现实在其他课程有重点讲授,不过多涉及。其次注重对当前国内外的研究重点、热点问题,以及当前的主流设备、开发工具与平台介绍。通过发挥授课教师的计算机科学与技术专业背景,结合实验室多年的研究工作进行知识点的深入讲解。例如在分布式虚拟现实技术教学中,实验室在该方向上开展了长达十年的研究工作,研究成果既体现了该内容的基本方法、国际标准,又体现了当前的最新研究成果。该内容的教学从早期的DIS入手,通过与HLA核心技术的对比,重点讲解分布式虚拟现实技术如何应用数据抽象与封装、与订购、基于值的信息过滤 (DDM)等核心技术解决大规模交互仿真问题,进一步引伸介绍目前该方向的研究进展,让同学了解当前研究热点问题。

4.3结合实例,促进创新思维

虚拟现实是一门多学科交叉的科学技术,不同学科理论与方法的互相借鉴、启迪、创新尤为明显。因此在讲授具体内容的同时,应介绍该研究工作和成果产生的背景,体现交叉创新、集成创新思路,启迪同学的创造性思维是本课程不断追求“授之与渔”的目标。在课程综述中重点介绍信息资源环境的智能化、普适化、协同化、沉浸化发展的各个不同历史时期代表性工作,以及仿真技术、先进制造技术等学科对虚拟现实的重要贡献,突出虚拟现实技术交叉融合的特性。将具体的课程知识点讲授融入到典型实例中,人工生命课程教学中以ACM优秀博士论文工作为基础,讲述了人工鱼的感知与行为建模、几何与外观属性建模、虚拟海洋环境建模等,目的在于突出建模内涵的宽泛性和在虚拟现实技术中的重要地位,通过详述人工鱼的生物力学分析、总体方案设计,行为与运动系统实现,归纳总结出多学科交叉、逼真性与效率的完美平衡是其创新所在。在讲授虚拟人技术时,首先提出逼真人体运动复杂性和实时性这一矛盾,引入机器人技术领域的逆向运动学以及信号与系统中的信号处理方法,重点介绍借鉴其他学科方法解决虚拟人运动重用和大规模人群等关键问题,强调借鉴启迪是创新的源泉。在诸如同心拼图、分布式虚拟环境中同样贯彻了结合实例,促进创新思维这一教学思路。

5结论与展望

“虚拟现实技术”涉及面宽、内容十分丰富,同时发展迅速,应用越来越广泛,如何讲授好该课程是一个需要不断探讨、研究总结的教学课题。笔者在多年的教学活动中,通过教与学的交流,不断总结形成了一些教学思路和方法,取得了良好的效果,但是仍然需要不断完善充实,主要包括两个方面内容:(1)如何做好虚拟现实技术课程与计算机图形学、多媒体技术、图像处理技术的衔接;(2)如何利用好虚拟现实技术与系统国家重点实验室的研究环境、软硬件资源以进一步加强虚拟现实课程的实践环节。我们将在今后继续研究探索,以解决这些重要问题。

参考文献:

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1.体育系统仿真的概况

体育系统仿真是一门交叉学科，它以运用多学科多因素超时空综合集成的特征不同于其它学科。现代体育运动实践展现了宽阔宏大多姿多彩的时空场所，为体育系统仿真的产生和建立提供了肥沃的土壤和基础，同时体育运动实践和体育科研的诸多问题也在强烈呼唤体育系统仿真作出回答和解决。[1]

2000年6月“体育系统仿真”这一交叉学科概念正式被提出，2002年10月中国国家体育科学研究所体育系统仿真实验室开放实验室成立，2004年10月中国系统仿真学会理事会接受体育系统仿真专业委员会申请，2005 年正式备案，标志国内这一学科的建立。体育系统仿真的定义是：通过计算机模拟技术再现体育教师的教学经验、教练员的训练意图、管理者的组织方案和运动员的训练过程，从而达到对体育系统的解释、分析、预测、评价的一种实验技术科学，运动捕捉作为体育系统仿真的关键技术和设备，负责运动数据的采集与捕获。[2]

一个典型的体育仿真系统具有如下主要功能：（1）虚拟训练场景构建。依据运动项目的具体要求对虚拟训练场地、虚拟训练器材和虚拟人等的建模；（2）运动数据捕获。运用运动捕捉技术采集运动实体的运动数据，并将其用于生成虚拟人动画；（3）生理生化和心理数据采集。生理生化和心理指标是运动员竞技状态的重要反映，根据运动项目的不同，通过各种传感器和智能化仪器来采集运动员的生理生化数据、心理数据；（4）动作重演和展现。动作重现是体育系统仿真的重要要求，运动捕捉可以很好地完成该任务，例如在体操项目中，教练员首先采集真实体操运动员的运动动作，之后重新编排，产生新动作，再利用虚拟体操运动员精确地重现体操运动员的体操动作，从而帮助体操运动员改进和创新动作，提高水平；（5）技术诊断与分析。通过对技术动作做量化分析，且以图形方式展示分析结果，以此为基础，对“理想”的技术动作与运动员技术动作做比较， 进行深层次的分析，然后给出改进技术动作的指导性意见。[3]

2.运动捕捉技术是体育系统仿真的关键

2.1运动捕捉技术的发展

光学式运动捕捉技术是目前应用最为广泛、发展最为成熟的一类捕捉技术。这类技术利用计算机视觉原理。光学式运动捕捉系统通常使用 6～12 个摄相机环绕表演场地排列，这些摄相机的视野重叠区域就是表演者的动作范围。随着机器视觉、虚拟现实等技术的迅速发展，精确捕捉人体动作并且进行重现，已经成为研究的热点。通过运动捕捉技术获取某类技术动作的运动参数及生理生化指标等数据，从而统计出运动规律，为体育教学和运动训练提供标准规范的技术指导，从而摆脱纯粹的依靠经验的状态，进入科学化、数字化时代。

2.2运动捕捉技术在体育教学和训练中的应用

目前， 我国的学校体育教学内容和方法比较落后，仍然采用从教材中传授既定的基本解录像等较传统的方法。基于运动捕捉技术的体育系统仿真教学与训练， 由于具有高仿真性、开放共享性、人机交互性、重复使用性以及安全性好等特点， 已经成为传统体育教学与训练方法的一种有益补充， 并显示出巨大的潜力， 在教学和训练中的应用将有着广阔的空间。

3.运动捕捉技术在篮球教学和训练中的应用

我们知道现在篮球在技、战术与篮球规则的相互促进和制约过程中不断发展和提高。而从事篮球运动普及与提高的教师和教练员技术动作也并不都是规范合理的，即使是国手级人物，他们也因退役后在二线而从事教学、训练工作，随着年龄的增长和技术、身体素质的逐渐退化，有时也很难在教学和训练中完成正确的示范动作。体校和专业队通常都是通过学员反复练习和教员不断提示的反馈过程来实现掌握正确技术动作的目的；许多战术内容也较复杂多变，教员一时也很难在许多交叉线条图中分清战术行动方向和行动时机，许多教员都是通过经验阅读和理解战术线路图。何况我们学校体育课堂教学只能是望尘莫及。

3.1虚拟球馆建模

3d软件构建场馆要以场馆建筑设计图按比例还原，虚拟设计的场馆要注意各处比例和建筑设计规范。尽量减少模型面数，删除立体模型不可见的面。座椅栏杆等大量模型尽量以简模加透视纹理来实现，以减小场馆模型的文件尺寸。

3.2虚拟运动员角色

3dmax 和 Maya 是目前最为流行的三维图形和动画软件，它们虽然有很强的建模和动画功能，但是在人物建模方面还是比较繁琐。我们可以通过专门的人物造型软件建立人体模型。然后将人体模型倒入 3dmax 和 Maya 软件环境。[4]

3.3 动画数据的获得

采用光学式运动捕捉技术，要求表演者穿上单色的服装，在身体的关键部位，如关节、髋部、肘、腕等位置贴上一些特制的标志或发光点称为“Marker”，视觉系统将识别和处理这些标志。系统定标后，摄相机连续拍摄表演者动作，并将光点图像序列保存下来，然后再进行光点处理，进而得到其运动轨迹和骨骼动画。

4.虚拟现实与篮球运动仿真动画的交互程序设计

4.1 主程序与功能模块设计

主程序主要起分类导向作用，根据篮球教学训练内容和动态展示的特点，设计了技术动作、战术配合、裁判方法三个主要的分支程序导航。

4.2 技术动作交互程序设计与功能模块

技术动作模块按篮球技术分类设计了五个，传球、运球、投篮、突破、防守。一级分类导航和二十五个二级动作激活按钮。以及慢动作、逐帧进退功能，四视角快速切换和视角任意操控与跟踪追随运动员功能。

4.3 战术配合交互程序设计与功能模块

战术配合模块按篮球战术分类设计了四个，进攻基础配合、防守基础配合、半场进攻战术、半场防守战术。一级分类导航和二十个二级战术配合激活按钮。以及慢动作、逐帧进退功能，四视角快速切换和视角任意操控功能。

4.4 裁判方法交互程序设计与功能模块

裁判方法模块按篮球竞赛规则与裁判方法分类设计了五个（区域分工、分工配合、常用手势、违例手势、犯规手势）一级分类导航和二十个二级动画激活按钮。以及慢动作、逐帧进退功能，四视角快速切换和视角任意操控功能。

5.讨论与建议

运动捕捉技术经过40年的发展，已在许多研究领域得到了应用，如表演动画、体育训练与教学、影视和游戏、人体生物力学等。基于运动捕捉等技术发展起来的虚拟现实体育教学与训练方法，是以现代教育理论为指导，以虚拟现实技术、计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术等为支撑而建立的新型教学与训练方法。该方法运用动作捕捉系统采集人体运动数据，并将其用于生成虚拟人动画，效果非常逼真，且能保证训练的科学性；同时运用计算机图形学技术建立虚拟训练场景，并使软件系统具备了互动操作、全方位观摩以及运动辅助教学、动作技术分析等功能。[5]随着宽带时代的来临，运动捕捉等虚拟现实技术必将具有更加广阔的应用领域和发展前景，在体育领域我们需要紧密关注、大胆应用， 这对于深化篮球教学和训练改革，提高教学与训练的效率大有裨益。

参考文献

[1] 解毅飞.关于创建体育系统仿真学科理论体系的构想[J].广州体育学院学报，2002.

[2] 付 全.运动捕捉技术在体育运动仿真中的应用[J].山西大同大学学报，2013.

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作者简介：丁军（1978-），男，重庆人，重庆理工大学机械工程学院，副教授；黄霞（1977-），女，四川射洪人，重庆理工大学机械工程学院，讲师。（重庆 400054）

基金项目：本文系重庆市高等教育教学改革研究项目（项目编号：112013）的研究成果。

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）35-0051-02

力学是研究物质机械运动规律的科学。它以理论分析、实验验证和数值模拟为主要研究手段，揭示和解决工程技术中的普遍规律和共性问题，涉及航空、航天、造船、核能、建筑、机械、汽车、环境、生物医学等诸多领域。它包括力学中的基本问题和方法、动力学与控制、固体力学、流体力学、生物力学、爆炸与冲击动力学等学科。[1]力学基础课程和力学基础知识是大多数工科专业，特别是机械、汽车相关领域的必备基础。力学具有基础和技术学科的双重特征，力学专业不仅十分关注科学技术的发展前沿，成为推动新学科发展的重要力量，而且特别注重解决工程实际问题。例如在固体力学的范畴内，新材料的发展带来了新的固体力学问题。当经典力学的连续、均匀、小变形假设不再成立时，要想找到精确解是不可能的，唯一解决手段是计算力学方法。另一方面，在经济和社会发展中的重大工程问题中，例如交通运输、先进装备以及航空航天等领域，工程力学的作用越来越大。现代力学问题追求更加真实的工程环境以及跨尺度、多物理场耦合的相互影响，因而提出了大量的数值模拟仿真问题，计算力学是解决工程数值模拟关键技术的主要手段。[2-3]我国著名科学家钱学森曾经预言：在21世纪，“力学加计算机将成为工程设计的主要手段”。[4]当今数值计算理论及CAE仿真技术的飞速发展验证了钱老的真知灼见。

重庆理工大学（以下简称“我校”）地处我国兵器工业和装备制造业的集结重镇——重庆。汽车、摩托车产业和装备制造业是重庆市经济发展的重要支柱产业，是催生重庆市地方区域经济发展的新增长点，促进和推动重庆市经济快速稳步增长的核心和动力。目前，重庆已发展成为全国重要的汽车生产基地、世界最大的摩托车零部件制造基地和全国最大的摩托车整车生产基地。《2013重庆经济展望》指出：2012年全年，重庆市汽车、摩托车产值高达3600亿元，预计2013年汽车、摩托车产业总值将达到4000亿元左右。同时，重庆是我国10个重大装备制造业基地之一。《重庆市装备制造业三年振兴规划》指出：未来三年，重庆将依托现有装备制造产业基础，加快产业结构调整，推动产业优化升级，形成特色产业集群，全面提升产业竞争力，预计三年后，即2015年，重庆装备制造业实现工业总产值5000亿元的规模。汽车、摩托车产业和装备制造业带来的庞大经济规模，势必提高产业发展对大学本科应用型人才培养质量的要求。

我校主动适应地方区域经济及产业发展对应用型人才的需求，将理论与应用力学专业与汽车产业紧密结合，形成具有汽车CAE特色的力学专业人才培养模式，培养具有较强汽车CAE分析能力和坚实力学专门知识的应用型人才。

一、数值模拟能力范畴

近年来，数值模拟分析能力水平已成为工科研究生，特别是汽车和机械类研究生的必备工具之一，而对于机械、汽车专业学生来讲，其CAE分析水平主要还是停留在利用软件进行简单的建模分析阶段，由于CAE分析软件具有较强力学专业背景，多数学生并不了解CAE分析的具体过程和产生此种分析结果的缘由；另一方面，力学专业的学生往往又不具备很强的汽车结构专业知识和工程背景。因此，为了弥补既有较强汽车专业知识又具有扎实力学专门知识的人才空白，我们将力学与车辆两个专业有机而紧密结合起来，将数值计算模拟分析能力进行进一步深化和拓展，培养力学专业学生扎实的数值模拟分析能力和较强汽车工程背景。数值模拟能力主要归结为以下方面：

1.数学建模能力

建立正确的模型是进行计算分析的基础。对于工程问题，首先要建立反映问题本质的数学力学模型，建立反映问题变量之间关系的微分方程及相应定解条件，这是数值计算的出发点。没有正确完善的数学模型，数值计算就无法模拟真实情况。

2.结果分析能力

在CAE分析过程中，一旦确定了正确的力学模型之后，求解过程是一个关键问题。但问题在于，任何一种通用有限元分析软件的求解过程都是一个“黑匣子”，其所有方程求解都封装于求解器之内，对于一般大学本科生层次来讲，无需深入了解暗箱中的操作。但结果出来之后，结果分析能力就显得至关重要。如何去判断所得的结果是否正确，是CAE分析的关键所在。因此，力学专业本科生要掌握运用所学力学知识进行结果分析和讨论的能力，不能只看到表面上的数字和图表，而是通过分析和讨论，挖掘数字和图表后面所隐含的力学原理和实际意义，学会判断计算结果的正确性、精确度、应用限制与改进方法。

3.程序编制能力

前面所说CAE的求解是一个封装后的黑匣子，对于一般用户来讲无需去细究，但是，对于想要成为具有较强数值模拟能力的CAE专业人员来讲，具备一定的程序编制能力非常必要，是实现自己新思想、新方法的唯一途径。目前，通用有限元分析软件如SIMULIA（ABAQUS）、ANSYS、PATRAN&NASTRAN等都是针对用户实现一般分析功能的通用程序，在某些特定环境下或针对某些具体的工程实际问题，如先进复合材料分析，由于软件本身自带的材料物理本构模型无法表述某种复合材料时，此时就必须利用程序来编制适合工程实际的材料本构方程。

4.软件的综合应用与开发能力

软件的综合应用能力是解决工程问题的利器，也是分析和提高计算的可靠性、有效性和精确性的有利方法。现代计算力学发展已经逐步专业化、产业化，功能强大的、成熟的商业软件是解决工程实际问题的有力工具。在掌握模型建立的基础上，让学生熟悉多种商业软件的使用既有利于对前期建模、计算方法、有限元分析等知识的进一步深化，也为今后解决工程实际问题掌握了有力工具。教学中要求学生针对具体的、较复杂的工程问题采用成熟软件进行模拟分析，写出分析报告，并在课堂讲解接受答辩。

二、汽车CAE特色的数值模拟能力培养和提升的核心课程体系

为了培养既具有汽车结构专业知识，又具有较强数值模拟计算能力的力学专业高素质应用型专门人才，我们在理论与应用力学专业人才培养方案中设置了“汽车构造”和“现代汽车技术”两门课程，专门用于培养学生汽车结构专业知识和提高其对现代汽车技术发展的了解和掌握，强化了学生的工程背景，构建了以数值计算能力培养和提高为驱动的力学专业核心课程体系。整个课程体系设置如图1所示。

数值模拟能力的基础是有限单元法，其将工程结构问题抽象成数学力学模型，然后再采用偏微分方程、泛函分析、数值分析等数学工具求出工程实际问题的近似解，通过不断提高网格质量和增加网格数量等技术手段来逼近物理问题的真实解，学生要很好掌握有限单元法知识必须得具有扎实的弹塑性力学知识（其是理解并抽象工程实际问题的最基本工具和方法），C语言或Fortran语言程序识读及编程能力，以及必备的数值分析能力，这三门学科知识奠定了有限单元法坚固的理论基础。[5-6]

在良好掌握有限单元法知识后，开设了“CAE软件应用”、“多体动力学软件及应用”、“动力学有限元软件及应用”、“计算流体动力学及软件应用”等技术课程。这四门课程的学习可以使学生对有限元法的理论和编程思想有更深刻的理解和认识，实现质的提升。在“CAE软件应用”课程的学习中，采用ABAQUS软件作为学生的操作软件。ABAQUS一直是国外高校科研院所、航空航天领域的标志性工具软件。作为力学专业学生，理应需要学习专业性更强、拓展性更好的分析软件。“多体动力学软件及应用”课程采用的是ADAMS软件，该软件在国际多体动力学分析行业中得到一致认可，通过对多体动力学理论和软件的学习，弥补了理论与应用力学专业学生机械知识薄弱等不足，强化了学生对机构等构件的认识和理解，同时，ADAMS软件在汽车业界也是公认的主流软件，加深了力学专业学生毕业后在汽车业界的被认同感。“动力学有限元软件及应用”主要采用LS-Dyna和Nastran，结合我校的学科特点和专业特色，让学生通过动力学理论及软件的学习掌握对机械零部件、汽车零部件及整车的动力学特性分析（如机械零部件的振动、汽车的碰撞等）。“计算流体动力学软件及应用”课程采用国际公认的专业流体分析软件Fluent。随着近年来国内汽车工业的飞速发展，国产轿车技术的突飞猛进，产生大量需要利用空气动力学理论来解决的汽车工程问题，如车身外形的设计及优化、发动机的冷却、车内空调制冷优化等问题。在掌握了ABAQUS、ADAMS、Nastran、Fluent等通用或专业分析软件之后，在人才培养方案中，我们结合“汽车构造”和“现代汽车技术”两门专业课程，让力学专业学生系统地学习汽车专业知识，将汽车工程实际问题与已获得的CAE分析能力有机结合起来，达到力学专业并不是只注重理论，还要将力学专业知识与工程背景相结合的人才培养目标。

三、教学环节的实施

在每门课程教学中，特别注意重点内容的选择，把主要精力放在有限单元法的基本原理、工程实际问题建模和程序实现上，特别是不能把有限单元法的求解过程讲解成计算方法或线性代数。主要的实施环节可以归结为三项。

1.研读源程序

学生最早接触有限元源程序是在有限单元法课程学习中，因此，要求学生不仅理解有限元法程序的设计流程、主要模块功能、算法实现和调试验证等主要环节的基本原理，而且要求学生具备对源程序进行修改、增加功能模块和自行编制调试程序的能力。在有限单元法课程上准备了三个源程序，即入门级的三角形常应变程序、平面问题的等参元程序和板壳单元程序。

2.自主建模

为了培养学生解决实际工程问题的能力，特别是汽车工程的建模能力，在上机实习、考试和课外作业中实行自我命题、自我解决、自我判断的能力培养环节。工程实际问题的分析模型可能有多个，鼓励学生对不同的几何简化、载荷工况和边界约束进行分析比较。找到合理模型，积累建模经验。

3.阅读经典著作及文献

以有限元分析软件为手段的数值模拟计算现在已经成为各个研究领域解决工程实际问题特别是大工程问题的主要手段。因此，培养和提高数值模拟计算能力对于地方工科院校人才培养是十分重要的环节。地方高校要加强内涵发展，培养和提高学生的工程实践能力，培养学生的创新精神，全面提高人才的培养质量。实现学生创新精神和能力的培养需要对所学行业、学科及专业的纵深有了解，因此，在教学过程中，我们十分重视向学生引入汽车的先进技术知识、数值模拟先进手段、超高性能计算机的发展现状及趋势。推荐学生阅读优秀的科研论文以对计算力学的先进理论成果进行了解，对CAE领域的发展具有一个总体的研判。

有限单元法课程理论深奥，涉及学科错综复杂，不同版本教材的作者站在不同的学科和专业视角，可能会让学生产生难学难懂的错觉，甚至有学生产生学习抵触情绪。我们就此专门向学生推荐有限单元法领域世界级大师的著作，如K.J Bathe，J.N Reddy等有限元法原著，倾听大师对有限元法的风趣诠释和超凡理解，让学生从另外一个角度来深刻体会和学习知识。

在该课程体系的实践下，我校首届理论与应用力学专业学生取得了良好成绩和效果，有33%左右的学生考上了国内著名985高校的研究生，多名学生就读于在国际国内计算力学领域具有重大影响的大连理工大学，师从业界有名的计算力学专家。其中一名学生更是以专业第一名的优异成绩完胜其他高校学生，被大连理工大学计算力学专业录取为直博研究生。部分学生凭借其在校期间掌握和积累的数值模拟计算分析能力就职于国内多家著名汽车整机或零部件企业，获得用人单位一致好评。

四、结论

以掌握有限元软件分析应用为手段的数值模拟计算能力是地方工科院校力学专业学生应具备的基本素质。将力学专业知识和飞速发展的汽车行业紧密结合，培养学生坚实的力学知识且具有热门行业的专业知识和工程背景。拓宽了地方工科院校力学专业人才培养的思路和渠道，为力学专业毕业生提供了更为广阔的用武之地和发展愿景。通过系列化的课程设置、工程化的培养手段和融入少许国际元素的教学理念，为国家培养具有高水平数值计算模拟能力的力学和汽车专业人才。

参考文献：

[1]国家自然科学基金委.未来10年中国学科发展战略：力学[M].北京：科学出版社，2012.

[2]杨庆生，龙连春，刘赵淼，等.力学专业研究生计算力学能力培养及其课程体系建设[J].力学与实践，2012，（4）：66-69.

[3]李建，林贤坤.力学专业车辆方向有限单元法课程教学探讨[J].科技信息，2012，（23）：13-14.

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中图分类号：TU2 文献标识码：A

0.前言

工业工程 （Industrial Engineering， 简称IE） 是20世纪产生的一门学科。工业工程学科产生于美国， 但是在许多发达国家得到了广泛的传播和应用， 并在这些国家的工业现代化过程中发挥了重要作用。近年来一些学者为工业工程下了一些新定义， 用以反映现代工业工程的内容和职能。其中我国学者对工业工程的认识为： 工业工程是以系统科学和运筹学为理论基础， 从技术角度对各种系统 （主要是生产系统） 进行分析、 规划、 设计、 优化、 评价和实践， 以达到不断提高生产率和整体效益的目的。下面就对工业工程涉及的管理、 规划与设计进行浅析。

1.项目管理

在一个项目中， 个人和组织之间的协调是一项非常复杂的任务。为了确保成功， 要求来自不同组织的工作人员在不同时间和不同地理位置上有一个整体的沟通。在项目管理中， 主要可以分为几大部分： 综合管理、 范围管理、 时间管理、 成本管理、 质量管理、 人力资源管理、 沟通管理、 风险管理和采购管理。随着项目过程和项目生命周期的集成出现的项目管理方法学中，首先确定在项目生命周期的各个阶段施行过程的哪一个部分； 其次指派专门人员完成各个过程或是一个过程的一部分， 这些人员都要进行特定工具或特定技术的培训； 最后将各个过程所需的信息输入或传出给负责项目的人员， 以保证项目参与者良好协调的信息流和很好的沟通。一系列设计严密的过程由适宜的信息系统支持且由训练有素的团队执行， 那么该组织定会有很大的竞争力。成功的项目管理要求成功的进行项目范围和成果范围的计划、 执行、 控制。而建立团队和组织学习在项目环境中占有举足轻重的地位，建立一个清晰的流程， 并知道如何在过程中正确的走每一步， 这样在项目管理中才可以取得卓越的绩效。

2.产品规划

2.1规划与产品整合开发

当前市场的特性是： 越来越激烈的国际竞争、 迅速增长的商品复杂度和极度变革的技术创新。在创新周期逐渐缩短的同时， 产品的生命周期和投资回收期也在不断缩短。这样， 时间就成为目前最富挑战的因素。企业如何快速成功的占据市场便成为了重中之重， 这就要求加速创新产品的开发， 而产品原型的生产则成为了快速开发产品的关键。

2.1.1快速开发产品的特征

特征有完整的生命周期、 正确的组织形式、 流程的实施、 人力和技术资源的协调以及产品开发流程的结果。这些独立模块在有一个大致边界后可自由发展至成熟， 但这些带来的资源的重新配置、 整个项目过程的同步等问题需我们进一步研究。

2.1.2快速产品开发的基本方法

(1)过程计划，

计划是规划各种过程的第一步， 在涉及一个复杂的研发项目时， 过程的计划是必须的。目前已经开发出的面向小组的项目计划系统 （TOPP） 的协调是通过单一通道下的计划来实现的， 它实现了面向阶段和面向结果的集成， 并且可支持计划制定者来协调快速产品开发和研发中的全局性工程项目。

(2)数字原型

总体而言， 建立整个系统的物理或者虚拟原型极其重要， 尤其在产品开发的初始阶段。掌握了快速开发产品的特征和快速产品开发的基本方法之后， 还要考虑研发队伍成员之间的通信与协作问题。在研发创新性产品这个动态的过程中， 小组成员之间的交流会为实现高效率和高效益的项目合作起到重要作用。

3.以人为中心的产品规划与设计

3.1以人为中心的3个基本目的

目的是： 设计应该促进人的能力提高、 应该帮助克服人的局限性、培养人的接受能力。这些目的应该在整个设计过程别是初始设计阶段成为设计人员的驱动性思维。运用以人为中心的框架会保证产品或系统的生存性、 认可性和有效性等方面的成功。

3.2面向制造的设计

面向制造的设计的目标在于在早期的产品设计阶段就考虑可生产性的问题， 以便在较短的交付时间内以较低的价格吸引顾客并满足顾客需要。面向制造的设计将被运用于工业环境中， 所以我们要关注提高工程师个体在设计与制造方面的专业知识水平以及促进设计与制造小组之间较好较早地交流沟通。

3.3面向客户端的设计

面向客户端的设计的目标就是以客户需求为基础，通过充分市场调研，了解客户需求和使用习惯，满足客户最大化的服务要求。通过准确的市场细分和市场定位，使得产品能迅速打开市场，同时不断提高客户对产品的忠诚度，从而使得产品的市场份额不断得到巩固和提高。

4.工业工程未来的发展趋势

20世纪90年代以来， 特别是进入新世纪之后， 工业生产的全球化日益加深， 市场竞争愈演愈烈， 新技术不断涌现， 工业技术水平日益提高社会需求不断变化， 工业生产规模不断扩大。这些都客观上要求工业工程不断吸收新技术， 以适应全球化的工业生产。工业工程的发展趋势体现出新形势下发展要求。

(1)多学科融合加快。现代生产日趋复杂， 新产品新技术不断涌现，这些促进了工业工程学科大量的引进系统的科学思想及系统的工程理论和方法， 广泛吸收各种现代科学理论和方法， 如计算机技术、 微电子技术、 机电一体化技术、 计算机集成制造系统、 管理信息系统、 决策支持技术、 人工智能技术、 计算机专家系统以及生物力学、 心理学、 运筹学等， 使工业工程这门综合性学科不断充实完善， 日趋现代化。

(2)应用领域日益扩大。工业工程的研究应用领域遍及生产工程、物料搬运与存储管理、 工厂与车间管理、 成本分析与控制、 价值工程、 可靠性工程、 投资分析、 财务分析与管理等各个生产领域。近年来， 工业工程技术的应用扩大到如流通、 商贸、 服务业、 非盈利性组织等非生产制造领域。

(3)研究手段日趋复杂。随着计算机技术以及其他科学领域的发展， 新的工业工程研究手段不断出现， 其研究方法也日趋复杂。如传统的数字仿真只能得到用数字表示的仿真结果， 以及相应的二维图像， 其应用深度受到很大的限制， 而最新的仿真技术可以将仿真与虚幻现实技术结合， 将设计者置于虚拟现实的环境中， 使其能 “身临其境” 地发现潜在问题， 从而降低制造成本、 缩短实施时间、 避免反复的设计。模糊数学、 遗传算法和神经网络等， 也不断引入到方法研究中。

(4)强调以人为本。现代工业工程对生产要素优化组合新规律的探索不断深化， 其中心问题是对人和其他生产要素之间的关系的研究。在生产系统中， 人始终是重要角色， 提高生产率的问题归根到底是以人为中心来展开研究。人、 机器和设施的最佳组合， 人在变速、 高速系统中的适应性， 环境对人的影响等这些人类工程学的课题也是工业工程

的重要研究领域。

5.结语

当代全球竞争的热点已由硬资源(物质资源)转向软资源——科技、信息、 资金和人才， 争夺的焦点不仅是占有这些资源， 更重要的是资源的优化配置和合理利用。面临21世纪， 强大的先进制造技术将使制造业能够灵活、 快捷地适应市场需求， 向社会提供更多、 更好、 更能让顾客满意的产品和服务。

在知识经济时代， 创新是灵魂， 通过持续不断的技术创新、 组织创新和管理创新， 将进一步激发工业工程的创造活力， 使工业工程学科更加充实， 更加完善， 更加普及。随着制造业的曙光在中国大地的展现，工业工程在中国的研究和应用也必将出现重大突破和飞跃发展。

参考文献

［1］ 熊永家， 娄文忠.工业工程方法从入门到精通.机械工业出版社，2009 年10月第1版 8-9

篇（10）

检 索：.cn

中图分类号：TB47 文献标志码：A 文章编号：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

人机工程学自诞生以来便受到了数控机床设计界的广泛关注，机床设计者利用人机工程学来改善数控机床运转条件、调整机床显示屏安装角度等。现阶段，结合人机工程学知识所制造的数控机床不仅具备美观的外型，性能也得到了显著的提升。

一、人机工程学概述

心理学、人体测量学、生物力学、生理学与工程学等学科知识共同构成了人机工程学。在机床造型设计中应用人机工程学的主要目标是结合该学科理论，设计出拥有最大运转效率、操作便利安全的机械设备。人机工程学之所以能够实现确保人、机器以及环境系统总体性能最优化的目的，主要原因是其向设计者揭示了人、机器以及环境三者之间的规律与关系。

近年来，人机工程学的应用愈来愈广泛，应用主要集中于工业领域。通过应用人机工程学，人们有效地提升了机器的性能、改善了工人的操作条件、减少了职业病的发生几率。就目前状况而言，我国工业发展势头较好，数控机床应用普遍，所以人机工程学应用条件良好。

二、数控机床人机系统设计目标

人机系统在数控机床中应用的基本目标便是实现“机宜人，人适机”。数控机床能够承受巨大的工作量，在工件精度控制方面具有巨大的优势，而相比于数控机床，人拥有活跃的思维，能够对工作中的突发状况做出紧急处理。在数控机床造型设计上应用人机工程学知识，就是为了加强人与机器的配合，从而最大程度地强化人机系统的总体功能并提升系统运转效率。

人与数控机床构成和谐的人机系统，人与机器共同履行应尽的职责。人机系统中，机器负责开展高强度的运算以及工件加工工作，操作人员则负责编写控制程序、下发操作指令以及维护保养数控机床等。

三、人机系统具体设计

（一）工作台控制装置设计

工作台是数控机床的关键构成成分，其负责对相关工件进行加工。工作台控制装置是指挥机械臂运转的“大脑”，在工作台控制装置设计工作中，设计者必须要考虑到操作人员手臂活动范围等因素，力求使操作人员能够便捷地操作工作台。调查数据显示，我国大部分数控机床操作人员患有腰肌劳损、腰椎盘突出等疾病，造成该现象的主要原因之一是常规的数控机床设计使得操作者长时间地处于静态弯腰状态中。因此，数控机床人机系统设计者应当竭力避免上述问题的发生，合理地设计工作台台面，充分结合人机工程学相关知识来确定台面的高度。

通常情况下，操作人员是站立操作工作台的，在此情况下，工作台面应当靠近操作员的手部，如此方能避免操作人员长时间弯腰的现象出现，还能有效地防止操作人员因身体前倾而跌倒。数控机床的控制杆和手柄由杠杆以及执握柄构成，从操作条件来看，控制杆以及手柄属于单手控制器范畴，数控机床的手柄一般在操纵力相对较小的操作环境下使用。结合人体工程学相关知识，认为在手柄转动角度不大于手腕转动的常规角度的条件下，工作人员的操作将更加地轻松高效。

为了最大程度地消除数控机床运行过程中手柄与操作人员手掌之间的摩擦，可以采用轴套式的手柄设计。为了提升操作人员手部的舒适性，可以采用触感良好的软树脂作为手柄套的材料，也可以为操作人员发放软树脂制成的工作手套，从而实现对操作人员手部进行双重保护的目的。

（二）显示输入面板设计

显示输入面板是数控机床的核心组分，负责显示数控机床运行状态等重要工作。显示输入面板的高度设计十分重要，传统的数控机床未重视显示输入面板的高度设计工作，从而导致操作人员无法便捷地观测运行数据，不仅影响了数控机床的正常运行，同时在一定程度上影响了操作人员的身体健康。

依照人机工程学理论，认为数控机床显示输入面板的高度应当取百分之五十的人体尺寸，即设计成操作人员平均身高的一半，事实表明，该种设计能够有效地满足机床操作人员的操作要求，使操作人员能够轻松地完成数据分析、输入等工序。为了提升面板操作的舒适性，机床设计者还需要重点考虑面板高度与操作人员肘高的适应性。如果操作人员经常性地抬高手臂以进行显示输入面板操作，则容易产生肌肉酸痛感，长此以往可能造成手臂肌肉血液循环不畅，所以，机床设计者需要充分确保面板与操作人员的肘高相匹配。

需要特别指出的是，应当采用可调节式面板设计，这是因为每个人的生理构造有着细微的差别，在此情况下，如果面板是固定的，即使高度设计考虑到了操作人员身高平均值、肘高平均值等因素，也难以最为有效地为每一个操作人员提供最优的工作环境。就目前状况而言，悬挂式、分离式、贴合式以及下伸式等形式的显示输入面板技术实现难度相对较低、实际应用效果颇佳，因此被广泛应用于数控机床中。每个操作人员对面板高度的要求不同，所以应当在控制面板上安装体积与高度合理的把手，从而有效地增强操作人员的工作便利性。

由于现代化的数控机床需要执行多类加工任务，功能比较丰富，因此显示输入面板上分布着大量的按键，按键的大小设计工作十分重要，按键过大或者过小都可能导致操作效率低下甚至引发误操作，影响数控机床的运转效率与质量。面板按键尺寸大小要与操作人员手指端面积相匹配。一般来讲，按键面积需要稍稍大于人的手指端面积。为了保障操作的准确性，按键的工作行程以及按压力需要符合相关行业规范与国家标准。

为了尽量缩小显示输入面板的体积，按键的排布应当尽量紧密，但是应当注意按键排布不能过于紧密，否则操作人员可能在无意间同时按下两个键位，如此有可能引发相关安全事故。得益于科技的迅猛进步，现阶段数控机床控制面板按键技术得到了极大的改进，国有企业基本普及了感应式键盘设计，这种面板感应灵敏度非常好，并且拥有极佳的触感，能够显著地增强数控机床操控工作的舒适性。

为了促使操作人员能够更好更快地获取收索信息，应当依照一定的原则来设计按键的排布，经验表明，奇数个横向的按键排列方式能够最为有效地提升操作人员信息获取工作的便利性与准确性。最好划分功能键位区域，划出字母键、数字键以及方向指示键等键位区域，如此能够帮助操作人员更好地找到所需键位，同时有利于操作人员养成良好的击键习惯。

数控机床显示输入面板上分布着大量的旋钮，有的旋钮可以旋转一周以上，有的旋钮只能旋转一周以内，而有的旋钮则无法旋转，这类旋钮发挥着定向指示的作用。为了便于操作人员迅速区分不同功能的旋钮，可以在旋钮设计中应用色彩编码技术。依据相关技术规范可知，红色可以用来表示停止机床运转，而绿色则表示接通或者启动数控机床。

为了提升操作的准确性与便捷性，数控机床面板上分布了一些符号与文字以标示键位的功能，如果操作环境中照明条件不佳，则操作人员将较难在短时间内准确获取标示文字以及符号的信息，因此，建议设计者在面板键盘设计上采用背光技术，如此能够显著地改善面板操作环境，增强击键的准确性与便捷性。

（三）机床开合门设计

在数控机床中，开合门是一道非常重要的设施，其能够较为有效地保护操作人员的生命财产安全，与此同时还能发挥隔声的效果。机床操作人员需要实时监控工作台，为了支持这一工作，设计者应当合理设计开合门上的视窗，视窗不宜过大也不能太小。现阶段，数控机床开合门主要采用左右拖拉设计，应当确保拖拉开合门的力的大小处于合理水平。通常情况下，加工中心中的加工任务繁多、而且数控机床的体积也较大，而对于大型数控机床而言，最好增大把手的长度与开合门的尺寸。

（四）生产环境设计

现代化的数控机床操作业务对生产环境要求极高，因此要确保生产环境具备干净整洁的特征。为了增强工作人员操作机床面板的舒适性，认为需要确保数控机床的造型与生产环境相和谐，着重突出数控机床造型的人性化特点。行为心理学相关理论指出，颜色可以影响人的行为与心理，在中国传统文化中，红色象征着喜悦、丰收，蓝色代表着沉稳、宁静，鉴于数控机床实际操作状况，认为采用红色作为机床装饰色的方案不太实际，综合考虑后，认为可以将蓝色与绿色作为数控机床的主色调。

使用蓝色与绿色来装饰数控机床益处颇多。蓝色能够在一定程度放松人的心情，使得操作人员在轻松愉悦的环境中开展相关工作，而绿色不仅给人以清新的感受，还能有效地减缓操作人员的视觉疲劳，防止操作人员患上近视眼，有效地保护了操作人员的视力。德国是数控机床生产技术最发达的国家，而韩国DMG公司生产的一款数控机床便采用了蓝绿色开合门设计，据一些机床操作人员反映，操作蓝绿色的机床设备能够放松自身的心情，从而提升了工作效率以及质量。

（五）安全防护设计

安全防护设计工作意义重大，在过去几年中，媒体报道了许多惨烈的机床安全事故，主要原因之一是数控机床安全设计不到位，因此必须要确保数控机床的造型设计满足相关安全标准，能够给予操作人员一个安全舒适的操作环境。为了提升操作人员的心理安全感，数控机床的造型必须完全符合人机工程学的相关要求，要拥有饱满的整体造型。应当高度重视数控机床的着色处理工作，主要采用蓝色与绿色，如此能够促使操作人员获得足够的心理安全感。除此之外，要着力于完善人机工程设计，做好造型尺寸设计工作。调查数据显示，很大一部分机床安全事故的诱因是操作人员无意间接触了机床的按钮开关，所以为了保障操作人员的安全，必须要规范数控机床的尺寸设计，并将关键按钮置于不易被无意碰触到的位置上。

设计人员应当做好数控机床显示以及控制装置设计工作，各项设计需要充分结合操作人员的心理以及生理特点，最大程度地避免不合理设计的出现。由于操作人员需要长时间地查看显示面板上的数据，长此以往可能会影响操作人员的视力，因此可以采用智能化面板设计，设置视力保护提醒时间。

四、如何提升数控机床造型设计工作的质量

（一）提升机床设计者的综合素质

无论是何种工作，在其中发挥最关键作用的因素的“人才”，数控机床造型设计工作也不例外。通过调查走访，发现部分机床设计者的综合素质不高，主要表现在专业知识储备量不足与对人机工程学知识理解不透彻上。因此，企业要对症下药，采取针对性措施以提升机床设计者的综合素质。建议企业通过举办行业专家讲座以及组织专业技能培训活动等形式来切实地扩充机床设计者的专业知识储备与强化其实践设计能力，从而使其更加适应新时期数控机床造型设计工作的各类要求。

除此之外，企业应当定期派遣业绩突出、学习能力强的设计者前往德国、日本等数控机床设计、制造技术成熟发达的国家学习交流，以便回国后提升设计团队的整体综合素质。企业可以制定合理的薪资分层制度，将机床设计人员的工作业绩、工作态度以及周围同事对其的评价等因素纳入薪资考核体系当中，通过物质方面的激励以激发设计人员的工作积极性。

（二）加快数控机床设计制造标准建设

客观上讲，我国数控机床设计与制造技术与德日等国家仍有较大的差距，除了人才保障体系方面有一定差落外，机床设计制造行业缺乏健全的技术指导体系也是造成中国数控机床整体性能落后进口德日机床的主要原因之一。鉴于上述情况，认为政府应当尽快组织专家小组，研讨建立合理可行的数控机床设计与制造标准体系，从而为广大机床设计、制造企业提供权威可靠的参考。此外，政府应当加大对中小型机床生产企业的财政补贴力度，降低这些企业的银行贷款门槛，如此方能最大程度地促进数控机床生产行业的总体进步。

五、结语

新的发展形势下开展机床造型设计革新工作极为必要，人体工程学在机床设计中能发挥巨大的作用，为此，广大设计人员应当积极学习人机工程学知识，善于借鉴优秀的机床设计经验，在实际工作中保持认真严谨的态度，如此方能促进我国工业的长足发展。

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