《人机界面设计》课程教学大纲

《人机界面设计》课程教学大纲（共9篇）

《人机界面设计》课程教学大纲 篇1

《人机界面设计》课程教学大纲 课程编号:20431107 总学时数:32 总学分数:2 课程性质:选修课程 适用专业:计算机科学与技术

一、课程的任务和基本要求

人机界面是人与机器之间传递和交换信息的媒介,包括硬件界面和软件界面,是计算机科学与心理学、设计艺术学、认知科学和人机工程学的交叉研究领域。近年来,随着软件工程学的迅速发展和新一代计算机技术研究的推动,网络技术的突飞猛进,设计学科的日益膨胀,人机界面的设计和开发已成为国际计算机界和设计界最为活跃的研究方向。

了解人机界面的定义、起源、发展、研究内容及发展趋势;熟悉相关学科及知识,掌握人机界面设计中认知心理学、人机工程学、人机界面的艺术设计、色彩设计等;掌握硬件人机界面的设计风格、人文关怀等;掌握软件人机界面,介绍了软件人机界面的形式与标准、软件人机界面设计、Internet网页界面设计、图标设计等;熟悉人机界面设计评价与可用性测试;以及新交互技术及发展趋势。

二、基本内容和要求 1.人机界面概述

教学内容:人机界面的定义、起源、发展;人机界面学的研究内容;人机界面的设计的发展趋势;20世纪最伟大的10种人机界面装置。

教学要求:人机界面的定义,人机界面学的研究内容。2.认知心理学

教学内容:感觉信号的检测、视觉、听觉、记忆和学习、人的特性。教学要求:感觉信号的检测、人的特性。

3.人机工程学

教学内容:人机工程与人机界面、显示界面设计、控制界面设计、显控协调性设计、集中控制中的显控上桌面设计、人机系统中及其界面设计、视觉显示终端作业的人机界面设计、数字化人机工程。

教学要求:人机工程与人机界面、显示界面设计、数字化人机工程。

4.人机界面的艺术设计

教学内容:设计的概念、艺术设计的研究内容、艺术设计与技术、艺术设计的形态、术设计的内涵、艺术设计的美、艺术设计的语言与符号学规范。

教学要求:设计的概念、艺术设计的研究内容、艺术设计的语言与符号学规范。

5.色彩设计

教学内容:色彩基础、色彩调和与色彩搭配、色彩感觉、计算机色彩、硬件界面的色彩设计、软件设计的色彩搭配。

教学要求:色彩基础、色彩调和与色彩搭配、软件设计的色彩搭配。

6.硬件人机界面

教学内容:硬件人机界面的设计风格、信息时代的硬件界面设计、硬件人机界面设计的人文关怀、典型硬件人机界面设计、设计思潮。

教学要求:硬件人机界面的设计风格、典型硬件人机界面设计。

7.软件人机界面

教学内容:软件人机界面概述、软件人机界面的形式与标准、软件人机界面设计、Internet网页界面设计、图标设计。

教学要求:软件人机界面概述、软件人机界面的形式与标准。

8.人机界面设计评价

教学内容:人机界面设计的测试和评价的意义、设计准则、人机界面的测试、界面设计评价、硬件人机界面设计评价、软件人机界面设计评价与可用性测试、新交互技术及展望。

教学要求:人机界面设计的测试和评价的意义、设计准则。

三、实践环节和要求

实验目的:

本实验教学通过让学生动手完成各类人机用户界面的基本框架设计,使学生掌握用户界面项目设计的一般方法和过程,为培养学生在人机界面的设计等方面的能力打下坚实的基础。

上机实验内容与要求:

上机一:交互式输入/输出过程实验(2学时;设计和实现字符界面下的问答式输入输出程序或图形界面下的表单型输入输出。

上机二:菜单、对话框设计实验菜单、对话框设计实验(2学时;在常用IDE环境的支持下掌握菜单、对话框的设计和实现的基本方法,包括常见的条形菜单、弹出式菜单、工具栏、下拉式菜单、图标菜单、滚动菜单和对话框的设计和实现等。

上机三:完整的窗口实验(4学时;在常用IDE环境的支持下结合上两次实验内容设计和实现一个完整的图形界面的运行框架,应该包含菜单、对话框以及数据输入输出等相关元素。

四、教学时数分配

理论: 24 实验: 上机: 8 其它:

教学内容 学时分配

教学内容 学时分配1.人机界面概述2学时10.交互式输入/输出过程实验2学时(上机2.认知心理学2学时11.菜单、对话框设计实验菜单、对话框设计实验2学时(上机3.人机工程学2学时12.完整的窗口实验4学时(上机4.人机界面的艺术设计2学时5.色彩设计2学时6.硬件人机界面2学时7.软件人机界面8学时8.人机界面设计评价2学时9.复习、考试2学时合计

32五、其它项目

无

六、有关说明

1、教学和考核方式:

本课程属考查课,考试方式为笔试、闭卷。

2、习题:

以上机作业为主,适当布置文字作业。

作业批改方式:集体部分批改、电子邮件、网上实时交互等方式。

3、能力培养要求:

完成本课程的学习后,应具有如下能力:

理解人机界面的基本概念

掌握人机界面设计的基本方法;

具备在系统中综合运用人机界面技术的能力。

4、与其它课程和教学环节的联系:

先修课程和教学环节:程序设计基础、面向对象技术

后续课程和教学环节:操作系统等、管理信息系统实践

平行开设课程和教学环节:无

5、教材和主要参考书目:

(1教材:人机界面设计,罗仕鉴等,机械工业出版社, 2004

(2主要参考书目:

①设计·人机界面,黄艳群,黎旭,李荣丽,北京理工大学出版社,2006;

②人机界面设计,周苏、左伍衡、王文、徐新爱 等编著,科学出版社, 2007。

③Human-Computer Interaction Second Edition,迪克斯(英,电子工业出版社,2003-2-1。

《人机界面设计》课程教学大纲 篇2

1.1 用户界面设计的含义

通常, 人们把人机界面称为用户界面, 是用户与机器相互传递信息的媒介。包括信息的显示与控制;输入与输出, 这是广义的定义。狭义的用户界面定义是指人与计算机系统中的界面。传统人机界面的研究重点是研究人的生理特征和心理特征, 改进显示器与控制器的设计。到了用户界面阶段, 设计师的思考方向已从“人手的延伸”转向了“人脑的延伸”, 运用到认知科学的主要是注意、语言、短时记忆、长时记忆、推理与决策、问题解决等相关理论, 从认知科学的角度丰富和完善了人机工程学的理论体系。[1]用户界面将界面设计从物理界面的设计转移到认知界面的设计, 重视系统的“可用性”, “用户体验”等与人机之间的交互关系。

1.2 工业设计内涵的转变

现代技术的飞速发展, 人们已经由工业社会进入了后工业社会时代, 主要原因是信息技术的进步和运用, 故把21世纪也称为信息时代。伴随信息化进程中, 工业设计的内涵也发生了转变。从国际工业设计协会理事在1980年和2006年对工业设计做出的定义我们可以看出, 工业设计由纯形式的造型设计, 发展为方式设计与文化设计, 再发展到人的价值以及生命意义为中心非物质的服务设计。而用户界面设计恰恰是时刻把人放在中心, 作为设计的研究对象和参考目标, 因而用户界面设计必定是工业设计的一个重要内容。

2 现状和意义

以往传统的工业设计教学课程主要训练学生对于实体产品的创新能力, 有界面设计方面也是停留在按钮, 旋钮, 屏幕等实体的硬界面上。对于软体的操作界面了解少, 更不用说用户研究和用户体验的方法和内容, 究其原因是学校课程设计过程中没有这方面的课程。目前国内具有敏锐嗅觉的高校也逐渐增加了用户界面设计这方面的内容, 如清华大学, 湖南大学, 江南大学等。这也说明了用户界面设计相关课程必定是工业设计教学的一个重点。

3 导入的过程

为什么会选择工业设计专业的学生作为用户界面设计课程的教学对象和培养目标呢?这是由工业设计专业的背景和用户界面设计的过程共同决定的。一般工业设计的生源来自文化类理科和文科以及艺术类招生。工业设计的学生在低年级的时候学习了形态, 造型素描, 色彩和三大构成等等美术方面的基础知识, 主要培养了学生的审美意识和审美形态能力。同时, 理科文化类学生的逻辑思维能力和推理能力比较强。文科类学生的文字表达能力以及沟通交流能力比较占优势。这相当于纯粹平面设计专业的学生来讲, 更加适合进行用户界面设计的学习。

用户界面设计的过程主要包括了四个过程:用户研究, 架构设计, 交互设计以及视觉设计这四个部分。[2]用户研究阶段的关注点在于对于用户需求, 使用方式, 用户类型, 生理和心理以及行为等等方面进行对分析和调查。这一阶段需要有能好的沟通能力以及敏锐的判断能力, 来决定用户真正想要的需求。架构设计阶段需要组合标签系统, 搜索系统以及导航系统, 创建信息产品和体验的艺术和科学, 提供可用性和可寻性等等, 这一阶段需要很好的全面管理能力, 信息分类以及逻辑能力。交互设计阶段主要是理解并建立明确的需求, 开发满足需求的设计方案, 制作设计方案的原型, 在界面层次上研究用户与软件和信息系统进行交互的行为, 帮助用户成功地达到目标和完成任务, 完成最后用户测试和评估。这一阶段需要优秀的理解、沟通与协调能力, 逻辑思维能力以及创造力。视觉设计阶段关注的是如何将数据, 内容以及导航视觉化, 通过视觉属性来表现信息的层次, 主要包括颜色, 形状, 位置和范围等等。这一阶段需要传达信息的图形表现能力。信息系统的复杂需要设计者具有综合全面的知识, 以便交流起来才更加流畅, 团队协作完成项目更加高效。

通过上述过程的分析可知, 平面设计专业学生比较容易进入视觉设计部分, 因为他们学习的是视觉信息的传递和表达, 但欠缺逻辑思维能力。计算机专业的学生则比较容易进入架构设计部分, 逻辑思维比较强, 但缺乏艺术审美能力。相对于前面两者, 工业设计专业学生的优势就有了体现, 基础美术的知识培养了审美能力, 工科性质的人机工程学, 制图和结构设计课程培养了逻辑思维能力, 表现技法和造型培养了手头表达和创造能力, 产品设计系统培养了全面把握流程的管理能力。

工业设计专业在传统的产品设计中导入用户界面设计是一个缓慢的过程, 在此过程中不能太过于突然。在工业设计专业的目前的教学内容背景下, 可以逐渐增加课程, 刚开始增加的课程并不需要非常细化, 但要完成用户界面设计的过程且要结合工业设计本身的特征来进行。如课程“电子产品及界面设计”, 在设计电子产品的造型和形态, 结构, 功能的同时, 要求把内部的功能界面也表达出来, 此时表达也只是停留在平面静态的表现上, 是个初级的视觉设计的过程, 主要体现产品的造型和内部界面的风格塑造。接下来增设交互设计理论和制作类课程, 如“交互设计基础”或“交互界面设计”, 或“交互设计”等, 要求在学习交互设计知识基础上用一些软件制作出交互原型, 尤其是高保真原型的制作。再增设“用户体验和产品创新”或“用户研究”了解用户的需求调查和用户文档撰写, 可以结合已有的“产品开发设计”或者“产品设计调查”来进行这门课程的教学。再增“信息架构设计”和“高级语言程序设计”等等, 这样就完成了由表及里, 由前台到后台的一个完成的过程教学。这其中的课程名称叫法不同, 但实质都是围绕着用户界面设计的流程来开设的, 有些课程可能因为技术的发展需要进行调整, 但是课程的作用和培养目标是一致的。

4 展望

未来的设计趋势是由物质向非物质, 由实体设计向服务设计转变。导入用户界面设计相关的课程对于工业设计发展来说是一个填补市场空缺的前瞻性的举措, 顺应了设计发展的潮流。对于学生, 教师, 学校, 用人单位等都是有很大的积极作用, 做到了多方共赢。故而用户界面设计课程必定是工业设计教学的主要领域并被广大高校所实施。

参考文献

[1]易晓.从人机界面到用户界面[J].山东工艺美术学院学报, 2004 (1) :8-9.

《人机界面设计》课程教学大纲 篇3

【关键词】人机工程学 工业设计 教学互动

人机工程学是研究系统中人与其他组成部分的交互关系的一门科学， 并运用其理论、原理、数据和方法进行设计，以优化系统的工效和人的健康之间的关系，是工业设计专业中重要的课程。人机工程学的学习与研究，从学术类型来说，有研究为主和应用为主两种。人机工程学是设计领域的技术和知识基础， 设计体现 “以人为本” 则必须从人机工程学出发。我校工业设计专业以应用型人才培养为目标，重点应放在应用为主的研究方面进行教学设计。

人机工程学在工业设计专业中处于重要的地位，是工业设计专业重要的专业基础必修课。人机工程学是实践性很强的课程之一，对工程设计类专业后续的课程学习，有着重要的承接作用。人机工程学对工业设计的指导性作用随着其自身的日益成熟和完善也越来越明显。因此，在该课程的教学实践中，要将提高学生实践与创新能力作为重点，充分发挥学生学习的积极性和主动性，同时培养他们正确的学习方法。

一、人机工程学多媒体课件制作

多媒体教学的方式可以及时地将人机工程学理论研究的最新成果融合进课程教学之中。一方面，多媒体课件具有良好的人机界面，能集图、文、声、动画于一体的忒点，可以使教师合理安排教学内容，系统地、有条理地演示课程内容的功能；能帮助学生尽快了解并掌握人机工程学的基本理论与方法； 此外多媒体课件的应用也有利于学生扩大知識面，提高学生的实际应用分析能力。人机工程学课程的主要内容有10个章节模块，即人机工程学绪论、人的形体参数、人的神经系统与感知、人体力学、人的作业能力与疲劳、人的自然倾向与可靠性、人机界面设计、作业空间与用具设计、作业环境、人机系统设计与分析评价等。在实际教学过程中，教学内容取舍的依据是课时安排以及不同专业的教学要求。

另一方面，在一些有关章节，我们可以采用实际案例授课的方式来增强教学效果，结合具体的案例，以问答方式和学生很好地进行互动，从而增强学生对课程的认识。多媒体的授课过程中，我们也认识到，对课程内容的解读不只是把书本内容搬到大屏幕上，还应注重教师的分析讲解，和学生进行良好的互动。在课件中，多媒体形式的选择也要依具体内容而定，软件、文字、动画、声音、图片等相结合，尽量添加生动的实例，例如，将国外学生做模型的视频添加进来，让学生身临其境地感受学习氛围，这样才会使学生更加容易理解什么是工业设计，从而达到提高教学效果的目的。

二、人机工程学课程授课方式

在实际教学中，对教师来说，一节课的关键是根据课堂内容，选择合适的教学方法。要有目的地理清思路，做到声音、图文并茂，避免使用大量的文字。认真学习国内外本学科的前沿动态，做好工业设计学科知识储备，在备课过程中，理清各知识点之间的联接，做到重点突出，讲解有序。在授课中尽可能使用多媒体教学方式，直观、形象、生动是多媒体教学的特点，容易吸引学生课堂上的注意力，激发学习兴趣。尽可能地通过举例论证式教学，通过讲解例子分析心理需求，从而达到良好效果。此外，还应该让学生在课外进行学习，可推荐与课程相关的精品文章以及名家作品，让学生学习掌握本课程延伸知识，扩充本学科的知识层面，从而达到有效辅助课程学习的目的。

三、实践性人机工程学教学体系构建

实践性教学是人机工程学课程教学的重要特色之一。主要内容包括课程实验、课堂讨论与作业、课程设计（即大作业）3个部分。在人机工程学课程教学实践过程中，提高学生学习兴趣是至关重要的，在教学中强调理论的应用性，实践内容的可行性、实用性。实践教学与理论教学应相辅相成， 人机工程学课程实践教学体系则根据知识体系进行系统的构建。根据多年的教学积累，人机工程学的教学内容从四个知识单元分解为多个教学模块和实践模块。教学过程中“故事”“实例” “案例” 根据当时最新事件进行，如果没有与人机相关的事件则按计划事件进行，这样做一是促使学生关注时势新闻、 了解前沿动态； 二是可使授课按计划顺利进行。对重点内容还需要采用多种教学方法与手段交互进行，这与本课程的 “人的注意力” 问题有关， 避免学生产生 “疲劳” 感。

四、结语

在今后时期，应采用更多的案例进行理论的分析，提升学生的学习兴趣，从而有益于教学效果改善。为进一步提升人机工程学课程的教学水平，为社会培养需要的人才，还需要教育者摸索更多合适的教学模式。

【参考文献】

[1]陈静媛.基于应用型人才培养的工业设计专业人机工程学课程教学研究与实践[J].黑龙江教育，2015（06） .

[2]刘星.互动—探究型教学方法在工业设计专业课程教学中的探索与实践[J].设计，2002（02） .

安全人机工程学课程设计(任务) 篇4

以吕梁学院阶梯教室安全人机工程设计为例

题目：阶梯教室的安全人机工程学评析与改进

目录 摘要

主要写该课程设计采用的方法、所做的工作和所得的结论，字数限制在300字以内。要求简明扼要。关键词

文献查阅是所需要的关键信息，如：安全人机工程学、课程设计、阶梯教室、人性化设计、人体参数、人机结合面等。前言

简要说明安全人机工程学的概念、涉及的学科领域、特性及其目的；简要说明安全人机工程学的国内外研究现状以及国内的应用情况；简要说明不考虑安全人机的阶梯教室可能带来哪些负面的问题；总结性地说明为了解决这些负面问题，我们应用安全人机工程学的原理和方法对阶梯教室在使用过程中出现的不合理问题进行了科学的分析，进而提出了符合安全人机工程学原理的人性化设计，为解决学生无意识碰撞致伤、降低学生的疲劳度、提高学生的学习效率提供了可行的设计依据。

1、阶梯教室门窗、桌椅及相关设施的人机关系

主要介绍人与阶梯教室所形成的系统中存在的人机关系，如：人机合理匹配关系（包括人与门、桌椅之间的尺寸匹配关系，人与门窗、桌椅之间功能匹配关系，人、机与周围环境的匹配关系等）；人机相互作用关系（包括人与门窗、桌椅之间的相互适宜关系，人、机与周围环境这一系统的采光、照明、颜色调配等关系）等。

这部分可以先写一些该人机系统区别于其他系统的特点，然后自然引入这个系统中存在的人机关系。

2、人体相关尺寸收集

主要介绍有关设计所需的人机学参数，如：学生用桌椅及相关设施这个人机系统设计及使用过程中应考虑的人体人机参数（坐姿人体尺寸、立姿人体尺寸、人体相关水平尺寸、人体活动空间相关尺寸）

这部分要求有图、数据表格等内容。以上所需尺寸可以根据课本中给出的各种人体参数百分位数标准得到，同时也可以具体分析你们自己的人体参数。

3、阶梯教室门窗的安全人机工程分析

3.1 主要针对阶梯教室的门窗进行安全人机工程分析，如：从门的高度、宽度，门锁的高度，窗户的采光等方面分析现状所用阶梯教室存在的问题，给人造成的不良影响及按照什么样的尺寸设计，人在穿行、采光方面能更为舒适。

3.2 对阶梯教室门窗的合理性改良和设计，给出：你的设计思路、改良设计后的图形。

这部分需要将门窗的图片及其尺寸给出，即给出门窗图片并在其上标注尺寸。

4、阶梯教室桌椅的安全人机工程分析

4.1 主要针对阶梯教室桌椅进行安全人机工程分析，如：桌椅高度多大能使躯体感觉舒服；造成人体大腿、上部躯干、眼睛不舒服的主要原因及次要原因等；可以调查一下有多大百分比的学生用现在的桌椅感觉腰、肩、腿、颈、手臂、脚、眼睛等的疼痛、不舒服，并分析这些问题更多发生在哪个身高段，同时给出引起这些问题的原因；给出无论身材大小，阶梯教室桌椅设计为什么尺寸、什么形状能使人与桌椅更协调等。

4.2 对阶梯教室桌椅合理性改良和设计，给出设计思路、最终的设计图形 这部分需要将桌椅的实物图片给出，并在其上标注尺寸。

5、设计总结

主要写课程设计的特性及安全人机工程课程设计的总体感受。参考文献

你设计过程中参考过的标准、著作、教材、设计规范、论文等。以吕梁学院校园垃圾箱安全人机工程设计为例

题目：校园垃圾箱的安全人机工程学评析与改进

目录 摘要

主要写该课程设计采用的方法、所做的工作和所得的结论，字数限制在300字以内。要求简明扼要。关键词

文献查阅是所需要的关键信息，如：安全人机工程学、课程设计、校园垃圾箱、人性化设计、人体参数、人机结合面等。前言

简要说明安全人机工程学的概念、涉及的学科领域、特性及其目的；简要说明安全人机工程学的国内外研究现状以及国内的应用情况；简要说明不考虑安全人机的校园垃圾箱可能带来哪些负面的问题；总结性地说明为了解决这些负面问题，我们应用安全人机工程学的原理和方法对校园垃圾箱在使用过程中出现的不合理问题进行了科学的分析，进而提出了符合安全人机工程学原理的人性化设计，在此基础上对垃圾箱的优化设计提出建议，力图使垃圾箱被更加合理地、高效率地使用，同时使垃圾桶更加醒目、美观、干净卫生，让环保的理念真正深入在校大学生们的心中。

具体内容：

1）校园与环境（主题体现打造生态校园）

2）垃圾与垃圾箱（垃圾收集方法、垃圾箱的设计历史）3）垃圾箱设计的现状

1、校园垃圾箱现状调研

主要介绍： 1.1垃圾箱 1.2垃圾箱的分类 1.3垃圾箱的结构

2、改进方案

主要介绍：

2.1现有垃圾箱的宜人性分析 1）现有垃圾箱存在的问题； 2）垃圾箱的人机工程学分析

（1）尺寸。包括尺寸人机分析；垃圾箱尺寸

（2）颜色

（3）形状

（4）标志 2.2 设计方案 1）设计考量

（1）垃圾箱的高度

（2）垃圾投入口

（3）垃圾箱的颜色起到识别作用（给出建议颜色）

（4）垃圾箱应采用的结构及形状

（5）垃圾箱使用的材料

（6）垃圾箱部件的维修性

方案：给出你自己的设计方案（给出设计图）

给出方案说明。

2.3 吕梁学院不同区域垃圾箱选择方案

（1）食堂

（2）商店

（3）教学楼

（4）宿舍

（5）图书馆

（6）校园内

设计小结

3、设计总结

主要写课程设计的特性及安全人机工程课程设计的总体感受。参考文献

网页界面构图与设计教学大纲 篇5

课程名称：网页界面构图与设计 课程编号:0651232070 课程性质：独立设课 课程属性:必修课

课程总学时：2周学分：2 实验学时：20 实验课学分：1.5 面向专业：艺术设计（网络视觉设计方向）教研室名称：视觉传达教研室 应开实验项目数：5

一、课程说明

网页界面设计是将技术性与艺术性融为一体的创造性活动。网页设计是以功能性为第一指导原则，以技术因素为主要考虑对象，以完成或实现必要的功能为目标。以字符组成的界面可以起到基本的信息传达作用，同时技术要求相对较低，易于实现，并且有较好的稳定性，故而这种形式的界面在很长一段时间内是人机交流的主要形式。

二、课程教学要求

网页界面设计课程的教学目的和任务主要有两个方面：一方面本课程通过对网页用户界面设计中的信息传达、视觉符号的应用等专业知识的讲授，让学生能掌握网页设计中相关的设计思维与视觉表现方面的知识，让学生把网站中要传达的信息通过数码交互媒体的手段展现出来。另一方面通过对相关设计软件的使用进行课堂讲解与练习，使学生能够掌握相关软件操作的基本知识，并能够通过灵活应用课堂知识处理一些在实际项目中遇到的技术困难。

要求学生掌握基本内容为： 第一章 网络基础 1.网络 2.网络原理

3.网络设计作品的上传、下载和展示 4.网页 5.网站

第二章 网络艺术设计 1.网络艺术设计基础 2.网页设计 3.网站设计 4.网络其他设计

第三章 网络设计特色分析 1.浏览人群分析 2.网络交互艺术 3.西方网络艺术

4.网络艺术设计现状分析 5.网站特色设计 本课程的教学方法为：

1.重方法引导、重设计原理、重思维创意。2.把理论和实践练习相结合来掌握知识。3.通过专题训练和分组讨论来巩固提高知识。

4.通过成功的设计案例，让学生们了解本设计作为核心基础课程的重要性。

三、理论教学内容与学时分配 第一章 网络基础（5课时）1.网络 2.网络原理

3.网络设计作品的上传、下载和展示 4.网页 5.网站

第二章 网络艺术设计（10课时）1.网络艺术设计基础 2.网页设计 3.网站设计 4.网络其他设计

第三章 网络设计特色分析（19课时）1.浏览人群分析 2.网络交互艺术 3.西方网络艺术

4.网络艺术设计现状分析 5.网站特色设计

四、考核方式与成绩构成

考核方式：阶段作业、理论与实践考试方式

成绩构成：平时成绩10%、期中成绩30%、期末成绩60%（其中技能成绩占70%，理论成绩占30%）

五、教材与参考书 推荐教材： 1.《网页界面设计创意指南》 侯慧俊主编 上海科学技术文献出版社2009年版

2.《网页界面设计艺术教程》 张帆、罗琦、宫晓东著 人民邮电出版社 2002年版 参考书目：

1.《网站规划与网页设计》 谢成开、孙丹丽编着 西南师范大学出版社 2009年版

设计中的人机关系教学案例 篇6

淮海中学 王宾

一、设计思想

《设计中人机关系》讲述的是基础性知识,是后面内容的学习的基础。本节从人机关系的角度对日常生活事件进行思考分析，帮助学生树立“以人为本”的设计理念，提高学生的技术素养，培养学生的创新精神。该内容主要采用案例分析、讨论、等方法，深入浅出地讲解教材内容，以师生互动、生生互动等方式，烘托课堂气氛，加深知识的理解和掌握。

二、教材分析

《设计中的人机关系》是《通用技术》中《技术与设计（1）》苏教版第二章第二节。本节分成三个内容：（1）什么是人机关系；（2）人机关系要实现的目标；(3)如何实现合理的人机关系。本节教学内容是完成前两个目标，它和上一节《技术与设计的关系》都是围绕技术与设计的问题展开的。在技术世界中的的设计，是以满足人的需要为最终目的的。因此，设计时要考虑人机关系，以便能使设计的技术产品适合人的需要。这里的人机关系不是专业的设计，它更多地反映一种理念，重在使学生能够在这种关系的视野中认识设计，为构思、评价、优化方案打下基础。

在整个教学过程中，先让学生理解人机关系的含义，特别是“机”的丰富内涵。并通过简单的案例分析，提高学生的学习兴趣，引导学生能较好的把握人机关系的概念，体验到人机关系在设计中的重要性。联系现实生活中的案例，通过学习，引导学生较好的掌握和熟悉人机关系在设计中要实现的目标。

三、学情分析

学生对人机关系是比较陌生的，学习时容易对本概念产生误解。对于本节课内容不必要求学生能够熟练或灵活地运用，只要求学生达到理解水平，认识理解人机关系的知识，使学生形成“以人为本”的设计理念。高中学生已有一些生活经验，在具体的教学中，可以有针对性地设置情景，列举学生身边熟悉的具体实例，从人机关系的角度对日常生活中的事例进行思考和剖析，帮助学生理解人机关系的含义及其在设计中的应用。

四、教学目标

1、知识目标：

理解人机关系的含义；熟悉人机关系在设计中要实现的目标。

2、能力目标：

使学生能够对生活中所存在的人机关系进行简单分析，掌握一些设计分析方法的知识，形成“以人为本”的设计理念。

3、情感、态度与价值观：

通过人机关系的分析，从中体会到在产品设计中人性化、人文关怀的设计思想，并形成认真严谨的态度，一定的创新精神和实践能力，进而树立起正确的设计观念。

五、重点与难点

1、重点：理解人机关系。

2、难点：人机关系在设计中要实现的目标

六、教学策略和手段

1、通过观察、思考和讨论，理解人机关系的含义。

2、学生的活动，体验设计中的人机关系，初步掌握人机关系在产品设计中的应用。

3、通过对案例的分析、实物的演示及对日常事件的思考，引导学生归纳出产品在设计中要实现的目标。

4、教学时间：1课时

七、课前准备

教师“吃透”本教材；搜集人机关系的案例、图片、视频、制作课件；设计并准备好两把高低不同的一椅子和一把普通的椅子、两把不同的扫帚、两把不同的牙刷；了解教室门的具体结构。

八、教学过程 导入：

教师提问：早晨起床后你们会做哪些事情？ 学生回答：刷牙、洗脸、叠被子、扫地„„

教师：在这些所有的活动中你们与哪些物品发生了联系？ 学生回答：牙刷、毛巾、被子、扫帚„„

教师展示不同牙刷，同时提问：这些牙刷有什么不同？为什么？ 学生观察、讨论、回答

教师总结：生活中我们经常与物品发生联系，这些物品不同的设计可以实现不同的目标，本节课我们就一起学习设计中的人机关系以及人机关系在设计中要实现的目标。（板书）同时展示幻灯片：学习目标 第二节 设计中的人机关系(一)人机关系

1、什么是人机关系

教师：请同学们阅读课本，自己说一说什么是人机关系。（板书）

学生回答：在现实生活中，我们每时每刻都会与身边的物品发生联系。当我们使用这些物品时，物品就与人产生了一种相互关系。这种相互的关系就称为人机关系。

教师提问：人机关系中的“机”是我们平常所说的机器吗？

2、人机关系中的“机”指的是什么？

学生讨论回答：除了人们通常所说的机器外，还包括各种各样的工具、仪器、仪表、设备、设施、家具、交通车辆，劳动保护用具等。

马上行动

P28页：找出下列活动中的“人”与“机”，体会其人机关系。a、教师拿着粉笔板书 b、农民用锄头助地 c、渔翁在河边用钓鱼竿钓鱼 d、司机手握方向盘 e、妈妈拿着拖把拖地

教师：生活中我们经常要开门，在这个活动中哪两者之间存在人机关系？ 学生回答：“人”与“门”之间存在人机关系

教师：开门由一个动作能完吗？需要几个动作？请同学来体会一下开门的过程，大家一起观察他做了哪些动作。

学生合作、讨论：①人走进门 ②人握门把 ③人通过门„„ 教师：在人与某个产品构成的人机关系中，往往存在复杂的多方面关系，开门过程中存在哪些具体的人机关系？

学生讨论回答：人与手把、人与门板、人与门框 案例分析

讨论教材p29页人与电梯存在哪些方面的人机关系 ①人与电梯门 ②人与电梯外按键 ③人与电梯厢体之间 ④人与电梯内按键

⑤人与厢体内的照明、高度、宽度等的人机关系

教师：物品有不同的部分，人也有不同的部位，讨论分析 马上行动

分析人坐在椅子上的时候，人体的哪一些部位与椅子构成哪些人机关系。①手臂与椅子的扶手 ②背与椅子垫 ③腿与椅子垫 ④脚与椅子脚

延伸思考：还有哪些？

学生活动

教师：这儿有几把不同的椅子，请几个同学来体会一下，注意①椅子的舒适程度 ②高矮是否合适 ③哪个更安全，其他同学仔细观察椅子的结构。

学生回答感受

教师：你希望椅子有哪些功能？（展示图片）学生讨论，发言

教师：这些功能可以在人机关系的实际中可以实现哪些目标？请大家阅读课本30页（板书）

(二)人机关系要实现的目标

学生讨论思考：要达到高效，舒适、健康、安全等要求。

1、高效：

在设计中，应把人和机作为一个整体来考虑，合理或最优地分配人和机的功能，以促进二者的协调，提高人的工作效率。

案例分析：铁锹的作业效率（合作探究）几个同学分为一组，阅读案例，思考讨论： ①泰勒具体研究了哪几个问题？

②改进哪些具体的人机关系而使工人的工作效率大大提高？ ③如果是你，还会从哪些方面来提高个人的工作效率？

还应考虑人机所在的环境中的一些因素，如温度、湿度、噪声、照明、振动污染和失重等也影响人的效率和行为。

延伸思考：你们在生活中遇到哪些人机关系的改进而提高了工作效率？

2、健康：

是指人在长期操作或使用产品的过程中，产品不会对人造成不良的影响。

马上行动（学生讨论分析）：

根据椅子的设计原则，指出教材p31页图片中设计不合理、有损人体健康的地方。a 椅背设计太靠后，正常坐姿时靠不上 b 椅面太过倾斜，会导致人体自然下滑 c 椅背设计太低，支持不住人的身体 d 椅面与人体的接触面积太小

延伸思考：生活中哪些物品的设计影响到身体的健康？

3、舒适：

是指人在使用产品的过程中，人体处于自然的状态，操作或使用的姿势能够在人们自然、正常的肢体活动范围之内，从而使人不致过早地产生疲劳。

学生活动：请几个同学使用不同的扫帚，哪个更舒适，为什么？ 案例分析：

教材P31页图片思考并回答：右图使用 起来更舒适，理由：（1）塑料包裹处理使抓握舒适；穿孔处理可以方便悬挂放置。（2）把手大小较合适，使用 时，省力、舒适。

（3）手柄长度比较合适，使用时，腰不用弯太低，减轻腰部疲劳，提高工作效率。

想一想，生活中还有哪些类似的例子？

4、安全：

是指人们在操作和使用产品过程中，产品对人的身体不构成生理上伤害。（1）学生列举生活中人机关系中哪些设计实现了安全的目标（2）视频展示：汽车的安全带设计

学生思考：①在我们学校有哪些地方实现了人机关系中的安全目标？ 同时实现了其它什么目标吗？

②人机关系要实现的几个目标是融为一体的，在设计中，除了上述目标以外，人机关系还需要实现哪些目标？ 总结：

1、什么是人机关系？

2、人机关系设计中要实现哪些目标？ 课后思考：

如何实现这种合理的人机关系呢？

九、板书设计

第二章第二节 设计中的人机关系

一、人机关系

二、人机关系要实现的目标

《人机界面设计》课程教学大纲 篇7

现代社会正逐步进入“读图时代”。有研究表明, 人们从外部获取的信息有80%是通过视觉通道 (1) 。网络课程是一种视觉媒体教程, 教学主要通过网页这种视觉载体来实现。学生学习效果的好坏在很大程度上取决于学习者的视觉感知。而学习者主要通过网络课程的界面来接受、获得信息, 良好的人机界面, 能产生强大的视觉冲击力, 引发学习者的学习兴趣, 合理的安排页面还可以使学生产生愉悦的心情, 更乐意去学习。既然, 网络教学中学习者更多的是靠视觉去感知学习信息, 那么网络课程界面的视觉设计无疑是影响网络教学效果的重要环节。

格式塔是研究“形”的一个心理学流派, 它认为任何“形”都是经验中的一种组织或结构, 而且与视知觉活动密不可分。因此, 研究格式塔理论与页面设计的关系, 对我们更好地设计网络课程的界面具有启发作用。

二、格式塔理论概述

格式塔是德文Gestalt的音译, 中文最与之匹配的词为“完形”。所谓的形, 它既不是指外物的形状, 也不是指艺术理论中笼统的形式, 而是指经知觉活动组织成的经验中的整体。由此可以看出, 格式塔在提及“形”的时候, 的确非常强调它的完整性。格式塔理论反对冯特的元素主义和铁钦纳的构造主义, 它大力强调事物的整体组织, 反对将整体分割成局部, 反对用静止的、孤立的观点看待事物, 这样会“只见树木, 不见森林”。它认为:格式塔, 虽说都是由各种要素或成分组成, 但是整体并不是部分机械的相加。相反, 整体乃是先于部分而存在并制约着部分的性质和意义的。

格式塔心理学的这一观点, 来源于人类的视觉感知规律。格式塔研究就起源于对视知觉现象的研究, 在视知觉研究的基础上, 提出了格式塔心理学的基本观点。正如考夫卡所言“格式塔学说不只是一种知觉的学说, 它甚至也不只是一种心理学理论。然而它却起源于一种对知觉的研究, 而且在已进行的实验工作中, 比较成功的部分, 就是由于对知觉进行的研究所提供的。” (2)

三、格式塔理论在网络课程中的应用

网络课程的界面是由文本、图像、按钮等各个元素组成, 如何合理地安排这些元素, 使学习者在感知信息的时候, 是把网络课程作为一个整体感知, 而不是作为这些元素的机械的相加。格式塔是从研究感知觉入手, 在此基础上提出了一些“完形法则”, 如图底转化、临近、简明、相似等等, 运用这些原则可以有效地指导网络课程的界面设计。

(1) 图底原则

在具有一定配置的场内, 有些对象突现出来形成图形, 有些对象退居到衬托地位而成为背景。“图”是居于前部的区域, “底”被看成是用来衬托图的背景。一般说来, 内部质地细密的或光波较长的色彩的图形, 看上去离观看者近一些, 从而突出来被看成“图”, 而质地稀疏的或者光波较短的色彩的图形, 看上去离观看者就远一些, 易被看成为“底”。图形与背景的区分度越大, 图形就越突出而成为我们的知觉对象。反之, 图形与背景的区分度越小, 就越是难以把图形与背景分开。

但是图形与背景并不是一定的, 有时候, 背景不甘于衬托地位, 会与图形相互转化, 干扰图形。图只有在底的衬托下才能为图, 两者是相互依存、相互联系的。在网络课程的界面设计中, 不仅要注意图形, 也要注意背景, 背景不能太复杂, 而且应当与图形有一定的对比度。否则, 主体不突出, 会使学习者产生视觉混乱, 不容易组织信息, 不易辨别重点, 学习效果会大打折扣。一般说来, 背景不要有图案或包含和文字一样的颜色, 这样会使正文难以辨析。另外背景的颜色不适宜使用太多, 而且最好选择同一系的颜色, 不能使用对比度强烈的颜色。总之, 背景与图形要有一定的对比度, 但是要把握好这个度, 过于强烈的反差会引起学习者的视觉疲劳。例如, 白底黑字对比度强烈, 但在网络课程中一般不用, 对比度太大, 学生容易产生厌烦情绪。

(2) 就近性原则

日常看到的形体, 如果距离较短或者互相邻近的话, 我们很容易把它们看成是一体的。在界面设计时, 应该把若干个性质相同的内容放在一起集中处理, 通过恰当的布局结构使这些内容在版面上有条不紊地组织起来。例如, 如果不同的文字或图形组成部分位置靠近, 学习者就容易认为它们是说明同一问题的, 所以, 用以解释图形或用以表明某一部分图形的文字应当紧挨其所指的图形或部分图形。这个原则同样可以适用于导航条、图形图像、按钮等的编辑。

(3) 相似性原则

对于形状、大小、颜色、结构等相似的部分, 人们倾向于把它们归为一个整体, 认为它们具有相似的功能。因此, 需要通过将学习者注意力集中于视觉范围内的关键概念, 帮助他们获得信息。为了使学习者关注特定的内容, 对这些部分可以采取不同的颜色, 采用动画、闪烁等吸引学习者的注意力 (3) 。学习者常常将风格相似的元素视为一体, 所以在设计页面时, 具有相似功能的不仅要靠近, 风格最好也一致。字体的大小要与界面的大小比例协调, 颜色不需要太杂, 除非需要特殊强调的字词, 否则会分散学生的注意力。

(4) 闭合原则

人们面对不完整的事物, 会产生一种心里压强, 迫使人们把事物看成一个整体。例如一个缺了顶的三角形, 人们往往会把顶角补起来, 通过视觉组织重新把它作为一个整体。人们会根据过去的经验补充说明并由此解释所感知的内容, 他们会力图对感知的对象进行理解, 对于不完整的信息便牵强附会地赋予其意义, 所以不同的人对同一图形可能有不同的理解。因此, 在网络教学中, 应当避免不完整的图形, 不完整的信息可能导致学习者对所提供信息的误解。因为, 学习者会花时间去琢磨图形的意义, 而不是从所提供的信息中学到东西。

从这个原则中我们还可以看出视觉形象首先是作为统一的整体被认知的, 而后才以部分的形式被认知, 也就是说, 我们先“看见”一个构图的整体, 然后才“看见”组成这一构图整体的各个部分。因此在设计页面时, 应当注意页面的整体性。页面的整体风格要统一, 各模块或章目之间的页面风格、文字布局、边框修饰应该是一样的。而且不能为了或者美化界面而把完整的知识体系瓦解, 网络课程的界面设计是为了服务于教学, 不能为了美观而使教学内容支离破碎, 要保证知识信息的完整性。

(5) 简明原则

人们往往根据过去的经验所形成的预期, 无意识地去简化他们感知的东西。当看到一幅复杂的图像时, 人们会习惯性地把它简化为自己能够理解的形式。格式塔心理学的很多实验表明, 当一种简单规则的格式塔呈现在眼前时, 人们会感到舒服和安静。但是如果一个格式塔中包含了太多的互不相关的单位, 眼脑就会试图将其简化, 把各个单位加以组合, 使之成为一个知觉上易于处理的整体。如果办不到这一点, 整体形象将继续呈现为无序状态或混乱, 从而无法被正确认知, 简单地说, 就是看不懂或无法接受。所以在设计网页时, 我们没有必要去过分在意图形设计的精美与否, 而是应该关注所提供的图形以及提供的形式是否是学习者生活中所习惯的式样和形式。图形和文字本身应尽量简洁, 易于领会, 应避免包含分散学习者注意力的视觉内容, 不要让学习者花大量时间去揣测他们的意思, 若其复杂程度超出了学习者的经验和能力范围, 学生就不能迅速准确地感知教学信息。在用简化图形引入较复杂的概念时, 应遵循先简后繁、循序渐进的原则 (4) 。

但是追求简约美并不是放弃对网页视觉中心的强化处理。视觉中心具有突出特征, 能够左右学习者认知网页的核心元素。有些网页标题无长短, 字号无大小, 字体无区别, 颜色无差异, 组合无主次, 各个部分的特征瞬间在整体中消失了。这样做丝毫不能引起学习者的注意, 更不能给学习者留下深刻的印象, 达不到学习的效果。

四、总结

网络课程的特点决定了网页的界面视觉设计是复杂而重要的工作。在设计实践中引入格式塔心理学的基本原理, 可以遵循人们的视觉审美规律, 创造出复杂完美的版面网页格式塔, 吸引并保持学习者注意与学习相关的信息。但是有一点也值得注意, 网络课程主要是为教学服务的, 不能脱离教学的实际需求, 仅仅追求页面的美观设计。在网络课程的界面设计中仅仅引入视觉理论还是不够的, 如何将视觉设计理论同教学结合起来, 值得我们继续探讨。

摘要：网络课程以网页为主要的载体, 学习效果的好坏很大程度上取决于学习者的视觉感知。而格式塔理论起源于对视知觉的研究, 在这个基础上提出了一些视知觉的基本原则, 如闭合原则、简明原则、临近原则、相似原则等等, 这些对网络课程的界面设计有很好的启发作用。

关键词：格式塔,界面设计,网络课程

参考文献

[1]、高峰强:《对格式塔学派的几点新思考——一种新的评价和定位》, 《长白学刊》, 1997 (4) :48～50

[2]、周静、赵志靖:《格式塔理论在网络教学页面设计中的应用》, [J].《中国电化教育》, 2005, (7) :76～77

[3]、陈祁岩:《设计艺术中的“格式塔”研究》[硕士学位论文], 武汉:武汉理工大学, 2002.3～10

[4]、张新明:《试论网络课程的艺术设计》, [J]《.中国远程教育》, 2002, (3)

[5]、唐良瑞、蔡安妮、孙景鳌:《从认知心理及人机界面谈网页设计》, [J]《.工程学学报》, 2000, (2)

[6]、李启色:《网络课程中网页的视觉设计研究》, [J]《.电化教育研究》, 2004

《人机界面设计》课程教学大纲 篇8

关键词：问卷调查;教学改革;航空信息处理

无人机获取的航空信息可分为航摄视频和航空图片两种主要形式。航摄视频具有快速、实时、连续、同步的特点，航空图片能多光谱拍摄、高清晰显示战场情况，与航摄视频配合使用，相得益彰。无人机航空信息处理课程是无人机任务设备专业主干课程之一，学员普遍认为航空信息处理难学。究其原因，一方面是由于学员自身的文化基础及实践操作能力薄弱，另一方面则是由于课程教学方法仍存在一些问题。为了适应专业的发展和职业教学的需要，了解学员在无人机航空信息处理课程中的学习掌握情况，以及对于教学方法和手段的运用有哪些建议，笔者进行了关于无人机航空信息综合处理技术及应用课程教学方法改革的问卷调查，通过对问卷数据进行分析，提出了在该课程教学方法改革上的几点建议。

一、调查问卷的设计与收发

本次调查面向参加该课程学习的本专业学员进行，为了调查结果真实有效，问卷采用匿名方式填写，共发放问卷110份，收回105份，有效调查问卷103份，回收有效率为93.64%。问卷的内容涉及学员基本情况、入学前信息处理相关素养情况、无人机信息处理技术学习情况及课程教学安排及方法四大方面。对回收的调查问卷采用SPSS软件和人工核查的方式进行数据统计分析。

二、调查结果与分析

1.学员基本情况。由于本校生源主要以士官为主，学员年龄以及入学前学历也存在较大的差异。调查对象中，本科及以上学历6人，占5.83%;大专或中专学历12人，占11.65%;高中学历69人，占66.99%;初中及以下学历16人，占15.53%。从调查结果可以看出，本专业学员高中学历人员所占比例较高，本科及以上学历学员相对较少，专业学员整体文化素养偏低，理论基础比较薄弱。被调查学员中，高达86.41%的学员来自农村，因此大部分学员入伍前比较难接受到较为全面而系统的计算机专业操作练习，在信息处理技术方面功底不深。

2.入学前信息处理相关素养情况。通过该调查，主要希望了解学员在入学前的相关专业基础水平。在被调查对象中，有72.82%的学员在原部队并未列装无人机，因此，大部分学员在入学之前对无人机航空信息处理专业接触不深，较少进行信息处理设备的操作使用和维护保养。而且在被调查学员中，有44.67%的学员入学前计算机的使用仅能达到会使用计算机进行简单的操作，如聊天打字等，仅有31.07%学员曾经听说或使用过信息处理软件，主要集中在拍摄或处理视频方面的操作使用。因此，学员信息处理软件方面的基础并不十分牢固。

3.无人机信息处理技术学习情况。由于本次调查正值课程结课之际，问卷专门设计了对学员课程实际学习掌握情况的调查内容，以期了解无人机航空信息处理教学的实际效果。分析调查结果，学员普遍表示图像处理、判读以及视频处理方面教学内容较容易接受，掌握情况都比较良好，有81.55%的学员表示能够达到理解或独立操作层次的知识技能目标，但是在航空图像定位与测量方面学员掌握情况不甚理想，有69.91%的学员仅能掌握立体观测及定位的基本原理知识，缺乏对深层次理论的理解以及对实际应用的把握。这一情况与笔者在实际教学过程中的体会基本一致。究其原因，笔者认为主要有二：一是学员立体几何及空间构图的基本素养较为欠缺，二是实际教学过程中缺乏形象有效的方法手段辅助学员理解立体观察及定位的原理及流程。

4.课程教学安排及方法情况。该方面调查主要针对的是学员对于课程内容安排及教学方法的感受及理解情况。在理论讲授环节，有72.82%学员对原理教学安排及上课模式比较满意，不满意的方面主要集中在课程信息量比较大，难以消化;95.14%的学员觉得对当次课程的教学重点能够基本把握;88.35%的学员认为教学课件中文字和辅助内容搭配比较均匀;81.56%的学员认为教员的教学基本面向全体学员，讲授速度适中。由此可见，课程的教学安排整体比较合理，学员基本能够接受。

对实践操作训练环节，调查中68.93%的学员认为课堂气氛比较活跃，都能按照教员的要求进行学习操作。75.73%的学员表示比较喜欢教员给大量练习时间用来自己操作练习，教员从旁指导，只有11.65%的学员喜欢教员组织讨论和大家一起探讨合作完成。由此可见，大部分学员偏向于实际动手操作，而不是讨论思考解决问题。

三、无人机航空信息处理课程教学改革建议

针对调查问卷的结果，笔者结合在近两年实际授课中的体会，对今后无人机航空信息处理课程教学方法改革提出以下几点建议：

1.采用任务驱动式教学方法。通过问卷调查，得知大部分学员在入学之前对无人机专业接触不深，较少进行信息处理设备的操作使用和维护保养，加之学员普遍反映对信息处理流程的把握整体性不强的特点，建议课程采用任务驱动式教学方法。按照无人机航空信息实际处理流程，以航空侦察图像分析处理、情报获取任务为牵引，将任务分解为各具体实训项目，并将各项目分解为各详细科目，各科目明确具体知识点或技能。在具体内容设置上突出项目和任务的目的性，贴近部队实战化要求，注重对项目和任务的解决分析思路的引导，从而训练学员实际分析、解决问题的能力。

2.增加情境式教学方法。针对调查中部分学员提出的理论课程信息量大、内容枯燥导致教学效果不佳的现状，建议理论课程的授课可以设置课程情境，增强学员的学习主动性，在实际理论讲授学习过程中应以学员为主导进行理论的自学探究，必要时还可进行适当范围的讨论交流。教员则负责引导学员学习方向及补充升华理论知识，针对不同教学内容设置合适的问题引发学员思考与讨论，由情境和问题牵引教学内容的逐步展开，使学生“亲其师”，在教学中成为主动积极的参与者。

3.攻关知识难点、重点。针对调查中反映的部分教学内容学员掌握情况较差的情况，可以从中适当选取一些知识点作为重点攻关内容，由学员小组进行集体讨论学习。教员可布置学习任务，提供相关学习资料，引导学员在课上以及课后作业中自主学习相关内容，并选取部分课堂授课时间，由每个学习小组选出代表当堂讲解知识点，在反复自学讨论及讲授过程中加深对重难点的理解和记忆。学生间进行讨论和交流是一种最好的学习方式，是对课堂知识和课外知识的积累和总结，更能体现学生的真实水平。

4.建立学员互助小组。针对调查中反映的部分学员文化基础和动手能力较差、信息处理能力水平差距较大的情况，在实践课时中可以发挥优秀学员的作用，建立学员指导组长负责制。课前预先进行能力摸底调查，由信息处理功底较扎实、操作素养较为良好的学员担任组长，在学有余力的前提下，负责指导其他组员完成实训科目的操作练习。不同小组之间也可以进行适当的交流评比，互帮互助，共同提高。

参考文献：

[1]洪宇，龚建华，等.无人机遥感影像获取及后续处理探讨[J].遥感技术与应用，2008，23（4）：462-466.

[2]王哲，周剑.制度经济学教学改革探讨——基于制度经济学课程的调查问卷[J].河北农业大学学报，2007，9（4）：56-58.

车辆人机工程学 课程论文 篇9

基于人机工程学评价与仿真的人体模型建模

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（东北农业大学工程学院，哈尔滨，150030）

摘要： 随着人机工程技术的不断完善，参数化的人体模型已不再仅是作为一种静态的视觉参考，而是在此基础上融入了人体结构、人体功能和人体力学等方面的特征,使人体模型不仅具有合理的外观、精确的尺寸，还具有合乎实际的运动形式。随着研究的不断深入，参数化的人体模型已经成为一种有效的辅助工具，直接参与到工作环境的设计与评价过程中来。尽管不同的人机问题对应着不同的设计要求，但应用在人机工程上的人体模型的设计原则是一致的，即要达到：外观合理、尺寸精确、运动逼真。参数化的人体模型的设计目前存在以下三方面的难点：

（1）从外观上看，基于简单几何体搭建的人体模型具有必要的人机工程测量基准，但模型的外形较生硬、失真度较大；基于曲面表达的人体模型外形较逼真但是缺少准确的测量基准。

（2）从尺寸的精确度上看，人体模型的尺寸都是经过简化或是估算得到的，模型的尺寸不能真实体现个体的形态。

（3）从运动情况来看，目前多数人体模型只能进行静态的尺寸测量，少数模型即使能够实现连续的动作仿真，但逼真度不高。

本文针对当前人体模型设计过程中上存在的诸多问题，开发了参数化的人体模型。首先，人体模型采用数据库管理系统进行参数化建模，同时加入各肢体段的质量数据和各个关节的活动角度范围数据。其次，在运动仿真方面，本文根据人体模型各个关节的自由度数目，用特定的函数驱动关节运动，对模型整体进行运动学和动力学仿真，从而实现人体模型的简单连续运动。关键词：人机工程学、UG二次开发、人体模型、碰撞检测、运动仿真

车辆人机工程学 课程论文 人体模型国内外研究现状

1.1 国外发展概述

最近几年，欧美许多国家和亚洲其他国家对人体模型方面的研究向着更精细的方向发展，不再仅仅是追求外形上的相似性，更关注内部结构、姿势重构、运动仿真以及热效应等生理效应方面的内容。

Forbes.PA.等2006年提出了一种用于预测侧面碰撞引起胸部损伤的多尺寸的人体模型，文中给出了第50百分位的人体模型的有限元模型，并且模型加入了材料属性能更好的预测人体局部的损伤情况。Kim Ki-Sun等人研究了基于纵向、垂直、俯仰运动的惯性测量的坐姿人体模型的动态建模[9]。Sancisi N等人创建了人体膝关节的一种单自由度的球形机械模型，并在假肢和矫形器的设计中深入研究了人体膝关节的运动学特征。Satoru Takada等开发一个在给出的环境条件下可以预测热响应的人体热模型，能实现人体温度调节。Hee-Deok Yang等对三维人体姿势的重构做了相关的研究，分别从捕捉三维立体图像序列、捕捉有效的视觉特征、分析轮廓的相关向量等方面入手研究了人体模型的姿势重构[12-15]。文献中研究了用于电磁仿真软件中的一个动态的人体模型，在人体表面固定天线来模拟动态人体的运动和姿势并捕捉运动数据。Steffen Knoop等在动态三维人体模型的关节上设置人工智能通讯点的方式来跟踪人体外轮廓的运动，模型由一系列刚性圆柱体组成，连接这些圆柱体的关节定义为一些人为的通讯点（迭代最近点）来跟踪算法，并计算相关的力和力矩情况。Seung-YeobBaek等开发一种能集成到各种产品设计应用程序中的参数人体建模框架，该建模框架由创建数据库、统计分析和模型生成三个阶段组成。Jared Gragg等研究提出了一种混合方法预测最佳司机座椅调节范围以满足不同人不同车辆的直接姿态预测，该混合方法结合了边界数值、人口抽样和个别抽样等数值操作。

综合国外人体模型的发展可以看出，国外的人体模型尽管做的外形的逼真度很高而且功能很完善，但是由于种族和生活区域等因素的不同，以国外人体作为标准的人体尺寸不仅在数值上有一定的差异，而且由于在工作过程中不同的操作习惯，也将影响人体模型的运动规律等运动仿真的相关参数的设计。1.2 国内发展概述

人体模型的运动控制方法有很多，选择不同的运动控制方法，实现运动的路径会有一定的差异，但是最终都能实现预定运动的目的。目前，国内对人体模型的运动控制的研究分路径研究、步态研究、灵巧关节、姿势驱动和姿势重构等几个方面进行。运动仿真方面有运动规律仿真，运动轨迹仿真等。

天津大学的刘艳等人研究了用于人机测试的虚拟人，提出了一种能实现手臂的无碰撞可达测试的路径规划算法。并通过对IK算法的进一步研究，达到实时、逼真、柔性的控制，并可以根据周围环境进行实时反应。山东大学的汪丽等提出了基于VRML（Virtual Reality Modeling Language）的三维人体建模方案，并给出了人机工程仿真软件的总体框架。但创建的人体模型只是考虑了位置和时间特性的运动学问题，未考虑力等真正实现运动的原因。西南石油大学的邓丽提出了一种基于人体姿势驱动的工作空间的研究方法，通过调节二维的人体杆状模型的下肢关节角度，从而确定坐姿的下肢工作空间。但是针对不同的布局，需手动输入权值数据，影响准确程度。上海大学的王企远提出并验证了人体下肢髋关节、膝关节和踝关节转角变化规律的数学建模方法，并制定了一套完整的步态规划方法，但患者只能被动的跟随步行腿的步态运动。浙江大学的徐孟开发了一个运动状态下的人体外力模型，能实现力和扭矩分析，但脊柱关节链的运动约束有一定偏差。浙江大学的陈逸帆研究了基于解剖学的人体模型，并通过施加约束的逆向运动学方法实现人体模型的运动姿态控制，但研究未添加头部，手、脚等的关节约束，没能实现交互操作及碰撞检测等。

车辆人机工程学 课程论文

在人体模型的姿势重构方面，研究者的切入点也各不相同，取得的成果也很多。有研究者提出在给出所有骨骼的视觉特征的基础上，首先从候选的姿势库中找到有关的候选姿势，动态的设计候选的姿势来形成连续的姿势序列，从而创建特定姿态的人体模型的方法。在文献中提出一种新的算法,能减少着衣、图像噪音和背景等因素引起的不确定数据的影响，从多个视频图像轮廓中提取一个体积数据(立体像素)来捕捉少量标记模型的人体动作。文献中提出的一种主动形状模型(Active Shape Model)能主动的探测和跟踪人体动作过程中的变形情况。在CATIA中人体模型被普遍应用于自动布局，可以用摄影的方法来测量人体尺寸并用测量到的尺寸在CATIA软件中快速的创建人体模型[49]，也可以在SolidWorks中实现虚拟人姿势重构。运输设备的几何参数是影响操作者舒适度的关键因素，基于舒适度或人机评价需求的人体模型可以用来分析设备的几何参数对人体舒适性的影响，模拟和评价操作中的人体可达域和视域等。

目前，国内有很多人进行了人体模型的跑步或步行的运动控制技术及路径规划问题研究，也取得了很多成果。武汉理工大学的任静丽等分析了跑步运动的关键时刻及关键阶段，建立了沿指定路径的跑步运动模型。所研究的模型外观上未能实现手指描述，虚拟交互方面也未实现碰撞检测。西北工业大学的罗贯提出了一种16关节，39个自由度的人体模型，模型未包含手部的详细描述，通过控制上肢、下肢、躯干等关节的姿态实现步行、跑步等基本运动，运动仿真方面未能实现多刚体系统模型的碰撞检测。国防科学技术大学的彭善跃对平面五连杆描述的点接触两足机器人的跑步运动进行研究，并搭建了仿真平台并验证了控制策略的有效性。但是研究未实现三维人体建模，导致仿真结果与实际的运动状态会存在一定的差异。

并且，随着对人体模型研究的不断深入，越来越多的研究者开始关注手部的灵巧运动研究。北京航空航天大学机器人所的张玉茹等人提出了一种食指的运动学模型。该模型建立在人手解剖学模型的基础之上，分析了侧摆和屈曲两种关节运动结构，并且考虑各个手指之间的运动耦合关系。武汉理工大学的曹文祥研究了虚拟人手的运动学方程，并用Pro/E软件实现人手五指的装配建模，能实现伸屈和收展运动，却没有考虑动力学分析问题。山东大学的冯志全研究了三维人手的跟踪问题，通过单目视觉跟踪的方法获取人手运动过程中每一时刻的姿态和位置。济南大学的朱德良用OpenGL搭建了虚拟装配平台实现了人手的三维建模，并提出了一种手势跟踪算法，实现手部运动的跟踪，研究中因数据手套检测不到力反馈及重量感，故无法准确反映碰撞信息。

从目前国内在人体模型的运动控制及仿真方面的发展现状来看，应用的运动函数不同，得到的仿真的逼真度就不同。还没有一种运动控制函数，能实现与真实人体的运动一模一样的运动，无论函数多么复杂，结果都会存在不可避免的偏差。即使从仿真需求上看，效果上已经达到了逼真要求，却未能实现精确的碰撞检测。相信随着越来越多的研究者加入到人体模型的研究队伍中来，经过不断的改进与创新，我国在虚拟人体模型领域的研究将取得更为显著的成果。

车辆人机工程学 课程论文 人体模型简化处理

目前，研究人机工程学问题的方法有很多，人体模型是模拟与模型试验法和系统分析评价法中的一种重要的人机工程学的研究工具。本文动态人体模型的开发过程主要包括:(1)抽象人体所包括的肢体及关节；(2)确定各个肢体及关节的几何尺寸和外形；(3)描述人体模型关节运动方式并限定其运动范围；

(4)对人体模型的各个关节的运动进行机械描述并确定各个关节的自由度；

2.1 人体模型的躯体组成

人体是一个复杂的有着不规则表面的实体，而且人与人之间各部位尺寸也有很大的差别，因此，只有经过了简化的人体尺寸和外形才能符合人机工程学的相关评价和仿真的功能的需求。经过简化的人体模型包括：躯干主关节链、左右上肢关节链、左右下肢关节链。肢体组成如图2.1所示。

(a)有向关节图

(b)EHuman 肢体图

图2.1 肢体组成图

其中在躯干主关节链上髋关节和腰关节之间是躯体的腹部，腰关节和胸关节之间是腰部，胸关节和颈关节之间是胸部，颈关节和头部之间是颈部。在左上肢上，左肩关节连接胸部和左上臂，左肘关节连接左上臂和左前臂，左腕关节连接左前臂和左手。在左下肢上，左髋关节和左膝之间是左大腿，左膝关节和左踝关节之间是左小腿，左踝关节连接左小腿和左脚。

在人体模型的躯体组成的表示方法中，头、胸、腰、腹及手掌和足都是用长方体进行描述的，而颈部是圆柱体，大腿、小腿、上臂、前臂、手指等是用圆台进行描述的。

车辆人机工程学 课程论文

2.2 人体模型的各部分尺寸

人机工程学标准分为主观标准和客观标准。主观标准主要用于评价主观指标，如一些与人的主观感受相关联的评价指标；客观标准用于评价客观指标，如一些可用精确数值或某一区间的数值来表示的评价指标。

本论文参照的客观标准有：国家标准GB/T10000-1988《中国成年人人体尺寸》和GB/T13547-1992《工作空间人体尺寸》中给出的人体静态测量尺寸，《中国成年人人体尺寸》中列出7个百分位，涵盖人体主要尺寸、水平尺寸、头部、手部、足部、坐姿和立姿共47项人体尺寸数据；《工作空间人体尺寸》中给出了站姿、坐姿、跪姿、爬姿、俯卧姿等人体相关尺寸项目。

由于人的年龄、性别、种族及职业等的差别，很多人体尺寸会随着这些因素的改变而变化。同时人体表面是不规则的曲面，所以不可能得到精准的符合人体的数据，只能是经过处理的简化了的尺寸数值。人体测量学给出了相关的测量及简化标准，如人体测量中经常用到均值、方差、标准差、标准误差等统计函数来统计分析人体测量变量间的相互关系。

简化人体各部分的尺寸也就是对人体各部分的尺寸进行估算。估算人体尺寸的方法有很多，一般常用的有回归方程估算法，比例缩放估算法、概率统计值估算法、用“加减”运算估算法、混合群体估算法及偏差系数值估算法等。利用这些方法可以推算和获取人体模型所需的人体尺寸数据。本论文直接从GB10000-1988中查取所要用到的各个尺寸值，在标准中没有列出的百分位数的人体尺寸通过百分位数法给出。

2.3 关节类型及运动范围

人体是由多个关节连接起来的链式肢体段的组合。人体的关节按运动性质可分为单轴关节、双轴关节、多轴关节等。其中只允许在一个平面中活动的关节是单轴关节，例如肘关节和如图2.2中4所示的近位指关节等；允许在两个维度上作屈伸和收展运动的关节称为双轴关节，如图2.2中5所示的腕关节；多轴关节允许在三个维度上作各种运动，具有三个自由度，如肩关节。

图2.2 关节的类型

根据关节类型把人体关节的运动分为滑动、摆动、旋转、环转四种基本运动形式。滑动运动一般活动量微小，本文研究中忽略滑动运动。摆动运动通常指相连两肢体的屈伸和收展，如肘关节的的伸和屈、腕关节的内收和外展。旋转运动指某一肢体段向内侧或向外侧旋转，如肩关节的旋内和旋外。环转运动是屈、展、伸、收的一次连续运动。

为了研究人体工作姿态的舒适度，首先要知道人体各个关节的最大活动范围，而且还要明确各个关节的舒适范围，舒适范围是评价中判断是否舒适的主要依据。因为本文开发的人体模型的外形描述

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细化到手指的各个指关节，手指的指掌关节能实现手指的摆动运动和绕关节轴的旋转运动，近位指关节和远位指关节只能在一个方向上实现手指的伸和屈。表2-2给出手指关节的最大运动角度，同时给出各个手指的指掌关节和近位指及远位指关节的运动副描述形式和自由度数目。

表2-1手指关节活动范围

表2-3给出的是人体主要关节的坐标描述和最大运动角度及舒适活动范围。并且给出了分别绕坐标轴运动的活动状态。在表中所列的关节局部坐标系的转动轴X、Y、Z定义符合右手法则。

表2-2人体关节活动范围

2.4 人体模型的自由度

通过简化人体运动的自由度，在一定程度上能降低多自由度系统运动问题求解的复杂性。因此，考虑在不影响运动逼真性的前提下，如何用最少的自由度描述人体运动问题，是简化问题的关键。

人体是由上肢、下肢和躯干五条关节链组成。每条关节链上的关节运动都是从该关节链的起始端传递而来的。因此，运动链的起始端的运动自由度对整个关节链的运动影响最大，若简化此处关节的自由度，可能会使肢体末端不能到达预定的运动位置。另外，若简化某些关节处的常规运动所需的自由度，如简化头部的左歪、右歪，则会导致头部运动僵化，不能实现头部某些常规运动。因此在人体关节的自由度简化的过程中，一定要保留运动起始端的关节自由度，尽量不要去掉一些常规运动所需

车辆人机工程学 课程论文 的自由度。

在上肢中，肩关节、肘关节和腕关节的联合运动实现了手臂的运动。肩关节处于人体上肢运动链的起始端，能够实现内外摆和上下摆、前后摆，并且运动范围较大，所以肩关节的3个自由度不能简化。人体模型构造过程中表现为肩关节分别绕肩关节所在局部坐标系的X、Y、Z轴作旋转运动。肘关节实现前臂相对于上臂的运动，简化为具有一个自由度的关节，人体模型中表现为绕肘关节所在坐标系的Z轴作旋转运动。腕关节实现手和前臂之间的内外摆和弯曲运动，表现为绕其所在坐标系的Y、Z轴作旋转运动，属常规运动所必需的自由度，故不能简化，如图2.3所示。

图2.3上肢关节自由度定义

在下肢中，髋关节、膝关节和踝关节实现了腿部的运动，髋关节处于人体下肢运动链的起始端，可实现大腿的前后、左右、内外摆动，保留3个自由度。反映在人体模型中即是绕着髋关节所在局部坐标系的X、Y、Z轴作旋转运动。膝关节实现小腿相对于大腿的伸屈，简化为1个自由度。踝关节简化为2个自由度，实现脚部前后摆动和左右旋转运动。

在躯干中，腰关节处于躯干运动的起始端，分别实现腰部的前后弯、左右弯、左右转，有3个自由度。反映在人体模型中是绕着腰关节所在局部坐标系的X、Y、Z轴作旋转运动。上下胸部关节各有一个自由度，实现躯干的前屈。

本文所要创建的人体模型EHuman共包含17个躯干肢体段和每只手15个手指段，共47个肢体段，46个关节，共包含72个自由度。关节自由度数目在表2-

1、表2-2中已列出。

车辆人机工程学 课程论文 人体模型的运动仿真

人体模型的运动是动态人体模型开发的难点和重点。人体模型的运动包括关节的调节形成的“静态运动控制”和运动仿真模块实现的“动态运动控制”。所谓的“静态运动控制”就是通过分别调节人体模型各个关节的角度，实现不同姿态展现。“动态运动控制”则是通过运动仿真模块，实现运动规律、运动轨迹的仿真，进而达到碰撞检测等评估功能的实现。

要想实现人体模型的运动仿真，首先要建立运动机构主模型，进而分析该主模型的运动规律。运动仿真模块（Motion Simulation）可以建立多种不同的解算方案，并且在不影响装配主模型的前提下独立修改每个解算方案。该模块可进行机构的干涉分析、运动轨迹分析和动力学分析等。

人体模型中肢体段抽象为连杆（刚体），关节抽象为运动副。不同的关节抽象为不同的运动副，如颈关节、腰关节、肩关节等有3个自由度的关节抽象为球面副；腕关节、踝关节等有2个自由度的关节抽象为万向节；膝关节、肘关节等有1个自由度的关节抽象为旋转副。

对于运动仿真开发的程序控制来说，首先是仿真的参数预定义部分，包括单位类型、测量类型、参考类型等；其次是创建连杆，包括连杆的名称、质量特性、初始速度的定义等；接下来是关节种类、运动极限及运动驱动类型等的定义；最后进行运动仿真的解算方案参数的定义。下面给出解算方案参数类型定义的程序框架：

Struct uf_motion_solver_parameters_s { uf_motion_solver_ts olver;/*求解方案已使用，查找定义部分*/ double max_step_size;/*解算方案的最大允许步长，想要得到更详细的结果，增大这个数值，想要更快得出结果，减小这个数值。*/ double max_solver_error;/*解算方案的最大允许误差，想要得到更精确的结果，增大这个数值，想要更快得 出结果，减小这个数值。*/ Int max_integrator_iterations;/*动力学分析的最大允许迭代次数，若解算器求解的问题具有收敛性，则增大这个数值。*/ Int max_kinematics_iterations;/*运动学分析的最大允许迭代次数，若动作模型求解的问题具有收敛性，则增大这个数值。*/ Int max_statics_iterations;/*静力学分析的最大允许迭代次数，若动作模型求解的问题具有收敛性，则增大这个数值。*/ Int use_mass_properties;/*确定是否在分析中使用质量特性，如果是“FALSE”，则表示不能进行动力学仿真，或者运动学仿真中也没有惯性数据。*/ };Typedef struct uf_motion_solver_parameters_s uf_motion_solver_parameters_t;

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3.1人体模型的肢体段生成连杆

连杆（Links）通过运动副的连接构成了空间机构。将人体的肢体段抽象为连杆后（即把肢体段都抽象为刚性体），人体模型的各个肢体段和关节一起组成一个机构，这个机构就是运动的人体模型。因此，进行人体模型的运动分析的第一步就是创建连杆。机构要运动，必须有一个机架，因此创建连杆的过程中必须要有一个连杆与地固连，不能移动，即人体模型的某一个肢体段应创建为固定连杆。因为本文中把人体模型的髋关节作为人体模型的根关节，故把人体模型的腹部作为固定连杆。

在创建连杆之前，要先定义中心线，中心点及描述模型的其他几何体，以便对运动副和其他机构对象定义和定向，并将这些描述性的几何体放在连杆的定义中。本文创建的人体模型包括骨骼的线框模型和体表的实体模型两种表达形式，并且，每个关节用直径为相应关节尺寸的球体表示，在创建连杆的过程中，连杆要包含肢体相连处的近端（所谓近端就是与根关节靠近的关节坐标方向）的关节球。这样在创建的肢体连杆上就包含了便于描述运动副位置及方位定义的相关信息。

机构的运动分析过程中，若不考虑反作用力时，可以不定义质量特性（Mass）。但当进行动力学分析和反作用力的静力学分析时，必须为每个连杆输入质量、质心和惯性矩等参数。人体模型的质量特性的相关参数在第2章和第3章的相关章节做了计算。

材料特性（Material）是计算质量和惯性矩的关键因素，UG的材料功能可以创建新材料，检索材料库中的已有材料，并将这些材料特性赋给机构中的实体。UG运动仿真模块中的材料默认密度值为7.83×10-6kg/mm3（千克每立方毫米）；可以继承装配主模型在建模模块中赋予的材料特性。

如图3.1所示，以右上臂为例创建肢体连杆，选择连杆对象为右上臂，定义连杆质量特性、速度参数等，并定义材料特性。其中，质量特性包括质量、质心、和惯性矩，这些参数均在前面的章节中给出了计算公式或表格。通常情况下，系统可以根据模型的在材料信息，自动计算质量特性，也可以得到精确的运动分析结果。但是，本文是通过质量特性的用户自定义选项，手动输入质量特性的相关数据。

图3.1 创建右上臂

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3.2人体模型的关节生成运动副

运动副（Joints）的作用就是连接人体模型中相互接触的两个肢体段，并通过一定的约束条件使其产生相对的运动。另外，为了人体模型做规定的运动，必须添加约束限制各个肢体段之间的运动，保留所需的自由度和去掉多余的自由度。将关节抽象为运动副后，肢体段抽象为连杆，运动副就把各个连杆连接在一起，从而使人体模型运动。在创建关节运动副之前，人体模型中的肢体连杆没有约束，运动规律不确定。没有创建运动副的肢体连杆具有6个自由度（DOF），分别是沿坐标轴方向的移动和绕坐标轴的转动。

对于UG的运动仿真模块来说，可添加的运动副的种类很多，包括旋转副、球面副、万向节、滑动副、柱面副、平面副、螺旋副等。人体模型作为一个复杂的空间机构，严格来说，包含的运动副类型很多，但是经过前面章节的简化处理，把人体模型的关节均简化为旋转类运动副，忽略微小的移动。当关节具有一个转动自由度时，运动副简化为旋转副。当关节具有两个转动自由度时，原理上可以处理为万向节，但是在运动仿真模块中，万向节不可以加驱动并且不能限制运动极限，故把具有两个运动自由度的关节定义为“类万向节副”，使其具有两个方向上的转动自由度。球面副在仿真中也不能加驱动，不能限制旋转运动的运动极限，同理把球面副定义为一种“类球面副”，使类球面副具有三个互相垂直方向上的转动自由度。

前面已经提到，创建连杆时要包含中心点、中心线等描述性几何体，以便在创建运动副时定义运动副的方向，以肘关节的旋转副的创建为例，首先选择要创建运动副的连杆（前臂），原点为肘关节处关节球的球心坐标，因为肘关节的旋转副的旋转轴是肘关节处局部坐标的z轴，故z轴定义为指定方位，咬合连杆选择上臂，如图3.2所示。

图3.2 创建旋转副

3.2.1单自由度关节生成旋转副

旋转副有一个转动自由度，是连接两个连杆的常用运动副，如图3.3(a)所示。旋转副可以在两个连杆之间添加约束，也可以对单个连杆添加约束使之与地固定，但允许绕空间一点旋转。在运动仿真模块中，旋转副旋转的正向由右手法则决定，右手的大拇指指向为正Z轴方向，手指弯曲的方向即是旋转的正向。旋转副可以定义其运动极限。人体模型的运动仿真中定义的旋转副有：肘关节、膝关节、车辆人机工程学 课程论文

胸部关节及手指的近位指和远位指关节等。

3.2.2两自由度关节生成万向节

万向节有两个转动自由度，连接两个成一定角度的转动连杆，如图3.3(b)所示。因为在运动仿真中，万向节不能添加驱动，不能规定万向节的运动极限。类万向节就是把两个垂直方向上的转动转换成旋转副，把两个旋转副封装成一个运动副。人体模型运动仿真中定义的类万向节副有：踝关节、腕关节等。

3.2.3三自由度关节生成球面副

球面副连接两个连杆，有3个自由度，球面副没有方向，当创建球面副时，只需指

定连杆和球面副的原点即可，如图3.3(c)所示。因为球面副不能加驱动，不能规定球面副的运动极限，所以把球面副简化成三个相互垂直坐标中上的转动副。把这三个转动副封装成一个运动副，称为“类球面副”。对类球面副的三个转动方向上的运动可以进行运动范围的限制。人体模型运动仿真中定义的类球面副有髋关节、肩关节、颈关节等。

(a)旋转副

(b)类万向节

(c)类球面副

图3.3 运动特征

3.3运动仿真中的力和运动驱动

3.3.1定义人体模型的运动驱动

在运动仿真模块中运动驱动类型包括：无驱动、运动函数、恒定驱动、简谐运动驱动、关节运动驱动等。

在所有的运动驱动类型中，运动函数驱动（Motion Function）、恒定驱动（Constant）、简谐运动驱动（Harmonic）均是基于时间的运动仿真，关节运动驱动（Articulation）是基于位移的驱动。添加驱动就是使运动副以特定的步数和步长按一定的规律运动。图3.4给出添加了驱动的（a）旋转副、（b）类万向节、（c）类球面副的显示图标。

(a)旋转副

(b)类万向节

(c)类球面副

图3.4 驱动类型

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运动函数驱动是用户用数学函数和XY表格函数给运动副输入驱动参数。如定义简谐函数为SHF（TIME,60D,PI,360D,0,10），表示：自变量x定义为TIME（时间）；自变量的相位偏移0x为60度；振幅a为PI；频率为360度；正弦函数中的相位偏移为0；平均位移为10。常用的运动函数还有多项式函数和Step函数等。恒定运动驱动只需设定初始位移（Initial Displacement），初始速度（Initial Velocity）和加速度（Acceleration）即可。

3.3.2添加运动仿真中的操纵力

在运动仿真中力主要包括标量力（Scalar Force）、矢量力（Vector Force）、重力和扭矩。简言之，标量力指只有大小不规定方向的力，在仿真分析阶段标量力的方向是不断变化的，但力的起点和终点是固定不变的。矢量力是既有大小又有方向的力，标量力的方向在某一坐标系中始终保持不变。

当定义力时，须选择第一个连杆（作用连杆Action Link），用于定义作用力的作用点；选择第二个连杆（基础连杆Base Link），用于定义大小相等、方向相反的反作用力的作用点。矢量力是有一定大小，以某方向作用的力，且其方向在绝对坐标系（Absolute Coordinate System）和用户自定义坐标系（User Defined Coordinate System）的其中一个坐标系中保持不变。在所有外力中，重力是比较常见的一种矢量力。重力（Gravity）在运动仿真模块运行过程中，默认的重力方向是负Z方向，大小为9806.65N。

在人体模型的运动仿真中要定义的力有由外部施加的力，该力应是人体某部位（手、脚）直接同外部控制器接触时所要施加的操纵力的反作用力。还有运动过程中身体内部肌肉产生的肌肉力。在人体模型的运动仿真中，忽略人体内部产生的肌肉力，只考虑人体工作过程中受到的外部力。在正常工作状态下，人体受到的外部力就是人体手、脚的操纵力大小。如向食指添加大小为147N的拉力，可以在新建载荷里选择矢量力，然后添加如图3.5所示的矢量力。

力矩是作用力与力臂的乘积。拿转动手臂来说，转动轴是肘关节和肩关节，手臂运动产生的转矩可以改变臂部肌肉的收缩从而可以完成推或拉的动作。同样，身体其它部位产生的力矩也可以完成各种各样的动作。扭矩可使物体产生扭转，使用时必须考虑扭矩大小和旋转轴。

扭矩的大小由两方面的因素组成，一个是扭矩的大小，更一个是扭矩的作用周期。扭矩的旋转轴有3种：现有的旋转副的旋转轴、用户自定义坐标轴、绝对坐标系中的坐标轴。扭矩分为标量扭矩和矢量扭矩两种。两类扭矩的主要区别在旋转轴的定义上：标量扭矩必须施加在旋转副上，旋转轴必须采用旋转副的轴线；矢量扭矩则是施加在连杆上，其旋转轴可以是用户自定义的矢量也可以是坐标轴。

图3.5 添加矢量力

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3.4人体模型的运动仿真

在UGNX的运动仿真模块中，分析类型包括运动学分析和动力学分析两大类。

在机构运动学分析中，不考虑产生运动的原因，只考虑运动驱动。也就是说，在假定的条件下，机构运动学分析将解答在特定的时间、特定的位置物体之间的相互关系，如速度、加速度、干涉情况等，而不提供如反作用力及机构中出现的动力学运动。动力学分析要考虑运动的真正原因，如作用力、摩擦力、个别组件的质量（或重量）和惯性等，主要用于预测或确定产生特定运动所需的力。

通过前面章节的各种准备工作，搭建了可以进行运动仿真的环境，并且把人体模型这个复杂的机构中的各个肢体段定义为连杆，关节定义为相应的运动副。又进一步通过施加力或是约束对连杆和运动副添加了运动驱动，最后就可以对整个系统创建不同的求解方案了。运动规律仿真即是仿真机构的运动规律，如模拟运动的位移轨迹，得出速度图像、加速度图像等。在进行运动规律仿真之前，要先利用封装选项（Packaging Options）来收集或封装特定的、感兴趣的对象信息，以便于在随后的分析过程中进行测量、跟踪、干涉等操作。封装选项包括测量（Measure）、跟踪（Trace）、干涉检查（Interference）三个功能。

测量功能用来测量人体模型的肢体对象或对象上的点与空间环境之间的距离或角度，并定义了人体模型和周围环境对象之间的安全区域（Clearance Zones），即最小允许距离，运动一个步长系统就会比较测量距离和最小允许距离的大小，如果测量结果小于这个最小距离时，系统会发出安全警告并暂停运动。

跟踪功能生成或保存人体模型肢体某一对象在每一分析步骤开始时的状态和位置。可以在绝对（Absolute）参考框架或相对（Relative）参考框架中，进行运动仿真分析或关节运动。跟踪功能可以生成人体模型肢体段上某一位置点或多个位置点的运动轨迹。

干涉检查功能是用来比较和检查人体模型的某一肢体与所在周围环境之间的干涉重叠量。干涉检查选项需要规定干涉动作，即发生干涉时系统是要高亮显示（Hilite）还是创建实体（Solid）或者是显示相交曲线（Curve）。高亮显示就是发生干涉的物体高亮；而选择创建实体选项时，干涉出现时系统会生成一个描述干涉体积的非参数化的相交实体；显示相交曲线则是发生干涉时显示干涉发生部位的相交曲线。人体模型运动过程中可能会碰撞到周围环境中的设备或控制器，通过干涉功能可以直观的检测碰撞现象。

车辆人机工程学 课程论文 总结

结合国内外的发展现状和现有的研究技术，本文在人机工程学相关理论及标准的基础上，总结并吸取了前人研究成果，并针对目前人体模型研究上存在的问题或不足，进行相应的改进和创新，构建了适合于人机工程学评价与仿真的参数化的动态人体模型。

通过比较几种典型的模型构建的方法，最终用线框模型描述人体模型的骨骼，不仅精确描述了人体的肢体组成，而且精准定位了关节位置；用实体模型描述人体模型的外观，上下肢用圆台描述，而且手部描述从单个长方体块细化到用圆台描述手部五指的各个手指段。利用UGNX的运动仿真模块进行人体模型的运动仿真，把人体关节的运动形式转化为运动仿真中的运动副的运动形式。同时对人体的手、脚的操纵力进行研究，把人体对操纵设备所施加的力转化为运动仿真过程中所要输入的力和力矩信息。

本论文研究中还存在一些不足，从功能角度出发，对人体的关节自由度进行了一定程度的简化，在运动仿真逼真度上有所损失。

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参考文献：