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机械系统人机界面优化设计方法的研究

宋正河  
【摘要】: 对机械系统人机界面几何位置匹配关系的评价和优化是设计人机系统不可回避的问题 之一,多年来一直未能得到很好的解决。随着基础研究工作的深入和计算机技术的发展, 使这一复杂问题有了解决的条件。本课题研究提出:在对机械系统人机界面评价的基础上, 以匹配优度作为目标函数,实现对人机界面的优化设计。 首先,研究了面向对象技术的思想、理论和方法在机械系统人机界面优化设计中的应 用,并运用面向对象的分析和设计方法设计了不依赖于任何计算机软、硬件系统且非常稳 定的机械系统人机界面优化设计的对象(类)及其相互关系,确定了优化设计问题空间的 基本框架。 其次,针对一般机械系统人机界面灵活复杂的特点,提出并设计实现了一种用于描述 机械系统人机界面的基于链表的存储结构,该数据结构圆满地解决了对于任意复杂机械系 统人机界面的计算机描述问题。 第三,研究提出了机械系统人机界面的虚拟构造方法,在计算机上实现了机械系统人 机界面的构造。其中,详细介绍了三维人体模型及中国成年人人体尺寸数据库的构造方法。 本研究用面向对象的建模方法,将人体看成由一系列互相关联的肢体构成。人体数据库是 保证所构造人体模型尺寸准确的关键,本课题以国家标准GB10000-88的数据为基础研制 了人体尺寸数据库,为人体模型的正确显示和人机界面的虚拟构造提供了标准参数。 第四,研究提出了基于评价的机械系统人机界面优化设计方法。该设计方法以匹配优 度作为目标函数,以人机界面各元件的几何位置布置区域作为约束条件,综合运用多目标 最优化方法和下降算法,对机械系统人机界面进行了优化设计。 第五,讨论了机械系统人机界面优化设计软件系统的特点及结构,采用C++语言和先 进的三维图形库OpenGL,在基于WindowsNT平台的PC机上研究开发了软件系统HMIOD, 用于评价并优化一般机械系统的人机界面位置匹配关系。HMIOD系统可以自由地构造机 械系统人机界面的模型、调整模型参数、选取符合国家标准人体尺寸的标准人体对机械系 统进行评价,然后将评价结果输出到文件中,最后针对评价结果优化设计该人机界面。该 软件系统包括了三维实体建模、三维变换、机械系统基本元件输入、人体模型、人体尺寸 数据库、动态属性修改、视图切换、结果输出等模块。 最后,以某一车辆驾驶室的人机界面为例,验证了软件系统HMIOD。


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