作者：钮建伟,张乐
出版社：电子工业出版社
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Jack人因工程基础及应用实例试读：
前言
Simens Jack 7.1（简称Jack）是西门子工业软件有限公司（原UGS公司）旗下的一款人因工程分析软件。Jack最初由宾夕法尼亚大学的人体建模和仿真中心（Center for Human Modeling and Simulation at the University of Pennsylvania）于1995年研制开发，再经西门子工业软件有限公司进行商业化运作。经过十几年的研究改进，该软件现已成为集三维仿真、数字人体建模、人因工效分析等主要功能于一体的高端仿真软件。Jack作为一个实时可视化仿真系统，能够导入用户自行创建的CAD三维模型，构建仿真环境；引入具有生物力学特性的三维人体模型；给数字人指派任务；通过数字人行为仿真分析获取有价值的信息。Jack 7.1在之前版本的基础上更新了数字人模型，添加了日本和韩国人体数据库，方便亚洲地区黄种人的人因分析。此外，还对测量系统、人体姿势控制工具、手部姿势控制工具、【TSB】、【Animation】（动画）等命令进行了改善，使得仿真系统更为逼真，分析更加细化。
本书以Jack为基础，介绍了Jack人因工程软件的常用命令，包括使用界面操作技巧、系统仿真的制作方法，以及人因分析工具的运用。对于Jack软件的初级用户，本书提供了大量仿真分析操作实例，可以迅速上手操作。
本书分为四大部分，第一部分主要介绍Jack的界面和基本操作，是成功应用软件的基础；第二部分介绍如何通过静态仿真创建真实感极高的虚拟环境，作为动态仿真和人因分析的基础；第三部分介绍如何实现实时的动态仿真；第四部分对Jack强大的人因分析功能进行了详细介绍。附录中介绍了本书配套光盘的使用方式，以及软件二次开发技术。本书不仅讲述三维数字仿真的制作方法，还详细阐述了人因仿真分析的理论知识，以及数据处理方式，属于比较全面的人因工程教程。每个章节均有例题形式的讲解，使读者能够边练习功能的使用方式，边熟悉操作过程。
本书对仿真创建过程进行了详细的解释，仿真实例涉及软件各个功能的运用，方便读者上手软件操作。同时，本书提供一定篇幅人因工程分析的理论知识，帮助读者开阔思路。读者可以按照本书的步骤进行学习。即使是对人因工程不熟悉的读者，通过本书的学习，也可以进行人因工程领域的研究与工作。
人因工程分析不仅对于重大设备、军用设备、昂贵设备等非常重要，而且在简单的工业产品，以及工业流程中也有着举足轻重的地位。通过在数字三维环境中对产品或者流程的模型进行分析，可以减少研发设计成本、缩短工期、提高效率。Jack广泛运用于人因工程分析学领域，可以制作实时仿真并且对仿真进行人因分析。由于Jack包含各类型的三维人体模型，可以导入CAD建模的实体模型而创建出任意仿真环境，并且提供可达域分析、三维人体测量分析、车辆分析、人物分析等分析工具，因此，其仿真功能常用于工业、制造业、服务业、军事行业等领域。
作为一个强大的仿真系统和人因工效分析软件，Jack却较少在中国运用，主要是由于缺少软件的中文版教材。为此，为服务于广大渴求拥有仿真与人因工效分析功能软件的大众，本书应运而生。书中运用软件自身提供的教学库作为教学基础，此外还添加了编者自身的操作经验，以及针对初学者入门所需要的练习，可使读者迅速上手。本书附带的光盘中还附送视频教程，通过视频教程和书籍内容的交互学习，可以更直观地了解软件的应用。
在此，特别感谢西门子工业软件（上海）有限公司的大力支持，特别是刘明孝经理、李险峰经理为本书的顺利出版给予了极大的热情和无私支持。同时感谢电子工业出版社的许存权编辑为本书的顺利出版付出的辛勤工作。也要感谢家人、同事及学生们，正是他们给予了大量的帮助和鼓励，才使本书能够完成。感谢常年在Jack软件和人因工程领域进行研究的专家学者们，特别是北京亿特克特科技有限公司李大龙经理，石家庄军械工程学院郝建平主任、王松山博士、穆礼渊参谋，中国航天员中心王春慧主任、张宜静博士、田志强工程师、王政工程师，北京航空航天大学周栋博士，中国标准化研究院张欣博士、冉令华工程师、刘太杰工程师，以及其他众多支持我们的朋友为本书提出了宝贵意见和建议。
参加本书编写工作的人员有钮建伟、张乐、郭思思、徐思旸、李鑫、张晓微，具体分工如下：钮建伟和张乐担任本书主编；张乐负责第1、9、10、11、13、14、15章、附录A，郭思思负责第2、3、4章，徐思旸负责第5、8章，李鑫负责第6、7、12章，张晓微负责附录B。
由于时间仓促，知识水平有限，错误之处在所难免，如果读者阅读时发现错误，请与编者联系，编者不胜感激，希望就Jack软件的问题和广大读者继续探讨。编者北京科技大学
第一部分Jack基本操作
第一部分介绍Jack的人因分析原理和基本视窗操作。建议每位读者认真阅读第1章，该章介绍了人因工程最基本的理论知识。Jack操作简便，初学者可以很快入门。经验丰富的人因分析人员通过学习第1章可以明确Jack与其他人因工程软件的区别。
针对Jack的安装方式和卸载过程进行讲解。指导如何在Windows操作系统中安装Jack，并明确对系统的最低要求。
对菜单窗口上的命令控件和仿真窗口中的视角转换进行详细的介绍。其中，重点在于各个菜单的使用方式，是静态仿真的基础。
阐述了最基本的命令——仿真的打开和存储，并且指导如何导入和导出外部CAD模型。运用外部CAD模型创建多样化的虚拟环境是仿真的关键。
为方便读者了解如何进行Jack的基本操作，本书在附送的光碟中收录了对本章内容的视频教程。视频教程主要是通过向读者展示基本操作的使用方式。视屏保存在【video training1】字样的文件中。
阅读了第一部分就能够了解Jack的应用思路，可以阅读、理解其他Jack仿真分析命令并且创建简单的Jack静态仿真。第1章 Jack简介
在本章中，读者可以学习到人因工程和仿真分析方面的基础知识。本章分为两个部分，第一部分主要介绍人因工程的发展概况，以及人因分析的基本思路；第二部分则是通过一个实例展示如何运用Jack进行人因仿真分析。
对于刚进入人因工程研究领域的读者，可以通过对本章节的学习了解国内外人因工程的发展概况，更为重要的是可以学习到Jack仿真分析所必须具备的人因工程学思想。与此同时，Jack的初学用户可以通过一个简单的操作实例，一次性了解Jack中创建静态仿真、动态仿真和人因分析的过程。
即使是对Jack人因工程有些许了解的读者，也可以通过本章的阅读对Jack有新的认识，加深自身对人因工程的理解。1.1 人因工程学基本思想
要想熟练掌握Jack，首先需要了解人因工程学的基本思想，同时还要掌握仿真分析的基本思想。人因工程是一门新兴的交叉学科，涉及学科有生理学、解剖学、工程学、心理学等，应用领域十分广泛。其主要思想就是通过分析某行业的工作人员执行某项工作或者对某个产品进行使用，了解该工作过程和产品操作过程是否会对工作人员的身体机能造成负面的影响，并且利用相关学科的知识对工作过程和产品设计进行改进。
本书对该学科进行较为详细的介绍，旨在让读者了解Jack软件的使用目的基于人因学。希望通过向读者展示两者在国内的发展情况及未来的前景，吸引更多读者参与到人因工程学科建设当中。1.1.1 人因工程学定义
人因工程学又称工效学、人机工程学、人类工效学、人体工学、人因学，是一门重要的工程技术学科。人因工程学是以人的生理、心理特征为依据，应用系统工程的观点，分析研究人与机械、人与环境，以及机械与环境之间的相互作用，为设计操作简便省力、安全、舒适，人-机-环境的配合达到最佳状态的工程系统提供理论和方法的学科。其中，侧重于研究人对环境的精神认知称为认知人因学（Cognitive Er gonomics），而侧重于研究环境施加给人的物理影响称为生理人因学（Physical Ergonomic）。Jack就是着重研究生理人因学的人因工程软件。
Ergonomics一词是由希腊词根“ergon”（意思是工作、劳动）和“nomos”（意思是规律、规则）复合而成，本义是人的劳动规律。而在世界范围内，人因工程学的命名并不统一，不过有少数命名法被人们广泛采用。在中国大陆，“人机工程学”、“工效学”，以及“工程心理学”都被不同领域的研究者所使用。近年来，“人因学”的使用有增多的趋势。
对于该学科，如今并没用统一的定义。我国朱祖祥教授主编的《人类工效学》一书中所下的定义是“它是一门以心理学、生理学、解剖学、人体测量学等学科为基础，研究如何使人-机-环境系统的设计符合人的身体结构和生理心理特点，以实现人、机、环境之间的最佳匹配，使处于不同条件下的人能有效地、安全地、健康和舒适地进行工作与生活的科学。因此，人类工效学主要研究人的工作优化问题。”《中国企业管理百科全书》将人因工程学定义为研究人和机器、环境的相互作用及其合理结合，使设计的机器和环境系统适合人的生理、心理等特点，达到在生产中提高效率、安全、健康和舒适的目的。
国外早期的人因工程协会也对人因工程有独到的定义。美国人因工程学会提出人因工程，即探讨和应用人类行为、能力本能极限和其他特性等相关信息来设计机器、系统，以及一切周遭环境，使之按照人的特性设计和改进人-机-环境系统的科学。前苏联学者对其定义为研究人在生产过程中的可能性、劳动活动的方式、劳动的组织安排，从而提高人的工作效率，同时创造舒适和安全的劳动环境，保障劳动人民的健康，使人在生理上和心理上都得到全面发展的一门学科。
然而各国大多数学者所认同的是国际人类工效学学会（International Ergonomics Association）的定义：“人因工程学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究任何机器及环境的相互作用；研究在工作中、家庭生活中和休假中怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科。”
因此，人因工程学的核心是以人为本，着眼于提高人的工作绩效，防止人的失误，在尽可能使系统中人员安全、舒适的条件下，统一考虑人-机-环境系统总体性能的优化。
人因工程学有两个重要研究方向：工作环境工效及产品工效。前者目标主要为设计和设定工作者的工作环境，以减少工作者的工作压力并提高工作效率。后者为产品设计提出友善的操作界面，以及舒适的外形设计，以此提高用户的舒适度和加入美学的设计因素。通常在工作环境工效中会把工作者视作独立个体而进行设计。与之相对应的，在产品工效设计中，使用者会以人体模型的形式出现，此时设计者需要对人体生理和心理因素变化有所考虑（例如，手臂长度的均值和方差数据）。作为专业的人因工程软件，Jack同时可以对工作环境和产品工效进行分析，使人因工程领域的两大问题得到有效的解决。1.1.2 人因工程学发展历程
1．人因工程学的萌芽时期（20世纪初）
20世纪初，有工业工程之父之称的泰勒（Frederick Winslow Taylor，1856—1915）进行了著名的搬运生铁实验和铁铲实验，还对工人的操作进行了时间研究，改进操作方法，制定标准时间，在不增加劳动强度的条件下提高了工作效率。与泰勒同期的吉尔布雷斯夫妇（Frank Bunker Gilbreth，1868—1924，＆Lillian Moller Gilbreth，1878—1972）开展了动作研究，创立了通过动素分析改进操作动作的方法。在这一时期，称为“工业心理学之父”的德国心理学家闵斯托伯格（HugoMunsterberg，1863－1916）倡导将心理学应用于生产实践，其代表作是《心理学与工业效率》，提出了心理学对人在工作中的适应与提高效率的重要性。
20世纪初，虽然已孕育着人因工程学的思想萌芽，但人机关系总的特点是以机器为中心，通过选拔和培训使人去适应机器。由于机器进步很快，使人难以适应，因此，伤害人身心的问题大量存在。
2．人因工程学的兴起时期（第一次世界大战至第二次世界大战之前）
第一次世界大战为工作效率研究提供了重要背景。该阶段主要研究如何减轻疲劳及人对机器的适应问题。
自1924年开始，梅奥·乔治艾顿（George Elton Myao，1880—1949）在美国芝加哥西方电气公司的霍桑工厂进行了长达8年的“霍桑实验”，这是对人的工作效率研究中的一个重要里程碑。实验得到的结论是工作效率不仅受物理的、生理的因素影响，还发现组织因素、工作气氛和人际关系等都是不容忽视的因素。
3．人因工程学的成长时期（第二次世界大战至20世纪60年代）
第二次世界大战以前，人与机器装备的匹配，主要是通过选拔和培训，使人去适应机器装备。第二次世界大战期间，由于战争的需要，首先在军事领域开始了与设计相关学科的综合研究与应用，使人适应机器转入到使机器适应人的新阶段。第二次世界大战结束时，本学科研究与应用逐渐从军事领域向工业等领域发展，并逐步应用军事领域的研究成果解决工业与工程设计中的问题。
此外，美国、日本和欧洲的许多国家先后成立了学会。为了加强国际间的交流，1960年，正式成立了国际人类工效学会（IEA），标志着该学科已发展成熟，该组织为推动各国的人因工程发展起了重要作用。
4．人因工程学的发展时期（20世纪60年以后）
人因工程学进入了一个新的发展时期。这个时期人因工程学的发展有三大基本趋势。（1）研究领域不断扩大。
研究领域扩大到人与工程设施、人与生产制造、人与技术工艺、人与方法标准、人与生活服务、人与组织管理等要素的相互协调适应上。（2）应用范围越来越广泛。
应用扩展到社会各行各业：人类生活的各个领域，如衣、食、住、行、学习、工作、文化、体育、休息等各种设施用具的科学化、宜人化。（3）在高技术领域中发挥特殊作用。
高技术与人类社会往往产生不协调的问题，只有综合应用包括人因工程在内的交差学科理论和技术，才能使高技术与固有技术的长处很好结合，协调人的多种价值目标，有效处理高技术社会的各种问题。
5．我国人因工程学的发展
中国最早开展工作效率研究的是心理学家。1935年，清华大学陈立先生出版了《工业心理学概观》，这是我国最早系统地介绍工业心理学的著作。
新中国成立后，中国科学院心理研究所和杭州大学的心理学家开展了操作合理化、技术革新、事故分析、职工培训等劳动心理学研究。“文化大革命”使许多研究陷于停顿。20世纪70年代后期，一些研究单位和大学，成立了工效学或工程心理学研究机构。
1980年5月，成立了中国人类工效学标准化技术委员会和中国心理学会工业心理学专业委员会。1984年，国防科工委还成立了军用人-机-环境系统工程标准化技术委员会。20世纪80年代末，我国已有几十所研究单位和高校开展了人因工程学研究和人才培养工作。许多大学在应用性学科开设了有关人因工程学课程。1989年6月29-30日，在上海同济大学召开了全国性学科成立大会，定名为中国人类工效学学会。1.1.3 人因工程学思想在Jack中的应用
人因工效分析最初发展是通过观察真实的实验人员对现实的工作或者产品进行操作和分析。这种分析方法真实可靠，但是需要消耗大量的经费和时间。自20世纪80年代计算机仿真运用于生产行业以来，计算机仿真的思想逐渐深入到各个专业领域，计算机仿真不仅节约50％以上产品分析的时间和金钱，而且该技术分析得出的结果与实物分析结果相似性极高。
以汽车行业为例，国外的车辆人机工程设计经过实物二维模板、计算机环境下的二维人体模板的发展阶段后，在车辆研发制造数字化的大趋势下，到20世纪80年代，基于计算机辅助人机工程设计的三维数字人体建模系统研究逐渐成为热点。20世纪80年代以来，车辆虚拟人机工程技术研究发展迅速，具体表现是系统开发的完整性强，功能先进。德国汽车技术研究集团和多家汽车公司，以及几个座椅生产厂家合作开发了现代计算机人体模型。1988年，该集团初步建立了三维数字人模型RAMSIS，它可以与多种CAD系统连接，也可作为独立系统使用，并已用于宝马公司的汽车设计；英国的SAMMIE人体模型系统也得到了进一步的完善，在工业领域中得到广泛应用；此外，美国宾西法尼亚大学开发的Jack人体建模系统，在FORD、TOYOTA等汽车公司得到应用；加拿大的SAFEWORK、德国TST公司的AN-THROPOS、澳大利亚的MQPro等，在汽车行业中，也得到了一定范围的应用。
在我国，汽车界的数字化设计与制造起步相对较早，国内有很多高校和研究单位已经开展虚拟车辆人机工程技术的研究，并取得了一定的成果。例如，中国农业大学车辆学院开发的机械系统人机界面设计和评估系统，可应用车辆舱室机械人机界面的初步评估。哈尔滨工业大学在Auto-CAD环境下开发的汽车驾驶室内部总布置设计人体工程学软件，可以校核已有驾驶室布置的合理性，对驾驶室合理布置提供理论依据。武汉理工大学在UG软件环境下开发了三维数字化人体建模系统，它使汽车车身设计开发能针对我国特定的汽车使用群体。此外，吉林工业大学、北京航空航天大学、浙江大学、江苏理工大学、华东理工大学、中科院心理所、西安公路交通大学和上海大众汽车有限公司等，也都围绕车辆虚拟人机工程技术开展研究，并在人体建模、控制模型和虚拟测试等方面的研究取得了进展。
利用计算机仿真软件进行人因分析成为主流趋势，各种人因仿真分析软件应运而生，Jack软件正是其中的佼佼者。各大公司行业的高技术人员都要求掌握一到两门仿真软件。因此，人因分析与计算机仿真系统联系十分紧密。
数字人体建模技术是Jack中的关键技术。人体测量数据的采集和标准化研究已开展多年，形成了不少公认的人体数据资源。主要有NSA（1978）数据库、1988年美国军队人事调查（ANSUR88）中的测量数据、1990年全国健康和营养检查调查（NHANES）人体测量数据、北美车辆工作人员（NA-Auto）人体测量数据、1989年中国成年人尺寸数据（GB10000-88），还有一些公司（如RENAULT）自定义的通用数据库。Jack采用以人体测量数据作为对个体或群体建模时的数据基础，使用多变量正态分布数学模型，通过设计专门的算法来实现从若干个初始数据（如身高、体重、性别等）计算出其他多条件性变量，用于构造数字化人体，进行人体模型的放缩。
Jack中的数字人模型是由69个【Segment】（部分）和68个【Joint】（关节）构成，并且在导入数字人的过程中还可以自定义数字人身体的各个尺寸，所以数字人的仿真程度极高。在人体建模方面，Jack采用了关键帧控制法、动力学控制法、运动捕捉控制法、运动学控制法等关键技术。
关键帧控制法使用了图形建模工具的动画设计功能。预先建立虚拟人体模型主要的姿势模型，也就是关键帧；然后在姿态之间通过插植的方法得到各个过渡姿态。这个工作通过计算机实现，通过改变关键帧的参数得到连续动作的画面。因此，关键帧插值法可归结为参数插值方法，这种参数和数学的参数不同，该参数包括位置、旋转角、纹理等信息。关键帧技术因其简单，支持工具多，成为计算机动画中运用广泛的基本控制方法之一。但该方法难以实现人体模型的任意驱动，而控制效果有限，不适于工程应用中的复杂人体模型控制。
动力学控制法使用外力、力矩、对物体的约束，以及物体的质量特性建立一系列动力学平衡方程来约束虚拟人体的运动。这种方法可以解决运动学动画效果看上去与重力或者惯性等最基本的物理事实不符合的不足。其中，这些力和力矩可以来自于关节链的力矩，也可以来自于绞接点的外力，以及与其他物体接触或者手臂扭曲的外部影响力。动力学控制方法与运动学控制方法相比，优点在于能生成更复杂、更逼真的人体运动，需要求解的参数个数也不是很多。但动力学方法的计算量相当大，且难以控制。动力学方法中另一个重要问题是运动的控制，一般情况下用户必须提供具体的控制指令，如力、力矩等，这在实际操作过程中很难做到。因而必须提供预设的控制和协调指令，即采用预处理的方法予以解决。
运动捕捉控制法是在人体运动的相关部位设置传感器，由电子系统自动捕捉这些传感器位置，经过计算机处理后，向用户传送可以在动作控制中应用的数据，在计算机产生的图像中调整、控制运动的人体。【Motion Capture】（运动捕捉）系统一般由传感器、信号捕捉设备、数据传输设备、数据处理设备等部分组成。传感器固定在人体运动的相关部位，它向【Motion Capture】（运动捕捉）系统提供物体运动的位置信息，通过信号捕捉设备，捕获人体运动的动作信息，然后由数据传输设备将获取的动作信息从信号捕捉设备快速准确地传输到【Motion Capture】（运动捕捉）系统的计算机数据处理系统中进行数据处理。由于【Motion Capture】（运动捕捉）系统记录的是物体的实际运动信息，所以动作精确、效率高，它可以克服一般三维图像控制，易出现误差、效率低、制作繁琐和复杂等缺陷。只是【Motion Capture】（运动捕捉）系统价格比较昂贵，因而制约了其普及推广。
运动学控制方法主要有正向控制和反向控制两种解决方法。正向控制从参考关节向任务关节依次完成各关节点的姿势变化，由此得到任务肢体（末梢肢体，如手）的位置及姿势，正向控制由于存在多种可能的动作选择，所以控制烦琐，计算量大。反向控制与前者的过程正好相反，是从任务肢体关节向参考关节依次推算，以表达个肢体的姿势。相对于正向控制，反向控制计算量较小，已成为人体运动仿真普遍使用的控制策略，但需设计算法和设置约束，从而解决冗余度问题。
Jack软件不仅有强大的仿真功能，而且软件中还包含了数字人可视域分析、数字人手的可达域分析、任务分析、车辆分析等专门的人因分析技术，可以说是集仿真与人因分析为一体的专业软件。此外，Jack还可以将CAD建模软件导入Jack中进行仿真分析，也就是说Jack可以对任意设计出来的产品进行人因分析。
为了实现人-机-环境之间的最佳匹配，Jack把人的工作优化问题作为追求的重要目标。其标志是使处于不同条件下的人能高效、安全、健康、舒适地工作和生活。通过创建全真的三维数字仿真并且利用权威的人因工程分析工具对仿真进行分析，可以对环境和产品进行人因评估。1.2 Jack软件的基本内容介绍
本小节将介绍Jack的基本内容，使读者充分掌握Jack的“整体思路”，方便接下来的学习，并且了解如何将Jack与各种工作相结合。
Jack最初作为宾夕法尼亚大学人体建模和仿真中心研发项目，开发始于1995年。软件最初只具备数字化仿真功能，后逐渐添加详细的数字人模块和仿真分析模块。先后有宾夕法尼亚大学、普渡大学、密西根大学参与过该软件的开发改进工作。如今已更新换代为7.1版本，新版本中具有仿真度更高的数字人模型，新的测量工具及新的人因分析工具，使用户可以创建更加符合现实的仿真分析（图1-1）。图1-1 Jack人体建模
Jack的用户界面简洁，操作容易，而且支持外围设备的输入。Jack的主要优势在于其灵活、逼真的三维人体仿真行为，以及详细的三维人体模型，特别是手、脊柱、肩等部位的模型；运用前向和反向的运动学公式也是Jack的一大优势，通过肢体末端的移动就可以定位人体姿势；其他的优势还包括自由度和关节限制、力量和分析。此外，Jack可以创建各种尺寸的人体模型并添加到仿真环境中。当连接Flock-of-Birds传感器和头戴式显示器时，用户可以与仿真环境进行交互，同时可以从仿真人体模型的视角进行观察和操作。从Jack获得的信息有助于设计更安全、更符合人体工程学的产品、工作场所，更快的流程和使用更低的成本。1.2.1 Jack基本结构
Jack采用分层建模的机制，层次关系构成倒树型结构（图1-2）。图1-2 Jack分层建模结构
处于最高级的是【Environment】（场景）。一个【Environment】（场景）可以看做若干【Figure】（实体）的集合，每个物体（包括数字人）都是一个【Figure】（实体），每个【Figure】（实体）由一个或多个【Segment】（部分）组成，而各个【Segment】（部分）之间由【Joint】（关节）连接。在该分层建模的机制中将各个层次的文件定义为三种格式，后缀分别为【.env】、【.fig】和【.pss】，分别代表【Environment】（场景）、【Figure】（实体）和【Segment】（部分）。在【.pss】文件中以索引面集的形式保存了【Segment】（部分）的图形信息；在【.fig】文件中直接引用【.pss】文件建立【Segment】（部分），并定义【Segment】（部分）之间的【Joint】（关节）及其绕立体坐标三个坐标轴的旋转角度；而【.env】文件则直接引用【.fig】文件建立【Figure】（实体），并保存它们在【Environment】（场景）中的坐标信息。
采用分层建模机制的优势就在于每个【Figure】（实体）或【Segment】（部分）都可以重复引用，有效地减少创建新场景时的工作量。但分层建模机制中也存在缺点，就是可移植性差，如果希望在另一台主机上打开一个仿真环境，必须将与该环境相关的【.env】、【.fig】和【.pss】文件全部复制到主机上，并且需要手动将文件中的引用路径改成新的路径。
为方便【Figure】（实体）和【Segment】（部分）在三维立体环境中的定位，Jack引入【Site】（坐标）的概念。每个【Segment】（部分）都对应一个【Site】（坐标）。【Site】（坐标）的原点与对应的【Segment】（部分）保持相对静止，用于标识该【Segment】（部分）的位置。与【Figure】（实体）相对应的【Site】（坐标）则称为【Root】（基点）。当【Root】（基点）相对于Jack的基准坐标系发生平移或旋转时，对应的【Figure】（实体）也会产生同样的运动，这就是【Figure】（实体）在Jack 移动的基本原理。1.2.2 三维人体模型的创建
Jack之所以在人体建模领域占据主导性的地位，其主要原因是软件本身提供了业界最准确的人体生物力学模型，模型包含运动学算法和生物力学算法。为了扩展Jack软件在世界范围内的运用，Jack 7.1版本在1988年美国军方人体调查（ANSUR 88）的三维人体测量数据的基础上添加了更多的三维人体数据库，包括1990年全国健康和营养检查调查（NHANES）人体测量数据、1997年加拿大军队（CDN-LF-97）人体测量数据、北美车辆工作人员（NA-Auto）人体测量数据、1989年基于中国18～60岁男性和18～55岁女性成年人尺寸数据（GB10000-88）、1997年印度国家设计机构基于人因设计进行的人体测量数据、2008年基于工业标准DIN 33402的德国人体尺寸国家标准、基于ISO7250-1（2008）和ISO/TR 7250-2（2010）的日本人体尺寸数据库，以及韩国人体尺寸数据库。模型由69个【Segment】（部分）和68个【Joint】（关节）连接起来，如人的上臂是一个【Segment】（部分），而肘关节是一个【Joint】（关节）。
Jack数据库中定义了各个身体尺寸和性别的三维人体模型，分为女性、男性和儿童；其中，男性和女性可以在【Database】（数据库）处选择不同的数据库资源，并且可以进行5个百分位的尺寸缩放（1％，5％，50％，95％，99％）或者自定义尺寸。此处的百分位指代的是身材在定义身材之下的人数占总人口数的百分比。儿童的身材尺寸则根据年龄定义。
Jack中的三维人体模型数据库包含了美国、加拿大、中国、印度、德国、日本、韩国，以及国际的权威人体尺寸数据，适用于大多数的国家。然而，Jack无法涵盖全世界的人体数据。因此，其他国家的人体尺寸与Jack数据库中的尺寸会存在一定的差异，或者数据库中的人体无法满足该国家特定人群的尺寸。为了能够创建满足各类研究人员需求的三维人体模型，Jack还提供了数字人的人体尺寸精确自定义功能（图1-3）。通过精确定义，用户可以修改人体的26个部位的尺寸，以及25个关节的自由度，以创建出合适的三维人体模型（图1-4）。图1-3 三维人体尺寸的定义图1-4 导入中国医护人员数据的三维人体模型（右）和Jack原始中国模型（左）的比较（50％）
三维人体模型与普通的【Figure】（实体）不同，由69个【Segment】（部分）和68个【Joint】（关节）构成，脊柱分为17个部分，手包含16个部分，加上肩、锁骨关节和135°的自由度，各个关节自由度的限度参照《NASA RP-1024 技术报告》制定。并且在数字人的底层代码中包含了大量的运动学公式，其中，通过反向运动学公式实现了三维人体模型动作姿势的操作。
反向运动学原理是通过对肢体的末端定位进行逆向运算，从而定位前端关节的自由度及肢体的位置。例如，用户只需对数字人的右手进行定位，Jack就可以自行计算出手腕和手肘的弯曲程度，以及小臂和大臂位置（图1-5）。该操作方式使得数字人操作更加智能，用户不必对每个部位都进行定义，只需要移动关键部位即可。设置数字人姿势时，可以通过直接操纵关节或从姿势库（包含30个预定义姿势）中选择姿势来改变数字人的姿势。Jack提供对数字人的头部、眼睛、肩膀、躯干、质心、骨盆、四肢、脚等多个部位的移动命令。图1-5 三维人体操纵界面1.2.3 Jack仿真环境创建
Jack三维仿真环境的创建主要通过向【Environment】（场景）中导入【Figure】（实体）实现。Jack自身提供了实体数据库（图1-6），用户可以在实体数据库中找到工业生产的主要工具，通过导入实体并且将实体移动到合适的位置创建符合用户需求的三维仿真环境。图1-6 Jack实体数据库
Jack虽然拥有庞大的实体数据库，但是数据库里有限的实体永远无法满足用户多样化的需要。因此，Jack提供了CAD三维实体模型导入的功能。由于Jack自身提供的三维模型编辑器过于简单，不能创建出复杂的三维实体模型，通过导入多种格式的三维实体模型（如【.wrl】、【.stl】和【.jt】等格式）就成为了Jack创建三维实体模型的主要形式。Jack可以导入由CAD、3D-MAX、Pro-E等建模软件创建的CAD模型，模型要求保有基于VRML、IGES、STL和inventor（iv）文件格式的三维图形数据。此外，软件提供了减小CAD数据的功能使模型优化，用于实时仿真。导入CAD软件绘制的三维实体模型，保存为Jack特有的【.fig】格式或者【.pss】格式后，就可以直接调用。因此，Jack可以通过导入新产品的三维模型对其进行仿真分析，从而了解产品是否符合用户需求和人因规律。
导入的【Figure】（实体）可以在Jack中进行缩放、移动，从而搭建符合要求的虚拟工作场景。此外，Jack提供的视点管理、纹理贴图和光照设置等功能可使创建的虚拟环境更加美观（图1-7）。图1-7 Jack三维仿真环境的创建
Jack提供视角转换功能，通过鼠标按钮可以基于一个参考点，移动或缩放视角。此外，视图参考点可以被定位到指定的对象上（如人的眼睛），并建立剖视图。使用纹理映射给实体添加图像文件，如云彩、公路、工厂内部或机器的控制面板可增加视觉上的细节，却又不会增加额外的几何形状。Jack经典的照明能力，可以突出环境中的区域并加强场景的真实感。1.2.4 Jack动态仿真创建
对于某些类型的工效学或人体工程学的研究，用户只需对人体的一个静态姿势进行评价。但大量的研究需要评估的是一个动态的系统。Jack真正的仿真能力体现在能够通过其内置运动系统及其虚拟现实工具定义人体的运动。
Jack专门提供【Animation】（动画）工具作为内置运动系统定义时间限制下执行的任务（图1-8）。Jack模拟包括几个不同的动作，各个动作可以同时进行，并且指定间隔时间。在Jack中可以创建交互式的动作来控制头部、眼睛、躯干、骨盆、质心、手臂、手、脚的运动。此外，还可以操纵视角的移动。图1-8 【Animation】（动画）动态仿真编辑器
仿真可以保存和回放，还可以通过更换不同尺寸的数字人来执行相同脚本的任务，进行对照实验。另外，环境中各种物体的大小或位置也可以调整，并重新运行模拟来研究空间关系，以及时间和空隙的改变情况（图1-9）。图1-9 动态仿真制作
除了利用【Animation】（动画）动态仿真编辑器创建动态仿真，Jack还可以通过外接虚拟现实工具，记录并定义人体动态运动。该软件支持的虚拟现实工具包括以下几个类型。（1）Ascension Technology's Flock of Birds。（2）Virtual Technology's Cyberglove and Cybergrasp。（3）Virtual Research Systems' Head Mounted Display。（4）Stereographic's Crystaleyes。（5）NuVision Shutter Panels。
Jack可以导出动画和静止帧的图像，可以对任意场景创建【.rgb】（动画）格式的图像，还可以轻松地将动态仿真导出为【AVI】或【Quicktime】格式的视频。利用动画和图像观察仿真结果，可以对仿真进行有效的分析。
作为一款成功的人体建模仿真软件，Jack可以创建满足用户不同需求的三维仿真环境，导入合乎尺寸的三维人体模型，最终通过定义数字人和物体在三维仿真环境中的任务实现静态及动态的仿真。导入外部CAD三维实体模型和创建用户自定义尺寸的数字人是实现三维仿真环境的关键技术；可控性的数字人，以及实体和场景的移动则是创建静态和动态仿真任务的基础。
除了图形分析，Jack还提供可视域、可达域、动作分析、舒适度分析等大量的人因分析工具。通过这些工具，用户可以对仿真进行人因分析，得出仿真中存在的不合理并设法改进。
以上技术成就了Jack在工业、医疗、服务等行业热门仿真及人因工效分析领域的重要地位。1.3 Jack仿真分析实例
本节通过一个实例操作对Jack仿真创建和分析工具的使用进行简要介绍，例子简洁明了却又涉及Jack中的关键命令。通过对本例的学习，读者可以了解构建Jack中静态仿真环境的步骤和关键命令，利用【Animation】（动画）工具创建简单的动态仿真，以及运用【Lower Back Analysis】（下背部分析）和【NIOSH】（搬运受力分析）进行人因分析。1.3.1 静态仿真创建
静态仿真是所有仿真分析的基础。在静态仿真的基础上可以通过【Animation】（动画）工具使【Figure】（实体）运动起来，形成动态仿真。大部分人因分析工具的分析都是针对数字人动态仿真中的任务而开发的。（1）依次单击菜单栏上的【Human】→【Create】→【Custom】开启【Build Human】（数字人创建）对话框（图1-10）。图1-10 【Build Human】（数字人创建）对话框
在【Build Human】（数字人创建）对话框中可以创建不同地区、不同百分位的男性和女性，以及不同年龄的儿童，为数字人命名之后就可以通过单击【Create New】（新建）创建。此外还可以通过【Advanced Scaling】（精确尺寸创建）和【Body Part Scaling】（部分尺寸创建）控件进入精确的数字人创建界面，通过输入关键尺寸创建自定义的数字人。更多与数字人创建的相关信息请参看第7章7.1节。（2）在【Database】（数据库）栏目中选择【CHINESE】（中国人），在【Type】（类型）栏目中选择【Male】（男性），在【Name】（名字）后的【Entry】（输入框）中输入Jack作为数字人的名字，单击【Create New】（新建）创建数字人，单击【Dismiss】（关闭）关闭对话框。（3）依次单击菜单栏上的【Object】→【Create】→【Figure from Library】开启【Load Library File】（导入数据库文档）对话框（图1-11）。图1-11 【Load Library File】（导入数据库文档）对话框
在该对话框中可以导入Jack数据库中的实体模型。Jack数据库中的实体包含主要的工业工具。除了导入数据库中的实体，还可以通过【import】（导入）命令将外部CAD模型导入到仿真窗口中，创建符合用户需求的虚拟环境。更多关于实体导入的内容请参看第4章4.3节和第8章8.1节。（4）选择【Select Library】（数据库分类）中的【Primitive】（基本物件）项，再选择【smallcube.pss】（小立方体），单击【Load】（读取）就可以将一个小立方体导入到环境中。（5）直接在【Entry】（输入框）中输入【table.pss】（桌子），单击【Load】（读取），就可以快速创建一个桌子。读者可以自行尝试将其他数据库中的物体导入。（6）单击移动控制栏中的【Pick】（选取）选中实体【Table】（桌子），就可以移动桌子。实体的移动需要通过鼠标的左键（沿【X】轴）、中键（沿【Y】轴）、右键（沿【Z】轴）移动物体。移动命令的使用方式请参看第3章3.1.4小节。（7）将【Table】（桌子）移动到数字人的正前方约2m的位置。再次用【Pick】（选取）选中实体【smallcube】（小立方体），单击【Snap】（定位）后方的下拉菜单，选择【Face Position】（面定位）。选择【Table】（桌子）的顶面，就可以快速的将【smallcube】（小立方体）定位到桌面上。
通过上述命令就可以创建一个简易静态仿真系统（图1-12）。在虚拟环境中，存在一个命名为Jack的数字人，两个实体，分别是【smallcube】（小立方体）和【Table】（桌子），两者之间的关系是小立方体位于桌子的顶面。图1-12 简易静态仿真系统1.3.2 动态仿真创建
1.3.1节中创建的静态仿真不存在工作过程。然而一个有价值的仿真需要将现实工作中的一个或多个任务表现出来，这就需要令静态仿真中的数字人动起来，去完成任务。Jack在静态仿真的基础上提供了动态仿真工具，包括【Animation】（动画）和【TSB】（仿真任务编辑器）。本小节的实例主要针对如何使用【Animation】（动画）创建仿真进行介绍。更多关于【Animation】（动画）使用的内容请参看第10章。（1）单击工具栏的【Animation】（动画）图标，开启动画制作对话框。（2）依次单击【Paths】→【Create Path】打开【Path】（路径）对话框（图1-13）。图1-13 【Path】（路径）对话框
该对话框通过创建路径中的行进点描绘出一个路径。创建出的路径要和【Create Path Walk Motion】（创建按路径行走动作）命令共同使用才可以使数字人按照路径行走。（3）单击【Add After】（添加）可以增加一个行进点，调整路径点到桌子前方。单击【Create】（创建）就可以生成一条从数字人现在的位置到桌子前面的路径。单击【Set Frame 0】（设定动画起点），将创建好的静态仿真环境和路径作为仿真的起始状态。（4）依次单击【Human】→【Path Walk…】打开【Create Path Walk Motion】（创建按路径行走动作）对话框（图1-14）。图1-14 【Create Path Walk Motion】（创建按路径行走动作）对话框
通过本对话框可以制定一个路径让数字人在规定的时间内按照规定路径行走的动作，还可以规定行走时是否摆动手臂。（5）通过【Path】（路径）一栏中的【Pick】（选取）选择刚创建的【Path1】（路径），选择【Swing Arms】（手臂摆动），最后单击【Create】（创建）生成行走任务。（6）单击【Generate】（生成）观看刚生成的行走的动作。编辑好一个仿真动作之后需要通过单击【Generate】（生成）播放该动作使得数字人的姿势变成动作的结束姿势，这样才能对下一个姿势进行编辑。也可以通过鼠标中键直接拖动时间轴上的时间定位线，定位到动作结束姿势。（7）依次单击【Human】→【Arm…】打开【Create Human_arm Motion】（创建手部动作）对话框（图1-15）。图1-15 【Create human_arm Motion】（创建手部动作）对话框
通过本对话框可以制定数字人手部的动态仿真，通过调整数字人的手部的位置作为新动作的结束位置创建两个姿势间的过渡动画。（8）单击【Adjust】（调整）对手的位置进行移动。移动方式和之前移动【Table】（桌子）的方式一样，不同的是，需要通过配合【Shift】键将手旋转。通过按住【Shift】并且通过鼠标左键（绕【X】轴）、中键（沿绕【Y】轴）、右键（沿绕【Z】轴）旋转手，使手移动到【smallcube】（小立方体）的左侧形成抓握小立方体的手势。（9）依次单击【General】→【Relational】→【Timed Attach】打开【Create Support Motion】（创建支持动作）对话框（图1-16）。图1-16 【Create support Motion】（创建粘贴动作）对话框
该命令可以使小立方体跟随手一起移动。创建持握物体的状态。（10）单击【Figure】（实体）一栏中的【Pick】（选取）选择【smallcube】（小立方体），再单击【Attach To】（依附）一栏中的【Pick】（选取）选择【Jack.left_palm.palmcenter】。将【Duration】（持续时间）后输入框的时间改为3sec。单击【Create】（创建）。这样在接下来的3s内，【smallcube】（小立方体）就会跟随【Jack.left_palm.palmcenter】这一个坐标点移动。（11）再次打开【Create human_arm Motion】（创建手部动作）对话框，创建一个将手移动到数字人身前的行为，作为举起【smallcube】（小立方体）的动作。【Duration】（持续时间）后输入框的时间设定为0.5sec。（12）依次单击【Human】→【Linear Walk…】打开【Create Linear Walk Motion】（创建直线行走动作）对话框。单击【Move】（移动），将数字人移动到桌子左方约2 m处，利用【Shift】键配合鼠标中键将数字人旋转至面向右侧。【Mode】（模式）一栏选择【Forward，No Arms】（无手臂动作），【Duration】后输入框的时间设定为1sec，单击【Create】（创建）。通过【Create Linear Walk Motion】（创建直线行走动作）方式可以快速创建行走动作，但是必须是沿直线的行走。（13）依次单击【Human】→【Pose…】打开【Create Pose Motion】（创建姿势动作）对话框。单击【Pose:】（姿势）一栏中的下拉菜单，选择【squat】（下蹲）。（14）再次打开【Create human_arm Motion】（创建手部动作）对话框，调整下蹲后手的姿势，需要将【Starting Joint】（起始关节）调整为【waist】（腰），使得左手将创建的【smallcube】（小立方体）放在地上，右手放于大腿外侧。将两个动作的【Duration】（持续时间）输入框的时间设定为0.5sec。（15）最后再用【Create Pose Motion】（创建姿势动作）对话框创建【stand_relaxed】（放松站立）作为结束姿势。与此同时，通过【General】→【Figure…】打开【Create figure Motion】（创建实体动作）对话框。创建【smallcube】（小立方体）被放下后，平置于地上的动作。两个动作的【Duration】（持续时间）输入框的时间设定为0.5sec。（16）通过【Control】→【Generate】命令播放动画，观看动画的整体效果（图1-17）。图1-17 简易动态仿真效果图
至此，一个简易的动态仿真就创建完成了。整个动态仿真时间为5.5s，动态仿真描述为命名为Jack的数字人行走到桌子前方用左手举起小立方体，将小立方体搬运到桌子右侧约2 m的位置，放置于地上。1.3.3 人因分析运用
本章已经就静态仿真和动态仿真进行了实例介绍。通过之前两个实例的学习，读者已经具备了创建简单仿真系统的能力。然而要想进行一个完整的人因仿真分析，分析工具才是重中之重。之前所有仿真的创建都是为人因分析做铺垫，在本例中将会介绍两个【Task Analysis Toolkit】（任务分析工具）的使用，分别是【Lower Back Analysis】（下背部分析）和【NIOSH】（搬运受力分析）。（1）依次单击【Analysis】→【Task Analysis Toolkit】→【Lower Back Analysis】打开【Lower Back Analysis】（下背部分析）对话框（图1-18）。图1-18 【Lower Back Analysis】（下背部分析）
下背部分析工具主要针对脊椎L4和L5关节处的受力情况进行分析。更多有关【Lower Back Analysis】（下背部分析）的内容请参看第15章15.1节。（2）【Figure】（实体）一栏中的【Pick】（选取）选择数字人Jack，单击右下角蓝色字样的【Activate】（运行），使分析运行起来。这时会发现该按键框变成绿色，而且显示为【ACTIVE】（分析）。对话框中间的条形统计图就会显示此时脊椎L4和L5关节处的受力情况。（3）在运行分析的情况下，播放动态仿真，可以发现条形图跟着数字人的运动发生变化。仔细观察这个动态仿真过程中
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]