目的
預防性人體工程學對于保護工人的健康和安全至關重要，因為認識到人類的差異性也很重要。本文的目的是描述一個基于 Unity 的應用程序，該應用程序設計用于使用運動捕捉數據進行三維姿勢分析和可視化。與虛擬現實 (VR) 技術的集成使用戶能夠沉浸在模擬的工作環境中，而無需物理原型。擬議的應用程序旨在促進人體工程學原理在工作場所設計和評估中的應用，以積極主動、參與性和包容性的方式促進工人福祉。
作者開發了一款利用動作捕捉技術和 VR 技術的應用程序，旨在幫助分析師對物理原型以及未來工作場所進行人體工程學評估。創新的姿勢預測模塊可幫助分析師從單個數據記錄中了解不同用戶在與工作場所互動時可能采取的姿勢。
發現
一些案例研究說明了所提議的應用程序的功能，展示了如何提供不同的信息以及如何在工業環境中支持工作場所分析師和設計師。
原創性/價值
本文深入介紹了汽車公司在應用可穿戴傳感器和 VR 方面的經驗和研究，以支持主動和參與式的工作場所人體工程學方法。
1.引言
新的信息和通信技術引入工廠環境正在推動制造業發生深刻變革。智能工廠是德國政府于 2010 年設想的工業 4.0 的一個關鍵要素，系統變得信息物理化，相互交互，監控和驗證物理過程，創建物理世界的虛擬副本并根據復雜的數據分析做出決策，正在成為現實。這些概念正在徹底改變所有領域的工業，而汽車行業是其中的先行者之一，也是參與度最高的行業之一。
制造過程的虛擬化和仿真在成本和時間方面具有多種優勢，同時還可以優化裝配線設計和研究人機交互。利用技術創新在當今的制造環境中至關重要，其特點是包含用戶、機器和系統的復雜協作范式。在設計階段融入人體工程學原理可以減輕不利后果，例如部署延遲、質量下降和最終系統的可用性降低。它還有助于避免后續修改系統所需的額外成本。各種研究和行業趨勢都支持對人為因素的認識。
在此背景下，虛擬現實 (VR) 是一項值得利用的關鍵研究技術，它可以作為一種先進的人機界面，實時模擬現實世界并通過多種感官通道與數字對象進行各種交互。VR 可應用于娛樂、醫藥、文化、營銷、教育和文化遺產等各個領域。近年來，一個特別值得注意的領域是工業原型設計。直到幾年前，解決系統故障和事故的措施主要集中在降低風險因素上。然而，三維 (3D) 設計軟件和虛擬模擬器的進步現在使設計師能夠將 VR 技術集成到設計過程中，并在進入物理原型設計階段之前在模擬環境中測試和驗證工具。
在虛擬環境中，可以使用數字人體模型（虛擬人體模型）模擬人與工作場所之間的交互，而可以使用 CAD 模型導入工作場所和工作站。人體模型是符合自然比例的人體形象的虛擬表示，可以通過正運動學或逆運動學 (IK) 進行控制和動畫制作。虛擬人體模型有多種應用范圍，其中許多符合個人、團體和團隊工作場所學習的原則：考慮在沉浸式虛擬現實中學習特定機械零件的裝配順序，在尚未建造物理原型時為操作員提供培訓 。
本文旨在介紹一個基于 Unity 的工作場所設計和評估應用程序，該應用程序利用慣性測量單元 (IMU) 傳感器記錄運動數據。與 VR 技術的集成使用戶無需物理原型即可沉浸在模擬工作環境中。該應用程序旨在支持分析師通過可穿戴設備評估工作場所設計，但也可用于在職培訓。所展示應用程序的一個創新功能是可以預測屬于與記錄運動捕捉數據的個人不同的人體測量百分位數的用戶的姿勢。識別人體變異是人體工程學的基礎，以確保滿足小用戶的可達性和大用戶的身體空間問題，同時確保所有用戶的姿勢舒適度。另一方面，組織幾次測試會議以包括不同身高的用戶既復雜又昂貴。
本文分為幾個部分。背景部分探討了基于傳感器和虛擬現實技術的自動人體工程學評估的必要性，隨后是對作者設計的基于 Unity 的應用程序的綜合描述，該應用程序旨在支持分析師評估工人在工作任務期間的姿勢和身體運動。然后介紹了對屬于人體測量百分位數（而不是記錄運動捕捉數據的個人的百分位數）的用戶的姿勢預測，并介紹了一些應用案例。最后，討論了結論和未來工作。
2.背景
在工人平均年齡穩步增長、生產率要求不斷提高的當今世界，人體工程學面臨的一個重大挑戰是如何通過設計一個能夠保護肌肉骨骼健康的工作環境來改善員工的福祉。肌肉骨骼疾病 (MSD) 影響著歐洲各地無數工人，他們遭受肌肉、神經、肌腱、關節和脊椎間盤的損傷和疾病。這些健康問題包括疼痛以及可能導致工作日損失的更嚴重的疾病。因此，解決工作場所設計問題具有雙重意義：改善工人的福祉和提高生產率。
肌筋膜炎的危險因素包括重復性動作、不良姿勢和搬運重物。肌筋膜炎是最常見的工作相關疾病之一，占歐洲職業病的 45% 左右。在整個歐洲，肌筋膜炎影響著數百萬工人，給雇主造成數十億歐元的損失。職業病和危害還可以與更普遍的健康狀況指標以及人口工作條件有關。國家法律規定了如何評估工作條件。因此，公司對建立有效和高效的工作場所設計方法的興趣是顯而易見的。將工作站設計過程定義為“導致工作場所誕生的活動”。設計工作場所時要考慮的主要問題之一是適應生產變化；靈活性對于滿足市場需求至關重要。以人為本的工作場所概念的出現是為了解決這一問題，概述了在工作場所設計過程中納入人體工程學原則的必要性。
一些人體工程學評估方法都是觀察性方法，主要研究姿勢分析，例如 Ovako 工作姿勢分析系統、快速上肢評估或快速全身評估。通常，這些方法用于以被動的方式評估現有的工作環境以應對人體工程學。物理原型的高成本大大降低了主動解決人體工程學問題的可能性，而主動解決人體工程學問題的目標恰恰是在工作場所出現潛在問題之前就發現它們。
VR 技術正在成為主動人體工程學的關鍵工具，因為它們可以幫助工作場所設計師克服這一限制，使開發人員能夠在沉浸式環境中以 1:1 的等效比例可視化工作站的所有元素。此外，VR 解決方案與動作捕捉 (MoCap) 技術相結合以顯示工人的動作和姿勢時可能會帶來收益。Menolotto對不同的 MoCap 技術以及與數據管理和處理相關的問題進行了系統的文獻綜述。
將人體工程學原理、VR 和 MoCap 解決方案相結合，實現以人為本的工作場所設計的總體優勢可總結如下：實驗和模擬的可重復性；記錄和處理實驗數據的可能性；靈活地創建能夠響應市場需求同時尊重現有標準的環境；實時進行人體工程學評估的可能性。多篇論文研究了集成 VR-MoCap 系統相對于傳統計算機輔助解決方案的優勢。系統的文獻綜述可參見da Silva等人(2020)的文章。Simonetto提出了一個方法框架，使裝配系統的設計人員能夠考慮到工人因年齡等原因而產生的不同體力和關節活動性。3.建議的應用：系統架構和工作流程
本節對所提出的基于 Unity 的應用程序和系統工作流程進行了綜合描述。所提出的應用程序利用 MoCap 和 VR 技術的集成，通過一系列功能支持分析師對物理原型和未來工作場所進行人體工程學評估，其中包括：通過運動捕捉數據執行 3D 姿勢分析，提供虛擬現實環境，以評估工人與工作站之間的交互，同時監測姿勢指標并估計不同人體百分位數工人的身體姿勢和動作。這些功能將在下文簡要介紹。3.1?.用于三維姿勢分析的 MoCap 系統
姿勢舒適度對于工人的健康和以人為本的工作場所設計至關重要。傳統上，訓練有素的分析師會觀察工人，并通過估計所分析工作活動的視頻或圖片中的投影角度來評估關節角度。主觀觀察很耗時，并且可能存在觀察者之間和觀察者內部的差異。近年來，可穿戴傳感器已證明具有足夠的精度來評估姿勢和身體運動并進行定量人體工程學評估。當工人在裝配線上或物理原型上執行任務時，可以記錄數據，即使在長時間操作期間也可以提供有關不同關節位置的寶貴信息。
Carnazzo提出了一種 3D 姿勢分析算法，該算法直接從安裝在工人身上的可調節帶子的 IMU 收集數據（圖 1），并通過反三角函數自主計算身體部位之間的角度。根據相關標準 EN 1005–4和 ISO 11226定義了頸部、軀干、肩部、肘部、手腕和膝蓋的不同身體角度，這些標準規定了工作姿勢的可接受角度和保持時間，并構成了風險評估方法的基礎。為了方便分析人員查看和檢索信息，我們特別注重創建直觀、直接的用戶界面。在系統啟動時，分析人員可以選擇顯示實時捕獲的動作捕捉數據的模式或分析預先記錄的數據，并可以使用 RGB 攝像機和 IMU 運動跟蹤系統同步記錄工作活動。對于手動數據同步，佩戴 IMU 傳感器的用戶只需拍手即可啟動記錄階段。
圖2是用于分析預先記錄的數據的用戶界面示例。分析人員可以選擇不同的視圖和人體模型表示類型，即僅使用連接代表關節的球體的線來可視化內部運動鏈（綠色火柴人）、完整的 3D 人形或兩者的疊加。該應用程序允許保存在特定時間范圍內顯示的所有角度信息。具體而言，通過圖形界面上的按鈕，分析人員可以保存所有顯示模式下的姿勢角度、視頻捕獲和虛擬場景的所有值。此信息存儲在 HTML 格式的文件中，可能包括分析人員輸入的文本注釋。圖 3顯示了關節角度可視化的圖形用戶界面。下拉菜單允許選擇可在屏幕上顯示的姿勢角度?？梢苑治鍪畟€不同的角度：頸部、軀干、肩部、肘部、手腕和膝蓋。這些角度的識別是許多風險評估方法的基礎。用于動作捕捉的可穿戴傳感器是研究和自動化人體工程學評估中極具潛力的工具。然而，物理原型成本高昂，并且需要花費大量時間來構建。如背景部分所述，虛擬化的一個有趣發展是將動作捕捉技術與 VR 技術相結合。頭戴式顯示器提供的視覺反饋允許記錄用戶與虛擬環境交互時的姿勢和動作。得益于 VR 技術，在沒有工作站物理原型的情況下，姿勢指標和風險評估成為可能。圖4描繪了所提出的軟件和硬件架構的方案。姿勢數據通過 Xsens Awinda 運動捕捉系統記錄，該系統包括 17 個無線 IMU 傳感器，通過可調節的帶子安裝在用戶身上，并通過 Xsens MVN 軟件轉發到 Unity 應用程序。Xsens 軟件開發套件用于正確管理 Unity 應用程序內的數據。捕捉系統向 Unity 應用程序提供傳感器相對于地球參考局部框架的精確 3D 方向。Unity 被選為全球領先的游戲引擎，用于在多個平臺和設備上創建和部署沉浸式體驗，所提出的人體工程學分析算法是用 C# 編寫的。評估過程可能需要或不需要護目鏡，這取決于模擬是在虛擬還是在現場進行。虛擬現實模擬使用的技術是護目鏡，特別是 HTC VIVE 頭戴式顯示器。用戶可以通過佩戴帶有運動跟蹤傳感器的 HMD 頭盔來查看 3D 立體圖像并在視覺世界中確定自己的空間位置。在某些應用中，耳機與 Leap Motion 控制器相結合，這是一種光學手部跟蹤系統，允許用戶通過手部動作來操縱數字對象。圖5左側顯示了配備 Xsens Awinda 系統、HTC VIVE HMD 和 Leap Motions 控制器的用戶圖像，右側顯示了其在虛擬環境中的虛擬表示。人體模型（以下將稱為 Xsens 人體模型）復制了記錄會話中使用的用戶的人體測量尺寸。人體模型的動作和姿勢基于運動捕捉系統記錄的數據。身體姿勢和姿勢角度是工人體型的特征。然而，認識到人體的多樣性是人體工程學的關鍵。動作捕捉和虛擬現實技術可以幫助預測不同體型的用戶在工作站驗證的早期階段如何與給定的工作站交互，并確保工作站滿足大多數用戶的安全和舒適要求。在汽車領域，與許多其他領域一樣，通常參考男性和女性的第 5、50 和 95 個百分位數（即 P5、P50 和 P95），以適應大多數勞動人口。然而，對不同體型的用戶重復數據記錄會話既費時又費錢。因此，對于公司來說，能夠使用記錄在單個用戶身上的數據來估計不同身高的用戶在與同一工作環境交互時可能采取的姿勢是非常有意義的。提前評估不同身高工人的姿勢風險對于確保滿足所有用戶的姿勢舒適度、小用戶的可達性需求和大用戶的身體空間問題非常重要?？梢允褂?IK 引擎預測任何給定時間的數字人體模型的姿勢，結合經驗豐富的人體工程學專家定義的姿勢規則，可以預測數字人體模型的運動。IK 的概念起源于機器人領域，特別是為了解決將機械臂定位在特定的預定義位置的問題。運動鏈是由關節連接的剛性部件的排列，就像人體骨骼系統一樣，并提供受約束的運動。IK 求解器可能會根據關節約束找到人體模型姿勢問題的多種解決方案，如果目標點無法到達，則可能找不到解決方案。圖6描述了所提出的姿勢預測應用程序的一般功能。為了使系統正常工作，需要進行初步的運動捕捉會話。IMU 傳感器記錄的數據被導出到 Unity，用戶的動作在那里被復制。直接模式操作允許分析師直接控制人體模型的手、腳、臀部、肩膀（左右）和骨盆的效應器，以防分析師希望糾正某些姿勢或缺少某些數據。姿勢預測算法是使用 Final IK 開發的，它是 Unity 的領先 IK 庫，在視頻游戲制作中被廣泛采用。這個 Unity IK 插件提供了各種模塊：FullBodyBiped IK 用于為人體化身制作動畫，而 LookAt IK 組件用于幫助將人體模型的頭部旋轉到目標點。這些模塊已擴展為基于人體模型的附加人體工程學姿勢規則，該規則可根據雙腳的位置和手部的工作點預測工人最可能采取的姿勢。該系統的好處是可以比較屬于不同百分位數的人體模型的預測姿勢，從而驗證適用于各種用戶的工作站，同時考慮到所有用戶的姿勢舒適度以及 P5 人體模型的可達性需求以及 P95 的身體空間問題。所提出的基于 Unity 的集成 MoCap 和 VR 技術的應用程序已應用于各種用例，也可供分析師評估其有效性和可用性。圖7中重現的任務是車頂行李架組裝，其中工人必須將車頂行李架放置在汽車車頂上并用螺釘和支架固定。從人體工程學風險評估和操作員培訓的角度來看，這是一項非常有趣的任務。在汽車車頂上組裝元件可能需要工人采取不協調的姿勢，雙手高于肩膀高度。此外，可能還存在到達汽車車頂內部點的問題。因此，這項任務可能值得事先虛擬分析，考慮到不同身高的工人，以及通過改善可達性來創建一個提升工人的平臺的可能性。值得注意的是，車頂行李架組裝需要按照特定順序執行一系列操作，操作員必須學會重復這些操作，而且這需要良好的靈活性。在這方面，VR 環境提供了在職培訓的可能性，讓工人沉浸在執行工作任務的任務環境中，讓他或她不僅可以練習，還可以就工作場所和工作任務的設計提供反饋。第二步，將 HTC VIVE HMD 與 Leap Motion 控制器集成，以更好地模擬抓取物體的動作，從而實現手與物體的交互（圖5）。對代表不同身高的用戶（即 P5、P50 和 P95 女性和男性百分位數）進行動作捕捉記錄會話，以突出預測系統中的關鍵問題。圖8重現了 Unity 中用于模擬的虛擬工作站，而圖9則顯示了分析師分析記錄數據的用戶界面。右側的人體模型是 Xsens 人體模型，它使用從運動捕捉會話中獲得的信息復制工人的姿勢，而左側的人體模型則由姿勢預測系統擺出姿勢（下文中將稱為 Final IK 人體模型）。菜單允許分析師通過直接輸入人體測量數據或選擇姿勢預測的目標百分位數來更改人體模型的大小。如果沒有選擇百分位數，則系統默認使用 P50 男性人體模型運行。菜單還允許分析師更改相機方向并確保正確查看兩個人體模型。通過將工作環境的數字孿生導入 Unity 場景，分析師可以直觀地看到人體模型在場景中的移動方式，系統可以檢測到與物體的潛在碰撞并相應地調整人體模型的姿勢。對于任何 IK 解算器來說，一個重大挑戰是重現逼真的姿勢。Unity 中提供的 IK 引擎旨在用于游戲，并返回可能未正確考慮工作中的人體工程學原理的姿勢。典型的例子是，到達靠近地面的工作點可能需要背部向前彎曲，但應該涉及彎曲膝蓋（圖10a）或與要執行的工作相關的視覺需求，而這些需求經常被 IK 引擎忽略（圖10b）。為了克服這些限制，根據公司專業人體工程學專家的經驗，考慮了額外的姿勢規則。
這些附加規則提高了姿勢預測模塊在不同百分位數上的有效性，因為它是通過比較姿勢預測模塊返回的關節角度和運動捕捉系統返回的關節角度來評估的。對任務期間出現的最相關姿勢進行了更有針對性的分析。對于每個選定的姿勢，比較了不同的關節角度。圖11左側描繪了 P5 男性人體模型的姿勢，重現了進行動作捕捉記錄的用戶的人體測量數據，右側描繪了 P95 男性的預測姿勢。即使記錄是在不同的百分位數上進行的，姿勢預測模塊也會返回逼真的姿勢。系統認識到，較高的用戶需要向前彎曲背部才能達到相同的工作點，并彎曲脖子以縮短觀看距離。圖11上重現的P95的預期姿勢是根據與實施的人體工程學規則相關的姿勢策略確定的。公司感興趣的另一個方面是不同身高的工人與工作站中可能存在的障礙物的互動。例如，一種可能的情況是工作底盤。由于沒有實驗測試包括工人與工作站物品之間的碰撞，因此通過提供目標坐標來完成避障系統的驗證。在這個初步評估階段，該系統被證明能夠檢測與物體的碰撞。人體模型為處理與障礙物的互動而采取的姿勢策略是合理的（圖12）。?
5.結論和未來工作
本文介紹了一款基于 Unity 的應用程序，該應用程序利用可穿戴傳感器和虛擬現實技術，并介紹了該應用程序如何以主動的方式在設計早期階段促進人體工程學原理的應用。該應用程序支持分析師進行工作場所設計和評估以及風險評估工具的應用。關節角度根據相關技術標準計算，分析師可以將其用作風險評估工具的輸入數據，從而消除了通常與主觀觀察相關的觀察者間和觀察者內的差異。創新的姿勢預測模塊可幫助分析師預測屬于不同人體測量百分位數的用戶在與給定工作站交互時可能的身體姿勢，該工作站可以是物理原型或 VR 中的模擬環境。認識到人體的多樣性是人體工程學的基礎，它確保滿足所有用戶的姿勢舒適度，滿足小用戶的可達性需求，以及大用戶的身體空間問題。未來的工作將側重于提高從單個數據記錄中預測各種用戶的姿勢的準確性，特別是在工作場所存在障礙物等特殊情況下。工人可能會采用多種策略來執行任務，事實上，任何姿勢預測系統的主要復雜性恰恰在于 IK 問題的不確定性。為了解決 IK 問題的不確定性，可以以姿勢規則的形式添加約束，這可能與任務的性質和工作站的組織有關。這些姿勢規則最初可以根據專業人體工程學專家的經驗來定義，但隨著數據量的增加，可以通過機器學習技術進行改進。基于良好人體工程學的姿勢規則的實施應該成為工作站設計和評估過程中預防工作相關肌肉骨骼疾病的任何支持工具的基礎，也應成為在職培訓、員工參與度和工作環境中的表現的基礎。可穿戴傳感器和 VR 是主動研究人體工程學的關鍵工具，因為它們是沉浸式虛擬環境中的在職培訓工具?？捎玫?VR 系統可確保沉浸式和交互式環境：還可以通過觸覺設備為用戶提供對其動作的觸覺和力量反應。如今，在實現這些虛擬環境時可以達到的邏輯和圖形復雜度使得 VR 的使用范圍可以擴展到姿勢負荷評估之外。心理負荷評估變得越來越重要，VR 在認知負荷研究中的應用也比以往任何時候都更加重要。這些技術在工作場所學習方面的巨大潛力不僅涉及工人，還涉及分析師和設計師。工作場所分析師和設計師可以按照“假設”方法在虛擬環境中探索不同的場景，并且可以在設計早期階段獲得設計選擇和評估方面的支持。他們還可以從工人那里獲得有關工作場所設計的重要反饋，而無需物理原型，并確保真正參與式的設計方法。不同利益相關者的參與是人體工程學的基礎，對于確保高效和包容的工作場所必不可少。
這項工作是兩年期項目 IM.PR.ES.SED（可穿戴設備的沉浸式人體工程學過程）的一部分，該項目由 Stellantis（意大利 FCA）協調，與都靈理工大學、坎帕尼亞大學 Luigi Vanvitelli、都靈 CIM4.0（工業制造 4.0 能力）合作提供技術和開發咨詢，并與 Mare Digital 合作提供沉浸式現實工具。搜維爾科技與Varjo總部簽署代理合作協議，成為其在中國大陸地區的獨家授權代理經銷商。搜維爾科技現支持Varjo頭戴式顯示器相關產品購買、咨詢與售后支持等服務，歡迎垂詢。
