摘要：预防性人体工程学对于保护工人的健康和安全至关重要，因为认识到人类的差异性也很重要。本文的目的是描述一个基于 Unity 的应用程序，该应用程序设计用于使用运动捕捉数据进行三维姿势分析和可视化。与虚拟现实 (VR) 技术的集成使用户能够沉浸在模拟的工作环境中，而

目的

预防性人体工程学对于保护工人的健康和安全至关重要，因为认识到人类的差异性也很重要。本文的目的是描述一个基于 Unity 的应用程序，该应用程序设计用于使用运动捕捉数据进行三维姿势分析和可视化。与虚拟现实 (VR) 技术的集成使用户能够沉浸在模拟的工作环境中，而无需物理原型。拟议的应用程序旨在促进人体工程学原理在工作场所设计和评估中的应用，以积极主动、参与性和包容性的方式促进工人福祉。

设计/方法/方法

作者开发了一款利用动作捕捉技术和 VR 技术的应用程序，旨在帮助分析师对物理原型以及未来工作场所进行人体工程学评估。创新的姿势预测模块可帮助分析师从单个数据记录中了解不同用户在与工作场所互动时可能采取的姿势。

发现

一些案例研究说明了所提议的应用程序的功能，展示了如何提供不同的信息以及如何在工业环境中支持工作场所分析师和设计师。

原创性/价值

本文深入介绍了汽车公司在应用可穿戴传感器和 VR 方面的经验和研究，以支持主动和参与式的工作场所人体工程学方法。

1.引言

新的信息和通信技术引入工厂环境正在推动制造业发生深刻变革。智能工厂是德国政府于 2010 年设想的工业 4.0 的一个关键要素，系统变得信息物理化，相互交互，监控和验证物理过程，创建物理世界的虚拟副本并根据复杂的数据分析做出决策，正在成为现实。这些概念正在彻底改变所有领域的工业，而汽车行业是其中的先行者之一，也是参与度最高的行业之一。

制造过程的虚拟化和仿真在成本和时间方面具有多种优势，同时还可以优化装配线设计和研究人机交互。利用技术创新在当今的制造环境中至关重要，其特点是包含用户、机器和系统的复杂协作范式。在设计阶段融入人体工程学原理可以减轻不利后果，例如部署延迟、质量下降和最终系统的可用性降低。它还有助于避免后续修改系统所需的额外成本。各种研究和行业趋势都支持对人为因素的认识。

在此背景下，虚拟现实 (VR) 是一项值得利用的关键研究技术，它可以作为一种先进的人机界面，实时模拟现实世界并通过多种感官通道与数字对象进行各种交互。VR 可应用于娱乐、医药、文化、营销、教育和文化遗产等各个领域。近年来，一个特别值得注意的领域是工业原型设计。直到几年前，解决系统故障和事故的措施主要集中在降低风险因素上。然而，三维 (3D) 设计软件和虚拟模拟器的进步现在使设计师能够将 VR 技术集成到设计过程中，并在进入物理原型设计阶段之前在模拟环境中测试和验证工具。

在虚拟环境中，可以使用数字人体模型（虚拟人体模型）模拟人与工作场所之间的交互，而可以使用 CAD 模型导入工作场所和工作站。人体模型是符合自然比例的人体形象的虚拟表示，可以通过正运动学或逆运动学 (IK) 进行控制和动画制作。虚拟人体模型有多种应用范围，其中许多符合个人、团体和团队工作场所学习的原则：考虑在沉浸式虚拟现实中学习特定机械零件的装配顺序，在尚未建造物理原型时为操作员提供培训 。

本文旨在介绍一个基于 Unity 的工作场所设计和评估应用程序，该应用程序利用惯性测量单元 (IMU) 传感器记录运动数据。与 VR 技术的集成使用户无需物理原型即可沉浸在模拟工作环境中。该应用程序旨在支持分析师通过可穿戴设备评估工作场所设计，但也可用于在职培训。所展示应用程序的一个创新功能是可以预测属于与记录运动捕捉数据的个人不同的人体测量百分位数的用户的姿势。识别人体变异是人体工程学的基础，以确保满足小用户的可达性和大用户的身体空间问题，同时确保所有用户的姿势舒适度。另一方面，组织几次测试会议以包括不同身高的用户既复杂又昂贵。

本文分为几个部分。背景部分探讨了基于传感器和虚拟现实技术的自动人体工程学评估的必要性，随后是对作者设计的基于 Unity 的应用程序的综合描述，该应用程序旨在支持分析师评估工人在工作任务期间的姿势和身体运动。然后介绍了对属于人体测量百分位数（而不是记录运动捕捉数据的个人的百分位数）的用户的姿势预测，并介绍了一些应用案例。最后，讨论了结论和未来工作。

2.背景

在工人平均年龄稳步增长、生产率要求不断提高的当今世界，人体工程学面临的一个重大挑战是如何通过设计一个能够保护肌肉骨骼健康的工作环境来改善员工的福祉。肌肉骨骼疾病 (MSD) 影响着欧洲各地无数工人，他们遭受肌肉、神经、肌腱、关节和脊椎间盘的损伤和疾病。这些健康问题包括疼痛以及可能导致工作日损失的更严重的疾病。因此，解决工作场所设计问题具有双重意义：改善工人的福祉和提高生产率。

肌筋膜炎的危险因素包括重复性动作、不良姿势和搬运重物。肌筋膜炎是最常见的工作相关疾病之一，占欧洲职业病的 45% 左右。在整个欧洲，肌筋膜炎影响着数百万工人，给雇主造成数十亿欧元的损失。职业病和危害还可以与更普遍的健康状况指标以及人口工作条件有关。国家法律规定了如何评估工作条件。因此，公司对建立有效和高效的工作场所设计方法的兴趣是显而易见的。将工作站设计过程定义为“导致工作场所诞生的活动”。设计工作场所时要考虑的主要问题之一是适应生产变化；灵活性对于满足市场需求至关重要。以人为本的工作场所概念的出现是为了解决这一问题，概述了在工作场所设计过程中纳入人体工程学原则的必要性。

一些人体工程学评估方法都是观察性方法，主要研究姿势分析，例如 Ovako 工作姿势分析系统、快速上肢评估或快速全身评估。通常，这些方法用于以被动的方式评估现有的工作环境以应对人体工程学。物理原型的高成本大大降低了主动解决人体工程学问题的可能性，而主动解决人体工程学问题的目标恰恰是在工作场所出现潜在问题之前就发现它们。

VR 技术正在成为主动人体工程学的关键工具，因为它们可以帮助工作场所设计师克服这一限制，使开发人员能够在沉浸式环境中以 1:1 的等效比例可视化工作站的所有元素。此外，VR 解决方案与动作捕捉 (MoCap) 技术相结合以显示工人的动作和姿势时可能会带来收益。Menolotto对不同的 MoCap 技术以及与数据管理和处理相关的问题进行了系统的文献综述。

将人体工程学原理、VR 和 MoCap 解决方案相结合，实现以人为本的工作场所设计的总体优势可总结如下：

实验和模拟的可重复性；记录和处理实验数据的可能性；灵活地创建能够响应市场需求同时尊重现有标准的环境；实时进行人体工程学评估的可能性。

多篇论文研究了集成 VR-MoCap 系统相对于传统计算机辅助解决方案的优势。系统的文献综述可参见da Silva等人(2020)的文章。Simonetto提出了一个方法框架，使装配系统的设计人员能够考虑到工人因年龄等原因而产生的不同体力和关节活动性。

3.建议的应用：系统架构和工作流程

本节对所提出的基于 Unity 的应用程序和系统工作流程进行了综合描述。所提出的应用程序利用 MoCap 和 VR 技术的集成，通过一系列功能支持分析师对物理原型和未来工作场所进行人体工程学评估，其中包括：通过运动捕捉数据执行 3D 姿势分析，提供虚拟现实环境，以评估工人与工作站之间的交互，同时监测姿势指标并估计不同人体百分位数工人的身体姿势和动作。这些功能将在下文简要介绍。

3.1 .用于三维姿势分析的 MoCap 系统

姿势舒适度对于工人的健康和以人为本的工作场所设计至关重要。传统上，训练有素的分析师会观察工人，并通过估计所分析工作活动的视频或图片中的投影角度来评估关节角度。主观观察很耗时，并且可能存在观察者之间和观察者内部的差异。

近年来，可穿戴传感器已证明具有足够的精度来评估姿势和身体运动并进行定量人体工程学评估。当工人在装配线上或物理原型上执行任务时，可以记录数据，即使在长时间操作期间也可以提供有关不同关节位置的宝贵信息。

Carnazzo提出了一种 3D 姿势分析算法，该算法直接从安装在工人身上的可调节带子的 IMU 收集数据（图 1），并通过反三角函数自主计算身体部位之间的角度。根据相关标准 EN 1005–4和 ISO 11226定义了颈部、躯干、肩部、肘部、手腕和膝盖的不同身体角度，这些标准规定了工作姿势的可接受角度和保持时间，并构成了风险评估方法的基础。

为了方便分析人员查看和检索信息，我们特别注重创建直观、直接的用户界面。在系统启动时，分析人员可以选择显示实时捕获的动作捕捉数据的模式或分析预先记录的数据，并可以使用 RGB 摄像机和 IMU 运动跟踪系统同步记录工作活动。对于手动数据同步，佩戴 IMU 传感器的用户只需拍手即可启动记录阶段。

图2是用于分析预先记录的数据的用户界面示例。分析人员可以选择不同的视图和人体模型表示类型，即仅使用连接代表关节的球体的线来可视化内部运动链（绿色火柴人）、完整的 3D 人形或两者的叠加。该应用程序允许保存在特定时间范围内显示的所有角度信息。具体而言，通过图形界面上的按钮，分析人员可以保存所有显示模式下的姿势角度、视频捕获和虚拟场景的所有值。此信息存储在 HTML 格式的文件中，可能包括分析人员输入的文本注释。

图 3显示了关节角度可视化的图形用户界面。下拉菜单允许选择可在屏幕上显示的姿势角度。可以分析十个不同的角度：颈部、躯干、肩部、肘部、手腕和膝盖。这些角度的识别是许多风险评估方法的基础。

3.2 MoCap系统与沉浸式虚拟现实技术的集成

用于动作捕捉的可穿戴传感器是研究和自动化人体工程学评估中极具潜力的工具。然而，物理原型成本高昂，并且需要花费大量时间来构建。如背景部分所述，虚拟化的一个有趣发展是将动作捕捉技术与 VR 技术相结合。头戴式显示器提供的视觉反馈允许记录用户与虚拟环境交互时的姿势和动作。得益于 VR 技术，在没有工作站物理原型的情况下，姿势指标和风险评估成为可能。

图4描绘了所提出的软件和硬件架构的方案。姿势数据通过 Xsens Awinda 运动捕捉系统记录，该系统包括 17 个无线 IMU 传感器，通过可调节的带子安装在用户身上，并通过 Xsens MVN 软件转发到 Unity 应用程序。Xsens 软件开发套件用于正确管理 Unity 应用程序内的数据。捕捉系统向 Unity 应用程序提供传感器相对于地球参考局部框架的精确 3D 方向。Unity 被选为全球领先的游戏引擎，用于在多个平台和设备上创建和部署沉浸式体验，所提出的人体工程学分析算法是用 C# 编写的。

评估过程可能需要或不需要护目镜，这取决于模拟是在虚拟还是在现场进行。虚拟现实模拟使用的技术是护目镜，特别是 HTC VIVE 头戴式显示器。用户可以通过佩戴带有运动跟踪传感器的 HMD 头盔来查看 3D 立体图像并在视觉世界中确定自己的空间位置。在某些应用中，耳机与 Leap Motion 控制器相结合，这是一种光学手部跟踪系统，允许用户通过手部动作来操纵数字对象。图5左侧显示了配备 Xsens Awinda 系统、HTC VIVE HMD 和 Leap Motions 控制器的用户图像，右侧显示了其在虚拟环境中的虚拟表示。人体模型（以下将称为 Xsens 人体模型）复制了记录会话中使用的用户的人体测量尺寸。人体模型的动作和姿势基于运动捕捉系统记录的数据。

3.3 .使用不同人体测量百分位数进行姿势预测

身体姿势和姿势角度是工人体型的特征。然而，认识到人体的多样性是人体工程学的关键。动作捕捉和虚拟现实技术可以帮助预测不同体型的用户在工作站验证的早期阶段如何与给定的工作站交互，并确保工作站满足大多数用户的安全和舒适要求。在汽车领域，与许多其他领域一样，通常参考男性和女性的第 5、50 和 95 个百分位数（即 P5、P50 和 P95），以适应大多数劳动人口。然而，对不同体型的用户重复数据记录会话既费时又费钱。因此，对于公司来说，能够使用记录在单个用户身上的数据来估计不同身高的用户在与同一工作环境交互时可能采取的姿势是非常有意义的。

提前评估不同身高工人的姿势风险对于确保满足所有用户的姿势舒适度、小用户的可达性需求和大用户的身体空间问题非常重要。可以使用 IK 引擎预测任何给定时间的数字人体模型的姿势，结合经验丰富的人体工程学专家定义的姿势规则，可以预测数字人体模型的运动。IK 的概念起源于机器人领域，特别是为了解决将机械臂定位在特定的预定义位置的问题。运动链是由关节连接的刚性部件的排列，就像人体骨骼系统一样，并提供受约束的运动。IK 求解器可能会根据关节约束找到人体模型姿势问题的多种解决方案，如果目标点无法到达，则可能找不到解决方案。

图6描述了所提出的姿势预测应用程序的一般功能。为了使系统正常工作，需要进行初步的运动捕捉会话。IMU 传感器记录的数据被导出到 Unity，用户的动作在那里被复制。直接模式操作允许分析师直接控制人体模型的手、脚、臀部、肩膀（左右）和骨盆的效应器，以防分析师希望纠正某些姿势或缺少某些数据。姿势预测算法是使用 Final IK 开发的，它是 Unity 的领先 IK 库，在视频游戏制作中被广泛采用。这个 Unity IK 插件提供了各种模块：FullBodyBiped IK 用于为人体化身制作动画，而 LookAt IK 组件用于帮助将人体模型的头部旋转到目标点。这些模块已扩展为基于人体模型的附加人体工程学姿势规则，该规则可根据双脚的位置和手部的工作点预测工人最可能采取的姿势。该系统的好处是可以比较属于不同百分位数的人体模型的预测姿势，从而验证适用于各种用户的工作站，同时考虑到所有用户的姿势舒适度以及 P5 人体模型的可达性需求以及 P95 的身体空间问题。

图6

4.部分应用案例

所提出的基于 Unity 的集成 MoCap 和 VR 技术的应用程序已应用于各种用例，也可供分析师评估其有效性和可用性。

图7中重现的任务是车顶行李架组装，其中工人必须将车顶行李架放置在汽车车顶上并用螺钉和支架固定。从人体工程学风险评估和操作员培训的角度来看，这是一项非常有趣的任务。在汽车车顶上组装元件可能需要工人采取不协调的姿势，双手高于肩膀高度。此外，可能还存在到达汽车车顶内部点的问题。因此，这项任务可能值得事先虚拟分析，考虑到不同身高的工人，以及通过改善可达性来创建一个提升工人的平台的可能性。

值得注意的是，车顶行李架组装需要按照特定顺序执行一系列操作，操作员必须学会重复这些操作，而且这需要良好的灵活性。在这方面，VR 环境提供了在职培训的可能性，让工人沉浸在执行工作任务的任务环境中，让他或她不仅可以练习，还可以就工作场所和工作任务的设计提供反馈。

第二步，将 HTC VIVE HMD 与 Leap Motion 控制器集成，以更好地模拟抓取物体的动作，从而实现手与物体的交互（图5）。对代表不同身高的用户（即 P5、P50 和 P95 女性和男性百分位数）进行动作捕捉记录会话，以突出预测系统中的关键问题。

图8重现了 Unity 中用于模拟的虚拟工作站，而图9则显示了分析师分析记录数据的用户界面。右侧的人体模型是 Xsens 人体模型，它使用从运动捕捉会话中获得的信息复制工人的姿势，而左侧的人体模型则由姿势预测系统摆出姿势（下文中将称为 Final IK 人体模型）。菜单允许分析师通过直接输入人体测量数据或选择姿势预测的目标百分位数来更改人体模型的大小。如果没有选择百分位数，则系统默认使用 P50 男性人体模型运行。菜单还允许分析师更改相机方向并确保正确查看两个人体模型。通过将工作环境的数字孪生导入 Unity 场景，分析师可以直观地看到人体模型在场景中的移动方式，系统可以检测到与物体的潜在碰撞并相应地调整人体模型的姿势。

对于任何 IK 解算器来说，一个重大挑战是重现逼真的姿势。Unity 中提供的 IK 引擎旨在用于游戏，并返回可能未正确考虑工作中的人体工程学原理的姿势。典型的例子是，到达靠近地面的工作点可能需要背部向前弯曲，但应该涉及弯曲膝盖（图10a）或与要执行的工作相关的视觉需求，而这些需求经常被 IK 引擎忽略（图10b）。为了克服这些限制，根据公司专业人体工程学专家的经验，考虑了额外的姿势规则。

这些附加规则提高了姿势预测模块在不同百分位数上的有效性，因为它是通过比较姿势预测模块返回的关节角度和运动捕捉系统返回的关节角度来评估的。对任务期间出现的最相关姿势进行了更有针对性的分析。对于每个选定的姿势，比较了不同的关节角度。

图11左侧描绘了 P5 男性人体模型的姿势，重现了进行动作捕捉记录的用户的人体测量数据，右侧描绘了 P95 男性的预测姿势。即使记录是在不同的百分位数上进行的，姿势预测模块也会返回逼真的姿势。系统认识到，较高的用户需要向前弯曲背部才能达到相同的工作点，并弯曲脖子以缩短观看距离。图11上重现的P95的预期姿势是根据与实施的人体工程学规则相关的姿势策略确定的。

公司感兴趣的另一个方面是不同身高的工人与工作站中可能存在的障碍物的互动。例如，一种可能的情况是工作底盘。由于没有实验测试包括工人与工作站物品之间的碰撞，因此通过提供目标坐标来完成避障系统的验证。在这个初步评估阶段，该系统被证明能够检测与物体的碰撞。人体模型为处理与障碍物的互动而采取的姿势策略是合理的（图12）。

5.结论和未来工作

本文介绍了一款基于 Unity 的应用程序，该应用程序利用可穿戴传感器和虚拟现实技术，并介绍了该应用程序如何以主动的方式在设计早期阶段促进人体工程学原理的应用。该应用程序支持分析师进行工作场所设计和评估以及风险评估工具的应用。关节角度根据相关技术标准计算，分析师可以将其用作风险评估工具的输入数据，从而消除了通常与主观观察相关的观察者间和观察者内的差异。创新的姿势预测模块可帮助分析师预测属于不同人体测量百分位数的用户在与给定工作站交互时可能的身体姿势，该工作站可以是物理原型或 VR 中的模拟环境。

认识到人体的多样性是人体工程学的基础，它确保满足所有用户的姿势舒适度，满足小用户的可达性需求，以及大用户的身体空间问题。未来的工作将侧重于提高从单个数据记录中预测各种用户的姿势的准确性，特别是在工作场所存在障碍物等特殊情况下。工人可能会采用多种策略来执行任务，事实上，任何姿势预测系统的主要复杂性恰恰在于 IK 问题的不确定性。

为了解决 IK 问题的不确定性，可以以姿势规则的形式添加约束，这可能与任务的性质和工作站的组织有关。这些姿势规则最初可以根据专业人体工程学专家的经验来定义，但随着数据量的增加，可以通过机器学习技术进行改进。

基于良好人体工程学的姿势规则的实施应该成为工作站设计和评估过程中预防工作相关肌肉骨骼疾病的任何支持工具的基础，也应成为在职培训、员工参与度和工作环境中的表现的基础。

可穿戴传感器和 VR 是主动研究人体工程学的关键工具，因为它们是沉浸式虚拟环境中的在职培训工具。可用的 VR 系统可确保沉浸式和交互式环境：还可以通过触觉设备为用户提供对其动作的触觉和力量反应。如今，在实现这些虚拟环境时可以达到的逻辑和图形复杂度使得 VR 的使用范围可以扩展到姿势负荷评估之外。心理负荷评估变得越来越重要，VR 在认知负荷研究中的应用也比以往任何时候都更加重要。

这些技术在工作场所学习方面的巨大潜力不仅涉及工人，还涉及分析师和设计师。工作场所分析师和设计师可以按照“假设”方法在虚拟环境中探索不同的场景，并且可以在设计早期阶段获得设计选择和评估方面的支持。他们还可以从工人那里获得有关工作场所设计的重要反馈，而无需物理原型，并确保真正参与式的设计方法。不同利益相关者的参与是人体工程学的基础，对于确保高效和包容的工作场所必不可少。

致谢

这项工作是两年期项目 IM.PR.ES.SED（可穿戴设备的沉浸式人体工程学过程）的一部分，该项目由 Stellantis（意大利 FCA）协调，与都灵理工大学、坎帕尼亚大学 Luigi Vanvitelli、都灵 CIM4.0（工业制造 4.0 能力）合作提供技术和开发咨询，并与 Mare Digital 合作提供沉浸式现实工具。

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