《机器人与数字人：基于MATLAB的建模与控制》——1.2节数字人建模：历史、成就和新挑战

1.2数字人建模：历史、成就和新挑战
2008年，密歇根大学HUMOSIM研究室的Don Chaffin博士做了一个综述评论［19］。在评论的开头，他强调许多人机工程/人类工程学专家都渴望有一个具有鲁棒性的分析模型，这个模型具有模拟人口统计学上特定定义人群的物理和认知性能的能力。他还
7
提到了一份来自美国国家研究委员会的1990年人体性能建模报告，并强调这种模型具有如下优点：
1人类工程学专家使用该模型可以模拟和测试各种潜在的人类行为理论，从而明确新研究的优先领域。
2专家们可以使用该模型实现人们在各种环境下的行为的认知和表达。
3这种模型能够提供一种更好的表达人体性能属性的手段，也为其他想要在设计中考虑人类工程学的人提供了一种参考。
由于计算能力的限制，直到20世纪70年代末，数字人物理建模才开始进行初期尝试，而且也仅仅是概念上的。随着计算机计算速度、内存和图像性能的指数级提高，人体模型及其运动可以在数字化环境中实现逼真的可视化，这将帮助人类工程学专家、工程师、设计师和经理更有效地评估、验证他们的理论方案、产品设计、工作分析以及复杂人体控制操作。
根据Chaffin的综述，计算机化人体性能模型最早是由KKilpatrick在1970年完成的。他制作了一个3D人体图解模型来演示这个模型如何运动并达到坐姿状态。20世纪70年代后期，一些复杂的数字化人体模型诞生。
8
当时，英国研制了协助人机交互评估系统(SAMMIE)，目前它成为世界上占据主流地位的数字人模拟软件包之一。在20世纪80年代后期，Safework和Jack展示了他们的新型实时运动人体模型及其独特的功能特性。在20世纪90年代早期，丹麦的AnyBody Technology公司研制了一个数字环境的人工肌肉骨骼模型，主要在汽车工业应用中模拟各种工作状况［18］。
其中，在最近的数字人建模历史上最引人关注的成就是，爱荷华大学计算机辅助设计中心Santos的Karim AbdelMalek博士在21世纪初研究和开发的虚拟士兵模型［22,23,24］。目前它正在Santos的子公司SantosHuman被进一步研发。Santos人体模型不仅在数字环境中使用可变形的肌肉和皮肤来展示其独特的高度保真外貌，而且在借用和采用机器人建模理论和方法方面对数字化人体研究做出了开创性的贡献。他们的多学科研究已经整合了许多主要的数字人建模和仿真领域，例如：
 人体性能和人体系统集成；
 姿态和运动预测；
 任务仿真和分析；
 肌肉和生理建模；
 动态强度和疲劳分析；
 全身振动；
 防弹衣的设计和分析；
 军人作战能力和生存能力；
 服饰鞋帽建模；
 手部建模；
 直观界面。
MADYMO（数学动态模型）是最有代表性的建模和动态仿真软件工具之一［20］。在20世纪90年代初期，荷兰应用科学研究(TNO)组织汽车安全解决方案部门(TASS)研制了MADYMO用于研究汽车碰撞虚拟仿真。它提供了几种数学仿真模型，可以在碰撞中进行可视化的实时响应。基于安全标准和法律要求，它还拥有一个强大的后台处理功能来给出详细的分析和检查结果。此外，MADYMO提供了一个实用的安全气囊和安全带设计的仿真工具，以及真实事故的重建和分析功能。
虽然经过了30年的深入研究和发展，数字人模型的设计和工程应用方面已经取得了非常令人鼓舞的成就［20,21］，
9
但是仍然有许多重大问题有待于进一步研究。具体可以概括如下：
1虽然在数字人的外观真实感方面已经取得了突破，但是在数字人运动的高保真性方面却存在许多欠缺有待改进，尤其是在连续运动、高速运动以及复杂约束环境下的运动；
2需要进一步建立更有效和更具有适应性的人环境相互作用模型；
3需要进一步提高数字人物理模型在复杂人体测量学、生理学和生物力学方面的适应性，以及数字人的视觉和听觉反应的模型化表达；
4实现数字人的物理模型和非物理模型，包括心理、感觉、认知和情感之间的真正的集成。