Abstract
最近幾年，隨著電腦在虛擬實境（Virtual Reality）上的應用成長快速，其應用領域遍及工程、設計、建築、醫學和教育，將虛擬實境應用在模擬、呈現與分析現場工作環境的作業狀況，可以事先分析與評估設備、環境與人體的互動。本研究整合「本土化靜態與動態人體計測資料庫」、「Jack數位人體模型軟體」與「動作分析儀」三者，建立一個在虛擬模擬環境中的評估作業環境，可以使3D數位人體模型Jack擁有國人的體型資料與真實作業環境中作業員的動作，目的有三：1. 以「本土化靜態與動態人體計測資料庫」中勞工資料庫的數據建立了本土化數位人模型。2. 透過動作分析儀擷取真人不同的動作姿勢，將其轉換至Jack數位人體模型上，使其有真人的動作。3. 數位人體模型之作業姿勢評估、作業標準流程的建立與整體人因工程評估動態分析。本研究初步將系統應用於半導體晶圓廠作業流程動作的建立（如搬運晶圓盒、Loading晶圓盒與Unloading晶圓盒等動作），評估作業員在作業環境是否會受到傷害，以其改善國內半導體工廠作業員的作業流程與降低工作傷害的發生。目 錄 Ⅰ圖目錄 Ⅲ表目錄 Ⅵ第一章 緒論 11.1 前言 11.2 研究動機與目的 2第二章 文獻探討 42.1 虛擬環境 42.2 數位人體模型特性 52.2.1 數位人體模型外表構成 62.2.2 數位人體模型關節特性 62.2.3 生物力學模型 132.2.4 動作的取得 142.3 3D數位人體模型軟體分析與比較 152.4 數位人體模型的實際應用 172.5 動作分析儀的分析與比較 20第三章 研究方法 233.1 實驗設備 233.1.1 動作分析儀 233.1.2 QTrac動作擷取軟體 243.1.3 Classic Jack 263.2 本土化數位人體資料庫 273.3 數位人體模型動作之建立 303.3.1 攝影機擺放位置及捕捉範圍 313.3.2 反光球的定義 313.3.3 動作分析儀空間座標儲存格式 33 3.3.4 空間座標值轉角度值 333.3.5 Jack軟體動作檔之格式 483.3.6 轉檔程式介紹 493.4 動作擷取與分析流程 52第四章 研究結果 54 4.1 攝影機擺放位置及捕捉範圍 544.2 虛擬工廠之設備建立 564.3 驗證角度轉換之正確性 58 4.3.1 靜態角度驗證 58 4.3.2 動態角度驗證 594.4 量測人體動態各部位關節之角度限制 614.5 作業程序之視覺化與動態分析 63第五章 討論 68 5.1 動作分析儀 685.2 轉檔程式 695.3 人體資料庫 705.4 Jack虛擬環境 70第六章 結論 72參考文獻 73圖目錄圖2-1、數位人因工程評估的過程 4圖2-2、人體模型之結構 5圖2-3、人體模型的外表表現型式 6圖2-4、一般連接系統 7圖2-5、Jack 軟體中所定義的人體關節 7圖2-6、軀幹關節角度變化形式 9圖2-7、上肢關節角度變化形式 9圖2-8、下肢關節角度變化形式 11圖2-9、簡單兩個維度兩個連結的結構 12圖2-10、四個自由度的 Jacobian Matrix 12圖2-11、目標一次疊代法 13圖2-12、連接表示式用在生物力學模型上 13圖2-13、磁感式動作分析儀與光學式動作分析儀捕捉動作的方式 22圖3-1、動作分析儀 23圖3-2、Capture之視窗 25圖3-3、View之視窗 25圖3-4、Jack軟體介面 27圖3-5、Jack所提供不同的數位人體模型 28圖3-6、Jack所提供的自定人體尺寸表 29圖3-7、Jack所提供建立動作的介面 30圖3-8、動作分析儀之捕捉區域 31圖3-9、人體表面關節處所貼之反光球位置及數目 32圖3-10、Qualisys空間座標儲存格式 33圖3-11、t→t+△t反光球於真實空間中的座標變化 34圖3-12、t→t+△t反光球於Jack環境中的角度變化 34圖3-13、Qualisys反光球對應之角度值 35圖3-14、肘關節角度形式 36圖3-15、座標軸的旋轉 37圖3-16、肩關節角度形式（x軸向） 38圖3-17、肩關節角度形式（y軸向） 39圖3-18、肩關節角度形式（z軸向） 40圖3-19、膝關節角度形式 41圖3-20、膝關節角度形式（x軸向） 42圖3-21、髖關節角度形式（y軸向） 43圖3-22、髖關節角度形式（z軸向） 44圖3-23、軀幹部分之關節形式（Flexion/Extension） 46圖3-24、軀幹部分之關節形式（Rotation） 47圖3-25、軀幹部分之關節形式（Lateral Rotation） 48圖3-26、Jack軟體之動作檔格式 49圖3-27、轉檔程式操作介面 50圖3-28、轉檔程式操作介面 51圖3-29、動作擷取與分析流程 53圖4-1、本土化數位人體模型 54圖4-2、AutoCAD軟體介面 56圖4-3、CAD物件進入Jack軟體之檔案格式與流程 57圖4-4、以AutoCAD建立之虛擬環境之設備 57圖4-5、貼上反光球之量角器 58圖4-6、肘關節的角度變化 60圖4-7、動作正確性之比較與驗證 60圖4-8、受測者做Flexion/Extension動作之情況 61圖4-9、動作分析儀捕捉受測者動作之情況 61圖4-10、Jack模擬受測者動作之情況 61圖4-11、男女受測者之Flexion/Extension角度變化 62圖4-12、搬運晶圓盒之動作 63圖4-13、Loading晶圓盒之動作 63圖4-14、Unloading晶圓盒之動作 63圖4-15、Jack 模擬搬運晶圓盒之情境 65圖4-16、搬運期間受測者之關節角度變化 65圖4-17、Walking作業下背脊椎受力狀況 65圖4-18、Jack 模擬Loading晶圓盒之情境 65圖4-19、Loading受測者之關節角度變化 66圖4-20、Loading作業下背脊椎受力狀況 66圖4-21、Jack 模擬Unloading晶圓盒之情境 67圖4-22、Unloading受測者之關節角度變化 67圖4-23、Unloading作業下背脊椎受力狀況 67圖5-1、有缺陷的動作資料檔 69圖5-2、線性走路動作模組 71表目錄表2-1、軀幹部位關節角度限制 8表2-2、上肢部位之關節角度限制 10表2-3、下肢部位之關節角度限制 11表2-4、數位人體模型軟體之比較 16表3-1、攝影機規格表 24表3-2、本土化數位模型資料庫分類表 30表3-3、關節對應之名稱與所需之反光球 32表3-4、軀幹關節變化所需之反光球 33表3-5、Jack上肢關節活動形式 36表3-6、Jack下肢關節活動形式 40表3-7、Jack軀幹關節活動形式 45表4-1、本土化數位模型資料庫分類表 55表4-2、轉檔程式所得出之角度值 59表4-3、肘關節角度變化 60表4-4、受測者之關節角度限制 62表4-5、L4/L5受力極限（Jack 軟體提供） 64