參數化人體模型在虛擬產品設計中的應用

張守京，王 爽，宋栓軍

（西安工程大學 機電工程學院，陜西 西安710048）

0 引 言

虛擬設計是一種隨著計算機技術快速發展而產生的新興產品設計方法，這種設計方法可以簡化設計流程，縮短設計時間，進而有效地提高產品設計效率和質量.建立虛擬產品模型是虛擬設計的初始階段，因此虛擬模型的效果將直接影響整個虛擬設計的效率、質量以及成功率.目前在產品虛擬建模領域中，大都是利用Rhino、SolidWorks等三維設計平臺，人工進行虛擬模型尺寸的基本人機參數的計算與確定，但是在模型設計中會涉及到大量的人機參數，這個過程繁瑣復雜.人體尺寸、作業空間等是人機工程設計的核心內容，其中參數化人體模型是其關鍵技術.目前，國內外企業及學者大都是利用CAD技術及相關軟件進行人體建模.如李月鳳等［1］應用UG軟件，結合人機工程學成功建立了人體二維模型，并實現對座椅的仿真分析.湯小紅等［2］在SolidWorks軟件中通過參照人體二維模板，實現了三維人體模型的建立，并對坐姿人體模型的姿態角度進行了提取.另外，計算機輔助人機工程設計軟件開發是關于虛擬產品人機設計的主要研究點.浙江大學工業設計研究所［3］模擬人機作業，研發出計算機輔助人機設計分析評價系統，該系統以量化方式成功評價了產品開發中的人機因素.LEE［4］開發人體尺寸人機設計輔助軟件，該軟件可以對年齡、著裝等要求進行尺寸計算并為用戶提供詳細的人體部位尺寸.但是這些軟件目前只是提供參考，數字化模型不能直接使用軟件產生的數據，必須經過渠道轉換.

應用以上方法進行人體建模，因人體形狀和結構的復雜性使得其建立的人體模型的數據真實性和精確度不夠；在虛擬產品人機設計方面的研究雖然實現了人機工程的分析與評價，但是其不足之處在于在裝配設計或者在運動仿真中才會發現人機不適，這樣就需要設計師回到前面的步驟進行數據的修改，加大了工作量，并造成了產品設計的浪費.因此，根據上述情況，提出一種基于參數化人體模型的虛擬產品模型設計方法.通過進行標準化人體測量數據庫設計來解決人體模型數據的真實性和精確度問題.并通過參數化人體模型對產品人機設計要素進行驅動設計，使設計師從傳統的直接處理幾何模型方式，轉化為通過操作人體模型進行虛擬產品模型的人機設計與修改，提高了設計效率.

1 參數化人體模型庫設計

1.1 人體測量數據庫設計

人體功能尺寸和人體構造尺寸（即常說的動態人體尺寸和靜態人體尺寸）是人體測量數據的主要組成內容.因此，進行人體測量數據庫的建立是非常必要的.國家標準GB10000—1988［5］提供了關于我國成年人標準人體尺寸的基礎數據，在該標準中給出了共47項人體結構尺寸數據，并按照性別、年齡段、百分位數分別進行列表.通過對GB10000—1988標準和Dreyfuss數據庫兩個人體測量數據資源進行歸納分析，設計出本數據庫的結構，如圖1所示.

圖1 人體測量數據庫結構圖Fig.1 Anthropometric database structure chart

1.2 參數化人體模型設計方法

根據上面建立的人體測量數據庫進行參數化人體模型設計.人體模型有利于考察設計對象的主要人機工程學設計參數，分析和評價其人機設計合理性，因此，參數化人體模型是描述人體形態特征的有效工具，是對人機系統進行分析、評價和實驗設計所必不可少的輔助手段.參數化人體模型一般包括以下3個層次［6］：

（1）結構層：主要功能是提供人體的基本關節結構尺寸，給產品人機交互時的操作姿態設計及其概念設計提供方便.

（2）尺寸層：需對人體四肢、軀干等部位進行最大程度的抽象，來提供標準的人體尺寸數據，給人機尺寸的輔助設計提供便利條件.

（3）形態層：提供人體各個部位的基本形態，便于虛擬建模中關于人機性能方面的人機接觸面設計提供準確的參考曲面.

由于3個層次所面向的設計任務不同，3種層次模型所攜帶的人體測量數據內容也就有所不同.人體模型的型號一般是通過1～3個索引量來確定的，然后系統根據人體型號從人體測量數據庫中調出相關人體測量數據，最后通過開發平臺的函數來建立3種層次的人體模型.因此，可以說參數化人體模型實質是一個數據載體，它可以為設計師提供動態的人體測量數據和相關的人機工程學知識，并且可以將人體測量數據直接映射為建立虛擬產品模型時所需的設計尺寸.

2 虛擬產品模型設計

基于參數化人體模型的虛擬產品模型設計本質上是一個映射的過程，即把人機交互中人機需求如受力和接觸性能等映射成為虛擬產品模型中的設計要素，如尺寸和曲面形態等.通過操作參數化人體模型，設計師在設計虛擬產品模型早期時就可進行人機工程分析，簡化了設計師復雜的直接數據操作，有效地提高了人機設計的合理性.

2.1 虛擬產品模型設計流程

通過人體測量數據查詢系統連接人體測量數據庫，根據設計對象的特性及人機設計原則來選取和構建參數化人體模型.用戶通過性別、年齡段等1～3個索引值在人體測量數據庫用戶界面上進行查詢.用戶可以選擇手工輸入的方式對索引中沒有的索引值進行查詢，這時后臺應用程序會采用插值法來算出人體數據庫中沒有的人體尺寸參數.其數據插值公式［7］為

式中，D是S的函數，D為用戶要查詢的尺寸輸出值，S為用戶輸入的索引值；Si和Si＋1是人體尺寸數據庫中與S相鄰的兩個索引值，Si＜S＜Si＋1；Di與Di＋1分別是Si和Si＋1對應的尺寸值.利用這種線性插值法求得的解的誤差在允許范圍內.

程序根據用戶在查詢界面上輸入的索引值在人體數據信息框中列出其所對應的人體尺寸數據.按下“人體模型輸出”按鈕，系統根據用戶當前的查詢結果并調用人體模型建模模塊以參數化方式建立相對應的3種層次人體模型.其中只有結構層人體模型是需要根據用戶的需求進行配置完成的，而尺寸層人體模型和形態層人體模型都是依據結構層人體模型由程序自動計算其所需的相關人體數據參數派生而成［8－9］.此時設計系統平臺將人體模型的相關參數與設計對象所需要的設計變量相關聯，通過設計系統調用相關程序模塊求解虛擬產品模型方案，通過優化計算得到最優的虛擬產品模型尺寸參數，并結合用戶交互操作對產品模型尺寸參數進行修改調整，再通過系統特定的解碼程序自動生成參數化產品模型.

2.2 參數化人體模型建模系統

利用OpenGRIP和OpenAPI等二次開發工具技術在Unigraphics平臺上建立的人機工程設計系統EgroDesign進行參數化人體模型的生成和設計參數驅動工作.人機工程設計系統的3個主要模塊為：尺寸人機設計、人體模型、人體數據庫.其中人體模型模塊包含人體模型的建立及編輯兩個子模塊.建立新的人體模型并將其放到相應場景的指定位置是通過模型建立模塊實現的，而人體模型的評價、編輯以及對已有的人體模型進行修改則在模型的編輯模塊實現.

在人體模型的建立模塊中，根據用戶輸入的數據，系統程序會生成相應的人體模型編碼表達式，再應用模型構造函數進行人體模型的建立并將其放入場景的指定位置.圖2所示為人體模型建立模塊進行模型定義的工作流程圖.

2.3 設計實例

因座椅的應用需求大，功能相對單一，且其人機因素顯著，便于進行人機工程分析總結，所以以座椅為例進行基于參數化人體模型的虛擬模型的實例研究.

2.3.1 座椅的人機設計原則及主要設計參數 如果座椅的人機設計不合理將會影響到人的身體健康，所以座椅的人機設計要使人體保持最舒適有效的坐姿狀態，避免不必要的身體負荷，其基本人機設計原則歸納如下［10］

（1）座椅尺度必須符合人體健康坐姿標準值，如軀干和大腿間夾角要至少達到105°；

（2）座椅的設計必須給坐者提供適當的支撐作用，特別是提供可以使脊柱處于正常受力狀態的腰部的合理支撐.

座椅的主要設計參數為：X1為座高、X2為座寬、X3為座深、X4為腰靠長、X5為腰靠寬、X6為頭靠長、X7為頭靠寬、X8為扶手高.相對應的人體尺寸主要參考數據為：H1為膝蓋高度、H2為肘部高度、H3為大腿厚度、H4為頭到椅面的高度、W1為臀部寬度、L1為上身長、L2為臀部至膝蓋長度、W2為坐姿的肩中部寬度、L3為頭長、W3為頭寬.表1為座椅設計參數與人體尺寸的關系式［11］.

2.3.2 虛擬座椅模型設計過程 通過對上述座椅的設計特性和人機要素分析后得出，人體主要尺寸數據庫和坐姿人體尺寸數據庫是進行座椅設計時所需的兩個數據庫，且座椅的人機設計主要源于人體尺寸數據庫.用戶只需在坐姿人體尺寸界面選定索引值，在人體數據信息框中會得到相對應的人體尺寸值，其查詢界面［12］如圖3所示.通過人體數據列表按鈕可以將坐姿人體尺寸數據以表格形式輸出，如表2所示.

圖2 模型定義的工作流程Fig.2 Model definition workflow

表1 座椅人機工程設計參數與人體尺寸的關系Table 1 The relationship between human body size and parameters of seat machine design

圖3 坐姿人體尺寸數據的查詢界面Fig.3 Query interface of human dimension data in sitting posture

點擊“人體模型輸出”按鈕，后臺程序根據用戶所查尺寸結果，調用人體建模模塊并在場景中建立人體模型，根據查詢結果建立的3種層次人體模型如圖4所示.

在座椅人機設計模塊中完成座椅的造型和參數表達式的建立工作.用戶通過交互的方式對人體模型進行修改并輸入設計參數后，系統內部程序進行座椅模型方案求解.圖5（a）［12］為座椅的支撐設計中根據所建的人體模型計算得到的最優支撐點，系統程序以這些支撐點為依據建立座椅基礎表面形態模型，如圖5（b）所示.后續的座椅詳細設計以圖5（b）為基礎.

表2 坐姿人體尺寸相關數據表格Table 2 Data related to sitting human dimensions

圖4 坐姿的3種層次人體模型Fig.4 Three hierarchical human body models for sitting posture

圖5 座椅支撐方式的人機設計Fig.5 The seat support way of ergonomic design

3 結束語

本文針對目前虛擬產品模型人機設計存在的問題，整理歸納了我國成年人結構尺寸的統計數據，設計了人體尺寸數據庫，并以此數據庫為基礎對參數化人體模型庫的構建方法進行了分析，將參數化技術運用到產品人機設計中，提出了基于參數化人體模型的虛擬產品模型的設計方法.并通過實例虛擬座椅模型的人機設計，驗證了此設計方法的可行性和有效性.但是進行人機設計所需的人體模型動態信息目前還不夠完善，所以下一步工作是進行動態信息的測量與收集.

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