基于CATIA的某型油料装备虚拟维修人员建模研究

文/张源涛 马振利

随着现代科技的发展，装备各种性能的预测已成为装备生产之前的重要研究课题。虚拟仿真以及计算机硬件技术的发展为这种预测提供了可能。通过虚拟仿真分析预研装备的可靠性、维修性、保障性以及其它性能已经成为装备研制的一个重要方面。装备使用是一个人机系统，在很多情况下需要建立人体模型才能更好地检验装备的性能。本文提出了一种利用大型建模软件CATIA来进行人体建模的方法。

1.CATIA软件简介

CATIA是法国达索公司开发的一套CAD/CAM/CAE 软件系统，它将3D造型、虚拟制造、装配及人机工程分析等功能集中于一体，提供了各种CAD/CAM/CAE数据之间的无缝连接，具有极其强大的三维建模和运动仿真功能。

CATIA V5的人机工程学分析组件共集成了四个模块：人体行为分析（Human Activity Analysis）模块、人体模型测量编辑（Human Measurements Editor）模块、人体模型构造(Human Builder)模块和人体姿态分析（Human Posture Analysis）模块，解决了从虚拟人体模型建立到人体姿态的编辑、测量与分析到生物力学分析等等一系列问题，可以形象地模拟实际操作或维修活动中人的各种操作姿态和运动姿势，从而方便地帮助使用者进行人因方面的分析和设计。

2.虚拟人员建模过程

在CATIA人机分析组件中自带有人体模型可以直接调用，但是该模型库中没有中国人群人体模型数据，并且由于各行业对人体参数的要求不同（比如警察、军人、飞行员的身高体重就有着明确的要求），所以经常需要重新建立人体模型。CATIA的Human Builder模块可以帮助建立所需要的人体模型。

要建立人体模型，首先需要确定人体尺寸的百分位数。人体尺寸百分位数是一个指标、一个界值，一个百分位数将群体或者样本分为两个部分，假设人体百分位数为P，则有P%的测量值等于或者小于它，有（100-P）%的测量值大于它，例如P90 表示的就是90%的人群身体尺寸小于此值，而有10%的人群尺寸大于此值。在CATIA中，百分位数可以选择或直接输入确定，所有的人体测量变量将会在人体测量数据库里被系统默认。图1是建立人体模型的对话框，可以直接选择所需人体模型的父系产品、性别、百分位数等。

图1 创建人体模型对话框

图2 人体模型选项对话框

打开optional选项框可以选择所需要建立的人群，如图2所示，CATIA人群文件中自带有美国人、日本人、韩国人、法国人可供选择，但没有中国人。图2所示的是人群文件china.population.sws，是自定义的人群文件。

要创建一个需要的人群文件，必须要有该人群文件的相关数据。比如身高、臂长等等。CATIA创建人群文件必须遵循一定的形式。人群文件一般用扩展名.sws作为这类文件特有的扩展名。人群文件创建好以后，用户就可以对自定义人群数据库进行加载。

人群文件的应该遵循的基本格式是：

MEAN_STDEV M()/定义男性人群

MEAN_STDEV F()/定义女性人群

CORR M（）/定义男性人群两个变量的相关性

CORR F（）/定义女性人群两个变量的相关性

在MEAN_STDEV段中，要提供一个反应人群的测量变量数值的统计量（平均数和标准差）。基本格式是：

变量 平均数 标准差

变量是人体测量的可变参考数，平均数是变量的平均数，标准差是指定义变量的标准差值。

CORR段中可以设置任意两个变量的相关依赖性。相关性被定义在-1.0～1.0之间，相关性绝对值越高，变量间的彼此依赖性就越高。

格式是：变量1 变量2 相关性数值

图3 人体部分测量变量

变量1是第一个变量的参考数，变量2是第二个变量的参考数，相关性是把两个变量联系在一起的相关性数值。变量1的参考数必须比变量2的参考数小，给定的相关性数值必须在 [-1,1]之间。CATIA的部分测量变量如图3所示。

3.实例

以某新型油料装备为例，在CATIA虚拟环境下进行该装备的虚拟维修人员建模，首先需要对维修作业人员身体各部位的静态数据进行测量，并进行统计学分析，计算人体各部位参考变量的平均值以及方差。由于该装备属于军事装备，操作维修人员属于军人，军人在身体、年龄要求以及其他方面与普通人有一定的区别。因此我们不能依据GB10000-88、GB/T16252—1996 等标准中18～60周岁的成年男性人体尺寸数据库中的数据，应通过抽样调查的方法，在Human Builder 模块建立符合该装备维修人员尺寸的人体模型数据库。

随机抽取20名男军人进行测量并作统计学分析后结果如表1：

表1 人体测量统计学分析结果

为简单起见，这里只列出了us3、us100、us107这三个人体测量的基本变量，CATIA应用的人体测量变量共有254个（us2-us255）。

该油料装备虚拟维修人体文件程序为：

END 结果如图4所示：

图4 维修人员人群文件

程序中的us3 表示的是肩高的代码，us100 表示的是身高的代码,us107表示的是拇指尖触及范围。同样地，可将人体其它参数输入.sws 格式文件，从而得到更精确的装备维修人员人体尺寸数据库。

将该维修人员人群文件导入到CATIA人群模型中，如图5所示，点击Add,选择serviceman.sws文件，单击确定。该维修人员的人群文件就被顺利读取，相应的人群就会添加到人群列表中，如图6所示。根据实际情况，选择人体百分位数为95，所产生的虚拟维修人员模型如图7所示。

虚拟维修人员的建立，可大大提高人机仿真维修的真实性，能够使设计研究人员直观地看见装备构形和维修人员、维修工具以及维修作业的动作过程，从而提高可靠性、维修性分析与评价的效率。因此，虚拟维修人员模型的建立对装备有至关重要的作用。图8为虚拟维修人员和该装备操作舱的维修仿真。

图5 导入人群模型界面

图6 serviceman人群被添加到列表中

图7 虚拟维修人员

图8 虚拟维修人员操作装备

4.结论

采用CATIA软件来建立人体模型是一个比较简便易行的人体建模办法，可使人机工程研究以及装备研发和维修性评估简化，降低了成本和技术难度。