参数化人体模型在虚拟产品设计中的应用

张守京，王 爽，宋栓军

（西安工程大学 机电工程学院，陕西 西安710048）

0 引 言

虚拟设计是一种随着计算机技术快速发展而产生的新兴产品设计方法，这种设计方法可以简化设计流程，缩短设计时间，进而有效地提高产品设计效率和质量.建立虚拟产品模型是虚拟设计的初始阶段，因此虚拟模型的效果将直接影响整个虚拟设计的效率、质量以及成功率.目前在产品虚拟建模领域中，大都是利用Rhino、SolidWorks等三维设计平台，人工进行虚拟模型尺寸的基本人机参数的计算与确定，但是在模型设计中会涉及到大量的人机参数，这个过程繁琐复杂.人体尺寸、作业空间等是人机工程设计的核心内容，其中参数化人体模型是其关键技术.目前，国内外企业及学者大都是利用CAD技术及相关软件进行人体建模.如李月凤等［1］应用UG软件，结合人机工程学成功建立了人体二维模型，并实现对座椅的仿真分析.汤小红等［2］在SolidWorks软件中通过参照人体二维模板，实现了三维人体模型的建立，并对坐姿人体模型的姿态角度进行了提取.另外，计算机辅助人机工程设计软件开发是关于虚拟产品人机设计的主要研究点.浙江大学工业设计研究所［3］模拟人机作业，研发出计算机辅助人机设计分析评价系统，该系统以量化方式成功评价了产品开发中的人机因素.LEE［4］开发人体尺寸人机设计辅助软件，该软件可以对年龄、着装等要求进行尺寸计算并为用户提供详细的人体部位尺寸.但是这些软件目前只是提供参考，数字化模型不能直接使用软件产生的数据，必须经过渠道转换.

应用以上方法进行人体建模，因人体形状和结构的复杂性使得其建立的人体模型的数据真实性和精确度不够；在虚拟产品人机设计方面的研究虽然实现了人机工程的分析与评价，但是其不足之处在于在装配设计或者在运动仿真中才会发现人机不适，这样就需要设计师回到前面的步骤进行数据的修改，加大了工作量，并造成了产品设计的浪费.因此，根据上述情况，提出一种基于参数化人体模型的虚拟产品模型设计方法.通过进行标准化人体测量数据库设计来解决人体模型数据的真实性和精确度问题.并通过参数化人体模型对产品人机设计要素进行驱动设计，使设计师从传统的直接处理几何模型方式，转化为通过操作人体模型进行虚拟产品模型的人机设计与修改，提高了设计效率.

1 参数化人体模型库设计

1.1 人体测量数据库设计

人体功能尺寸和人体构造尺寸（即常说的动态人体尺寸和静态人体尺寸）是人体测量数据的主要组成内容.因此，进行人体测量数据库的建立是非常必要的.国家标准GB10000—1988［5］提供了关于我国成年人标准人体尺寸的基础数据，在该标准中给出了共47项人体结构尺寸数据，并按照性别、年龄段、百分位数分别进行列表.通过对GB10000—1988标准和Dreyfuss数据库两个人体测量数据资源进行归纳分析，设计出本数据库的结构，如图1所示.

图1 人体测量数据库结构图Fig.1 Anthropometric database structure chart

1.2 参数化人体模型设计方法

根据上面建立的人体测量数据库进行参数化人体模型设计.人体模型有利于考察设计对象的主要人机工程学设计参数，分析和评价其人机设计合理性，因此，参数化人体模型是描述人体形态特征的有效工具，是对人机系统进行分析、评价和实验设计所必不可少的辅助手段.参数化人体模型一般包括以下3个层次［6］：

（1）结构层：主要功能是提供人体的基本关节结构尺寸，给产品人机交互时的操作姿态设计及其概念设计提供方便.

（2）尺寸层：需对人体四肢、躯干等部位进行最大程度的抽象，来提供标准的人体尺寸数据，给人机尺寸的辅助设计提供便利条件.

（3）形态层：提供人体各个部位的基本形态，便于虚拟建模中关于人机性能方面的人机接触面设计提供准确的参考曲面.

由于3个层次所面向的设计任务不同，3种层次模型所携带的人体测量数据内容也就有所不同.人体模型的型号一般是通过1～3个索引量来确定的，然后系统根据人体型号从人体测量数据库中调出相关人体测量数据，最后通过开发平台的函数来建立3种层次的人体模型.因此，可以说参数化人体模型实质是一个数据载体，它可以为设计师提供动态的人体测量数据和相关的人机工程学知识，并且可以将人体测量数据直接映射为建立虚拟产品模型时所需的设计尺寸.

2 虚拟产品模型设计

基于参数化人体模型的虚拟产品模型设计本质上是一个映射的过程，即把人机交互中人机需求如受力和接触性能等映射成为虚拟产品模型中的设计要素，如尺寸和曲面形态等.通过操作参数化人体模型，设计师在设计虚拟产品模型早期时就可进行人机工程分析，简化了设计师复杂的直接数据操作，有效地提高了人机设计的合理性.

2.1 虚拟产品模型设计流程

通过人体测量数据查询系统连接人体测量数据库，根据设计对象的特性及人机设计原则来选取和构建参数化人体模型.用户通过性别、年龄段等1～3个索引值在人体测量数据库用户界面上进行查询.用户可以选择手工输入的方式对索引中没有的索引值进行查询，这时后台应用程序会采用插值法来算出人体数据库中没有的人体尺寸参数.其数据插值公式［7］为

式中，D是S的函数，D为用户要查询的尺寸输出值，S为用户输入的索引值；Si和Si＋1是人体尺寸数据库中与S相邻的两个索引值，Si＜S＜Si＋1；Di与Di＋1分别是Si和Si＋1对应的尺寸值.利用这种线性插值法求得的解的误差在允许范围内.

程序根据用户在查询界面上输入的索引值在人体数据信息框中列出其所对应的人体尺寸数据.按下“人体模型输出”按钮，系统根据用户当前的查询结果并调用人体模型建模模块以参数化方式建立相对应的3种层次人体模型.其中只有结构层人体模型是需要根据用户的需求进行配置完成的，而尺寸层人体模型和形态层人体模型都是依据结构层人体模型由程序自动计算其所需的相关人体数据参数派生而成［8－9］.此时设计系统平台将人体模型的相关参数与设计对象所需要的设计变量相关联，通过设计系统调用相关程序模块求解虚拟产品模型方案，通过优化计算得到最优的虚拟产品模型尺寸参数，并结合用户交互操作对产品模型尺寸参数进行修改调整，再通过系统特定的解码程序自动生成参数化产品模型.

2.2 参数化人体模型建模系统

利用OpenGRIP和OpenAPI等二次开发工具技术在Unigraphics平台上建立的人机工程设计系统EgroDesign进行参数化人体模型的生成和设计参数驱动工作.人机工程设计系统的3个主要模块为：尺寸人机设计、人体模型、人体数据库.其中人体模型模块包含人体模型的建立及编辑两个子模块.建立新的人体模型并将其放到相应场景的指定位置是通过模型建立模块实现的，而人体模型的评价、编辑以及对已有的人体模型进行修改则在模型的编辑模块实现.

在人体模型的建立模块中，根据用户输入的数据，系统程序会生成相应的人体模型编码表达式，再应用模型构造函数进行人体模型的建立并将其放入场景的指定位置.图2所示为人体模型建立模块进行模型定义的工作流程图.

2.3 设计实例

因座椅的应用需求大，功能相对单一，且其人机因素显著，便于进行人机工程分析总结，所以以座椅为例进行基于参数化人体模型的虚拟模型的实例研究.

2.3.1 座椅的人机设计原则及主要设计参数 如果座椅的人机设计不合理将会影响到人的身体健康，所以座椅的人机设计要使人体保持最舒适有效的坐姿状态，避免不必要的身体负荷，其基本人机设计原则归纳如下［10］

（1）座椅尺度必须符合人体健康坐姿标准值，如躯干和大腿间夹角要至少达到105°；

（2）座椅的设计必须给坐者提供适当的支撑作用，特别是提供可以使脊柱处于正常受力状态的腰部的合理支撑.

座椅的主要设计参数为：X1为座高、X2为座宽、X3为座深、X4为腰靠长、X5为腰靠宽、X6为头靠长、X7为头靠宽、X8为扶手高.相对应的人体尺寸主要参考数据为：H1为膝盖高度、H2为肘部高度、H3为大腿厚度、H4为头到椅面的高度、W1为臀部宽度、L1为上身长、L2为臀部至膝盖长度、W2为坐姿的肩中部宽度、L3为头长、W3为头宽.表1为座椅设计参数与人体尺寸的关系式［11］.

2.3.2 虚拟座椅模型设计过程 通过对上述座椅的设计特性和人机要素分析后得出，人体主要尺寸数据库和坐姿人体尺寸数据库是进行座椅设计时所需的两个数据库，且座椅的人机设计主要源于人体尺寸数据库.用户只需在坐姿人体尺寸界面选定索引值，在人体数据信息框中会得到相对应的人体尺寸值，其查询界面［12］如图3所示.通过人体数据列表按钮可以将坐姿人体尺寸数据以表格形式输出，如表2所示.

图2 模型定义的工作流程Fig.2 Model definition workflow

表1 座椅人机工程设计参数与人体尺寸的关系Table 1 The relationship between human body size and parameters of seat machine design

图3 坐姿人体尺寸数据的查询界面Fig.3 Query interface of human dimension data in sitting posture

点击“人体模型输出”按钮，后台程序根据用户所查尺寸结果，调用人体建模模块并在场景中建立人体模型，根据查询结果建立的3种层次人体模型如图4所示.

在座椅人机设计模块中完成座椅的造型和参数表达式的建立工作.用户通过交互的方式对人体模型进行修改并输入设计参数后，系统内部程序进行座椅模型方案求解.图5（a）［12］为座椅的支撑设计中根据所建的人体模型计算得到的最优支撑点，系统程序以这些支撑点为依据建立座椅基础表面形态模型，如图5（b）所示.后续的座椅详细设计以图5（b）为基础.

表2 坐姿人体尺寸相关数据表格Table 2 Data related to sitting human dimensions

图4 坐姿的3种层次人体模型Fig.4 Three hierarchical human body models for sitting posture

图5 座椅支撑方式的人机设计Fig.5 The seat support way of ergonomic design

3 结束语

本文针对目前虚拟产品模型人机设计存在的问题，整理归纳了我国成年人结构尺寸的统计数据，设计了人体尺寸数据库，并以此数据库为基础对参数化人体模型库的构建方法进行了分析，将参数化技术运用到产品人机设计中，提出了基于参数化人体模型的虚拟产品模型的设计方法.并通过实例虚拟座椅模型的人机设计，验证了此设计方法的可行性和有效性.但是进行人机设计所需的人体模型动态信息目前还不够完善，所以下一步工作是进行动态信息的测量与收集.

［1］李月凤，王晨光，高强，等.基于人机工程学的2D人体模型座椅仿真设计实现［C］／／第七届中国CAE工程分析技术年会论文集，昆明，2011：41－48.LI Yuefeng，WANG Chenguang，GAO Qiang，et al.Human body model seat simulation design implementation［C］／／Proceedings of the 7th China CAE Engineering Analysis Technology Conference，Kunming，2011：41－48.

［2］汤小红，黄璐，杨岳.基于SolidWorks的三维人体建模及座椅舒适性分析［J］.中南林业科技大学学报，2010，30（3）：133－137.TANG Xiaohong，HUANG Lu，YANG Yue.Analysis of 3Dhuman body modeling and seat comfort based on Solid Works［J］.Journal of Central South University of Forestry and Technology，2010，30（3）：133－137.

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