文/張源濤 馬振利

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，裝備各種性能的預(yù)測已成為裝備生產(chǎn)之前的重要研究課題。虛擬仿真以及計算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展為這種預(yù)測提供了可能。通過虛擬仿真分析預(yù)研裝備的可靠性、維修性、保障性以及其它性能已經(jīng)成為裝備研制的一個重要方面。裝備使用是一個人機(jī)系統(tǒng)，在很多情況下需要建立人體模型才能更好地檢驗裝備的性能。本文提出了一種利用大型建模軟件CATIA來進(jìn)行人體建模的方法。

1.CATIA軟件簡介

CATIA是法國達(dá)索公司開發(fā)的一套CAD/CAM/CAE 軟件系統(tǒng)，它將3D造型、虛擬制造、裝配及人機(jī)工程分析等功能集中于一體，提供了各種CAD/CAM/CAE數(shù)據(jù)之間的無縫連接，具有極其強(qiáng)大的三維建模和運動仿真功能。

CATIA V5的人機(jī)工程學(xué)分析組件共集成了四個模塊：人體行為分析（Human Activity Analysis）模塊、人體模型測量編輯（Human Measurements Editor）模塊、人體模型構(gòu)造(Human Builder)模塊和人體姿態(tài)分析（Human Posture Analysis）模塊，解決了從虛擬人體模型建立到人體姿態(tài)的編輯、測量與分析到生物力學(xué)分析等等一系列問題，可以形象地模擬實際操作或維修活動中人的各種操作姿態(tài)和運動姿勢，從而方便地幫助使用者進(jìn)行人因方面的分析和設(shè)計。

2.虛擬人員建模過程

在CATIA人機(jī)分析組件中自帶有人體模型可以直接調(diào)用，但是該模型庫中沒有中國人群人體模型數(shù)據(jù)，并且由于各行業(yè)對人體參數(shù)的要求不同（比如警察、軍人、飛行員的身高體重就有著明確的要求），所以經(jīng)常需要重新建立人體模型。CATIA的Human Builder模塊可以幫助建立所需要的人體模型。

要建立人體模型，首先需要確定人體尺寸的百分位數(shù)。人體尺寸百分位數(shù)是一個指標(biāo)、一個界值，一個百分位數(shù)將群體或者樣本分為兩個部分，假設(shè)人體百分位數(shù)為P，則有P%的測量值等于或者小于它，有（100-P）%的測量值大于它，例如P90 表示的就是90%的人群身體尺寸小于此值，而有10%的人群尺寸大于此值。在CATIA中，百分位數(shù)可以選擇或直接輸入確定，所有的人體測量變量將會在人體測量數(shù)據(jù)庫里被系統(tǒng)默認(rèn)。圖1是建立人體模型的對話框，可以直接選擇所需人體模型的父系產(chǎn)品、性別、百分位數(shù)等。

圖1 創(chuàng)建人體模型對話框

圖2 人體模型選項對話框

打開optional選項框可以選擇所需要建立的人群，如圖2所示，CATIA人群文件中自帶有美國人、日本人、韓國人、法國人可供選擇，但沒有中國人。圖2所示的是人群文件china.population.sws，是自定義的人群文件。

要創(chuàng)建一個需要的人群文件，必須要有該人群文件的相關(guān)數(shù)據(jù)。比如身高、臂長等等。CATIA創(chuàng)建人群文件必須遵循一定的形式。人群文件一般用擴(kuò)展名.sws作為這類文件特有的擴(kuò)展名。人群文件創(chuàng)建好以后，用戶就可以對自定義人群數(shù)據(jù)庫進(jìn)行加載。

人群文件的應(yīng)該遵循的基本格式是：

MEAN_STDEV M()/定義男性人群

MEAN_STDEV F()/定義女性人群

CORR M（）/定義男性人群兩個變量的相關(guān)性

CORR F（）/定義女性人群兩個變量的相關(guān)性

在MEAN_STDEV段中，要提供一個反應(yīng)人群的測量變量數(shù)值的統(tǒng)計量（平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差）?；靖袷绞牵?/p>

變量 平均數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)差

變量是人體測量的可變參考數(shù)，平均數(shù)是變量的平均數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)差是指定義變量的標(biāo)準(zhǔn)差值。

CORR段中可以設(shè)置任意兩個變量的相關(guān)依賴性。相關(guān)性被定義在-1.0～1.0之間，相關(guān)性絕對值越高，變量間的彼此依賴性就越高。

格式是：變量1 變量2 相關(guān)性數(shù)值

圖3 人體部分測量變量

變量1是第一個變量的參考數(shù)，變量2是第二個變量的參考數(shù)，相關(guān)性是把兩個變量聯(lián)系在一起的相關(guān)性數(shù)值。變量1的參考數(shù)必須比變量2的參考數(shù)小，給定的相關(guān)性數(shù)值必須在 [-1,1]之間。CATIA的部分測量變量如圖3所示。

3.實例

以某新型油料裝備為例，在CATIA虛擬環(huán)境下進(jìn)行該裝備的虛擬維修人員建模，首先需要對維修作業(yè)人員身體各部位的靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，并進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，計算人體各部位參考變量的平均值以及方差。由于該裝備屬于軍事裝備，操作維修人員屬于軍人，軍人在身體、年齡要求以及其他方面與普通人有一定的區(qū)別。因此我們不能依據(jù)GB10000-88、GB/T16252—1996 等標(biāo)準(zhǔn)中18～60周歲的成年男性人體尺寸數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，應(yīng)通過抽樣調(diào)查的方法，在Human Builder 模塊建立符合該裝備維修人員尺寸的人體模型數(shù)據(jù)庫。

隨機(jī)抽取20名男軍人進(jìn)行測量并作統(tǒng)計學(xué)分析后結(jié)果如表1：

表1 人體測量統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果

為簡單起見，這里只列出了us3、us100、us107這三個人體測量的基本變量，CATIA應(yīng)用的人體測量變量共有254個（us2-us255）。

該油料裝備虛擬維修人體文件程序為：

END 結(jié)果如圖4所示：

圖4 維修人員人群文件

程序中的us3 表示的是肩高的代碼，us100 表示的是身高的代碼,us107表示的是拇指尖觸及范圍。同樣地，可將人體其它參數(shù)輸入.sws 格式文件，從而得到更精確的裝備維修人員人體尺寸數(shù)據(jù)庫。

將該維修人員人群文件導(dǎo)入到CATIA人群模型中，如圖5所示，點擊Add,選擇serviceman.sws文件，單擊確定。該維修人員的人群文件就被順利讀取，相應(yīng)的人群就會添加到人群列表中，如圖6所示。根據(jù)實際情況，選擇人體百分位數(shù)為95，所產(chǎn)生的虛擬維修人員模型如圖7所示。

虛擬維修人員的建立，可大大提高人機(jī)仿真維修的真實性，能夠使設(shè)計研究人員直觀地看見裝備構(gòu)形和維修人員、維修工具以及維修作業(yè)的動作過程，從而提高可靠性、維修性分析與評價的效率。因此，虛擬維修人員模型的建立對裝備有至關(guān)重要的作用。圖8為虛擬維修人員和該裝備操作艙的維修仿真。

圖5 導(dǎo)入人群模型界面

圖6 serviceman人群被添加到列表中

圖7 虛擬維修人員

圖8 虛擬維修人員操作裝備

4.結(jié)論

采用CATIA軟件來建立人體模型是一個比較簡便易行的人體建模辦法，可使人機(jī)工程研究以及裝備研發(fā)和維修性評估簡化，降低了成本和技術(shù)難度。