參數(shù)化人體模型在虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張守京，王 爽，宋栓軍

（西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710048）

0 引 言

虛擬設(shè)計(jì)是一種隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展而產(chǎn)生的新興產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方法可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，進(jìn)而有效地提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量.建立虛擬產(chǎn)品模型是虛擬設(shè)計(jì)的初始階段，因此虛擬模型的效果將直接影響整個(gè)虛擬設(shè)計(jì)的效率、質(zhì)量以及成功率.目前在產(chǎn)品虛擬建模領(lǐng)域中，大都是利用Rhino、SolidWorks等三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，人工進(jìn)行虛擬模型尺寸的基本人機(jī)參數(shù)的計(jì)算與確定，但是在模型設(shè)計(jì)中會(huì)涉及到大量的人機(jī)參數(shù)，這個(gè)過(guò)程繁瑣復(fù)雜.人體尺寸、作業(yè)空間等是人機(jī)工程設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，其中參數(shù)化人體模型是其關(guān)鍵技術(shù).目前，國(guó)內(nèi)外企業(yè)及學(xué)者大都是利用CAD技術(shù)及相關(guān)軟件進(jìn)行人體建模.如李月鳳等［1］應(yīng)用UG軟件，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)成功建立了人體二維模型，并實(shí)現(xiàn)對(duì)座椅的仿真分析.湯小紅等［2］在SolidWorks軟件中通過(guò)參照人體二維模板，實(shí)現(xiàn)了三維人體模型的建立，并對(duì)坐姿人體模型的姿態(tài)角度進(jìn)行了提取.另外，計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)是關(guān)于虛擬產(chǎn)品人機(jī)設(shè)計(jì)的主要研究點(diǎn).浙江大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)研究所［3］模擬人機(jī)作業(yè)，研發(fā)出計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)設(shè)計(jì)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以量化方式成功評(píng)價(jià)了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的人機(jī)因素.LEE［4］開(kāi)發(fā)人體尺寸人機(jī)設(shè)計(jì)輔助軟件，該軟件可以對(duì)年齡、著裝等要求進(jìn)行尺寸計(jì)算并為用戶(hù)提供詳細(xì)的人體部位尺寸.但是這些軟件目前只是提供參考，數(shù)字化模型不能直接使用軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，必須經(jīng)過(guò)渠道轉(zhuǎn)換.

應(yīng)用以上方法進(jìn)行人體建模，因人體形狀和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得其建立的人體模型的數(shù)據(jù)真實(shí)性和精確度不夠；在虛擬產(chǎn)品人機(jī)設(shè)計(jì)方面的研究雖然實(shí)現(xiàn)了人機(jī)工程的分析與評(píng)價(jià)，但是其不足之處在于在裝配設(shè)計(jì)或者在運(yùn)動(dòng)仿真中才會(huì)發(fā)現(xiàn)人機(jī)不適，這樣就需要設(shè)計(jì)師回到前面的步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)的修改，加大了工作量，并造成了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的浪費(fèi).因此，根據(jù)上述情況，提出一種基于參數(shù)化人體模型的虛擬產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)方法.通過(guò)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化人體測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)來(lái)解決人體模型數(shù)據(jù)的真實(shí)性和精確度問(wèn)題.并通過(guò)參數(shù)化人體模型對(duì)產(chǎn)品人機(jī)設(shè)計(jì)要素進(jìn)行驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)師從傳統(tǒng)的直接處理幾何模型方式，轉(zhuǎn)化為通過(guò)操作人體模型進(jìn)行虛擬產(chǎn)品模型的人機(jī)設(shè)計(jì)與修改，提高了設(shè)計(jì)效率.

1 參數(shù)化人體模型庫(kù)設(shè)計(jì)

1.1 人體測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

人體功能尺寸和人體構(gòu)造尺寸（即常說(shuō)的動(dòng)態(tài)人體尺寸和靜態(tài)人體尺寸）是人體測(cè)量數(shù)據(jù)的主要組成內(nèi)容.因此，進(jìn)行人體測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)的建立是非常必要的.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB10000—1988［5］提供了關(guān)于我國(guó)成年人標(biāo)準(zhǔn)人體尺寸的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在該標(biāo)準(zhǔn)中給出了共47項(xiàng)人體結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，并按照性別、年齡段、百分位數(shù)分別進(jìn)行列表.通過(guò)對(duì)GB10000—1988標(biāo)準(zhǔn)和Dreyfuss數(shù)據(jù)庫(kù)兩個(gè)人體測(cè)量數(shù)據(jù)資源進(jìn)行歸納分析，設(shè)計(jì)出本數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示.

圖1 人體測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Anthropometric database structure chart

1.2 參數(shù)化人體模型設(shè)計(jì)方法

根據(jù)上面建立的人體測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行參數(shù)化人體模型設(shè)計(jì).人體模型有利于考察設(shè)計(jì)對(duì)象的主要人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)，分析和評(píng)價(jià)其人機(jī)設(shè)計(jì)合理性，因此，參數(shù)化人體模型是描述人體形態(tài)特征的有效工具，是對(duì)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所必不可少的輔助手段.參數(shù)化人體模型一般包括以下3個(gè)層次［6］：

（1）結(jié)構(gòu)層：主要功能是提供人體的基本關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸，給產(chǎn)品人機(jī)交互時(shí)的操作姿態(tài)設(shè)計(jì)及其概念設(shè)計(jì)提供方便.

（2）尺寸層：需對(duì)人體四肢、軀干等部位進(jìn)行最大程度的抽象，來(lái)提供標(biāo)準(zhǔn)的人體尺寸數(shù)據(jù)，給人機(jī)尺寸的輔助設(shè)計(jì)提供便利條件.

（3）形態(tài)層：提供人體各個(gè)部位的基本形態(tài)，便于虛擬建模中關(guān)于人機(jī)性能方面的人機(jī)接觸面設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的參考曲面.

由于3個(gè)層次所面向的設(shè)計(jì)任務(wù)不同，3種層次模型所攜帶的人體測(cè)量數(shù)據(jù)內(nèi)容也就有所不同.人體模型的型號(hào)一般是通過(guò)1～3個(gè)索引量來(lái)確定的，然后系統(tǒng)根據(jù)人體型號(hào)從人體測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出相關(guān)人體測(cè)量數(shù)據(jù)，最后通過(guò)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的函數(shù)來(lái)建立3種層次的人體模型.因此，可以說(shuō)參數(shù)化人體模型實(shí)質(zhì)是一個(gè)數(shù)據(jù)載體，它可以為設(shè)計(jì)師提供動(dòng)態(tài)的人體測(cè)量數(shù)據(jù)和相關(guān)的人機(jī)工程學(xué)知識(shí)，并且可以將人體測(cè)量數(shù)據(jù)直接映射為建立虛擬產(chǎn)品模型時(shí)所需的設(shè)計(jì)尺寸.

2 虛擬產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)

基于參數(shù)化人體模型的虛擬產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)映射的過(guò)程，即把人機(jī)交互中人機(jī)需求如受力和接觸性能等映射成為虛擬產(chǎn)品模型中的設(shè)計(jì)要素，如尺寸和曲面形態(tài)等.通過(guò)操作參數(shù)化人體模型，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)虛擬產(chǎn)品模型早期時(shí)就可進(jìn)行人機(jī)工程分析，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)師復(fù)雜的直接數(shù)據(jù)操作，有效地提高了人機(jī)設(shè)計(jì)的合理性.

2.1 虛擬產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)流程

通過(guò)人體測(cè)量數(shù)據(jù)查詢(xún)系統(tǒng)連接人體測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的特性及人機(jī)設(shè)計(jì)原則來(lái)選取和構(gòu)建參數(shù)化人體模型.用戶(hù)通過(guò)性別、年齡段等1～3個(gè)索引值在人體測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)用戶(hù)界面上進(jìn)行查詢(xún).用戶(hù)可以選擇手工輸入的方式對(duì)索引中沒(méi)有的索引值進(jìn)行查詢(xún)，這時(shí)后臺(tái)應(yīng)用程序會(huì)采用插值法來(lái)算出人體數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有的人體尺寸參數(shù).其數(shù)據(jù)插值公式［7］為

式中，D是S的函數(shù)，D為用戶(hù)要查詢(xún)的尺寸輸出值，S為用戶(hù)輸入的索引值；Si和Si＋1是人體尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)中與S相鄰的兩個(gè)索引值，Si＜S＜Si＋1；Di與Di＋1分別是Si和Si＋1對(duì)應(yīng)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(nèi).

程序根據(jù)用戶(hù)在查詢(xún)界面上輸入的索引值在人體數(shù)據(jù)信息框中列出其所對(duì)應(yīng)的人體尺寸數(shù)據(jù).按下“人體模型輸出”按鈕，系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)當(dāng)前的查詢(xún)結(jié)果并調(diào)用人體模型建模模塊以參數(shù)化方式建立相對(duì)應(yīng)的3種層次人體模型.其中只有結(jié)構(gòu)層人體模型是需要根據(jù)用戶(hù)的需求進(jìn)行配置完成的，而尺寸層人體模型和形態(tài)層人體模型都是依據(jù)結(jié)構(gòu)層人體模型由程序自動(dòng)計(jì)算其所需的相關(guān)人體數(shù)據(jù)參數(shù)派生而成［8－9］.此時(shí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)將人體模型的相關(guān)參數(shù)與設(shè)計(jì)對(duì)象所需要的設(shè)計(jì)變量相關(guān)聯(lián)，通過(guò)設(shè)計(jì)系統(tǒng)調(diào)用相關(guān)程序模塊求解虛擬產(chǎn)品模型方案，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算得到最優(yōu)的虛擬產(chǎn)品模型尺寸參數(shù)，并結(jié)合用戶(hù)交互操作對(duì)產(chǎn)品模型尺寸參數(shù)進(jìn)行修改調(diào)整，再通過(guò)系統(tǒng)特定的解碼程序自動(dòng)生成參數(shù)化產(chǎn)品模型.

2.2 參數(shù)化人體模型建模系統(tǒng)

利用OpenGRIP和OpenAPI等二次開(kāi)發(fā)工具技術(shù)在Unigraphics平臺(tái)上建立的人機(jī)工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)EgroDesign進(jìn)行參數(shù)化人體模型的生成和設(shè)計(jì)參數(shù)驅(qū)動(dòng)工作.人機(jī)工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)的3個(gè)主要模塊為：尺寸人機(jī)設(shè)計(jì)、人體模型、人體數(shù)據(jù)庫(kù).其中人體模型模塊包含人體模型的建立及編輯兩個(gè)子模塊.建立新的人體模型并將其放到相應(yīng)場(chǎng)景的指定位置是通過(guò)模型建立模塊實(shí)現(xiàn)的，而人體模型的評(píng)價(jià)、編輯以及對(duì)已有的人體模型進(jìn)行修改則在模型的編輯模塊實(shí)現(xiàn).

在人體模型的建立模塊中，根據(jù)用戶(hù)輸入的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)程序會(huì)生成相應(yīng)的人體模型編碼表達(dá)式，再應(yīng)用模型構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行人體模型的建立并將其放入場(chǎng)景的指定位置.圖2所示為人體模型建立模塊進(jìn)行模型定義的工作流程圖.

2.3 設(shè)計(jì)實(shí)例

因座椅的應(yīng)用需求大，功能相對(duì)單一，且其人機(jī)因素顯著，便于進(jìn)行人機(jī)工程分析總結(jié)，所以以座椅為例進(jìn)行基于參數(shù)化人體模型的虛擬模型的實(shí)例研究.

2.3.1 座椅的人機(jī)設(shè)計(jì)原則及主要設(shè)計(jì)參數(shù) 如果座椅的人機(jī)設(shè)計(jì)不合理將會(huì)影響到人的身體健康，所以座椅的人機(jī)設(shè)計(jì)要使人體保持最舒適有效的坐姿狀態(tài)，避免不必要的身體負(fù)荷，其基本人機(jī)設(shè)計(jì)原則歸納如下［10］

（1）座椅尺度必須符合人體健康坐姿標(biāo)準(zhǔn)值，如軀干和大腿間夾角要至少達(dá)到105°；

（2）座椅的設(shè)計(jì)必須給坐者提供適當(dāng)?shù)闹巫饔?，特別是提供可以使脊柱處于正常受力狀態(tài)的腰部的合理支撐.

座椅的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：X1為座高、X2為座寬、X3為座深、X4為腰靠長(zhǎng)、X5為腰靠寬、X6為頭靠長(zhǎng)、X7為頭靠寬、X8為扶手高.相對(duì)應(yīng)的人體尺寸主要參考數(shù)據(jù)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(zhǎng)、L2為臀部至膝蓋長(zhǎng)度、W2為坐姿的肩中部寬度、L3為頭長(zhǎng)、W3為頭寬.表1為座椅設(shè)計(jì)參數(shù)與人體尺寸的關(guān)系式［11］.

2.3.2 虛擬座椅模型設(shè)計(jì)過(guò)程 通過(guò)對(duì)上述座椅的設(shè)計(jì)特性和人機(jī)要素分析后得出，人體主要尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)和坐姿人體尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)是進(jìn)行座椅設(shè)計(jì)時(shí)所需的兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，且座椅的人機(jī)設(shè)計(jì)主要源于人體尺寸數(shù)據(jù)庫(kù).用戶(hù)只需在坐姿人體尺寸界面選定索引值，在人體數(shù)據(jù)信息框中會(huì)得到相對(duì)應(yīng)的人體尺寸值，其查詢(xún)界面［12］如圖3所示.通過(guò)人體數(shù)據(jù)列表按鈕可以將坐姿人體尺寸數(shù)據(jù)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(jī)工程設(shè)計(jì)參數(shù)與人體尺寸的關(guān)系Table 1 The relationship between human body size and parameters of seat machine design

圖3 坐姿人體尺寸數(shù)據(jù)的查詢(xún)界面Fig.3 Query interface of human dimension data in sitting posture

點(diǎn)擊“人體模型輸出”按鈕，后臺(tái)程序根據(jù)用戶(hù)所查尺寸結(jié)果，調(diào)用人體建模模塊并在場(chǎng)景中建立人體模型，根據(jù)查詢(xún)結(jié)果建立的3種層次人體模型如圖4所示.

在座椅人機(jī)設(shè)計(jì)模塊中完成座椅的造型和參數(shù)表達(dá)式的建立工作.用戶(hù)通過(guò)交互的方式對(duì)人體模型進(jìn)行修改并輸入設(shè)計(jì)參數(shù)后，系統(tǒng)內(nèi)部程序進(jìn)行座椅模型方案求解.圖5（a）［12］為座椅的支撐設(shè)計(jì)中根據(jù)所建的人體模型計(jì)算得到的最優(yōu)支撐點(diǎn)，系統(tǒng)程序以這些支撐點(diǎn)為依據(jù)建立座椅基礎(chǔ)表面形態(tài)模型，如圖5（b）所示.后續(xù)的座椅詳細(xì)設(shè)計(jì)以圖5（b）為基礎(chǔ).

表2 坐姿人體尺寸相關(guān)數(shù)據(jù)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(jī)設(shè)計(jì)Fig.5 The seat support way of ergonomic design

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)目前虛擬產(chǎn)品模型人機(jī)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，整理歸納了我國(guó)成年人結(jié)構(gòu)尺寸的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了人體尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)，并以此數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)對(duì)參數(shù)化人體模型庫(kù)的構(gòu)建方法進(jìn)行了分析，將參數(shù)化技術(shù)運(yùn)用到產(chǎn)品人機(jī)設(shè)計(jì)中，提出了基于參數(shù)化人體模型的虛擬產(chǎn)品模型的設(shè)計(jì)方法.并通過(guò)實(shí)例虛擬座椅模型的人機(jī)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)方法的可行性和有效性.但是進(jìn)行人機(jī)設(shè)計(jì)所需的人體模型動(dòng)態(tài)信息目前還不夠完善，所以下一步工作是進(jìn)行動(dòng)態(tài)信息的測(cè)量與收集.

［1］李月鳳，王晨光，高強(qiáng)，等.基于人機(jī)工程學(xué)的2D人體模型座椅仿真設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)［C］／／第七屆中國(guó)CAE工程分析技術(shù)年會(huì)論文集，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］湯小紅，黃璐，楊岳.基于SolidWorks的三維人體建模及座椅舒適性分析［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，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.

［3］羅仕遷，唐明晰，潘云鶴，等.計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程設(shè)計(jì)分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，10（2）：189－193.LUO Shiqian，TANG Mingxi，PAN Yunhe，et al.Computer aided ergonomics design analysis and evaluation system［J］.Journal of Zhejiang University，2007，10（2）：189－193.

［4］LEE KangSoo.Framework of an evolutionary design system incorporating design information and history［J］.Computers in Industry，2001，44（3）：205－227.

［5］中國(guó)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB10000—1988，中國(guó)成年人人體尺寸［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.Bureau of Quality and technical Supervision of the people′s Republic of China.GB10000—1988，Chinese adult human body size［S］.Beijing：China Standard Press，1988.

［6］劉肖健.產(chǎn)品復(fù)雜曲面人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)研究［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2004（12）：98－99.LIU Xiaojian.Complex surface product ergonomics design research［J］.Computer Application Research，2004（12）：98－99.

［7］湯小紅，黃璐.基于SolidWorks的三維人體建模及座椅舒適性分析［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（3）：133－137.TANG Xiaohong，HUANG Lu.Three－dimensional human body modeling based on solidworks for analysis of seat comfort［J］.Journal of Central South University of Forestry and Technology，2010，30（3）：133－137.

［8］KAYIS B，HOANG K.Static three－dimensional modelling of prolonged seated posture［J］.Applied Ergonomics，1999（30）：255－262.

［9］MIKE Kolich.Automobile seat comfort：Occupant preferences vs.anthropometric accommodation［J］.Applied Ergonomics，2003，334（2）：177－184.

［10］汪洋，陳斌，李云.國(guó)內(nèi)外辦公椅人體工學(xué)分析［J］.硅谷，2013（13）：138.WANG Yang，CHEN Bin，LI Yun.Office chair ergonomic analysis of domestic and foreign［J］.Silicon Valley，2013（13）：138.

［11］陸劍雄，張福昌，申利民.坐姿理論與座椅設(shè)計(jì)原則及其應(yīng)用［J］.江南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，4（6）：620－625.LU Jianxiong，ZHANG Fuchang，SHEN Limin.The principle and application of sitting theory and chair design［J］.Journal of Jiangnan University：Natural Science，2005，4（6）：620－625.

［12］劉新麗.基于人機(jī)尺寸驅(qū)動(dòng)的座椅設(shè)計(jì)系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005，41（13）：111－112.LIU Xinli.Seat design system based on human machine dimension［J］.Computer Engineering and Applications，2005，41（13）：111－112.