基于SolidWorks的三维人体建模及座椅舒适性分析

halfsmoke

座椅的结构形式和几何尺寸对乘坐的舒适性有很大影响，借助三维人体模型可辅助设计、优化舒适座椅的结构形式、几何尺寸以及调整其他参数等。随着CAD技术的发展，三维人体模型在众多领域有了越来越广泛的应用。例如：路宁等采用Dirichlet自由变形的方法建立由尺寸驱动的人体模型建模的方法，用于解决服装领域中由多种尺寸和形体特征等引起的问题。唐利芹等以NX、3D-max为造型软件建立面向工业设计的人体模型参数化系统，用于检测赛车驾驶室与人体尺寸是否协调。李燕等应用基于Geomagic的三维人体建模技术，在非接触测量技术基础上快速构建个性化三维人体NURBS曲面模型，应用逆向工程软件Geomagic Studio实现快速建模，用于满足服装业对人体模型精度和利用效价的要求。胡敏等应用B样条曲面拟合方法，提出一种基于特征的人体模型网格曲面造型方法以及基于特征的参数化设计思想构建三维人体模型。
    为满足座椅几何舒适性的分析要求，三维人体模型应能较为精确地模拟人体的体型和座椅上的坐姿。这就要求在三维CAD平台上建立的人体模型与实际人体比较起来，既能保证几何尺寸和外形上相似，又能较好地模拟人体的基本几何运动（约束）关系。除此之外，三维人体模型能与座椅CAD模型进行几何匹配，模拟人体在座椅上的实际坐姿。在此基础上，通过提取人体模型坐姿下的各关节角度，即可实现座椅几何舒适性的分析与评价。

1 人体模板及人体结构模块划分
    1.1 二维人体模板
    参照中华人民共和周国家标准GB/T14779-93——坐姿人体模板功能设计要求，人体二维模型简单划分为由头部、上躯干、下躯干、上臂、前臂、手部、大腿、小腿和脚部共九个表示肢体的模板组成。各肢体模板之间以铰接的方式进行连接，图1为人体结构的模板侧面示意图，其中S1～S8为上述划分的人体模板中各肢体之间的连接位置以及应用铰接的连接方式，细实线为人体各肢体模块模型中各自的基准线。

    图1 人体模板侧面示意
分页1.2  三维人体模型的基本结构划分
    类比二维人体模板的结构划分，参照中国成年人人体尺寸，将三维人体模型同样划分为头部、上躯干、下躯干、上臂、前臂、手部、大腿、小腿和脚部9个组成部分，并以特征造型的方法构建这些模块。图2所示为三维人体模型基本结构划分的拓扑结构图。图2中，实线表示为三维人体模型中各肢体功能模块之间的连接顺序，且各肢体功能模块之间均以球铰接的方式进行连接；虚线所指的是三维人体各肢体功能模块在solidworks中分别是基于何种特征进行的造型。例如：(1)头部应用曲面放样造型；(2)上躯干和下躯干应用实体放样造型；(3)前臂、上臂、大腿、小腿应用具有一定拔模度的拉伸造型；(4)手部和脚部应用基于放样特征的形象造型。同时参照图1中的基准线，在建模的过程中添加人体各肢体功能模块各自的基准线和基准面。

    图2 三维人体模型结构划分的拓扑结构

2 基于SolidWorks的三维人体模型建模方法
    2.1 基于特征的三维人体主要肢体模型建模过程
    以三维人体模型中的上躯干参数化建模为例，图3为女性人体上躯干肢体模块在SolidWorks中基于实体放样特征造型的过程如图3所示。

    图3 女性人体上躯干模块建模过程
分页现对图3中各建模步骤进行具体分析说明：
    STEP1：参照百分位数为95%的女性人体尺寸建立女性人体模型躯干上半身的截面草图。
    STEP2：通过选择一组截面草图的轮廓线以及放样引导线进行放样特征造型。
    STEP3：运用镜像特征特征造型。
    STEP4：因躯干上半身与下半身的接触面并非规则图形，又为保证实现弯腰动作时模型的连贯性，所以设计过程中考虑与躯干下半身的衔接部分。以上半身最下面的截面草图轮廓为基准，其后半部分绕中心线旋转60°。
    STEP5：步骤同上，不同之处是以上半身最下面的截面草图轮廓为基准，其前半部分绕中心线旋转90°。
    STEP6：通过旋转特征造型绘制躯干与头部的连接部分，用球铰接简化代替。
    STEP7：运用曲面切除特征，预留出躯干与上臂的衔接部分所需的空间。
    STEP8：重建模后得到人体躯干上半身的总体图样。
    2.2 三维人体模型的合成
    为模拟人体各部分的几何约束关系，满足人体多关节及其关节自由度的要求，按照上述人体功能模块的划分以及建模步骤，待所有模块建立好以后，将各肢体模块零件图调入SolidWorks装配体的环境中，通过对各肢体模块之间添加“重合”的配合命令，对三维人体模型进行“装配”，实现三维人体模型的合成。
    在三维人体模型“装配”的过程中，各肢体功能模块之间通过球铰接连接，下面以人体上臂、前臂以及手部之间的连接为例，图4为局部肢体铰接示意图，其中a1、a2、a3分别为上臂与肩膀、上臂与前臂、前臂与手部的连接位置并用球铰接来简化代替。

    图4 局部肢体铰接示意
    由于在三维造型软件中以球铰接的方式进行简化模拟造型，因此可对模型各关节模块进行360°的旋转等操作。但实际人体各肢体之间的转动角度是有一定的范围限制，因此需要对三维人体模型各肢体模块之间的运动角度进行限制。因此可通过调整两相邻肢体模块各自不同的基准面、基准轴之间的角度来限制人体模型各肢体模块之间的实际角度。图5为调整角度实例图。

    图5 调整角度实例
分页3 基于三维人体模型的座椅舒适性分析
    3.1 基于三维人体模型的座椅舒适性分析方案
    座椅的结构形状和几何尺寸对乘座者的标准坐姿起决定作用，通过考察座椅上人体坐姿的舒适程度，即可对座椅几何舒适性进行分析评价。根据人机工程学，尽管不同人体的形体尺寸差异较大，但人体坐姿关节角度舒适区域大致相同。人体的坐姿状态可由一组坐姿关节角度进行表征，图6所示a1～a6坐姿关节角度的舒适范围如表1所示。

    图6 坐姿关节角度
    表1 坐姿关节舒适角度范围

    对于一个具体的座椅和形体尺寸的人体，利用SolidWorks建立它们的各自三维CAD模型后，在SolidWorks装配体环境下对人体CAD模型与座椅CAD模型进行几何匹配，即得到人体在座椅上的坐姿。再提取该人体坐姿状态下的关节角度，即可进行座椅的舒适性分析。其中，人体与座椅三维CAD模型的匹配原理如图7所示。

    图7 人体与座椅三维CAD模型的几何匹配
    3.2 SolidWorks环境下的人体坐姿关节角度提取
    三维人体模型的各肢体模块在建模过程中均有各自的基准轴，所以当人体模型处于任何一种姿态的情况下，各肢体的基准轴之间必定存在着一定的角度关系。因此在SolidWorks装配体环境中只需应用的“尺寸标注”功能就可对各肢体间的角度以注释的形式显示。参照图6坐姿舒适性标准角度范围，依次在SolidWorks装配体环境中添加躯干与座椅靠背之间的夹角、躯干与上臂之间的夹角、上臂与前臂之间的夹角、躯干与大腿之间的夹角、大腿与小腿之间的夹角、小腿与脚部之间的夹角，即可实现三维人体模型坐姿下关节角度的提取。
分页4 基于三维人体模型的座椅舒适性分析实例
    图8是百分数为95%的男性人体模型与某座椅CAD模型匹配后的效果图。其中人体模型以百分数为95%的男性人体体型尺寸为依据，参照上述建模方法及步骤，在SolidWorks环境中建立三维人体模型的各肢体模块，再在装配体环境中通过添加一定的配合关系实现三维人体模型的“组装”。座椅CAD模型则根据其几何尺寸建立。按照图7所示流程图顺序依次添加人体与座椅之间的配合关系，即实现人体CAD模型对座椅CAD模型的几何匹配，得到图8所示人体与座椅CAD模型的匹配示意图，“人-椅”三维模型进行几何匹配后，提取在该坐姿人体模型的关节角度，即可对座椅舒适性进行分析和评价。将图8中的人体坐姿角度值和表1中坐姿舒适角度值范围列于表2，即可实现对座椅几何舒适性的分析与评价。由表2可知，a3角以及a6角位于舒适角度范围之外。因此，该座椅与a3和a6角相关的几何设计尺寸还需进一步修正。

    图8 人体-座椅坐姿几何匹配
    表2 百分位数95％的人体关节角度输出值


5 结论
    采用二维人体模板对座椅的结构设计、形式和尺寸进行分析与评价的灵活性、立体性，故具有一定的局限性。针对人体的结构形状较为复杂的这一特点，在分析二维人体模版的基础上，合理划分三维人体模型结构，并采用SolidWorks特征造型技术对各主要肢体模块进行三维建模。以及采用铰接方式模拟人体关节连接，较好地实现了人体坐姿状态下关节自由度的拟合。在CAD软件环境下，通过实现人体CAD模型对座椅CAD模型的“几何匹配”，精确提取坐姿状态下人体模型的姿态角度，为座椅的舒适性分析评价提供了较为可靠的依据。本文中所提出的三维人体模型建模方法经更进一步的完善可应用于更多工业产品的研究与设计中。

mmm

谢谢