UG二次開發(fā)在汽車人機(jī)工程評價中的應(yīng)用

2013-05-17  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

宋益紅 宋福宏 來源:e-works
關(guān)鍵字:UG二次開發(fā) 汽車人機(jī)工程學(xué) 人體建模系統(tǒng)
本文在UG二次開發(fā)環(huán)境下,建立了一個面向汽車人機(jī)工程設(shè)計及評價的OPEHM(Occupant Packaging Ergonomics Human Model)虛擬人體建模系統(tǒng),對其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究,最后以實例說明該系統(tǒng)的應(yīng)用方法和優(yōu)勢。該系統(tǒng)有助于減少汽車人機(jī)工程方面的重設(shè)計,縮短開發(fā)周期,節(jié)省設(shè)計經(jīng)費,具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1 前言
  
汽車人機(jī)工程學(xué)是人機(jī)工程學(xué)在汽車這一特定領(lǐng)域的分支,它以人、車、環(huán)境為對象,旨在創(chuàng)建一個和諧的人-車-環(huán)境系統(tǒng)[1]。隨著人機(jī)工程學(xué)在汽車設(shè)計中的重要性不斷提高,為降低汽車人機(jī)工程設(shè)計成本,有效方法是在設(shè)計初期就進(jìn)行車身人機(jī)工程設(shè)計。本研究在UG環(huán)境中建立用于汽車駕駛室人機(jī)工程設(shè)計和評價的OPEHM虛擬人體建模系統(tǒng),用于汽車CAD階段的人機(jī)工程設(shè)計評價,以減少傳統(tǒng)汽車設(shè)計中消耗的人力、物力和財力。
  
    2虛擬人體模型研究
  
    20世紀(jì)60年代[2]開始國外就對虛擬人體建模系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究,相繼開發(fā)了眾多虛擬人體建模系統(tǒng),并應(yīng)用到了國外一些汽車公司的車身設(shè)計過程中,這些系統(tǒng)有CAR、CREW CHIEF、MANNEQIN、DYNAMAN、JACK[3]等。國內(nèi)一些大學(xué)和科研單位也對虛擬人體建模系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究[4]?？偟膩碚f,目前國內(nèi)研究的這些系統(tǒng)只能用于特定的環(huán)境,擴(kuò)展性較差,功能也較單一。而國外的人體建模系統(tǒng)雖然功能比較完善,但大多都是根據(jù)本國的國家標(biāo)準(zhǔn)建立的人體尺寸數(shù)據(jù)庫,這些系統(tǒng)不能滿足我國汽車人機(jī)工程設(shè)計的需要。本研究建立的人體建模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。              

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 圖1 OPEHM人體建模系統(tǒng)

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圖2 OPEHM人體模型數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

    2.1人體尺寸數(shù)據(jù)庫建立
  
為建立正確的人體建模系統(tǒng),必須知道人體各部位外觀形態(tài)特征及各項測量數(shù)據(jù),包括身高,人體各部分的長度、厚度及活動范圍等。人體尺寸通常隨年齡、性別、區(qū)域、種族、職業(yè)和生活狀況等因素的不同而有差異,本研究人體尺寸數(shù)據(jù)來自國標(biāo)GB1000-88[5],這些人體構(gòu)造尺寸是構(gòu)建OPEHM人體模型的基礎(chǔ)。該數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖2所示。
  
    2.2人體模型幾何表達(dá)
  
汽車人機(jī)工程學(xué)人體模型是為了使汽車設(shè)計適應(yīng)人的需要,評價駕駛舒適性,宜人性,研究駕駛操作的可達(dá)域,可視域等,根據(jù)需求本研究對復(fù)雜人體作了適當(dāng)簡化,將人體簡化為骨骼和與之相關(guān)聯(lián)的肌肉層,將人體骨骼和關(guān)節(jié)系統(tǒng)簡化為空間連桿機(jī)構(gòu),通過驅(qū)動骨骼運動帶動肌肉層運動實現(xiàn)對人體運動的控制。該人體模型有17段16個關(guān)節(jié)30個自由度。 
  
    2.3人體模型正向運動控制
  
建立人體建模系統(tǒng)的目的之一,是利用該系統(tǒng)來操縱代表真實使用群體的人體模型,將其"布置"在特定車身內(nèi)部工作空間里,因此對人體建模系統(tǒng)的一個主要要求是:它必須能夠表示出使用群體(人體模型)的工作姿勢。這意味著必須能控制和約束系統(tǒng)中人體模型關(guān)節(jié)運動。
  
人體骨骼分為兩種:長條形的骨骼和連接骨骼的關(guān)節(jié)[6]?？砷L條形的骨骼視為剛體,任何時刻都不發(fā)生形變,這樣就可以把人體骨架看成一個由關(guān)節(jié)點連接的剛體的集合。因此我們將人體模型骨骼運動抽象為剛性連桿的空間運動,用機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)和計算機(jī)圖形學(xué)理論建立人體模型運動的數(shù)學(xué)模型[7],通常有兩種數(shù)學(xué)表達(dá)方法:DH表示法和AP表示法[8]。本研究中采用DH表示法來表示人體骨骼的運動,如圖3所示。人體運動控制可分正向運動控制和反向運動控制,本研究采用正向運動控制,各運動鏈都以H點為起點。OPEHM正向運動控制鏈如圖4所示。            

UG二次開發(fā)在汽車人機(jī)工程評價中的應(yīng)用autocad應(yīng)用技術(shù)圖片圖片3UG二次開發(fā)在汽車人機(jī)工程評價中的應(yīng)用autocad應(yīng)用技術(shù)圖片圖片4

圖3 人體關(guān)節(jié)鏈DH表示                   圖4 人體正向運動層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)計算機(jī)圖形學(xué)理論,以左腿運動控制為例說明OPEHM人體骨骼模型正向運動控制的實現(xiàn)過程。
  
    1)確定左腿正向運動控制鏈為:H點->左髖關(guān)節(jié)->左膝關(guān)節(jié)->左踝關(guān)節(jié)->足部末端。
  
    2)建立左腿身段的固聯(lián)坐標(biāo),用DH法表示,參見圖3。
  
    3)確定相鄰身段之間的變換矩陣。
  
    H點-左髖關(guān)節(jié):
    UG二次開發(fā)在汽車人機(jī)工程評價中的應(yīng)用autocad應(yīng)用技術(shù)圖片圖片5 (式 1)
     左髖關(guān)節(jié)-左膝關(guān)節(jié): 
      UG二次開發(fā)在汽車人機(jī)工程評價中的應(yīng)用autocad應(yīng)用技術(shù)圖片圖片6(式 2)
     左膝關(guān)節(jié)-左踝關(guān)節(jié):
      UG二次開發(fā)在汽車人機(jī)工程評價中的應(yīng)用autocad應(yīng)用技術(shù)圖片圖片7(式 3)
     左踝關(guān)節(jié)-左腳末端: 
       UG二次開發(fā)在汽車人機(jī)工程評價中的應(yīng)用autocad應(yīng)用技術(shù)圖片圖片8 (式 4)

  
    4)建立各關(guān)節(jié)點相對于基礎(chǔ)坐標(biāo)系的變換矩陣
  
    由式1到式4可以得到各關(guān)節(jié)相對于基礎(chǔ)坐標(biāo)系的變換矩陣,從而確定各身段的空間狀態(tài),控制人體姿態(tài)。
   
        UG二次開發(fā)在汽車人機(jī)工程評價中的應(yīng)用autocad應(yīng)用技術(shù)圖片圖片9
   
    3 UG二次開發(fā)研究
 

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圖7 UG二次開發(fā)流程

本研究使用MS VC ++ 6.0開發(fā)平臺,結(jié)合UG/Open API、UG/Open MenuScript 、UG/Open UIStyle等開發(fā)工具以及MFC ODBC數(shù)據(jù)庫編程,開發(fā)了具有宜人的用戶操作界面的OPEHM人體建模系統(tǒng)和人機(jī)工程評價軟件模塊。其開發(fā)流程如圖7所示。
3.1 UG/Open API開發(fā)框架的創(chuàng)建
  
本研究采用MFC AppWizard(dll)向?qū)蒛G二次開發(fā)的框架[9] ,該開發(fā)框架提供了豐富的控件資源和更強(qiáng)大的功能。方便實現(xiàn)UG/Open API訪問MFC資源和連接數(shù)據(jù)庫。使用VC++建立UG二次開發(fā)框架后,需要注冊UG用戶應(yīng)用,其步驟如下:
  
在工程中新建UserMain.h、UserMain.cpp 和UserApp.h、UserApp.cpp文件,提供UG入口函數(shù)和注冊激活用戶應(yīng)用函數(shù)。在UserMain.h文件中,聲明了一個激活應(yīng)用的列表結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的實例與用戶菜單文件中激活的應(yīng)用相匹配。該結(jié)構(gòu)聲明的關(guān)鍵代碼如下:
  
    static UF_MB_action_t action_table[] = {{"AppCreateMModel",AppCreateMModel,NULL}
  
    ......
  
                                      {NULL,NULL,NULL}}; 
  
UserMain.cpp文件提供了UG入口函數(shù)ufsta(),并注冊UG應(yīng)用。ufsta()是最常用的入口函數(shù),當(dāng)UG啟動時執(zhí)行該函數(shù)中的內(nèi)容。為了實現(xiàn)用戶菜單的調(diào)用功能,需要在UG啟動時注冊用戶信息,當(dāng)UG啟動后選擇菜單命令即可調(diào)用制定的應(yīng)用程序,注冊方法有兩種:UF_MB_add_styler_actions()和UF_MB_add_actions()。本文注冊UG用戶應(yīng)用的關(guān)鍵代碼如下:
  
    extern "C" DllExport void ufsta( char *param,int *returnCode, int rlen)
  
    {  //入口函數(shù)
  
     if(UF_initialize()!=0) return;        //初始化UG環(huán)境
  
     ......
  
     if(error_code=UF_MB_add_actions(action_table)!=0){
  
      ...... }                           //注冊UG應(yīng)用
  
     UF_terminate();                      //結(jié)束UG環(huán)境
  
     ......}
  
    在UserApp.h、UserApp.cpp聲明并定義了用戶應(yīng)用函數(shù),并實現(xiàn)調(diào)用UIStyler創(chuàng)建的UG風(fēng)格的對話框,關(guān)鍵代碼如下:
  
    UF_MB_cb_status_t AppCreateMModel(UF_MB_widget_t widget,
  
           UF_MB_data_t client_data,
  
          UF_MB_activated_button_p_t buuton)
  
    {
  
     if(UF_initialize()!=0) //初始化UG環(huán)境
  
      ......
  
     //調(diào)用創(chuàng)建人體模型對話框
  
     if((error_code=UF_STYLER_create_dialog("CreateHuman.dlg",
  
      MMODEL_cbs, MMODEL_CB_COUNT, NULL, &response))!=0)
  
    {  ......}
  
    ......
  
     UF_terminate(); //結(jié)束UG環(huán)境
  
     ......}
  
    UF_MB_cb_status_t AppAdjustJoint(UF_MB_widget_t widget,
  
                ......)
  
     { ...... }//調(diào)用調(diào)節(jié)人體模型關(guān)節(jié)對話框
  
    UF_MB_cb_status_t AppViewZoom(UF_MB_widget_t widget,
  
                ......)
  
     { ...... }//調(diào)用生成可視域?qū)υ捒?BR>  
    ......
  
    2.2 編輯菜單
  
使用記事本編輯菜單文件,保存為MY_MENU.men。用戶自定義菜單文件的內(nèi)容如下:
 

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UG自動調(diào)用菜單腳本文件MY_MENU.men,生成如圖8所示的用戶自定義菜單。

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圖8 用戶自定義菜單

    2.3 創(chuàng)建人機(jī)交互界面                  

UG二次開發(fā)在汽車人機(jī)工程評價中的應(yīng)用autocad應(yīng)用技術(shù)圖片圖片13  UG二次開發(fā)在汽車人機(jī)工程評價中的應(yīng)用autocad應(yīng)用技術(shù)圖片圖片14

 圖9 創(chuàng)建人體模型          圖10 姿勢調(diào)整  

UG二次開發(fā)在汽車人機(jī)工程評價中的應(yīng)用autocad應(yīng)用技術(shù)圖片圖片15  UG二次開發(fā)在汽車人機(jī)工程評價中的應(yīng)用autocad應(yīng)用技術(shù)圖片圖片16
圖11 舒適性評價        圖12 可視域可達(dá)域評價

使用UIStyler創(chuàng)建了UG風(fēng)格的對話框,并用上述的菜單來調(diào)用。創(chuàng)建的用戶界面示例如下圖9至12所示。
  
    2.4 人體模型創(chuàng)建及姿勢調(diào)整
  
在OPEHM人體建模系統(tǒng)中預(yù)定義了三種人體姿態(tài),為站姿、坐姿和駕駛姿勢。用戶只要輸入人體百分位數(shù)、性別及姿態(tài)就能創(chuàng)建相應(yīng)的人體模型,如圖9所示。要建立特定的工作姿態(tài)必須要對預(yù)定義人體模型的關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)整。圖13展示了以左肩關(guān)節(jié)調(diào)整效果。 
             

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     a 調(diào)整前     b 調(diào)整后      
   圖13 人體關(guān)節(jié)調(diào)整示例

    3 應(yīng)用實例
  
以某型汽車駕駛室人機(jī)工程客觀評價為例,說明OPEHM人體建模系統(tǒng)的使用過程。評價內(nèi)容為:駕駛舒適性分析、可視域分析和可達(dá)域分析。在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)性建議,提高汽車駕駛室的人機(jī)工程學(xué)性能。
  
    3.1 駕駛舒適性評價 
  
在UG中導(dǎo)入某型車的數(shù)字化模型,在汽車模型中提供了H點位置和座椅靠背角(如圖14所示),用于定位人體模型。             

UG二次開發(fā)在汽車人機(jī)工程評價中的應(yīng)用autocad應(yīng)用技術(shù)圖片圖片18

   圖14 駕駛環(huán)境數(shù)字化模型

在汽車人機(jī)工程評價中一般選擇第95百分位的男性和第5百分為的女性作為評價的上限和下限,在此根據(jù)最前設(shè)計H點選用第5百分位的女性人體模型進(jìn)行評價。評價過程如下:

UG二次開發(fā)在汽車人機(jī)工程評價中的應(yīng)用autocad應(yīng)用技術(shù)圖片圖片19


   a 前視圖        b 軸側(cè)圖 

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a 左手及左腳評價                        b 右手及右腳評價
  
    圖15 人體模型布置圖                     圖16 駕駛姿勢評價對話框

調(diào)用創(chuàng)建人體模型對話框(如圖9所示),完成人體模型的創(chuàng)建,并按要求布置在汽車模型中,如圖15所示。在人體模型滿足操縱姿勢要求后,從菜單調(diào)用駕駛舒適性評價對話框,從人體生理關(guān)節(jié)角度值方面進(jìn)行駕駛姿態(tài)的疲勞分析,得到數(shù)據(jù)如圖16所示。在姿勢評價對話框中給出了各個關(guān)節(jié)角的推薦值,從圖16得到的數(shù)據(jù)分析,我們發(fā)現(xiàn)左腳的A1值超出了推薦值范圍,右腳的A1也在推薦值的臨界值上。其原因可能為腳操縱裝置行程太大所致,因此建議減小腳操縱裝置的行程,或者降低腳操縱裝置的高度。
  
    3.2 可視域和可達(dá)域分析 
  
在正確安置完人體模型之后,也可以進(jìn)一步分析駕駛員可視域與可達(dá)域,可以給設(shè)計師直觀上的感覺,即儀表盤等顯示裝置是否在駕駛員的視域中,變速桿、方向盤等操縱裝置是否在駕駛員的可控制區(qū)域之中。從菜單調(diào)用建立可視域和可達(dá)域?qū)υ挳嬁?圖12所示)。分別建立可視域和可達(dá)域可視化模型。在對話框中可以按照人機(jī)工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)輸入視距和視角等參數(shù),創(chuàng)建精確的視錐模型,如圖17和18所示。用戶可以分別建立左、右手的可達(dá)域分析模型,如圖19所示。從評價結(jié)果分析,該型汽車的儀表盤的重要信息顯示區(qū)在駕駛員的視域之內(nèi),方向盤等手操縱裝置也在駕駛員的手部活動空間內(nèi)。

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圖17 創(chuàng)建人體模型視錐圖    圖18  儀表板的可視區(qū)域    圖19 手部可達(dá)域可視化空間

    5 總結(jié)
  
本論文在研究了汽車人機(jī)工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、人體測量學(xué)、人體模型建模方法、人體模型正向運動控制理論和UG二次開發(fā)方法等的基礎(chǔ)上,在UG平臺上開發(fā)了用于汽車人機(jī)工程設(shè)計及評價人體的建模系統(tǒng)。該系統(tǒng)創(chuàng)建的人體模型符合國家標(biāo)準(zhǔn),人體關(guān)節(jié)實現(xiàn)了有約束性的關(guān)節(jié)運動,整合了UG軟件的強(qiáng)大功能,使產(chǎn)品建模環(huán)境和評價環(huán)境能在一個系統(tǒng)中進(jìn)行。該系統(tǒng)在一定程度上提高了設(shè)計效率,縮短了設(shè)計周期,節(jié)約了設(shè)計成本。


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