汽车人机工程学课件：汽车人机工程虚拟仿真-
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汽車人機工程虛擬仿真
目錄
7.1 CATIA人機工程模組簡介 7.2 人體模型的建立 7.3汽車人機工程虛擬仿真
7.1 CATIA人機工程模組簡介
1
CATIA V5
• CATIA （ Computer Aided Tri-dimensional Interface Application）是法國Dassault System公司開發的世界 主流的產品CAX/PDM/PLM一體化軟體系統
<人體尺度變數> <均值> <標準差>
<人體尺度變數1> <人體尺度變數2> <相關係數>
– 數據檔格式示例（表中人體尺寸數據的單位是cm）：
MEAN_STDEV M
us100
177.0
6.1
MEAN_STDEV F
us100
165.0
5.9
CORR M
us2
us125
0.772
CORR F us2
下視野
頭部空間
性別
人體模型 身高等級
坐高
男
95th百分位 高
女
5th百分位 矮
男
95th百分位 高
1
7.2.3 設置人體模型的屬性
• 為了應用方便，以及功能上的需要，通常要設置 人體模型的屬性
• 在CATIA圖形介面內，滑鼠右鍵單擊產品樹上的某 個人體模型，彈出右鍵菜單；選擇“屬性”菜單 項，彈出“屬性”對話框
1
7.2.1 建立目標群體人體數據
• 创建一个新人体数据文件（扩展名为 第一步 “.sws”），如：Chinese.sws
• 在人体数据文件中输入目标群体人体数据特 第二步 征
第三步 • 将所建立的人体数据文件添加至CATIA中
1
7.2.1 建立目標群體人體數據
• 數據格式
– 每一個人群數據檔最多包含“MEAN_STDEV M”、“MEAN_STDEV F”、“CORR M”、“CORR F”四個字段，字段後面為數據，其 格式為：
– 將坐高（軀幹長度）分為高、中等、矮三種 – 將腰圍分為大、中、小三種 – 單一性別的群體總共生成27個（或45個）人體模型
1
7.2.2 建立用於分析的人體模型
• 當分析內容和目的明確的條件下，從中能夠進一 步選出用於分析的人體模型，以減少分析工作量
• 例：分析轎車前方視野和頭部空間
分析內容
上視野 前方視野
7.2 人體模型的建立
7.2.1 建立目標群體人體數據
• 在缺省情況下，CATIA人機工程模組中包含美國、 加拿大、法國、日本和韓國的人體數據
• 如果產品面向的目標群體是其他的國家和地區， 並且目標群體與上述國家的人體數據有明顯差別 ，則應該根據目標群體的人體數據建立人體數據 檔，並將其加入到CATIA系統中
1
7.3.1 人體模型的定位
2. 手動定位
– 反向運動學方法
1
7.3.2 姿勢評估
1. 姿勢評估原理
– 姿勢評估之前，首先定義要評估的身體部位各關節自由 度的首選角度（Preferred Angle）及其得分值
– 在評估該部位姿勢的時候，CATIA姿勢分析模組會根據 當前姿勢下各自由度所處的角度及其分值進行插值和加 權運算，最後得出各部位的評估分數
• 該對話框中的人體模型屬性包括名稱、外觀顏色 、顯示、視野、人體測量學、基準點、IK特性、關 節角度極限、首選關節角度、綁定等
1
屬性項 顯示
視野
人體測量 學
IK特性
7.2.3 設置人體模型的屬性
渲染選項 視野顯示 其他選項 視野類型
視野極限
視野距離 人群 性別
身高百分位 體重百分位 視線和頭部
脊椎 骨盆 優化 注視 平衡
1
7.3.2 姿勢評估
2. 首選角度的定義
– 選擇CATIA的“開始”菜單，進入姿勢分析模組。 – 單擊關節角度限度（Angular Limitations）工具欄上的 按
鈕，選擇人體模型上的相關肢體，就進入該肢體的首選 角度定義狀態
1
7.3.2 姿勢評估
2. 首選角度的定義
1
7.3.2 姿勢評估
– 建立佈置環境
1
7.3.1 人體模型的定位
2. 手動定位
– 手動定位可以採用兩種方法：正向運動學（Forward Kinematics，FK）方法和反向運動學（Inverse Kinematics ，IK）方法
– 這兩種功能的按鈕位於人體模型姿勢工具欄（Manikin Posture）上
1
7.3.1 人體模型的定位
2. 手動定位
– 正向運動學方法 – 方式1
1
7.3.1 人體模型的定位
2. 手動定位
– 正向運動學方法
– 方式2
1
7.3.1 人體模型的定位
2. 手動定位
– 反向運動學方法 在運用正向運動學方法調節姿勢時，如果初始姿勢和目
標姿勢差別較大，則需要不斷地反復調整肢體，比較麻 煩，這時可以利用反向運動學方法 反向運動學是給定末端肢體位姿，自動求解其他關節自 由度的方法。反向運動學功能按鈕位於“Inverse Kinematics”工具欄上
us125
0.773
END
1
7.2.1 建立目標群體人體數據
• 當人體數據檔已經建立之後，在CATIA主菜單中選擇“工具”→“選項 ”菜單，彈出選項對話框。單擊“Safework\Human Measurements Editor”選項，出現“Anthropometry”屬性頁
1
7.2.2 建立用於分析的人體模型
• 這些分析的具體操作並不複雜，可參照CATIA幫助 或者相關資料學習
1
– 此外，姿勢還必須與真人的姿勢和習慣接近
1
7.3.1 人體模型的定位
1. 自動定位
– 利用人體建模模組的“Vehicle Occupants Accommodation”工具欄中
建立佈置 環境
乘員定 位
1
7.3.1 人體模型的定位
1. 自動定位
– 建立佈置環境
1
7.3.1 人體模型的定位
1. 自動定位
• 其集成解決方案覆蓋幾乎所有的產品設計與製造領 域
• CATIA V5版本是IBM和Dassault System在為數字化企 業服務過程中不斷探索的結晶，對產品概念設計、 詳細設計、工程分析、工藝和製造、以及產品整個 生命週期中的使用和維護提供了一整套解決方案
1
CATIA人機工程模組
• CATIA V5中的人機工程模組是商業人機工程軟體 Safework的簡化版本
1
CATIA人機工程模組
• 根據一般應用要求，分成了4個部分：
– 人體建模（Human Builder）
• 在虛擬環境中建立和管理數字人體模型，並對產品進行簡單的 人機工程分析
– 人體模型尺度編輯（Human Measurements Editor）
• 通過對人體測量學參數進行編輯，使人體模型的尺度（群體、 性別、人體尺寸、品質）符合用戶使用要求
內容和選項 杆狀肢體段、橢圓斷面線、曲面、解析度 視線、視野、視錐 顯示重心、顯示基準點 雙眼、左右單眼總視野、左單眼、右單眼、立體 水準雙眼、水準左右單眼總視野、垂直上極限、垂 直下極限、視錐 焦距 美國、加拿大、法國、日本、韓國 男、女
保持視線方向 胸椎、腰椎 水準移動、垂直移動、橫向轉動、縱向轉動 姿勢得分、RULA得分 手 骨盆運動
– 人體姿勢分析（Human Posture Analysis）
• 對關節自由度範圍和當前姿勢進行編輯，設置首選角度及其得 分，並對姿勢進行分析和優化
– 人體活動分析（Human Activity Analysis）
• 對人從事某種工作的特定活動行為進行分析
1
建立目標群體人體數據 建立用於分析的人體模型 設置人體模型的屬性
1
人體模型的定位 姿勢評估 其他分析
4.汽車人機工程虛擬仿真
1
7.3.1 人體模型的定位
• 人體模型的位置和姿勢是影響工效分析結果的重 要因素
– 一方面，位置和姿勢要根據設計參數來定位，並與設計 要求和意圖相符，不合適的人體位置和姿勢描述的作業 空間卻與設計意圖不符
– 另一方面，姿勢的差異導致分析結果可能大相徑庭，不 准確的姿勢會使視野、操作力等分析結果和優化方向偏 離正確的方向
3. 姿勢評估
– 滑鼠單擊姿勢得分“Postural Score”工具欄的 按鈕，彈 出姿勢得分分析對話框。該對話框中能夠以數值和直方 圖兩種形式顯示出身體部位姿勢的得分
1
7.3.3 其他分析
• 在將人體模型定位好的基礎上，還可以進行視野 分析、伸及能力分析、操作力分析等
• 這些分析內容與人體模型的姿勢密切相關，姿勢 稍有差異，分析結果可能差別很大
• 進行產品的人機工程分析，建立合適的人體模型 至關重要
• 考慮一般應用情況，通常將群體分為男子和女子 兩部分；對於每種性別，則根據身高的百分位、 坐高和腰圍劃分為不同的類型；據此建立一組用 於分析的人體模型
1
7.2.2 建立用於分析的人體模型
• 典型情況下
– RAMSIS將每種性別的人分為5th、50th和95th百分位三種 身高（甚至是五種）
目錄
7.1 CATIA人機工程模組簡介 7.2 人體模型的建立 7.3汽車人機工程虛擬仿真
7.1 CATIA人機工程模組簡介
1
CATIA V5
• CATIA （ Computer Aided Tri-dimensional Interface Application）是法國Dassault System公司開發的世界 主流的產品CAX/PDM/PLM一體化軟體系統
<人體尺度變數> <均值> <標準差>
<人體尺度變數1> <人體尺度變數2> <相關係數>
– 數據檔格式示例（表中人體尺寸數據的單位是cm）：
MEAN_STDEV M
us100
177.0
6.1
MEAN_STDEV F
us100
165.0
5.9
CORR M
us2
us125
0.772
CORR F us2
下視野
頭部空間
性別
人體模型 身高等級
坐高
男
95th百分位 高
女
5th百分位 矮
男
95th百分位 高
1
7.2.3 設置人體模型的屬性
• 為了應用方便，以及功能上的需要，通常要設置 人體模型的屬性
• 在CATIA圖形介面內，滑鼠右鍵單擊產品樹上的某 個人體模型，彈出右鍵菜單；選擇“屬性”菜單 項，彈出“屬性”對話框
1
7.2.1 建立目標群體人體數據
• 创建一个新人体数据文件（扩展名为 第一步 “.sws”），如：Chinese.sws
• 在人体数据文件中输入目标群体人体数据特 第二步 征
第三步 • 将所建立的人体数据文件添加至CATIA中
1
7.2.1 建立目標群體人體數據
• 數據格式
– 每一個人群數據檔最多包含“MEAN_STDEV M”、“MEAN_STDEV F”、“CORR M”、“CORR F”四個字段，字段後面為數據，其 格式為：
– 將坐高（軀幹長度）分為高、中等、矮三種 – 將腰圍分為大、中、小三種 – 單一性別的群體總共生成27個（或45個）人體模型
1
7.2.2 建立用於分析的人體模型
• 當分析內容和目的明確的條件下，從中能夠進一 步選出用於分析的人體模型，以減少分析工作量
• 例：分析轎車前方視野和頭部空間
分析內容
上視野 前方視野
7.2 人體模型的建立
7.2.1 建立目標群體人體數據
• 在缺省情況下，CATIA人機工程模組中包含美國、 加拿大、法國、日本和韓國的人體數據
• 如果產品面向的目標群體是其他的國家和地區， 並且目標群體與上述國家的人體數據有明顯差別 ，則應該根據目標群體的人體數據建立人體數據 檔，並將其加入到CATIA系統中
1
7.3.1 人體模型的定位
2. 手動定位
– 反向運動學方法
1
7.3.2 姿勢評估
1. 姿勢評估原理
– 姿勢評估之前，首先定義要評估的身體部位各關節自由 度的首選角度（Preferred Angle）及其得分值
– 在評估該部位姿勢的時候，CATIA姿勢分析模組會根據 當前姿勢下各自由度所處的角度及其分值進行插值和加 權運算，最後得出各部位的評估分數
• 該對話框中的人體模型屬性包括名稱、外觀顏色 、顯示、視野、人體測量學、基準點、IK特性、關 節角度極限、首選關節角度、綁定等
1
屬性項 顯示
視野
人體測量 學
IK特性
7.2.3 設置人體模型的屬性
渲染選項 視野顯示 其他選項 視野類型
視野極限
視野距離 人群 性別
身高百分位 體重百分位 視線和頭部
脊椎 骨盆 優化 注視 平衡
1
7.3.2 姿勢評估
2. 首選角度的定義
– 選擇CATIA的“開始”菜單，進入姿勢分析模組。 – 單擊關節角度限度（Angular Limitations）工具欄上的 按
鈕，選擇人體模型上的相關肢體，就進入該肢體的首選 角度定義狀態
1
7.3.2 姿勢評估
2. 首選角度的定義
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7.3.2 姿勢評估
– 建立佈置環境
1
7.3.1 人體模型的定位
2. 手動定位
– 手動定位可以採用兩種方法：正向運動學（Forward Kinematics，FK）方法和反向運動學（Inverse Kinematics ，IK）方法
– 這兩種功能的按鈕位於人體模型姿勢工具欄（Manikin Posture）上
1
7.3.1 人體模型的定位
2. 手動定位
– 正向運動學方法 – 方式1
1
7.3.1 人體模型的定位
2. 手動定位
– 正向運動學方法
– 方式2
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7.3.1 人體模型的定位
2. 手動定位
– 反向運動學方法 在運用正向運動學方法調節姿勢時，如果初始姿勢和目
標姿勢差別較大，則需要不斷地反復調整肢體，比較麻 煩，這時可以利用反向運動學方法 反向運動學是給定末端肢體位姿，自動求解其他關節自 由度的方法。反向運動學功能按鈕位於“Inverse Kinematics”工具欄上
us125
0.773
END
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7.2.1 建立目標群體人體數據
• 當人體數據檔已經建立之後，在CATIA主菜單中選擇“工具”→“選項 ”菜單，彈出選項對話框。單擊“Safework\Human Measurements Editor”選項，出現“Anthropometry”屬性頁
1
7.2.2 建立用於分析的人體模型
• 這些分析的具體操作並不複雜，可參照CATIA幫助 或者相關資料學習
1
– 此外，姿勢還必須與真人的姿勢和習慣接近
1
7.3.1 人體模型的定位
1. 自動定位
– 利用人體建模模組的“Vehicle Occupants Accommodation”工具欄中
建立佈置 環境
乘員定 位
1
7.3.1 人體模型的定位
1. 自動定位
– 建立佈置環境
1
7.3.1 人體模型的定位
1. 自動定位
• 其集成解決方案覆蓋幾乎所有的產品設計與製造領 域
• CATIA V5版本是IBM和Dassault System在為數字化企 業服務過程中不斷探索的結晶，對產品概念設計、 詳細設計、工程分析、工藝和製造、以及產品整個 生命週期中的使用和維護提供了一整套解決方案
1
CATIA人機工程模組
• CATIA V5中的人機工程模組是商業人機工程軟體 Safework的簡化版本
1
CATIA人機工程模組
• 根據一般應用要求，分成了4個部分：
– 人體建模（Human Builder）
• 在虛擬環境中建立和管理數字人體模型，並對產品進行簡單的 人機工程分析
– 人體模型尺度編輯（Human Measurements Editor）
• 通過對人體測量學參數進行編輯，使人體模型的尺度（群體、 性別、人體尺寸、品質）符合用戶使用要求
內容和選項 杆狀肢體段、橢圓斷面線、曲面、解析度 視線、視野、視錐 顯示重心、顯示基準點 雙眼、左右單眼總視野、左單眼、右單眼、立體 水準雙眼、水準左右單眼總視野、垂直上極限、垂 直下極限、視錐 焦距 美國、加拿大、法國、日本、韓國 男、女
保持視線方向 胸椎、腰椎 水準移動、垂直移動、橫向轉動、縱向轉動 姿勢得分、RULA得分 手 骨盆運動
– 人體姿勢分析（Human Posture Analysis）
• 對關節自由度範圍和當前姿勢進行編輯，設置首選角度及其得 分，並對姿勢進行分析和優化
– 人體活動分析（Human Activity Analysis）
• 對人從事某種工作的特定活動行為進行分析
1
建立目標群體人體數據 建立用於分析的人體模型 設置人體模型的屬性
1
人體模型的定位 姿勢評估 其他分析
4.汽車人機工程虛擬仿真
1
7.3.1 人體模型的定位
• 人體模型的位置和姿勢是影響工效分析結果的重 要因素
– 一方面，位置和姿勢要根據設計參數來定位，並與設計 要求和意圖相符，不合適的人體位置和姿勢描述的作業 空間卻與設計意圖不符
– 另一方面，姿勢的差異導致分析結果可能大相徑庭，不 准確的姿勢會使視野、操作力等分析結果和優化方向偏 離正確的方向
3. 姿勢評估
– 滑鼠單擊姿勢得分“Postural Score”工具欄的 按鈕，彈 出姿勢得分分析對話框。該對話框中能夠以數值和直方 圖兩種形式顯示出身體部位姿勢的得分
1
7.3.3 其他分析
• 在將人體模型定位好的基礎上，還可以進行視野 分析、伸及能力分析、操作力分析等
• 這些分析內容與人體模型的姿勢密切相關，姿勢 稍有差異，分析結果可能差別很大
• 進行產品的人機工程分析，建立合適的人體模型 至關重要
• 考慮一般應用情況，通常將群體分為男子和女子 兩部分；對於每種性別，則根據身高的百分位、 坐高和腰圍劃分為不同的類型；據此建立一組用 於分析的人體模型
1
7.2.2 建立用於分析的人體模型
• 典型情況下
– RAMSIS將每種性別的人分為5th、50th和95th百分位三種 身高（甚至是五種）