UG二次开发在汽车人机工程评价中的应用

2013-05-17 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

宋益红宋福宏来源:e-works
关键字:UG二次开发汽车人机工程学人体建模系统
本文在UG二次开发环境下,建立了一个面向汽车人机工程设计及评价的OPEHM(Occupant Packaging Ergonomics Human Model)虚拟人体建模系统,对其中的关键技术进行了深入研究,最后以实例说明该系统的应用方法和优势。该系统有助于减少汽车人机工程方面的重设计,缩短开发周期,节省设计经费,具有一定的经济效益。

1 前言

汽车人机工程学是人机工程学在汽车这一特定领域的分支,它以人、车、环境为对象,旨在创建一个和谐的人-车-环境系统[1]。随着人机工程学在汽车设计中的重要性不断提高,为降低汽车人机工程设计成本,有效方法是在设计初期就进行车身人机工程设计。本研究在UG环境中建立用于汽车驾驶室人机工程设计和评价的OPEHM虚拟人体建模系统,用于汽车CAD阶段的人机工程设计评价,以减少传统汽车设计中消耗的人力、物力和财力。

    2虚拟人体模型研究

    20世纪60年代[2]开始国外就对虚拟人体建模系统进行了大量研究,相继开发了众多虚拟人体建模系统,并应用到了国外一些汽车公司的车身设计过程中,这些系统有CAR、CREW CHIEF、MANNEQIN、DYNAMAN、JACK[3]等。国内一些大学和科研单位也对虚拟人体建模系统进行了初步研究[4]。总的来说,目前国内研究的这些系统只能用于特定的环境,扩展性较差,功能也较单一。而国外的人体建模系统虽然功能比较完善,但大多都是根据本国的国家标准建立的人体尺寸数据库,这些系统不能满足我国汽车人机工程设计的需要。本研究建立的人体建模系统结构如图1所示。

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图1 OPEHM人体建模系统

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图2 OPEHM人体模型数据库结构

    2.1人体尺寸数据库建立

为建立正确的人体建模系统,必须知道人体各部位外观形态特征及各项测量数据,包括身高,人体各部分的长度、厚度及活动范围等。人体尺寸通常随年龄、性别、区域、种族、职业和生活状况等因素的不同而有差异,本研究人体尺寸数据来自国标GB1000-88[5],这些人体构造尺寸是构建OPEHM人体模型的基础。该数据库结构如图2所示。

    2.2人体模型几何表达

汽车人机工程学人体模型是为了使汽车设计适应人的需要,评价驾驶舒适性,宜人性,研究驾驶操作的可达域,可视域等,根据需求本研究对复杂人体作了适当简化,将人体简化为骨骼和与之相关联的肌肉层,将人体骨骼和关节系统简化为空间连杆机构,通过驱动骨骼运动带动肌肉层运动实现对人体运动的控制。该人体模型有17段16个关节30个自由度。

    2.3人体模型正向运动控制

建立人体建模系统的目的之一,是利用该系统来操纵代表真实使用群体的人体模型,将其"布置"在特定车身内部工作空间里,因此对人体建模系统的一个主要要求是:它必须能够表示出使用群体(人体模型)的工作姿势。这意味着必须能控制和约束系统中人体模型关节运动。

人体骨骼分为两种:长条形的骨骼和连接骨骼的关节[6]。可长条形的骨骼视为刚体,任何时刻都不发生形变,这样就可以把人体骨架看成一个由关节点连接的刚体的集合。因此我们将人体模型骨骼运动抽象为刚性连杆的空间运动,用机器人机构学和计算机图形学理论建立人体模型运动的数学模型[7],通常有两种数学表达方法:DH表示法和AP表示法[8]。本研究中采用DH表示法来表示人体骨骼的运动,如图3所示。人体运动控制可分正向运动控制和反向运动控制,本研究采用正向运动控制,各运动链都以H点为起点。OPEHM正向运动控制链如图4所示。

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图3 人体关节链DH表示图4 人体正向运动层次结构

根据计算机图形学理论,以左腿运动控制为例说明OPEHM人体骨骼模型正向运动控制的实现过程。

    1)确定左腿正向运动控制链为:H点->左髋关节->左膝关节->左踝关节->足部末端。

    2)建立左腿身段的固联坐标,用DH法表示,参见图3。

    3)确定相邻身段之间的变换矩阵。

    H点-左髋关节:
   UG二次开发在汽车人机工程评价中的应用autocad应用技术图片图片5 (式 1)
     左髋关节-左膝关节:
      (式 2)
     左膝关节-左踝关节:
      (式 3)
     左踝关节-左脚末端:
      (式 4)


    4)建立各关节点相对于基础坐标系的变换矩阵

    由式1到式4可以得到各关节相对于基础坐标系的变换矩阵,从而确定各身段的空间状态,控制人体姿态。

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    3 UG二次开发研究

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图7 UG二次开发流程

本研究使用MS VC ++ 6.0开发平台,结合UG/Open API、UG/Open MenuScript 、UG/Open UIStyle等开发工具以及MFC ODBC数据库编程,开发了具有宜人的用户操作界面的OPEHM人体建模系统和人机工程评价软件模块。其开发流程如图7所示。
3.1 UG/Open API开发框架的创建

本研究采用MFC AppWizard(dll)向导生成UG二次开发的框架[9] ,该开发框架提供了丰富的控件资源和更强大的功能。方便实现UG/Open API访问MFC资源和连接数据库。使用VC++建立UG二次开发框架后,需要注册UG用户应用,其步骤如下:

在工程中新建UserMain.h、UserMain.cpp 和UserApp.h、UserApp.cpp文件,提供UG入口函数和注册激活用户应用函数。在UserMain.h文件中,声明了一个激活应用的列表结构,该结构的实例与用户菜单文件中激活的应用相匹配。该结构声明的关键代码如下:

    static UF_MB_action_t action_table[] = {{"AppCreateMModel",AppCreateMModel,NULL}

    ......

                                      {NULL,NULL,NULL}};

UserMain.cpp文件提供了UG入口函数ufsta(),并注册UG应用。ufsta()是最常用的入口函数,当UG启动时执行该函数中的内容。为了实现用户菜单的调用功能,需要在UG启动时注册用户信息,当UG启动后选择菜单命令即可调用制定的应用程序,注册方法有两种:UF_MB_add_styler_actions()和UF_MB_add_actions()。本文注册UG用户应用的关键代码如下:

    extern "C" DllExport void ufsta( char *param,int *returnCode, int rlen)

    { //入口函数

    if(UF_initialize()!=0) return;        //初始化UG环境

    ......

    if(error_code=UF_MB_add_actions(action_table)!=0){

      ...... }                           //注册UG应用

    UF_terminate();                      //结束UG环境

    ......}

    在UserApp.h、UserApp.cpp声明并定义了用户应用函数,并实现调用UIStyler创建的UG风格的对话框,关键代码如下:

    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环境

      ......

    //调用创建人体模型对话框

    if((error_code=UF_STYLER_create_dialog("CreateHuman.dlg",

      MMODEL_cbs, MMODEL_CB_COUNT, NULL, &response))!=0)

    { ......}

    ......

    UF_terminate(); //结束UG环境

    ......}

    UF_MB_cb_status_t AppAdjustJoint(UF_MB_widget_t widget,

                ......)

     { ...... }//调用调节人体模型关节对话框

    UF_MB_cb_status_t AppViewZoom(UF_MB_widget_t widget,

                ......)

     { ...... }//调用生成可视域对话框

    ......

    2.2 编辑菜单

使用记事本编辑菜单文件,保存为MY_MENU.men。用户自定义菜单文件的内容如下:

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UG自动调用菜单脚本文件MY_MENU.men,生成如图8所示的用户自定义菜单。

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图8 用户自定义菜单

2.3 创建人机交互界面

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图9 创建人体模型图10 姿势调整

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图11 舒适性评价图12 可视域可达域评价

使用UIStyler创建了UG风格的对话框,并用上述的菜单来调用。创建的用户界面示例如下图9至12所示。

    2.4 人体模型创建及姿势调整

在OPEHM人体建模系统中预定义了三种人体姿态,为站姿、坐姿和驾驶姿势。用户只要输入人体百分位数、性别及姿态就能创建相应的人体模型,如图9所示。要建立特定的工作姿态必须要对预定义人体模型的关节进行调整。图13展示了以左肩关节调整效果。

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a 调整前 b 调整后
图13 人体关节调整示例

    3 应用实例

以某型汽车驾驶室人机工程客观评价为例,说明OPEHM人体建模系统的使用过程。评价内容为:驾驶舒适性分析、可视域分析和可达域分析。在此基础上提出改进性建议,提高汽车驾驶室的人机工程学性能。

    3.1 驾驶舒适性评价

在UG中导入某型车的数字化模型,在汽车模型中提供了H点位置和座椅靠背角(如图14所示),用于定位人体模型。

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图14 驾驶环境数字化模型

在汽车人机工程评价中一般选择第95百分位的男性和第5百分为的女性作为评价的上限和下限,在此根据最前设计H点选用第5百分位的女性人体模型进行评价。评价过程如下:

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a 前视图 b 轴侧图

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a 左手及左脚评价                        b 右手及右脚评价

    图15 人体模型布置图                     图16 驾驶姿势评价对话框

调用创建人体模型对话框(如图9所示),完成人体模型的创建,并按要求布置在汽车模型中,如图15所示。在人体模型满足操纵姿势要求后,从菜单调用驾驶舒适性评价对话框,从人体生理关节角度值方面进行驾驶姿态的疲劳分析,得到数据如图16所示。在姿势评价对话框中给出了各个关节角的推荐值,从图16得到的数据分析,我们发现左脚的A1值超出了推荐值范围,右脚的A1也在推荐值的临界值上。其原因可能为脚操纵装置行程太大所致,因此建议减小脚操纵装置的行程,或者降低脚操纵装置的高度。

    3.2 可视域和可达域分析

在正确安置完人体模型之后,也可以进一步分析驾驶员可视域与可达域,可以给设计师直观上的感觉,即仪表盘等显示装置是否在驾驶员的视域中,变速杆、方向盘等操纵装置是否在驾驶员的可控制区域之中。从菜单调用建立可视域和可达域对话画框(图12所示)。分别建立可视域和可达域可视化模型。在对话框中可以按照人机工程学标准输入视距和视角等参数,创建精确的视锥模型,如图17和18所示。用户可以分别建立左、右手的可达域分析模型,如图19所示。从评价结果分析,该型汽车的仪表盘的重要信息显示区在驾驶员的视域之内,方向盘等手操纵装置也在驾驶员的手部活动空间内。

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图17 创建人体模型视锥图图18 仪表板的可视区域图19 手部可达域可视化空间

5 总结

本论文在研究了汽车人机工程学标准、人体测量学、人体模型建模方法、人体模型正向运动控制理论和UG二次开发方法等的基础上,在UG平台上开发了用于汽车人机工程设计及评价人体的建模系统。该系统创建的人体模型符合国家标准,人体关节实现了有约束性的关节运动,整合了UG软件的强大功能,使产品建模环境和评价环境能在一个系统中进行。该系统在一定程度上提高了设计效率,缩短了设计周期,节约了设计成本。

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