搜索UG二次開發(fā)在汽車人機工程評價中的應用
2013-05-17 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
宋益紅 宋福宏 來源:e-works
關鍵字:UG二次開發(fā) 汽車人機工程學 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工程設計及評價的OPEHM(Occupant Packaging Ergonomics Human Model)虛擬人體建模系統(tǒng),對其中的關鍵技術進行了深入研究,最后以實例說明該系統(tǒng)的應用方法和優(yōu)勢。該系統(tǒng)有助于減少汽車人機工程方面的重設計,縮短開發(fā)周期,節(jié)省設計經費,具有一定的經濟效益。
1 前言
汽車人機工程學是人機工程學在汽車這一特定領域的分支,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]。隨著人機工程學在汽車設計中的重要性不斷提高,為降低汽車人機工程設計成本,有效方法是在設計初期就進行車身人機工程設計。本研究在UG環(huán)境中建立用于汽車駕駛室人機工程設計和評價的OPEHM虛擬人體建模系統(tǒng),用于汽車CAD階段的人機工程設計評價,以減少傳統(tǒng)汽車設計中消耗的人力、物力和財力。
2虛擬人體模型研究
20世紀60年代[2]開始國外就對虛擬人體建模系統(tǒng)進行了大量研究,相繼開發(fā)了眾多虛擬人體建模系統(tǒng),并應用到了國外一些汽車公司的車身設計過程中,這些系統(tǒng)有CAR、CREW CHIEF、MANNEQIN、DYNAMAN、JACK[3]等。國內一些大學和科研單位也對虛擬人體建模系統(tǒng)進行了初步研究[4]?？偟膩碚f,目前國內研究的這些系統(tǒng)只能用于特定的環(huán)境,擴展性較差,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,但大多都是根據本國的國家標準建立的人體尺寸數據庫,這些系統(tǒng)不能滿足我國汽車人機工程設計的需要。本研究建立的人體建模系統(tǒng)結構如圖1所示。
圖1 OPEHM人體建模系統(tǒng)
圖2 OPEHM人體模型數據庫結構
2.1人體尺寸數據庫建立
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)特征及各項測量數據,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,本研究人體尺寸數據來自國標GB1000-88[5],這些人體構造尺寸是構建OPEHM人體模型的基礎。該數據庫結構如圖2所示。
2.2人體模型幾何表達
汽車人機工程學人體模型是為了使汽車設計適應人的需要,評價駕駛舒適性,宜人性,研究駕駛操作的可達域,可視域等,根據需求本研究對復雜人體作了適當簡化,將人體簡化為骨骼和與之相關聯的肌肉層,將人體骨骼和關節(jié)系統(tǒng)簡化為空間連桿機構,通過驅動骨骼運動帶動肌肉層運動實現對人體運動的控制。該人體模型有17段16個關節(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,用機器人機構學和計算機圖形學理論建立人體模型運動的數學模型[7],通常有兩種數學表達方法: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。
圖3 人體關節(jié)鏈DH表示 圖4 人體正向運動層次結構
根據計算機圖形學理論,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過程。
1)確定左腿正向運動控制鏈為:H點->左髖關節(jié)->左膝關節(jié)->左踝關節(jié)->足部末端。
2)建立左腿身段的固聯坐標,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-左髖關節(jié):
(式 1)
左髖關節(jié)-左膝關節(jié):
(式 2)
左膝關節(jié)-左踝關節(jié):
(式 3)
左踝關節(jié)-左腳末端:
(式 4)
4)建立各關節(jié)點相對于基礎坐標系的變換矩陣
由式1到式4可以得到各關節(jié)相對于基礎坐標系的變換矩陣,從而確定各身段的空間狀態(tài),控制人體姿態(tài)。
3 UG二次開發(fā)研究
圖7 UG二次開發(fā)流程
本研究使用MS VC ++ 6.0開發(fā)平臺,結合UG/Open API、UG/Open MenuScript 、UG/Open UIStyle等開發(fā)工具以及MFC ODBC數據庫編程,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)向導生成UG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大的功能。方便實現UG/Open API訪問MFC資源和連接數據庫。使用VC++建立UG二次開發(fā)框架后,需要注冊UG用戶應用,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入口函數和注冊激活用戶應用函數。在UserMain.h文件中,聲明了一個激活應用的列表結構,該結構的實例與用戶菜單文件中激活的應用相匹配。該結構聲明的關鍵代碼如下:
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ufsta(),并注冊UG應用。ufsta()是最常用的入口函數,當UG啟動時執(zhí)行該函數中的內容。為了實現用戶菜單的調用功能,需要在UG啟動時注冊用戶信息,當UG啟動后選擇菜單命令即可調用制定的應用程序,注冊方法有兩種:UF_MB_add_styler_actions()和UF_MB_add_actions()。本文注冊UG用戶應用的關鍵代碼如下:
extern "C" DllExport void ufsta( char *param,int *returnCode, int rlen)
{ //入口函數
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應用
UF_terminate(); //結束UG環(huán)境
......}
在UserApp.h、UserApp.cpp聲明并定義了用戶應用函數,并實現調用UIStyler創(chuàng)建的UG風格的對話框,關鍵代碼如下:
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(); //結束UG環(huán)境
......}
UF_MB_cb_status_t AppAdjustJoint(UF_MB_widget_t widget,
......)
{ ...... }//調用調節(jié)人體模型關節(jié)對話框
UF_MB_cb_status_t AppViewZoom(UF_MB_widget_t widget,
......)
{ ...... }//調用生成可視域對話框
......
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容如下:
UG自動調用菜單腳本文件MY_MENU.men,生成如圖8所示的用戶自定義菜單。
圖8 用戶自定義菜單
2.3 創(chuàng)建人機交互界面
圖9 創(chuàng)建人體模型 圖10 姿勢調整 
圖11 舒適性評價 圖12 可視域可達域評價
使用UIStyler創(chuàng)建了UG風格的對話框,并用上述的菜單來調用。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)建及姿勢調整
在OPEHM人體建模系統(tǒng)中預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、性別及姿態(tài)就能創(chuàng)建相應的人體模型,如圖9所示。要建立特定的工作姿態(tài)必須要對預定義人體模型的關節(jié)進行調整。圖13展示了以左肩關節(jié)調整效果。
a 調整前 b 調整后
圖13 人體關節(jié)調整示例
3 應用實例
以某型汽車駕駛室人機工程客觀評價為例,說明OPEHM人體建模系統(tǒng)的使用過程。評價內容為:駕駛舒適性分析、可視域分析和可達域分析。在此基礎上提出改進性建議,提高汽車駕駛室的人機工程學性能。
3.1 駕駛舒適性評價
在UG中導入某型車的數字化模型,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。
圖14 駕駛環(huán)境數字化模型
在汽車人機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,在此根據最前設計H點選用第5百分位的女性人體模型進行評價。評價過程如下:
a 前視圖 b 軸側圖
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,從菜單調用駕駛舒適性評價對話框,從人體生理關節(jié)角度值方面進行駕駛姿態(tài)的疲勞分析,得到數據如圖16所示。在姿勢評價對話框中給出了各個關節(jié)角的推薦值,從圖16得到的數據分析,我們發(fā)現左腳的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 可視域和可達域分析
在正確安置完人體模型之后,也可以進一步分析駕駛員可視域與可達域,可以給設計師直觀上的感覺,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。從菜單調用建立可視域和可達域對話畫框(圖12所示)。分別建立可視域和可達域可視化模型。在對話框中可以按照人機工程學標準輸入視距和視角等參數,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、右手的可達域分析模型,如圖19所示。從評價結果分析,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,方向盤等手操縱裝置也在駕駛員的手部活動空間內。
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 手部可達域可視化空間
5 總結
本論文在研究了汽車人機工程學標準、人體測量學、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)方法等的基礎上,在UG平臺上開發(fā)了用于汽車人機工程設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準,人體關節(jié)實現了有約束性的關節(jié)運動,整合了UG軟件的強大功能,使產品建模環(huán)境和評價環(huán)境能在一個系統(tǒng)中進行。該系統(tǒng)在一定程度上提高了設計效率,縮短了設計周期,節(jié)約了設計成本。
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