基于SolidWorks平台的人体模型数字化仿真设计

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于SolidWorks平台的人体模型数字化仿真设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要： 人体三维模型是利用计算机平台实现人机工程学优化产品设计的基础，本文探讨了基于solidworks软件平台创建虚拟人体模型的思路及方法。使用其零件配置功能使得所创建的人体模型无需多次导入就可以实现不同百分位尺寸人体模型的替换，从而使数字化人机工程学优化设计的工作更加快捷有效。

关键词： 虚拟人体模型；人机工程学；SolidWorks

中图分类号：TP34 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）04-0132-010引言

人机工程学的主旨是提高作业者的使用安全性、舒适性与维修的便捷性，从而创造良好的作业环境条件提高作业效率。而且通过调查发现不正确的作业姿势不但极易引起疲劳，诱发职业病，还会使能量消耗过多，工作效率下降，甚至诱发事故[1]。这也正是目前很多设计制造行业对于人机工程学的应用越来越重视的主要原因。由于计算机的快速发展，现在许多产品的生产设计都使用计算机完成。建立相关的数字化人体模型可以在样机模型加工之前就进行人机工程学的优化评价从而达到缩短开发周期、节省设计经费的目的。

1基于SolidWorks软件平台创建虚拟人体模型的思路及方法

本文以中国华北地区的男性为人体尺寸研究对象，参考国家标准GB10000-88《中国成年人人体尺寸》来推导计算出所需要人体尺寸。这一标准是从1983年开始，由原中国标准化综合研究所等单位在全国范围内进行了人体测量工作，通过分析归纳所获得的数据标准[2]。

在人体测量资料中，常常给出的是第5、第50和第95百分位数值。而在工程设计中，却有可能需要任一百分位的数值。遇到需要特定百分位尺寸数据时，则可按下式进行计算：

①1％～50％的数值

Pv=X-（SK）（1）

②50％～99％之间的数值

Pv=X+（SK）（2）

上述两式中：X—平均值；S—标准差；K—百分比变换系数。

K值可以通过查表得到[3]，标准差S由方差开平方计算得出。方差S2可按下式进行计算[4]。

S■=■（x■■+x■■+…+x■■-nx■）=■（■x■■-nx■）（3）

文中利用上述算法计算出中国华北地区男性上臂、前臂、躯干、大腿、小腿这5个主要部分的尺寸，用以说明SolidWorks的配置功能。所选用的百分位分别为5%、10%、50%、90%、95%，共5组。以上臂的尺寸为例，利用上述两式查表计算得出五个百分位的单臂肩宽分别为50、55、67、79、81mm，上臂长度应为289、294、313、333、338mm。

尽管目前有很多用于建立三维模型的软件平台，但是人机工程学的人体模型有一个特殊之处，即在使用人体模型的时候需要针对不同的人体尺寸百分位对各主要部分分别建立虚拟模型，然后再导入到需要进行人机优化评价的产品三维模型场景中进行分析。多次导入再反复评价修改设计方案，这个过程较为繁琐。而SolidWorks软件针对工程零件建模开发了配置管理功能，这一功能让用户可在单一的零件和装配体文档内创建多个变种（即系列零件和装配体族），这些多个个体又可以同时显示在同一总装配体中。这一功能正符合人体虚拟模型的创建需要。在SolidWorks软件中，创建不同配置的零件。然后再进行装配，最终得到的装配体就可以实现不同百分位人体模型的直接转换而不再需要反复导入人体模型。

首先可以用5%百分位的尺寸在SolidWorks中建立一个上臂模型，然后在Configuration Manager中选择添加配置。在新的配置下将长度尺寸289mm改为294mm，其他与本配置相关的尺寸都在这里完成修改后就得到了一个尺寸为10%百分位的上臂模型。此时观察ConfigurationManager面板就可以发现上臂零件已经具有了5%和10%两个配置。要使用哪个百分位的尺寸只要直接选择相关配置。用同样方法将剩余3个配置添加完成后，上臂零件的制作就完成了。如图1所示使用同样的思路，前臂、躯干、大腿、小腿等都是使用这一建模方式完成，都具有5个不同的尺寸配置。可以看出人体模型在选择不同百分位时，各部分的长宽比例都有相应尺寸的变化。

在利用SolidWorks的装配体功能进行人体模型装配时，应注意给各关节指定自由度，以实现其所需要的活动性。利用这一方法创建的装配体也拥有5个不同的配置，只需要进行配置的选择就可以改变模型所有相关尺寸。利用SolidWorks软件平台，该人体模型的装配体文件还可以导入到别的装配体文件中。这样该人体模型可用于对产品进行人机工学优化分析和逆向改良。图2所示为将该人体模型导入至一台按照实际尺寸制作的修井机模型。在这个由子装配体组成的复合装配体中，我们可以根据人机工程学的优化评价标准来进行人机工学的测量和分析工作。

2结论

以SolidWorks三维软件为平台建立虚拟人体模型可根据不同设计要求创建出不同关节不同自由度的人体模型，用以对汽车、舰船以及各种家用电器进行人机工程优化和分析。随着各类产品功能的不断复杂化，对人操作适用性的要求就会越来越高。大家会更加深刻的认识到合理的设计人机交流界面将对产品的设计起到重大的推动作用。相信虚拟人体模型的需求也会越来越受到人们的关注。

参考文献：

[1]G Andreoni, GC Santambrogio, M Rabuffetti. Method for the analysis of posture and interface pressure of car drivers. Applied Ergonomics.2002（33）： 511~522.

[2]中华人民共和国国家标准GB10000-88．中国成年人人体尺寸.国家技术监督局，1988.12.

[3]蔡启明，余臻，庄长远．人因工程．北京：科学出版社，2007：12-13.

[4]丁玉兰主编．人机工程学．北京：北京理工大学出版社，1991：20-22.