面向人机工程学设计的参数化人体建模系统

骆

磊

刘肖健

陆长德

（西北工业大学工业设计系，西安７１００７２）

摘

要

在Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ平台上利用ＯｐｅｎＧＲＩＰ、ＯｐｅｎＡＰＩ和ＵＩＳｔｙｌｅｒ等技术开发了用于产品人机工程学设计的参数化人

体建模系统。论述了参数化人体模型的结构设计与建模方法，介绍了本建模系统基本功能和运行机制，以及开发工具、开发思路和技术路线，并对本系统在具体的人机工程学设计中的应用进行了详细介绍。关键词

人机工程学

设计

参数化

人体模型

ＣＡＤ

中图分类号ＴＰ３９１．７２

文章编号１００２－８３３１－（２００５）３４－００１６－０３文献标识码Ａ

ＥｒｇｏｎｏｍｉｃＤｅｓｉｇｎＯｒｉｅｎｔｅｄＰａｒａｍｅｔｒｉｃＨｕｍａｎＢｏｄｙＭｏｄｅｌｌｉｎｇＳｙｓｔｅｍ

ＬｕｏＬｅｉＬｉｕＸｉａｏｊｉａｎＬｕＣｈａｎｇｄｅ

（ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ７１００７２）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｎｅｒｇｏｎｏｍｉｃｄｅｓｉｇｎｏｒｉｅｎｔｅｄｐａｒａｍｅｔｒｉｃｈｕｍａｎｂｏｄｙｍｏｄｅｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｈｕｍａｎｂｏｄｙａｎｄｉｔｓｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍ’ｓｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａｎｄｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｔｏｏｌｓ，ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｓｃｈｅｍｅａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｏｕｔｅ．Ｓｏｍｅｐｒａｃｔｉｃａｌｅｘａｍｐｌｅｓａｒｅｇｉｖｅｎｔｏｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｔｈｅｕｓｉｎｇｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ，ｄｅｓｉｇｎ，ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ，ＨｕｍａｎＢｏｄｙＭｏｄｅｌ，ＣＡＤ

１人机设计对数字化人体模型的要求

人体模型是人机设计过程中必不可少的辅助手段。在现代

３、４、６、７等５项。所建立的参数化人体模型的主要功能有４

个：（１）作为人体测量数据和其他相关人机学知识的载体，为设计师提供实时的、动态的人机数据、信息与知识；（２）承担产品形态设计的驱动设计方法的驱动变量。将人体模型携带的相关人体数据与产品的形态参数进行关联，使设计师可以通过操作人体模型来方便地调整相关的产品形态参数，并根据调整结果自动重建产品模型，从而简化了设计师复杂的直接数据操作过（３）提供人体姿态和工作方式设计与分析的工具，包括常用程。

姿态的选择、自定义姿态的设置以及简单的载荷设置和运动设置等，并结合人体生理学进行评价；（４）为设计师提供具有一定真实感与结构性的视觉化人体形象。

产品的人机设计中，仅仅作为视觉参考的人体模型已经远远不能满足要求了。人机设计过程所需的是一种能够真正参与到设选择与确定起到评计过程中，对产品形态人机参数的计算、

价与辅助决策的作用，并能够产生自动化设计行为的人体模型［１，２］。

产品设计与分析中的行为与感知模型多数为人体仿真几何模型（又称虚拟人），比静态的人体几何模型要复杂得多。目前关于虚拟人的研究越来越多，除典型的人机工程学分析领域之外，其它领域亦有很多出色的研究成果［３］。综合来看，对人体关节类型以及模型的基本要求有［４］：（１）人体模型的骨骼形状、

关节接触面应尽量简化，以降低系统负担，但必须保证躯体各部分之间相互作用的正确性以及运动与外观的真实性；（２）人体模型的运动和反应必须与真实人体类似，且应该有与人体相似的生物动力学的合理性，应该与真实人体在相似的条件下的经验数据相一致；（３）人体模型必须具有精确而有效的人体测量学数据；（４）人体模型应该有合理的外观；（５）人体模型应该光照、工作台、座椅、具有相应的虚拟环境，如工作场所的房间、

工具等，可按需要而交互地进行建立、修改；（６）人体模型系统应具有对人体模型的行为与作业方式进行工效学分析的能力。利用计算机的信息处理功能，显示出模型的运动和操作，并能与真实人体应有的反应进行对比；（７）人体模型系统应方便实用，为使用者提供良好的人机界面，且操作过程要求直观、易于记忆，与习惯性经验相一致。

本论文的人机模型研究工作重点关注了上述各要求的１、

２参数化人体模型的结构

根据不同的产品形态人机设计问题的要求，所建立的参数

化人体模型包含三个层次：结构层的主要功能是提供人体基本关节结构尺寸，辅助人体姿态设计和概念人机设计；尺寸层的主要功能是提供标准的人体尺寸数据，辅助人机尺寸设计；形态层的主要功能是提供人体各部位的基本形态，辅助曲面人机设计［７］。

图１为人体模型在人机设计过程中的作用。

人体模型结构由整体结构模型和手部结构模型两部分组成。整体结构模型由１６个关节节点、５个肢端节点和１８节刚性肢体组成；手部结构模型由１６个关节节点、５个肢端节点和

１７节刚性肢体组成，如图２所示。

人体模型由四类人体测量数据决定：

（１）关节结构尺寸。数据来源为ＧＢ１００００－１９８８

［５］

和

基金项目：国家８６３高技术研究发展计划项目：面向产品创新的计算机辅助概念设计技术的研究（编号：２００２ＡＡ４１１１１０）

作者简介：骆磊（１９６９－），男，博士研究生，研究方向：计算机辅助产品人机工程学设计。刘肖健（１９７２－），男，博士研究生，研究方向：计算机辅助产

品人机工程学设计。陆长德（１９３８－），男，博士生导师，研究方向：计算机辅助工业设计。１６２００５．３４计算机工程与应用

３基于ＵＧ的参数化人体建模系统

作者在Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ平台上利用ＯｐｅｎＧＲＩＰ和ＯｐｅｎＡＰＩ等

开发工具建立了人机设计系统ＥｇｒｏＤｅｓｉｇｎ，参数化人体建模系统是该系统的子系统，包括模型建立与编辑两个模块，其菜单界面如图４。

图４人体模型设计模块的菜单界面

模型建立模块用来建立新的人体模型并放入场景指定位

图１

人体模型在人机设计过程中的应用

置；模型编辑模块用来评价、编辑和修改已存在的人体模型。模型建立模块的用户界面如图５所示，该用户界面使用ＵＩＳｔｙｌｅｒ工具开发。

图２人体模型结构

由于中国的国家标ＨｅｎｒｙＤｒｙｆｕｓｓ事务所发布的Ｈｕｍａｎｓｃａｌｅ［６］。

准中没有关节尺寸的具体值，关节结构尺寸是根据上述两套数据推算得到的。关节结构尺寸共计１４项（假设人体左右对称），包括１１项关节节点尺寸和３项端部肢体尺寸。

（２）人体型号。指由性别、年龄、百分位、国别等分类标准所确定的人体类别。

（３）肢体位置。肢体位置决定了模型的姿态。肢体位置受活动空间限制，每一肢体相对于父肢体的活动范围，用两个角度变量来表达。肢体活动空间在建模中主要作为模型姿态设定的肢体活动空间没有包含视野范围的约束条件使用，共有３５项。内容。

（４）人体功能尺寸。不在同一肢体上的关节之间的尺寸的值是由模型姿态决定的，程序在人体结构模型的定义中为这些尺寸设置了相应的变量，并提供函数根据模型姿态自动计算关节间的绝对距离和正交方向距离。为了计算动态功能尺寸变量，模型为每一个关节点设置了一个位置变量，记录其在人体模型局部坐标系中的坐标位置，动态功能尺寸根据关节点位置来计算。有时建立需要满足某一功能尺寸的模型，如坐高，这时要根据功能尺寸反算模型的姿态。

三个层次的人体模型形态根据需要采用不同程度的细节，如图３。

图５人体模型建立模块的用户界面

作者在程序中为人体模型定义了一个类来描述用户定制的人体模型，该类中储存了用户模型的编码表达式以及模型的场景位置和方向等信息，是模型构造函数建立人体模型的蓝本。人体模型类包括结构人体模型类和由它派生的尺寸人体模型类和曲面人体模型类。

结构层的人体模型类的定义如下：

ｃｌａｓｓＣＥｒｇｏＭｄｌＳｔｒｕｃｔ｛

ｃｈａｒ［２０］ｍ＿ｎａｍｅ；／／模型名称ＢＯＯＬＵＩＮＴｄｏｕｂｌｅｄｏｕｂｌｅＢＯＯＬＵＩＮＴ

ｍ＿ｓｔａｎｄａｒｄ；／／模型类型：０标准，１自定义ｍ＿ｒｏｏｔＮｏｄｅ；／／模型部位：用根节点号表示ｍ＿ｐｅｒｃｅｎｔｉｌｅ；／／百分位ｍ＿ｍｄｌＨｅｉｇｈｔ；／／身高

ｍ＿ｇｅｎｄｅｒ；／／性别：０＿男性；１＿女性ｍ＿ｎａｔｉｏｎ；／／国别：０＿中国；１＿美国；…

ｍ＿ｃｏｌｏｒ；

／／模型色彩

／／基本参数

ＣＯＬＯＲＲＥＦ／／姿态参数ｉｎｔｄｏｕｂｌｅ＊＊ｓｔｒｕｃｔ

ｍ＿ｐｏｓｔｕｒｅ；／／基本姿态：０＿坐姿；１＿立姿ｍ＿ｐａｒｔＰｏｓｔｕｒｅ；／／各肢体的姿态角度ｍｖＰａｒａ

ｍ＿ｍｏｖｅ；

／／模型运动参数／／模型载荷参数／／模型定位节点号／／重力方向

／／作业参数ｓｔｒｕｃｔｌｄＰａｒａ／／定位参数ＵＩＮＴＰＯＩＮＴｉｎｔ

图３三个层次的人体模型形态ｍ＿ｌｏａｄ；

ｍ＿ｐｏｓＮｏｄｅ；ｍ＿ｖＧｒａｖ；

ｍ＿ｐｏｓＬｏｃａｔｉｏｎ；／／模型定位节点的定位坐标ｍ＿ｖＦｒｏｎｔＶｉｅｗ；／／前视方向ＰＯＩＮＴ

计算机工程与应用２００５．３４１７

!!!!ｄｏｕｂｌｅｍ＿ｓｃａｌｅ；

／／内部模型构造数据

／／模型比例因子人体体表的支撑点，在图中用白色箭头表示。支撑点通过特定的解码造型程序变成座椅形态。

对有人机要求的产品尺寸的辅助设计是通过尺寸映射来完成的。尺寸映射的实现方法是程序将选定的人体尺寸数据通过特定的映射算法映射为相应的产品人机尺寸值。产品人机尺寸映射设计的重点有两个内容：映射法则的建立与实施。映射法则的建立是根据人体尺寸数据构造对应的产品人机尺寸的解空间。映射过程的实施是根据具体设计要求在人机尺寸解空间中搜索最终产品人机尺寸解的过程。

人体模型对产品人机接触面设计的辅助有两种方式：直接映射法和能量优化法。详细内容在本课题组发表的其他论文中已有介绍［７，８］，本文不再赘述。

ｄｏｕｂｌｅ＊ｍ＿ｐａｒｔＬｅｎｇｔｈ；／／肢体长度尺寸数组ＰＯＩＮＴ＊ｍ＿ｎｏｄｅＰｏｓｉｔｉｏｎ；／／关节点坐标数组ｓｔｒｕｃｔ

ｌｃＣｏｏｒｄ＊

ｌｃｃ；

／／肢体局部坐标变量数组

ｄｏｕｂｌｅ＊ｍ＿ｐｏｓｅＤｉｍ；／／为姿态尺寸保留的变量／／内部数据处理函数

ＢＯＯＬＧｅｔＰａｒｔＬｅｎｇｔｈ（）；／／从数据库中获取人体尺寸ＰＯＩＮＴＣａｌＮｏｄｅＰｏｓ（ｉｎｔｎｏｄｅ）；／／计算关节点坐标ｄｏｕｂｌｅＣａｌＰｏｓｅＤｉｍ（ｉｎｔｐ１，ｉｎｔｐ２）；／／计算姿态尺寸ｄｏｕｂｌｅｐａｒｔＷｅｉｇｈｔＣａｌ（ＵＩＮＴＮｏ）；ｄｏｕｂｌｅｃｇＣａｌ（）；／／人体模型构造函数ＢＯＯＬｂｕｉｌｄＳｔｒｕｃｔＭｏｄｅｌ（）；｝；

／／建立结构层人体模型

／／肢体重量计算／／重心计算

尺寸层和形态层的人体模型类由结构模型类派生而来。

５结论

在Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ平台上建立的参数化人体造型系统可以根

４参数化人体模型的应用

本文所述的参数化人体模型可用于产品设计中与人机相

据用户的需要定制各种形态与姿态的人体模型，并对产品的人机设计过程产生辅助。实践结果表明，这种辅助方式可以提高产品的设计效率，并产生可靠的产品人机性能。进一步的工作包括人机性能的主动评价以及根据评价结果对产品模型进行调整。（收稿日期：２００５年９月）

关的设计任务，主要有三类：概念设计、尺寸人机设计和人机接触曲面的形态设计。所建立的人体模型附带有人体肢体的活动范围、视野空间等，在设计中不仅可以做视觉化的参考，还可以通过参数变量对设计方案进行驱动。

在概念设计的辅助过程中，通过人体模型定义产品概念方案的解空间，并利用人体模型的形态和姿态信息构造解方案。前者是结合具体人机交互特征来限定可能解的区域，以增加有效解的生成率，提高设计效率与成功率；后者是在解空间中应用编码的组合法则构造解方案的过程。概念设计过程主要结合概念方案的人机性能评价来进行，并确定根据评价结果调整方案的策略，必要时还需要设计师的交互操作来实现。

概念设计３个过程都必须工作在良好的概念方案表达形式（即编码）基础上。因此，概念方案的编码表达式是设计求解的基础。

参考文献

１．刘肖健等．基于Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ的人机工程学ＣＡＤ二次开发［Ｊ］．计算机工程与应用，２００４；４０（２５）：１０４～１０６

２．刘肖健等．基于遗传算法的产品人机ＣＡＤ研究［Ｊ］．计算机工程与应用，２００３；３９（３３）：３５～３７

３．傅鹏．计算机辅助人机工程设计的虚拟人研究［Ｄ］．硕士学位论文．西北工业大学，２００３

４．孙善麟．用于工效学领域的虚拟人体模型研究概述［Ｊ］．人类功效学，１９９８；（３）

５．国家技术监督局．ＧＢ１００００－８８：中国成年人人体尺寸［Ｓ］．１９８７６．ＨｅｎｒｙＤｒｅｙｆｕｓｓＡｓｓｏｃｉａｔｅｓ．ＨｕｍａｎＳｃａｌｅ１／２／３，４／５／６，７／８／９［Ｍ］．ＭＩＴＰｒｅｓｓ，２００１

７．刘肖健等．产品复杂曲面人机工程学设计研究［Ｊ］．计算机应用研究，２００４；（１２）

８．阮长江等．产品人机接触曲面形状的ＣＡＤ研究［Ｊ］．计算机工程与应用，２００４；（３５）：２２２～２２５

图６坐姿人体的支撑点

９．刘新丽等．基于人机尺寸驱动的座椅设计系统［Ｊ］．计算机工程与应用，

图６是在座椅人机设计［９］中通过人体模型计算产生座椅对

２００５；４１（１３）：１１１～１１２

（上接３页）

度的计算方法，根据ＨＮＣ理论给出了语义相关度计算策略，并设计完备和ＨＮＣ符号映且充分利用ＨＮＣ概念树表层次清晰、

射方法组合符号多样、表达充分的特点，提出并实现了概念符号比较的量化计算的详细方法，同时验证了这种策略和方法在语句语义结构分析中的良好效果，也指出了在信息检索等方面的引用前景。

语义相关度计算的进一步细化，对相关度计算方法细节的探索、实现以及把语义相关度的计算结果应用到更多的实践环节中去，将是下一步的主要工作。（收稿日期：２００５年９月）

参考文献

—计算机理解语言研究的新思１．黄曾阳．ＨＮＣ（概念层次网络）理论——路［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９８：６９～７６

２．ＩｄｏＤａｇａｎ，ＬｉｌｌｉａｎＪａｎｅＬｅｅ，ＦｅｒｎａｎｄｏＣＮＰｅｒｅｉｒａ．Ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ－ｂａｓｅｄｍｏｄｅｌｓｏｆｗｏｒｄｃｏｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｉｅｓ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＬｅａｒｎｉｎｇ，１９９９；３４（１－３）：４３～６９

３．王斌．汉英双语语料库自动对齐研究［Ｍ］．北京：中国科学院计算所，１９９９

《知网》的词汇语义相似度计算［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ４．刘群，李素建．基于

ＬｉｎｇｕｉｓｔｉｃｓａｎｄＣｈｉｎｅｓｅＬａｎｇｕａｇｅＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００２；７（２）：５９～７６５．张万有．义素分析略说［Ｊ］．语言教学与研究，２００１；（１）：６１～６５１８２００５．３４计算机工程与应用