基于caia的消防員三維人體模型的建立

虛擬操作分析是模擬器設計步驟中的一種重要分析手段。它通過建立虛擬航天操作環境,利用航天器數字樣機和虛擬航天員模型,對涉及到航天在軌操作的行為進行合理性分析和評價,進而檢驗航天器人機界面設計或者操作任務是否符合航天員生理特性及要求。建立微重力環境下的虛擬航天員人體模型是進行航天器虛擬操作分析的基礎。國外在利用航天員人體模型進行操作性評價時,一般利用的是人體的運動學特征和幾何外觀特性,因此一般注重人體關節、外觀和服飾的建模。比較有名的是美國波音公司開發的BHMS軟件,以及歐空局1991年開發的DYNAMAN軟件,它們所建立的人體模型主要是測量學參數可調的關節化模型,一般將其應用于艙內活動(IVA)和國際空間站出艙活動(EVA)的可達域和身體可通行性仿真。與此同時,其它一些地面操作仿真軟件,如賓夕法尼亞大學開發的JACK等,建立的模型則進一步反映了人體的剛體動力學特征,因此還可以進行快速上肢評價(RULA)、力和扭矩評價、體能消耗預測等。在人體建模技術方面,Badler等在JACK仿真軟件中提出了一種Peabody的結構,通過關節連接人體各個環節,數據結構中包含了關于環節維數和關節角度的幾何信息。Lee等提出了結合分析法和約束優化的模型表示方法,模型共有37個自由度,其中6個用于表示骨盆的位置和方向,3個用于脊椎,28個用于四肢。由于歐美操作分析軟件的航天員模型和航天操作樣式具有明顯的本土化特征,其人體特征、人體測量學數據、受力反應等均和我國有較大的差異。要進行我國的航天虛擬操作分析,必須建立我國的航天員人體模型,并具備視覺、剛體運動學、動力學等特性。因此,本文主要研究層次化、關節化和參數化的航天員建模方法,旨在為開發我國的航天虛擬操作分析軟件奠定基礎。1虛擬運營人體模型的建立航天員建模流程過程如圖1所示。主要采用三維CAD軟件CATIA建立人體的骨骼層、皮膚層和服飾層靜態模型,生成人體層次基本模型庫,并利用航天員人體模型測量學數據庫以及關節活動范圍等基礎數據庫,通過層次模型關聯和運動自由度設定,來生成虛擬航天員人體模型。由于人體從里到外的骨骼、肌肉、皮膚、服飾等均具有明顯的層次化特征,多層次模型最接近人體解剖結構,可構造出具有較強真實感的三維人體模型,主要建立人體的服飾層、皮膚層和骨骼層模型,通過骨骼層賦予人的剛體動力學特征。關節化目的是基于關節的解剖學原理,通過關節連接各體段,并賦予運動關系,將人體簡化為多剛體運動模型,需要分析、確定各個關節的類型、特點、自由度和運動范圍。建立參數化的人體模型時,應以人體測量學數據為基礎,通過調整人體測量學基本參數可以生成個性化的人體模型。由于人體外形非常復雜,描述人體的參數太多,不可能實現所有的人體尺度進行參數化,因此根據主要的特征參數來生成協調的外觀。2基于catia的雙組分法建模航天員各個層次模型的幾何造型方法,主要利用達索公司三維設計軟件CATIA來實現,可進行2D、3D參數化建模,并具有方便、精確的曲面建模功能。2.1人體骨髓段模型的建立骨骼段的建立包括每塊骨骼的長度和形狀的建立,建立時可以簡化形狀的建模,直接以圓柱或是長方體來表示。建模步驟為:1)獲取各骨骼段長度和關節的運動范圍;2)建立人體骨骼段模型,各段模型的截面形狀都按照長方形處理;3)將建好的所有骨骼段模型裝配在一起則可以形成關節,通過設定裝配的屬性來控制關節的自由度和歐拉角范圍。建立關節化模型時應考慮骨骼段的父子關系,定義的準則按照分段時骨骼段和關節的父子節點的關系。建立好的關節化人體骨骼層模型如圖2所示。2.2皮膚層的建模皮膚層建模時分段進行,建立與骨骼段相對應的符合人體外形的皮膚段曲面。以小臂皮膚層為例,其曲面建模的過程可以分為4個步驟:1小臂的截面形狀根據測量學參數,得到小臂的實際形狀和尺寸。用分層處理的方法將小臂分為若干層,分層后可以得到每層的截面形狀。在截面上取若干個關鍵點,使其組成的多邊形逼近實體截面。2連接線連接到線框圖將關鍵點的坐標值輸入到腳本文件,將每層的關鍵點連成多邊形。相鄰兩層的關鍵點連接組成若干三角形。3將視圖轉換為簡單的曲線線框圖繪制完成后,繼續編寫腳本文件將線框圖擬合成封閉的多面體,擬合后得到的封閉多面體如圖3所示。4細化曲面為得到更逼真的曲面模型,需要對第3)步得到的曲面進行細化處理。首先選取更多關鍵點,采用插值細化算法細化曲面,保持原來關鍵點不動的情況下插入新點,同時移動舊的插入點,這樣就可以使擬合的曲面逼近真實的曲面。將建立好的皮膚層,按照骨骼層的分段方式進行分段保存,并將其另存為WRL格式。2.3添加標識服飾模型服飾層包括衣服本體和服飾標識,它與皮膚層的建模方法相同。對于航天服上的標識,比如航天任務徽章和中國航天員中心臂章等徽章,建模主要分為兩步,先依照皮膚層建模的四個步驟建立外形輪廓,然后建立一個圖案紋理,將徽章圖案映射到輪廓上。最后將輪廓依附到建立的衣服本體上,形成添加標識服飾輪廓后的上衣模型。結果如圖4所示。3人體骨架的建立為賦予以上建立的層次化靜態模型以運動特性、力學特性,需要研究面向操作性分析的虛擬人建模技術,其實現步驟如下。1)從航天員人體測量學數據庫獲取人體測量學參數,包括長度、形狀的相關參數,檢查測量學參數和各層次模型的一致性,建立參數和模型各特征的一一對應關系。2)進行骨骼層處理,包括骨骼層裝配和關節化處理。首先導入CATIA中建立的骨骼層基本模型,并各段命名后保存為pss格式的段文件。將骨骼段載入到文件中進行關節化連接,主要依托JACK環境進行關節化處理,通過改變joint腳本方式實現。由此可得到具有關節運動特性的關節化骨骼層模型,各個關節可以調整關節角度,將文件保存為圖形格式。3)將皮膚層和骨骼層進行組合,采用添加關節的方式將皮膚附著在骨骼上。首先將建立好的皮膚層WRL格式導入到JACK中,并將其另存為pss格式的段文件;然后建立骨骼層和皮膚層對應段的關節,調整好建立關節時設定自由度為零,即皮膚層完全與骨骼層隨動。4)服飾層的綁定。骨骼層和皮膚層組合之后,還要添加建立人體的服飾層,服飾層包括頭發、衣服、鞋帽等等。將CATIA模型庫中建立的服飾層按照前面添加皮膚層的方法添加到人體模型中,進行關聯和綁定,得到的完整人體模型如圖5所示。5)為實現航天員人體模型的參數化調節,適應不同的人體測量學參數,主要采用2種策略:一是進行百分位調整,通過模板設定人體的性別、身高、體重和體段參數(在人群百分位中選定)快速設定人體模型。使用時輸入相應的百分位即可得到人體各基本參數。二是用戶通過可交互的人體模型圖,修改人體的測量學參數,創建特殊需要的人體模型。6)將航天員人體模型添加到JACK的人體模型庫中,在軟件創建虛擬人的菜單選項中,添加標準航天員和航天員庫的菜單選項,如圖6所示。這樣需要使用航天員人體模型進行操作性分析時,直接點擊相應創建菜單即可。4整體隨父節點的調整利用以上建立的人體模型,并基于JACK提供的正向和逆向運動學機制,來實現改變人體姿態。主要有2種途徑:1)直接輸入各個關節的角度進行調整,在窗口中直接修改人的關節參數,每個關節以下的所有子節點會整體跟隨父節點調整角度。2)通過逆向運動學來調整人體姿態,由于對人體的段(segment)進行操控,人體各個關節的表現形式將會遵從各種各樣的限制和約束。對于一個關節或者段的操控,其它與之相連部位則根據反向運動學解算出自己當前映出的位置和狀態。比如當移動虛擬人手時,人的上臂和下臂會同時發生移動,這些變化將以實時的方式呈現出來。采用這種辦法可以建立常用姿態,將其擴充到微重力姿態庫當中,這樣在進行操作性仿真時可直接進行調用,提高仿真效率。圖7為建立的微重力環境下人體自然姿態。通過輸入各個關節的歐拉角可以建立穿艙、腳限制等其它姿態。5人體模型和操縱能力不具有適用性微重力環境下進行航天員在軌操作