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CATIA V5人机培训与应用Ergonomics Design & AnalysisHuman BuilderHuman Measurement EditorHuman Posture AnalysisHuman Activity Analysis1. Human Builder（人体模型建立）人体模型的建立是基于最佳人体模型分类系统的。人体模型能够非常精确地模拟人体以及人如何与产品互动，这样确保能够像真人一样在工作间自然地操作并完成各种作业。“人体模型建立”模块侧重于建立一个用于互动分析的数字化人体模型。此模块包含一些高级工具来创建、操作、分析一个人体模型（基于5th、50th、95th的人体百分比）是如何与产品发生互动的。人体模型用来评估人与产品关于外形、相配、功能的适应性。人体模型可以直观地创建和操作并结合DMU来检查诸如伸及范围、视野等特征。简便易学的互动可以通过一个非人类学家来操作人体上面的各类参数。工具栏中包括人体模型的生成、性别、百分位、正/反运动学操作、动画生成、单眼/双眼视野仿真以及视野圆锥。1.1. Human Builder Menu Bar1.1.1. Standard Manikin Creation点击Manikin Creation图标 ，出现New Manikin对话框： 1.1.1.1. Manikin Tab：Father Product：人体模型必须附加在左边树形图的一个Product内，这个Product可以是任何级别的，但不可以是其他任何人体模型。Manikin name: 在这里为新建的人体模型命名，如：驾驶员、乘客、机械工等。多个人体模型可以有同一个名字，如果将这栏空白，系统默认命名为Manikin1 (2, 3, etc.)，并且保存为Manikin1.CATProduct。Gender: 在这里选择人体模型的性别。Percentile: 可以选择从1%至99%的人体百分位。1.1.1.2. Optional TabPopulation:这里选择人体模型的国籍，系统默认有：美国、加拿大、法国、日本、韩国。Model: 这里选择希望得到的人体模型的类别，系统提供三种：全身、只有左臂、只有右臂。Referential:这里选择人体模型上面的参考点，有：眼点、H点（默认）、左脚、右脚、脚底、胯部。Set Referential to Compass Location:如果这个参数是激活的，就可以使用罗盘指定人体模型的初始位置，如：一个平整的地板。如果这个参数没有被激活，人体模型就会被放置在系统默认的位置中（坐标原点）。1.1.2. Changing Manikin Display Attributes点击Display Attributes图标 ，里面包含：1.1.2.1. Manikin这个栏是空的直到鼠标选择了一个人体模型，选择后，人体模型的名字就会显示在这里。在这个命令打开后，可以不断地选择其他人体模型，但是选择了新的模型后，前一个就被新的模型替代掉了，并更新相应的名字。1.1.2.2. 显示方式：segments, ellipses, and surfaces。三种显示方式同时选择至少一种。1.1.2.3. Center of gravity 这里的重心是不可以被做任何操作的。重心会随着人体各部分的变化而变化，1.1.2.4. Line of sight视线是用来方便处理人体模型的视野的，这条蓝色的线像其他部分一样可以被点选。例如，它可以在Forward Kinematics 命令中被操作。1.1.2.5. Resolution辨析率表示每一个绘制表征人体模型的曲面的椭圆上面的点的数量。系统默认值为32，它的变化范围是4到128。1.1.3. Inverse Kinematics Behaviors1.1.4. Assigning Descriptions (Memos)点选备忘录图标 ，选择要写备忘录的人体模型，备忘录窗口就会出现。写下需要备注的内容后，点击OK。如果要找回备忘录，重新点击备忘录图标。备忘录还可以用于视野、人体测量学、人体模型的姿势等。选择树形图上适当的节点（人体模型、人体测量、视野或身体），相应的备忘录就会显示出来。1.1.5. Using the Vision Function选择视野图标 ，或双击树形图上的视野，点击人体模型后就会出现一个新的视野窗口。在这个窗口中单击右键会出现视野菜单：Export As输出作为一个图像文件Edit 使用视野对话框编辑视野Close 关闭此窗口视野对话框：1.1.5.1. Type Field就像真人一样，人体模型也可以看到它所在的环境。它同样可以使用双眼或单只眼睛。Type选项单允许使用者选择五种视野的表达方式。当每一种方式选择后，视野窗口会做出相应的变化。Binocular 双眼视野（左/右单眼视野的交集）Ambinocular 总视野（左/右单眼视野的并集）Right monocular 右眼视野Left monocular 左眼视野Stereo 立体视野（同时显示左/右眼视野）1.1.5.2. Vision TabA. Vision Window：Hide title 隐藏/显示视野窗口上边的台头。Peripheral contour 此选项显示/隐藏窗口中的视野边界区域。Central spot 视点是视线的末端点，此选项显示/隐藏视点。Blind spot 盲点只表示在单眼的视野中，系统默认盲点为不显示状态。Rendering. 点击此选项，出现系统观察模式菜单，通过菜单可以改变所有窗口的观察模式。 Scale 使用比例尺可以对窗口在原始大小至3倍大小之间进行缩放。B. Display： Line of sight 视线可以被显示/隐藏，视线就像一个末端为控制点的片断，末端的控制点可以依靠IK操作视野。三种视线：左/右眼视野中的左/右视线，双眼视野/总视野中的中心线。Blind cone 盲锥是用3D图形表示眼睛盲点边界，它只出现在单眼视野中。系统默认盲锥为不显示状态。Peripheral cone 锥形边界是用3D图形表示视野的边界，系统默认的锥形边界是不显示状态，它依赖于视线是否激活。Flat display:（平滑） Spherical display:（球面） Boundings display:（跳跃） Bounded cone display:（有界） 1.1.5.3. Field of View TabHorizontal monocular:定义单眼模式下水平（XY平面）的视野范围，默认的角度范围是100度。Horizontal ambinocular:定义总视野模式下水平（XY平面）的视野范围，默认的角度范围是120度。Vertical top:定义所有视野模式中视点以上的垂直范围，默认的角度范围是35度。Vertical bottom:定义所有视野模式中视点以下的垂直范围，默认的角度范围是35度。Central:定义中心视野范围（视网膜中心凹）的范围。因为这个中心视野是圆形的，所以它的特点是上下左右的范围是相同的一个值。系统默认的值是6度，最大20度，最小0.5度。1.1.5.4. Distance TabPonctum proximum：这个参数定义眼睛适应性调节距离范围的最小值，这个值等于距眼睛最近的能够被看清的点与眼睛的距离，默认值为100mm。Focus distance：焦点距离与激活的视线的长度相等，默认值为300mm。Ponctum remotum：这个参数定义眼睛适应性调节距离范围的最大值，5m至无穷远，系统定义为无穷远。1.1.6. Using the Reach Envelope手伸及界面是一个表征人体模型仅仅使用大臂和前臂能够触及到的范围的空间曲面。整个运动的中心是肩轴点。可以创建两个伸及界面：左手和右手。手伸及界面包括在干涉分析中。点击手伸及界面图标 ，并且选择人体模型的左手或右手： 手伸及界面可以转移到与人体模型绑定的物体上面。 使用Posture Editor（姿态编辑）改变人体模型的姿态，手伸及界面也会发生变化。如果要删除生成的手伸及界面，右键点击此界面在扩展菜单Left/Right Reach Envelop Object中选择Destroy。1.1.7. Attaching an Object to a Manikin Segment连接功能可以在人体模型片断与单一或多个物体之间创建一个单向关联。连接的物体从属于人体模型，一旦被连接，物体随着人体发生位移。但是要注意的是，这种单向关联意味着只能物体随人体运动。在进行连接后如果物体发生位移，人体任何部分都不会随物体的位移而变化。1.1.7.1. Attaching an object to a manikin segmentExample： 将人体模型与要连接的物体摆放到合适的位置，点击连接/分离图标 ，点选要连接的物体，再选择人体模型上面要与物体连接的肢体片断（此例中的右手），此时，连接/分离对话框弹出，点击OK，完成连接。1.1.7.2. Checking existing attaches on a specific manikin进入人体模型的属性菜单，点击Manikin tab标签，选择Attach tab察看连接管理信息。下面列出连接的清单。一个物体同时只可与一个人体模型片断连接，而多个物体可同时与一个人体模型片断连接。1.1.7.3. Detaching an object from a manikin segment有两种方法断开已经做好的连接：在属性连接管理列表中点选要断开的连接，然后点击列表下面的Detach按键；或使用Attach/Detach命令。使用Attach/Detach命令：点击命令，然后点选要断开连接的物体，在弹出的对话框中选择Detach Object。1.2. Manikin Posture Toolbar1.2.1. Using the Posture Editor姿态编辑是用来调节人体模型各个部分的正向运动的，人体片断或自由度（DOF）的运动是分步骤进行的，这里可以精确地给出具体的数值。人体模型由68个铰接点组成，每个点的运动受邻近的点的位置的影响。点击Posture Editor图标 ，再选择人体模型，弹出姿态编辑对话框：Segments：列表中为人体模型与人体各个部分一致的名称，点击激活。Part：这里选择身体各不同的部分，共有3个选项：Hand：编辑手的片断。Spine：编辑脊柱。Other：编辑其他所有除了手合脊柱的身体片断。 Side： 选择左右，比如左/右臂，左侧为系统默认。Value使用数值功能可以精确地为人体姿态赋值。Value percentage slider百分比滑块对应在选定DOF的情况下的运动范围的百分比数值。Value spinner这里允许使用者输入数值，也可以改变每点一下增长/减少箭头的步进值。Motion Coupling:运动的范围（弹性、函数极限）关于6个肢体部分是可以被关联的。这六个部分是：锁骨、大臂、小臂、大腿、小腿、踝。关联的修改只针对这6个部分。系统默认coupling是关闭的。Display Angular Limitations (chart)这个检查选项显示/隐藏每一个自由度的角度限制。两个箭头限制运动的极限范围，系统默认为50th的人群。绿色箭头表示最高极限；黄色箭头表示最低极限；蓝色箭头表示现在的位置。Animate Viewpoint这个选项放大所选的部分并改变观察点来帮助最佳观察自由度。Predefined Postures用来预先确定人体模型的六个标准姿势：站、坐、向前伸开双臂（两臂等长）、向前伸开双臂（单侧肩部外展）、向两侧伸开双臂、跪下。1.2.2. Using Forward Kinematics点击Forward Kinematics图标，选择要操作的人体模型的片断。这时，出现两个箭头，一个表示运动的方向，另一个表示转动的轴线。 鼠标左键可以沿着箭头拖拽所选的肢体片断，系统默认自由度1，可以通过点击鼠标右键更改自由度。如果要重新设置所选的片断，单击鼠标右键，选择Reset。如果要重新设置整个人体姿态，选择树形图中Body，右键菜单Posture中选择Reset。1.2.3. Inverse Kinematics Behaviors反向运动模式主要移动 The Inverse Kinematics (IK) mode gives you the capability to manipulate the manikins IK with designed behaviors. This function is principally for moving the upper body in relationship to the manipulation of the arms and legs. This manipulation will eventually induce spine and/or hip motion in order to translate and orient the manikin toward the target. In other words, these behaviors will modify the IK chain, making it local (limbs only) or global (limbs and spine and pelvis). Two commands are available in IK mode and either may be used depending on the need or the operation to be performed (making a new posture or fine-tuning and existing posture). Both commands provide easy access to manikin IK capabilities. The only difference between the two is in the compass orientation (as illustrated below). These commands are mutually exclusive; activating one automatically deactivates the other. For more information, see Using the Inverse Kinematics Modes.1.2.4. Using the Inverse Kinematics Modes这里介绍如何用反向运动来改变人体模型的姿态：反向（IK） 人体模式（IK Worker Frame mode）：这个模式里的罗盘是处于绝对坐标下的。点击图标，选择一个身体片断，罗盘会自动吸附在所选片断的控制点上。有7个控制点：l 显示中的视线：l 颈：l 骨盆（根部）：l 右手： 左手： l 右脚： 左脚： 将罗盘上的轴与要运动的方向调节一致，然后拖拽。控制点会随着罗盘运动。罗盘可以被锁定在用户当前所对的显示平面上，点击鼠标右键，选择Lock Privileged Plane Orientation Parallel to Screen选项。反向（IK） 片断模式（IK Segment Frame mode）：这个模式下，任何所选择的片断都会将罗盘自动吸附在关联的片断上面的控制点上。罗盘轴线导向与人体片断的导向一致。例如：IK Segment Frame mode IK Worker Frame mode 1.2.5. Using the Place Mode点击Select the Place Mode图标，将罗盘放置在所希望的位置上，然后选择人体模型。此时，模型会立即移动到罗盘所在的位置（以创建人体模型时的参考点为基准）。当罗盘发生位移或转动时，人体模型也一起发生变化。1.2.6. Applying Standard PosesSit：这个标签内包含迅速调节坐姿的高度和深度的方法。Squat：包括如何快速设置蹲下的高度。StoopPelvis:身体的躯干可以与骨盆一起转动，骨盆绕胯点转动。Trunk:人体模型的脊柱可以整体运动，也可以分成各部分运动。使用者可以选择：整体脊柱、腰椎、胸椎来弯曲/伸展。Twist：快速移动整个脊柱（如左/右转动）。Lean：快速使整个脊柱侧弯。Hand Grasp：有三种手部弯曲：圆柱式的弯曲、捏、球式的弯曲。双手可以各自独立或一起操作。Cylindrical Grasp Spherical Grasp Pinch Grasp Adjust Elbow：快速调节左/右肘部，抬高或放下。（这个命令当手和肩在固定位置时）2. Human Measurement Editor（人体尺寸编辑）人体尺寸编辑基于最佳人体模型分类系统。它针对于具体的人体参数逐条创建数字化人体。除了六个系统默认的人体模型外，用户可以根据世界上任何地区的情况创建新的人体模型。用户可以修改103个人体参数或操作临界的参数并让此模块自行确定其他的参数。这些参数可以被手动修改。此模块还可以定义平均值和标准偏差。通过使用多分布的方法，本模块能够确保合成的人体模型能够适应目标人群。此外，它也可以指定人群的百分位来适应设计要求。2.1. Anthropometry Editor Toolbar2.1.1. Determining the Current Nationality of a Manikin通过修改人体模型的属性或使用Population 命令都可以修改人体模型的国籍。2.1.2. Using Predefined Postures在人体测量学中有四种预先确定的姿态：站立、向前伸臂、扩展向前伸臂、横向展臂。这些姿态用来显示关联的参数。系统默认的姿态是站立。要显示预先姿态，先选择人体模型，然后进入人体测量状态，最后选择适当的Predefined Postures图标。Stand Reach Extended Reach Span 2.1.3. Editing Anthropometric Variables点击Display Variables图标：将Management field设置为手动模式。可以键入百分比数值，这时参数会自动随着百分比变化；也可以直接键入参数数值。在更改数值后，与此数值相关的尺寸在3D图像内的显示为红色。2.1.4. Using the Anthropometric Filter点击Filter图标：Part 人体模型的body包含有7部分：躯干、头、背、臂、手、腿、足。举例来说，如果只单击其中一个部分的话，就只会看到其中所选的一部分。Type这里有6种测量的方式，圆周（周长）、高、长、宽、深、质量。使用者可以任意激活其中的项目。ManagementAutomatic:显示只能由系统来计算参数。Manual: 显示临界的（用户定义的）参数。Reset重新回归原始默认状态。2.1.5. Recovering Initial Settings用来将人体测量模块下被修改的数值重新定义为系统默认状态下。3. Human Posture Analysis（人体姿态分析）人体姿态分析基于最佳人体模型分类系统。它针对于通过分析当地和全世界的人体姿态、身体角度、舒适性来了解这些姿态是如何影响作业的执行的。此模块允许使用者从数量上和质量上分析关于人体模型的姿态的所有方面。全身和局部姿态都是可以被检查、计分、重复的，并且在公布的舒适性数据库中优化操作的舒适性和贯穿于整体作业范围的执行行为的一致性。友好的对话界面提供了关于人体模型的任何一个身体片断的姿态信息。色彩块确保有问题的地方可以被迅速地识别出来并且被强调要优化姿态。此模块允许用户创建特殊的舒适性/力量库用于个别的应用软件。3.1. Angular Limitations Toolbar3.1.1. Displaying and Editing Angular Limitations点击Edit Angular Limitations图标，然后选择一个肢体片断。极限肩头显示出来，这些箭头被默认设置为运动极限的平均值。颜色区域表示所有的此DOF下的运动范围。绿色箭头表示最高极限；黄色箭头表示最低极限；蓝色箭头表示用来改变激活的片断的位置。当双击极限箭头时，角度极限对话框就会出现：可以解除角度极限并且可以直接移动滑块、输入数值或直接在图形上拖拽箭头来改动数值。点击Reset按钮可以返回到原始默认设置值。Setting angular limitations as a percentage这里的百分比表示必须能够满足此极限的人群，所有角度极限默认为50%的人群能够满足。使用此命令可以精确地给出具体的百分比或扩展这些限制。选择人体模型的片断或按下Ctrl键来多选片断。点击Set Angular Limitations as a Percentage图标，探出对话框：灰色的只读部分表示所选的片断当前的自由度。点击OK后，所有的自由度的极限（大/小）都会采用所选的百分比。如果所选的片断的自由度是被锁住的，则会在此限制之外，并显示如下：3.1.2. Adapting Range of Motion to Keep Best Posture先选择所要优化的身体片断，然后点击Optimize Posture图标对于所选的片断与当前激活的自由度，此命令都在寻求首选的角度。命令会给角度设置最佳的极限范围。当此命令运行后，肢体片断会根据新的角度极限改变为新的姿态。总体上，可以使用这个命令来优化姿态。要这样做，必须在激活Optimize Posture命令之前在树形图上先选择body。这样做（优化），对人体模型必须被限制在“舒适区域”来说非常有用。无论人体模型怎么移动，姿态始终都是最佳的。有可能所选的片断中包含反对优化角度的信息或一些角度被锁定了。在此情况下（也只有此类情况），优化命令失效，提示框会出现如下信息：如果要重新设定人体模型的角度极限，选择需要重新设定的片断并点击Reset to Default Angular Limitations图标。3.1.3. Locking and Unlocking Degrees of Freedom (DOF) 锁住自由度表示在正向运动与反向运动中，肢体片断均不能由自由度引起移动。3.1.3.1. Locking DOFs点击lock图标，选择需要锁住的片断。同样也可以同时锁住很多片断。完成后，出现提示窗口：以下步骤用于察看已经存在的锁止：a.进入人体模型的属性窗口，选择Lock标签。出现关于片断锁止的列表。3.1.3.2. Unlocking DOFs像3.1.2.1中那样进入属性，直接点击需要解锁的条目，然后点击列表框下面的Unlock键。注意必须在点击OK之前，点击Apply键来解锁，否则会导致操作不完全。也可以点击Unlock图标。先点击图标，然后点击要解锁的片断。如果要解锁很多片断，则在点击解锁命令前先选好需要点选的片断。如果操作成功，消息窗口会弹出：3.2. Utilities Toolbar3.2.1. Selecting or Editing the DOF (degrees of freedom)点击DOF图标 ，出现3个自由度的选项。点击相应的选项，系统会自动地切换到相应的视角来观看人体模型。自由度可以是向前弯/向后弯（DOF1），外展/内收（DOF2），转动（DOF3）等：DOF1 DOF2 DOF34. Human Activity Analysis（人体运动性分析）人体运动性分析基于最佳人体模型分类系统。此模块针对于人体如何在工作环境中与产品实现互动，并且高效地完成提升/降低、推/拉和搬运工作。此模块评估所有的关于人类从静态到复杂的动态的操作。它拥有很多工具和方法明确地分析人体模型是如何在虚拟环境中与物体实现互动的。使用NIOSH 1981/1991和Snook and Ciriello方法估量提高/降低、推/拉和搬运的效率来全面地优化操作。设计者可以确定一系列的与作业有关的参数，如：处置界限、推荐重量极限和最大举/放重量。这样做的好处包括能够精确地预知人的作业表现，得倒一致的健康、安全标准和人类最佳舒适性、安全性。人体运动性分析是基于V5的人体模型解决方案，包括人体模型建立、人体姿态分析、人体尺寸编辑。并且，这些工具为设计者提供了全面的、定量化的和直观的产品设计。Analyze4.1. RULA Analysis点击RULA Analysis图标 （Rapid Upper Limb Assessment快速上肢评估）Manikin:显示所选人体模型的名字。这里是只读的。Side:选择在哪边给人体模型做分析。Parameters：指定各种人工设置。Posture：三种姿态预设模式：静态的、间歇的、重复的。Repeat Frequency：定义重复的频率，每分钟小于4次和每分钟大于4次。Arm supported/Person leaning 臂有支撑/身体倾斜Arms are working across midline 臂穿过身体中线Check balance 检查平衡性Load：指定模拟的物体的重量。Score：显示分析后的分值。Basic mode：基本模式显示最终数值以及与其相应的颜色条。 RULA分析检查如下内容：运动的数量、静态肌肉做功、作业姿态、不间断工作时间。这些参数最终综合得到一个范围在1至7的分值。12：（绿色）表示这个姿态在持续时间不长的情况下是可以接受的。34：（黄色）表示这个姿态需要进一步研究并可能需要调整。56：（橙色）表示需要尽快调整。 7：（红色）表示必须立即调整。Advanced mode：高级模式另外增加了中间数值，这些数值包含了一些主观因素。在基本模式中，这些主观因素是系统自动添加的，现在需要使用者调整这些表示主观因素的数值。Details sectionUpper arm:肩部抬高，臂展开。Forearm:臂转动。Wrist:手腕外展。Wrist twist:手腕弯扭 Neck:颈部转动，颈部侧弯。Trunk:躯干弯扭，躯干侧弯。4.2. Lift/Lower Analysis点击Lift/Lower Analysis图标 Manikin: 显示人体模型的名字。Posture：设置最初和最终姿态。Guideline：选择合适的规则。NIOSH 19811981年，NIOSH (National Institute for Occupational Safety and Health)美国职业安全和健康协会发布了关于双手举升对称物体的分析公式。这里的举升指在上身没有弯曲的情况下双手举升左右对称的物体，两手之间的距离小于750mm。这个分析需要手与重物以及鞋与地面要有良好的接触。NIOSH 1991NIOSH 1991用来解决举升左右非对称物体的情况，分析中假设鞋与地面有良好的接触。Snook and Ciriello这个规则由S. Snook and V. Ciriello两个人研究得出，分析基于两个输入的姿态。举升过程中两手的重物还是左右对称的，运动本身决定于重物在环境中的位移。PostureInitial and Final：选择需要记录或更改的姿态。（最初/最终） Record/Modify：用于记录姿态。如果当前的姿态与定义的举升作业没有关系，一个错误信息会显示the list of the missing或bad prerequisites。Guideline： NOSH 1981, NIOSH 1991, and Snook & Ciriello。Specifications (for NIOSH 1981)1 lift every：定义举升的频率。Duration：定义作业的时间：偶然的：小于1小时/天。 持续的