基于caia的消防员三维人体模型的建立

基于caia的消防员三维人体模型的建立

虚拟操作分析是模拟器设计步骤中的一种重要分析手段。它通过建立虚拟航天操作环境,利用航天器数字样机和虚拟航天员模型,对涉及到航天在轨操作的行为进行合理性分析和评价,进而检验航天器人机界面设计或者操作任务是否符合航天员生理特性及要求。建立微重力环境下的虚拟航天员人体模型是进行航天器虚拟操作分析的基础。国外在利用航天员人体模型进行操作性评价时,一般利用的是人体的运动学特征和几何外观特性,因此一般注重人体关节、外观和服饰的建模。比较有名的是美国波音公司开发的BHMS软件,以及欧空局1991年开发的DYNAMAN软件,它们所建立的人体模型主要是测量学参数可调的关节化模型,一般将其应用于舱内活动(IVA)和国际空间站出舱活动(EVA)的可达域和身体可通行性仿真。与此同时,其它一些地面操作仿真软件,如宾夕法尼亚大学开发的JACK等,建立的模型则进一步反映了人体的刚体动力学特征,因此还可以进行快速上肢评价(RULA)、力和扭矩评价、体能消耗预测等。在人体建模技术方面,Badler等在JACK仿真软件中提出了一种Peabody的结构,通过关节连接人体各个环节,数据结构中包含了关于环节维数和关节角度的几何信息。Lee等提出了结合分析法和约束优化的模型表示方法,模型共有37个自由度,其中6个用于表示骨盆的位置和方向,3个用于脊椎,28个用于四肢。由于欧美操作分析软件的航天员模型和航天操作样式具有明显的本土化特征,其人体特征、人体测量学数据、受力反应等均和我国有较大的差异。要进行我国的航天虚拟操作分析,必须建立我国的航天员人体模型,并具备视觉、刚体运动学、动力学等特性。因此,本文主要研究层次化、关节化和参数化的航天员建模方法,旨在为开发我国的航天虚拟操作分析软件奠定基础。1虚拟运营人体模型的建立航天员建模流程过程如图1所示。主要采用三维CAD软件CATIA建立人体的骨骼层、皮肤层和服饰层静态模型,生成人体层次基本模型库,并利用航天员人体模型测量学数据库以及关节活动范围等基础数据库,通过层次模型关联和运动自由度设定,来生成虚拟航天员人体模型。由于人体从里到外的骨骼、肌肉、皮肤、服饰等均具有明显的层次化特征,多层次模型最接近人体解剖结构,可构造出具有较强真实感的三维人体模型,主要建立人体的服饰层、皮肤层和骨骼层模型,通过骨骼层赋予人的刚体动力学特征。关节化目的是基于关节的解剖学原理,通过关节连接各体段,并赋予运动关系,将人体简化为多刚体运动模型,需要分析、确定各个关节的类型、特点、自由度和运动范围。建立参数化的人体模型时,应以人体测量学数据为基础,通过调整人体测量学基本参数可以生成个性化的人体模型。由于人体外形非常复杂,描述人体的参数太多,不可能实现所有的人体尺度进行参数化,因此根据主要的特征参数来生成协调的外观。2基于catia的双组分法建模航天员各个层次模型的几何造型方法,主要利用达索公司三维设计软件CATIA来实现,可进行2D、3D参数化建模,并具有方便、精确的曲面建模功能。2.1人体骨髓段模型的建立骨骼段的建立包括每块骨骼的长度和形状的建立,建立时可以简化形状的建模,直接以圆柱或是长方体来表示。建模步骤为:1)获取各骨骼段长度和关节的运动范围;2)建立人体骨骼段模型,各段模型的截面形状都按照长方形处理;3)将建好的所有骨骼段模型装配在一起则可以形成关节,通过设定装配的属性来控制关节的自由度和欧拉角范围。建立关节化模型时应考虑骨骼段的父子关系,定义的准则按照分段时骨骼段和关节的父子节点的关系。建立好的关节化人体骨骼层模型如图2所示。2.2皮肤层的建模皮肤层建模时分段进行,建立与骨骼段相对应的符合人体外形的皮肤段曲面。以小臂皮肤层为例,其曲面建模的过程可以分为4个步骤:1小臂的截面形状根据测量学参数,得到小臂的实际形状和尺寸。用分层处理的方法将小臂分为若干层,分层后可以得到每层的截面形状。在截面上取若干个关键点,使其组成的多边形逼近实体截面。2连接线连接到线框图将关键点的坐标值输入到脚本文件,将每层的关键点连成多边形。相邻两层的关键点连接组成若干三角形。3将视图转换为简单的曲线线框图绘制完成后,继续编写脚本文件将线框图拟合成封闭的多面体,拟合后得到的封闭多面体如图3所示。4细化曲面为得到更逼真的曲面模型,需要对第3)步得到的曲面进行细化处理。首先选取更多关键点,采用插值细化算法细化曲面,保持原来关键点不动的情况下插入新点,同时移动旧的插入点,这样就可以使拟合的曲面逼近真实的曲面。将建立好的皮肤层,按照骨骼层的分段方式进行分段保存,并将其另存为WRL格式。2.3添加标识服饰模型服饰层包括衣服本体和服饰标识,它与皮肤层的建模方法相同。对于航天服上的标识,比如航天任务徽章和中国航天员中心臂章等徽章,建模主要分为两步,先依照皮肤层建模的四个步骤建立外形轮廓,然后建立一个图案纹理,将徽章图案映射到轮廓上。最后将轮廓依附到建立的衣服本体上,形成添加标识服饰轮廓后的上衣模型。结果如图4所示。3人体骨架的建立为赋予以上建立的层次化静态模型以运动特性、力学特性,需要研究面向操作性分析的虚拟人建模技术,其实现步骤如下。1)从航天员人体测量学数据库获取人体测量学参数,包括长度、形状的相关参数,检查测量学参数和各层次模型的一致性,建立参数和模型各特征的一一对应关系。2)进行骨骼层处理,包括骨骼层装配和关节化处理。首先导入CATIA中建立的骨骼层基本模型,并各段命名后保存为pss格式的段文件。将骨骼段载入到文件中进行关节化连接,主要依托JACK环境进行关节化处理,通过改变joint脚本方式实现。由此可得到具有关节运动特性的关节化骨骼层模型,各个关节可以调整关节角度,将文件保存为图形格式。3)将皮肤层和骨骼层进行组合,采用添加关节的方式将皮肤附着在骨骼上。首先将建立好的皮肤层WRL格式导入到JACK中,并将其另存为pss格式的段文件;然后建立骨骼层和皮肤层对应段的关节,调整好建立关节时设定自由度为零,即皮肤层完全与骨骼层随动。4)服饰层的绑定。骨骼层和皮肤层组合之后,还要添加建立人体的服饰层,服饰层包括头发、衣服、鞋帽等等。将CATIA模型库中建立的服饰层按照前面添加皮肤层的方法添加到人体模型中,进行关联和绑定,得到的完整人体模型如图5所示。5)为实现航天员人体模型的参数化调节,适应不同的人体测量学参数,主要采用2种策略:一是进行百分位调整,通过模板设定人体的性别、身高、体重和体段参数(在人群百分位中选定)快速设定人体模型。使用时输入相应的百分位即可得到人体各基本参数。二是用户通过可交互的人体模型图,修改人体的测量学参数,创建特殊需要的人体模型。6)将航天员人体模型添加到JACK的人体模型库中,在软件创建虚拟人的菜单选项中,添加标准航天员和航天员库的菜单选项,如图6所示。这样需要使用航天员人体模型进行操作性分析时,直接点击相应创建菜单即可。4整体随父节点的调整利用以上建立的人体模型,并基于JACK提供的正向和逆向运动学机制,来实现改变人体姿态。主要有2种途径:1)直接输入各个关节的角度进行调整,在窗口中直接修改人的关节参数,每个关节以下的所有子节点会整体跟随父节点调整角度。2)通过逆向运动学来调整人体姿态,由于对人体的段(segment)进行操控,人体各个关节的表现形式将会遵从各种各样的限制和约束。对于一个关节或者段的操控,其它与之相连部位则根据反向运动学解算出自己当前映出的位置和状态。比如当移动虚拟人手时,人的上臂和下臂会同时发生移动,这些变化将以实时的方式呈现出来。采用这种办法可以建立常用姿态,将其扩充到微重力姿态库当中,这样在进行操作性仿真时可直接进行调用,提高仿真效率。图7为建立的微重力环境下人体自然姿态。通过输入各个关节的欧拉角可以建立穿舱、脚限制等其它姿态。5人体模型和操纵能力不具有适用性微重力环境下进行航天员在轨操作