ANSA的人體模型姿態(tài)調(diào)整工具(HBM Articulation Tool)通過網(wǎng)格變形技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于人體不同部位進(jìn)行調(diào)節(jié)，定位人體模型最終的姿態(tài)。

為了實(shí)現(xiàn)整個調(diào)節(jié)過程，該工具將ANSA的網(wǎng)格變形以及內(nèi)置的多體動力學(xué)求解器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)快速且精準(zhǔn)的定位。該工具與ANSA metadata(元數(shù)據(jù))文件配合使用，支持市面上絕大部分的人體模型(AC-HUMs，THUMS，GHBMC，Safer，VIVA+等)以及LSDYNA和PAMCRASH版本。(圖1)

圖1 ANSA支持的人體模型類型

本文使用ANSA v25.1.0版本以及THUMS模型進(jìn)行介紹，該工具位于Safety面板下面，通過Safety>Human Body Model>Articulation 進(jìn)行調(diào)用。(圖2)

圖2 人體模型姿態(tài)調(diào)整工具位置

人體模型姿態(tài)調(diào)整工具的主界面如圖3所示，包含了四個主要功能面板：

Biofidelic Moves(生物力學(xué)變形)，用于處理多個部位共同運(yùn)動的關(guān)節(jié)調(diào)整;

Rotate(常規(guī)旋轉(zhuǎn))，適用于簡單關(guān)節(jié)的運(yùn)動處理;

Spine(脊柱調(diào)節(jié))，可以精確設(shè)定每一節(jié)椎骨的角度，以匹配目標(biāo)脊柱曲率;

Translate(位移調(diào)整)，用于將模型H點(diǎn)與座椅參考點(diǎn)匹配，并調(diào)整模型朝向。

在使用該工具前，需先獲取對應(yīng)人體模型的metadata文件，并在Metadata處打開該文件，系統(tǒng)將自動創(chuàng)建出運(yùn)動關(guān)節(jié)并顯示在工具中。Visibility Options(可見性選項(xiàng))可用于控制人體模型的顯示方式。

1. Biofidelic Moves

在Biofidelic Moves界面下，用戶可以調(diào)整涉及多個部位共同變形的關(guān)節(jié)，目前支持的部位包括頸椎、前臂、膝蓋、骨盆腰椎和肩膀。下方的區(qū)域用于控制調(diào)節(jié)參數(shù)，其中Step(步驟)指將目標(biāo)角度分解成多個步驟進(jìn)行變形，Total Angle(總角度)指調(diào)整的總角度。例如，若Total Angle輸入10°，Step為5，則在調(diào)整時會將10°的角度拆解成每2°進(jìn)行一次計(jì)算，最終得出結(jié)果。用戶可以在Total Angle處輸入角度并點(diǎn)擊旁邊的對號進(jìn)行變形，或使用加、減號進(jìn)行默認(rèn)值的調(diào)整。此外，點(diǎn)擊Previous(上一個)可以回到上一個調(diào)整的角度位置，點(diǎn)擊Initial(初始)可以恢復(fù)到初始位置。

圖3 人體模型姿態(tài)調(diào)整工具 - Biofidelic Moves

2. Rotate

Rotate界面用于控制常規(guī)關(guān)節(jié)的調(diào)整，涉及到的主要有：腰椎，肘部，手腕，手指，頭頸部等。在進(jìn)行角度調(diào)整后，對應(yīng)的部位會顯示移動了多少角度以及在下方會有一個旋轉(zhuǎn)角度表格體現(xiàn)目前的旋轉(zhuǎn)角度狀態(tài)。對于大腿髖部的移動，提供Both Legs選項(xiàng)進(jìn)行同步調(diào)節(jié)。(圖4)

圖4 人體模型姿態(tài)調(diào)整工具 – Rotate

3. Spine

Spine功能專門針對脊柱設(shè)計(jì)， ANSA為此提供了一個獨(dú)立的控制界面，允許用戶對每一節(jié)椎骨的角度進(jìn)行精細(xì)控制，從而實(shí)現(xiàn)脊柱曲率的靈活調(diào)整。為了操作便捷，建議用戶將所有椎骨的角度輸入完畢后，點(diǎn)擊Apply to all一次性完成調(diào)整。下圖展示了脊柱曲率調(diào)整前后的對比效果(如圖5、圖6所示)。

圖5 人體模型姿態(tài)調(diào)整工具 – Spine 調(diào)整前

圖6 人體模型姿態(tài)調(diào)整工具 – Spine 調(diào)整后

4. Translate

Translate功能可以用來控制人體模型(HBM)基于H點(diǎn)精確地定位到座椅上。當(dāng)切換到Translate界面時，系統(tǒng)會自動進(jìn)入選擇模式，用戶只需直接點(diǎn)擊座椅的參考點(diǎn)，然后點(diǎn)擊確認(rèn)對號，即可完成模型的移動定位。如果移動后的模型朝向不符合要求，還可以配合Rotate面板進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)整，以達(dá)到理想的姿態(tài)(如圖7、圖8所示)。

圖7 人體模型姿態(tài)調(diào)整工具 – Translate 調(diào)整前

圖8 人體模型姿態(tài)調(diào)整工具 – Translate 調(diào)整后

在定位完人體模型的朝向之后，可以通過調(diào)整盆骨角度、肩部、肘部以及手腕，甚至手指關(guān)節(jié)等細(xì)節(jié)，來精確定義上半身軀干的姿態(tài)。隨后，再對大腿、膝蓋、腳踝等部位的角度進(jìn)行細(xì)致調(diào)整，使人體模型達(dá)到最終所需的準(zhǔn)確位置。由于完整的調(diào)整過程涉及較多步驟和細(xì)節(jié)，本文不再贅述。后續(xù)請關(guān)注BETA CAE的視頻賬號，我們將發(fā)布一個完整的人體模型姿態(tài)調(diào)整過程操作視頻，供大家參考學(xué)習(xí)。調(diào)整后的最終姿態(tài)位置，可參考下圖進(jìn)行更直觀了解(圖9、圖10、圖11)。

圖9 最終姿態(tài) 右視圖

圖10 最終姿態(tài) 正面視圖

圖11 最終姿態(tài) 左視圖

最后，在人體模型姿態(tài)調(diào)整完畢或者想要保存當(dāng)前姿態(tài)時，可以通過工具下方的功能進(jìn)行輸出。Output選項(xiàng)可以將當(dāng)前人體姿態(tài)的節(jié)點(diǎn)位置以“Transform nodes”關(guān)鍵字的形式進(jìn)行輸出。Pos.File選項(xiàng)則可以將當(dāng)前調(diào)節(jié)的信息，例如旋轉(zhuǎn)的角度等，輸出成一個“.json”文件，該文件可以作為人體模型姿態(tài)調(diào)整工具的角度配置文件進(jìn)行使用。點(diǎn)擊Save按鈕可以將當(dāng)前姿態(tài)保存成一個ANSA多體動力學(xué)關(guān)鍵字—KIN_POSITION，保存后可以在Database > ANSA Auxiliaries > KIN_POSITION中查看(圖12)。

圖12 工具輸出選項(xiàng)

總 結(jié)

ANSA的人體模型姿態(tài)調(diào)整工具(HBM Articulation Tool)通過先進(jìn)的網(wǎng)格變形技術(shù)和內(nèi)置的多體動力學(xué)求解器，為用戶提供了對人體模型姿態(tài)進(jìn)行快速且精準(zhǔn)調(diào)整的能力。該工具支持市面上絕大部分的人體模型，并提供了生物力學(xué)變形、常規(guī)旋轉(zhuǎn)、脊柱調(diào)節(jié)以及H點(diǎn)定位等多種調(diào)整功能，滿足用戶在不同場景下的需求。調(diào)整完成后，用戶還可以將當(dāng)前的人體姿態(tài)輸出保存，以便后續(xù)使用或分析。

作者 | 黃濤

BETA CAE 工程師