ANSA的人體模型姿態(tài)調整工具(HBM Articulation Tool)通過網格變形技術實現(xiàn)基于人體不同部位進行調節(jié)，定位人體模型最終的姿態(tài)。

為了實現(xiàn)整個調節(jié)過程，該工具將ANSA的網格變形以及內置的多體動力學求解器相結合，實現(xiàn)快速且精準的定位。該工具與ANSA metadata(元數(shù)據)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模型進行介紹，該工具位于Safety面板下面，通過Safety>Human Body Model>Articulation 進行調用。(圖2)

圖2 人體模型姿態(tài)調整工具位置

人體模型姿態(tài)調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(生物力學變形)，用于處理多個部位共同運動的關節(jié)調整;

Rotate(常規(guī)旋轉)，適用于簡單關節(jié)的運動處理;

Spine(脊柱調節(jié))，可以精確設定每一節(jié)椎骨的角度，以匹配目標脊柱曲率;

Translate(位移調整)，用于將模型H點與座椅參考點匹配，并調整模型朝向。

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

1. Biofidelic Moves

在Biofidelic Moves界面下，用戶可以調整涉及多個部位共同變形的關節(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)域用于控制調節(jié)參數(shù)，其中Step(步驟)指將目標角度分解成多個步驟進行變形，Total Angle(總角度)指調整的總角度。例如，若Total Angle輸入10°，Step為5，則在調整時會將10°的角度拆解成每2°進行一次計算，最終得出結果。用戶可以在Total Angle處輸入角度并點擊旁邊的對號進行變形，或使用加、減號進行默認值的調整。此外，點擊Previous(上一個)可以回到上一個調整的角度位置，點擊Initial(初始)可以恢復到初始位置。

圖3 人體模型姿態(tài)調整工具 - Biofidelic Moves

2. Rotate

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

圖4 人體模型姿態(tài)調整工具 – Rotate

3. Spine

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

圖5 人體模型姿態(tài)調整工具 – Spine 調整前

圖6 人體模型姿態(tài)調整工具 – Spine 調整后

4. Translate

Translate功能可以用來控制人體模型(HBM)基于H點精確地定位到座椅上。當切換到Translate界面時，系統(tǒng)會自動進入選擇模式，用戶只需直接點擊座椅的參考點，然后點擊確認對號，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面板進行旋轉調整，以達到理想的姿態(tài)(如圖7、圖8所示)。

圖7 人體模型姿態(tài)調整工具 – Translate 調整前

圖8 人體模型姿態(tài)調整工具 – Translate 調整后

在定位完人體模型的朝向之后，可以通過調整盆骨角度、肩部、肘部以及手腕，甚至手指關節(jié)等細節(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行細致調整，使人體模型達到最終所需的準確位置。由于完整的調整過程涉及較多步驟和細節(jié)，本文不再贅述。后續(xù)請關注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)調整過程操作視頻，供大家參考學習。調整后的最終姿態(tài)位置，可參考下圖進行更直觀了解(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)調整完畢或者想要保存當前姿態(tài)時，可以通過工具下方的功能進行輸出。Output選項可以將當前人體姿態(tài)的節(jié)點位置以“Transform nodes”關鍵字的形式進行輸出。Pos.File選項則可以將當前調節(jié)的信息，例如旋轉的角度等，輸出成一個“.json”文件，該文件可以作為人體模型姿態(tài)調整工具的角度配置文件進行使用。點擊Save按鈕可以將當前姿態(tài)保存成一個ANSA多體動力學關鍵字—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

總 結

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

作者 | 黃濤

BETA CAE 工程師