ANSA人体模型姿态调整工具的使用案例

来源：BETA CAE Systems

中国体征人体数字模型（AC-HUMs）是中国汽研主持研发的人体有限元模型。BETA CAE Systems与中国汽研保持紧密合作，前、后处理软件（ANSA/META）会全面支持AC-HUMs系列模型。在软件中提供对应工具用于人体模型的姿态变换，体征缩放，结果响应提取等。

本文将以AC-HUMs AM50乘员模型为例子，介绍使用ANSA的人体模型姿态调整工具（HBM Articulation Tool）进行定位的过程。

首先，在使用工具前需要准备好对应的metadata文件，该文件用于生成人体关节的运动机构，大家可以发邮件到 betacn.support@cadence.com获取该文件。关于metadata文件以及人体模型姿态调整工具可以查看以往的文章查询更多细节，在本文中只提供必要的步骤描述。

步骤 1

将模型导入ANSA之后，打开Safety>Human Body Model>Articulation工具，并从Biofidelic Moves下面的Metadata选项卡中，打开读取对应的metadata文件。

图1 读取metadata文件

步骤 2

在工具中去到Translate界面，此时会自动激活选择模式，选择座椅参考点。选择完毕后点击对号，人体模型会自动将H点匹配到座椅参考点上。若人体模型的朝向不一致，可以去到Rotate界面，选择torso_tree将模型整体围绕H点进行旋转，以调整成正确朝向。

图2 Translate界面

图3 H点匹配以及朝向转换完毕

步骤 3

接下来需要先定义上躯干角，去到Rotate界面中，通过torso_tree关节里面的R轴来定义前倾/后倾角度。输入负值为前倾，正值则为后仰。示例中我们输入-13，进行前倾13°。S跟T轴分别控制人体左右倾斜以及转身动作，按实际情况调整即可。

图4 围绕H点旋转

步骤4

去到Biofidelic Moves界面中进行脊柱角度的调整。去到pelvic_lumbar_spine，输入10，此时会通过颈椎上仰10°带动腰椎进行随动调整，使整个脊柱曲线改变。

图5 脊柱调节示意图1

图6 脊柱调节示意图2

步骤 5

通过cervical_spine只调整颈部角度，输入负值为前倾，正值则为后仰。在本示例中输入-1，只做略微调整。

图7 颈部调节

步骤 6

接下来去定义手部，涉及到的关节有肩部，肘部，手腕以及手指，需要进行观察并多次尝试角度以得到最佳结果。

先在Biofidelic Moves界面中，使用shoulder以及forearm关节进行大致位置的调整。如右手部位所示，将肩部调整10°以及肘部调整20°。

图8 肩部调节

图9 肘部调节

步骤 7

去到Rotate界面，找到glenohumeral_joint关节，逐级进行微调，在选择某个关节后，模型会高亮运动部位和目前选定的旋转轴，直接点击鼠标左边拖动即可实现交互式调整，这个方式能够非常高效的实时看到旋转后的位置。值得注意的是，该工具支持手指各个关节的调整，最终能够实现非常高生物逼真度的手部位置定位，能够非常好的模拟握住方向盘的姿势。

重复步骤6、步骤7，即可完成两个手部的定位。

图10 手腕调节

图11 上躯干最终姿态

步骤 8

接下来进行下半身的定位，首先在Rotate界面中使用acetabulofemoral_joint_tree关节进行大腿的调整。同样建议使用交互式操作定义角度，能够实时看到大腿腿骨旋转的位置，更好的把握调整的姿态。另外，可以激活Both Legs选项，能够对左右大腿进行同等角度变化的旋转。

图12 大腿调节示意图1

图13 大腿调节示意图2

图14 大腿调节示意图3

步骤 9

首先是膝部定位，在定位完毕大腿位置之后，可以去到Biofidelic Moves中找对对应的Knee关节通过输入角度进行调整。在本示例中需要伸展膝盖以实现脚部放置在油门踏板的需求，所以输入了8°进行抬起。

图15 膝部调节

步骤 10

调整完膝部角度后，去到Rotate界面进行脚踝定位。找到acetabulofemoral_joint关节下面的talocrural_joint关节，该关节用于调整脚踝定位。通过三个不同的旋转轴运动能够很好的模型真实脚踝的运动情况。在本示例中对右脚踝的R轴输入-10°进行抬起，模拟右脚放置在油门踏板的操作。

重复步骤9、步骤10，即可完成左右腿部定位。

图16 脚踝调节

通过人体模型姿态调整工具实现的最终姿态如下，调整了脊柱和颈椎曲度，手部放置在方向盘并实现握紧姿势，脚部分别放置在油门踏板以及地板上面。

图17 最终姿态右侧图

图18 最终姿态正面图

图19 最终姿态左侧图

最后，定位完成后可以点击Output>Node Keywords输出单独的k文件，只包含最终位置的节点位置信息，方便用户通过Include文件的方式进行姿态的管理。或者点击 Save在ANSA中保存多体动力学关键字KIN_POSITION，可以在ANSA中自如的切换初始与当前位置。

图20 输出节点位置信息

图21 保存在ANSA的多体动力学关键字

总 结

ANSA 的 人体模型姿态调整工具 (HBM Articulation Tool) 得益于内置的先进网格变形算法以及多体动力学求解器的支持， 用户可以在ANSA中快速高效定位 HBM 并操控其肢体。可通过鼠标交互或数值输入实现操作。屏幕上的图形信息为用户提供完成任务所需的重要数据，如肢体的旋转轴、止动角度和当前旋转角度等。相较于传统预仿真方式，能够极大的提高工作效率，并且以十分精准且高生物逼真度的结果呈现，后续还可以配合ASNA其他工具处理与座椅之间的穿透接触。

作者 | 黄涛

BETA CAE 工程师