基于CATIA知识工程的人体模板模块设计

胡 蓉，贺 新

（东风汽车有限公司 商用车技术中心，武汉 430056）

基于CATIA知识工程的人体模板模块设计

胡 蓉，贺 新

（东风汽车有限公司 商用车技术中心，武汉 430056）

结合客车车身总布置的特点，以CATIA软件为设计平台，利用CATIA知识工程技术设计人体模板参数化模块，并作为标准通用工具供设计人员调用,使重复性的设计工作参数化、规范化，提高设计效率和质量。

CATIA；知识工程；人体模板；参数化；设计模块

汽车车身的布置、外形、结构对汽车的动力性、燃料经济性、乘坐舒适性、操纵稳定性和行驶安全性、汽车使用寿命及维修保养等都有直接影响[1-2]。因此，在车身总布置设计时，必须充分考虑基本的性能要求，满足良好的驾乘舒适性和安全性，并要尽可能地适合人体特性的要求[3-5]，所以车身布置尺寸的确定都是建立在人机工程学基础上的。

二维人体模板是目前人机系统设计时最常用的一种物理仿真模型[6]。例如，在进行车身布置设计时，可以采用第95百分位的大个子人体尺寸确定驾驶座椅调节量的上限，采用第5百分位的小个子人体尺寸确定其调节量的下限，从而使驾驶座椅的位置适用于第95百分位与第5百分位之间的90%的人群使用。

CATIA是目前汽车车身设计中最常用的三维设计软件。利用CATIA V5提供的二次开发接口，使用VB开发环境来创造标准件库应用程序，可以满足设计者的不同需求，设计灵活性大，容易运用；CATIA的参数化设计模式可以快速满足设计要求，缩短开发周期[7-8]。

本文主要介绍基于CATIA知识工程的人体模板库文件的设计方法及其在某客车车身总布置设计中的应用。

1 人体模板参数化模块设计

在客车车身总布置阶段，传统方法主要通过在CATIA/Product模块下插入预先绘制好的二维中国人体线图文件来进行总布置设计，然后手动调整人体线图状态（见图1）。这种设计方法存在以下几点不足：操作繁琐，设计效率低，难以形成通用化、系列化设计；文件零散，存储、调用不便；无法定义人体线图文件的插入原点，不能快速、准确定位人体线图的H点，需要进行移动、H点重合等反复操作，不易于构建人体线图与驾驶区布置之间的相互关联，难以实现参数化驱动和线图的特征定位；各尺寸人体线图模板文件中的活动关节角度无法精确调整，往往采用偏移、旋转等手动操作方法；调整时间长，定位不准确，不能及时、清晰地显示出人体线图的状态，可视性差。

因此，基于CATIA软件参数化、模块化设计的优越性，运用CATIA软件平台进行模块设计开发，以建立实用的参数化中国人体模板文件，可以有效地解决上述设计中的不足。现以人体模板侧视图为例，说明整个模块的开发流程。

1）绘制草图。在CATIA中创建一个Human-Model-2D-left.CATPart文件并保存，此文件由四个草图文件构成。这四个草图均以坐标系的原点作为人体模型的H点参考，依次参照文献[9]中给定的四个等级模板尺寸绘制。

2）建立角度参数。点击“Knowledge”工具栏上“公式（Formula）”命令，参照文献[10]建立角度参数（腕关节、肘关节、颈关节等），以及角度参数“大腿躯干线与水平线的夹角”。

3）建立草图中的角度驱动。分别将四个草图中活动关节的角度及“大腿躯干线与水平线夹角”与上一步所建立的九个角度参数对应。

4）建立参数“Curve.1”。点击“Knowledge”工具栏上“公式（Formula）”命令，建立参数“Curve.1”。

5）建立参数“人体百分位”。点击“Knowledge”工具栏上“公式（Formula）”命令，建立参数“人体百分位”，该参数取多值，对应四个等级百分位的人体模板。

6）进入“知识顾问（Knowledgeware Advisor）”模块。在CATIA界面选择“开始（Start）”菜单，点击“知识工程（Knowledgeware）”，选择“知识顾问（Knowledgeware Advisor）”模块。

7）建立规则“Rule.1”。点击“Reactive Features”工具栏上“规则（Rule）”命令，建立规则“Rule.1”，实现参数“人体百分位”值选取时的人体模板调用，见图2。

8） 建立参数“X-Point.H”、“Y-Point.H”、“Z-Point.H”。点击“Knowledge”工具栏上“公式（Formula）”命令，建立参数“X-Point.H”、“Y-Point.H”、“Z-Point.H”，三坐标用以定义草图原点，也即人体模板的H点。

9）建立坐标系原点三坐标X、Y、Z值的参数驱动。进入“公式编辑（Formula Editor）”界面，建立坐标系原点X、Y、Z值与参数“X-Point.H”、“Y-Point.H”、“Z-Point.H”之间的对应关系，实现人体模板文件调用时准确定位插入点的功能。

10）设定角度参数的取值范围。根据文献[10]中人体模板关节角度的调节范围，设定各角度参数的取值范围，见图3。

11）创建 CATIA文档模板。点击“插入（Insert）”菜单，选择“知识工程模板（Knowledge Templates）”，点击“文档模板定义（DocumentTemplate…）”命令。

12）发布参数（Published Parameters）。在“文档模板定义”窗口中，单击“发布参数（Published Parameters）”选项卡，选择发布如下4个参数，见图4。

13）保存文档模板为Catalog文件。点击“开始（Start）”选择“知识工程（Knowledgeware）”模块，访问“产品知识模板（ProductKnowledge Template）”工作台，单击“保存在目录中（Save in Catalog）”命令，选择文件存储位置并确定。

在进行人体模块开发时，要注意以下4个主要方面：

①三视图的草图绘制均以坐标系原点作为人体模板H点参考，并与建立的点坐标参数一一对应，实现人体模板文件调用时的准确定位功能。

②建立的“人体百分位”参数，参数取多值，分别对应四个等级百分位的人体模板（人体模板按照身高尺寸不同分为四个等级，一级采用女子第P5百分位身高；二级采用女子第P50百分位身高与男子第P5百分位身高重叠值；三级采用女子第P95百分位身高与男子第P50百分位身高重叠值；四级采用男子第P95百分位身高[9]），实现参数“人体百分位”多值选取时的对应人体模板调用。

③根据文献[10]中人体模板关节角度的调节范围，设定角度参数的取值范围，实现对活动关节角度输入值进行校验和超出范围提醒并修正的功能。

④各百分位的三视图人体模板文件集成为CATIA模块，供设计人员调用。

2 人体模板参数化设计模块的应用

1）调用模板。运行CATIA软件，单击“Catalog Browser”命令，选择Catalog文件存储目录，调用“Human-Model-2D-left.Catalog（人体模板侧视图）”文件。

2）输入参数。在图5所示界面中输入H点坐标（0，0，0），选择“人体百分位”参数值为 95%（四级人体模板），完成对应等级人体侧视图模板文件的插入。

3）点坐标参数驱动。进入零部件设计界面，根据初步驾驶区综合布置定义，R点坐标（40，-585，690），输入新参数值，人体模板定位驱动，使人体模板H点与R点位置重合，见图6。

4）“人体百分位”参数多值选取。通过选取“人体百分位”参数的不同参数值来调用不同等级百分位的人体侧视图模板，5%为一级人体模板，50%-male为三级人体模板等。这样简化了客车车身总布置设计中繁琐重复的操作过程，使用方法简单、清晰，设计者工作效率得到了提高。

5）角度参数驱动。通过输入特征树上的角度参数值，实现人体侧视图模板中活动关节的参数化驱动。图7为肘关节角度为130°的驱动示图。

6）角度输入值超出范围提醒。如果出现角度参数的输入值超出设定范围，即不满足文献[10]中规定的情况时，CATIA会自动提醒设计者，并弹出确认对话框。以肘关节角度参数输入值为例，文献[10]要求的范围是60°～180°，如果输入值为250°，则会弹出图提醒界面。

以上为CATIA人体侧视图模板的使用操作步骤，人体正视图模板和人体俯视图模板的使用步骤相同。

3 结束语

基于CATIA知识工程技术，结合参数化设计功能，制作中国人体尺寸的参数化设计模块，作为标准工具供设计人员调用，达到规范设计过程的目的。CATIA人体参数化设计模块调用简捷、方便，可以实现定位点特征定位、不同等级百分位人体模板的选取调用和人体各活动关节的参数化驱动功能，同时模板文件的特征树简洁明了地显示出人体线图的状态参数。其中人体模板百分位、各活动关节角度值等可读性强，能较大程度地提高客车总布置人机工程设计效率和设计准确性，缩短开发周期，并快速适应多样性的客车市场需求。

[1]羊拯民.汽车车身设计[M].北京:机械工业出版社，2008.8.

[2]黄金陵.汽车车身设计[M].北京:机械工业出版社，2007.9.

[3]成艾国，沈阳，姚佐平.汽车车身先进设计方法与流程[M].北京:机械工业出版社，2011.4.

[4]张志军.汽车内饰设计概论[M].北京:人民交通出版社，2008.9.

[5]王望予.汽车设计[M].北京:机械工业出版社，2004.8.

[6]周一鸣，毛恩荣.车辆人机工程学[M].北京:北京理工大学出版社，1999.12.

[7]曹岩.CATIA V5R15曲面建模实例精解[M].北京:机械工业出版社，2006.1.

[8]王智明，杨旭，平海涛.知识工程及专家系统[M].北京:化学工业出版社，2006.4.

[9]GB/T 15759-1995，人体模板设计和使用要求[S].北京：中国标准出版社，1995.

[10]GB/T 14779-93，坐姿人体模板功能设计要求[S].北京：中国标准出版社，1993.

修改稿日期：2012-11-25

Module Design of Human Templates Based on CATIA Know ledge Engineering

Hu Rong,He Xin
(Commercial Vehicle Technical Center of Dong feng Motor Co.,Ltd,Wuhan 430056,China)

Combining the features of bus/coach body general arrangement,the authors take the CATIA software as a design platform and use the CATIA knowledge engineering technology to design the parametric module of human templatesasa genaral standard tool for designers to beadopted in order to make the repetitive design work parameterized and standardized and improvedesign efficiency and quality.

CATIA;knowledgeengineering;human template;parameterzation;designmodule

TB472

A

1006-3331（2013）02-0004-03

胡 蓉（1985-），女，工程师；研究方向：客车车身技术。