基于SolidWorks的三维人体建模及座椅舒适性分析

    座椅的结构形式和几何尺寸对乘坐的舒适性有很大影响，借助三维人体模型可辅助设计、优化舒适座椅的结构形式、几何尺寸以及调整其他参数等。随着CAD技术的发展，三维人体模型在众多领域有了越来越广泛的应用。例如：路宁等采用Dirichlet自由变形的方法建立由尺寸驱动的人体模型建模的方法，用于解决服装领域中由多种尺寸和形体特征等引起的问题。唐利芹等以NX、3D-max为造型软件建立面向工业设计的人体模型参数化系统，用于检测赛车驾驶室与人体尺寸是否协调。李燕等应用基于Geomagic的三维人体建模技术，在非接触测量技术基础上快速构建个性化三维人体NURBS曲面模型，应用逆向工程软件Geomagic Studio实现快速建模，用于满足服装业对人体模型精度和利用效价的要求。胡敏等应用B样条曲面拟合方法，提出一种基于特征的人体模型网格曲面造型方法以及基于特征的参数化设计思想构建三维人体模型。

    为满足座椅几何舒适性的分析要求，三维人体模型应能较为精确地模拟人体的体型和座椅上的坐姿。这就要求在三维CAD平台上建立的人体模型与实际人体比较起来，既能保证几何尺寸和外形上相似，又能较好地模拟人体的基本几何运动（约束）关系。除此之外，三维人体模型能与座椅CAD模型进行几何匹配，模拟人体在座椅上的实际坐姿。在此基础上，通过提取人体模型坐姿下的各关节角度，即可实现座椅几何舒适性的分析与评价。

1 人体模板及人体结构模块划分

    1.1 二维人体模板

    参照中华人民共和周国家标准GB/T14779-93——坐姿人体模板功能设计要求，人体二维模型简单划分为由头部、上躯干、下躯干、上臂、前臂、手部、大腿、小腿和脚部共九个表示肢体的模板组成。各肢体模板之间以铰接的方式进行连接，图1为人体结构的模板侧面示意图，其中S1～S8为上述划分的人体模板中各肢体之间的连接位置以及应用铰接的连接方式，细实线为人体各肢体模块模型中各自的基准线。

    图1 人体模板侧面示意

1.2  三维人体模型的基本结构划分

    类比二维人体模板的结构划分，参照中国成年人人体尺寸，将三维人体模型同样划分为头部、上躯干、下躯干、上臂、前臂、手部、大腿、小腿和脚部9个组成部分，并以特征造型的方法构建这些模块。图2所示为三维人体模型基本结构划分的拓扑结构图。图2中，实线表示为三维人体模型中各肢体功能模块之间的连接顺序，且各肢体功能模块之间均以球铰接的方式进行连接；虚线所指的是三维人体各肢体功能模块在中分别是基于何种特征进行的造型。例如：(1)头部应用曲面放样造型；(2)上躯干和下躯干应用实体放样造型；(3)前臂、上臂、大腿、小腿应用具有一定拔模度的拉伸造型；(4)手部和脚部应用基于放样特征的形象造型。同时参照图1中的基准线，在建模的过程中添加人体各肢体功能模块各自的基准线和基准面。