21世纪全国高等院校汽车类创新型应用人才
培养规划教材《汽车人机工程学》配套课件
课件制作：任金东
2010年9月
第七章 汽车人机工程虚拟仿真
目录
CATIA人机工程模块简介
人体模型的建立
汽车人机工程虚拟仿真
CATIA人机工程模块简介
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CATIA V5
• CATIA（ Computer Aided Tri-dimensional
Interface Application）是法国Dassault System公
司开发的世界主流的产品CAX/PDM/PLM一体化软
件系统
• 其集成解决方案覆盖几乎所有的产品设计与制造领
域
• CATIA V5版本是IBM和Dassault System在为数字
化企业服务过程中不断探索的结晶，对产品概念设
计、详细设计、工程分析、工艺和制造、以及产品
整个生命周期中的使用和维护提供了一整套解决方
案 4
CATIA人机工程模块
• CATIA V5中的人机工程模块是商业人机工程软件
Safework的简化版本
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CATIA人机工程模块
• 根据一般应用要求，分成了4个部分：
– 人体建模（Human Builder）
• 在虚拟环境中建立和管理数字人体模型，并对产品进行简单的
人机工程分析
– 人体模型尺度编辑（Human Measurements Editor）
• 通过对人体测量学参数进行编辑，使人体模型的尺度（群体、
性别、人体尺寸、质量）符合用户使用要求
– 人体姿势分析（Human Posture Analysis）
• 对关节自由度范围和当前姿势进行编辑，设置首选角度及其得
分，并对姿势进行分析和优化
– 人体活动分析（Human Activity Analysis）
• 对人从事某种工作的特定活动行为进行分析
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人体模型的建立
建立目标群体人体数据
建立用于分析的人体模型
设置人体模型的属性
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建立目标群体人体数据
• 在缺省情况下，CATIA人机工程模块中包含美国、
加拿大、法国、日本和韩国的人体数据
• 如果产品面向的目标群体是其他的国家和地区，
并且目标群体与上述国家的人体数据有明显差别，
则应该根据目标群体的人体数据建立人体数据文
件，并将其加入到CATIA系统中
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建立目标群体人体数据
第一步
•创建一个新人体数据文件（扩展名为
“.sws”），如：
第二步
•在人体数据文件中输入目标群体人体数
据特征
第三步
•将所建立的人体数据文件添加至CATIA
中
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建立目标群体人体数据
• 数据格式
– 每一个人群数据文件最多包含“MEAN_STDEV M”、“MEAN_STDEV
F”、“CORR M”、“CORR F”四个字段，字段后面为数据，其格式
为：
<人体尺度变量> <均值> <标准差>
<人体尺度变量1> <人体尺度变量2> <相关系数>
– 数据文件格式示例（表中人体尺寸数据的单位是cm）：
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MEAN_STDEV M
us100
MEAN_STDEV F
us100
CORR M
us2 us125
CORR F
us2 us125
END
建立目标群体人体数据
• 当人体数据文件已经建立之后，在CATIA主菜单中选择“工具”→“
选项”菜单，弹出选项对话框。单击“Safework\Human
Measurements Editor”选项，出现“Anthropometry”属性页
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建立用于分析的人体模型
• 进行产品的人机工程分析，建立合适的人体模型
至关重要
• 考虑一般应用情况，通常将群体分为男子和女子
两部分；对于每种性别，则根据身高的百分位、
坐高和腰围划分为不同的类型；据此建立一组用
于分析的人体模型
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建立用于分析的人体模型
• 典型情况下
– RAMSIS将每种性别的人分为5th、50th和95th百分位三
种身高（甚至是五种）
– 将坐高（躯干长度）分为高、中等、矮三种
– 将腰围分为大、中、小三种
– 单一性别的群体总共生成27个（或45个）人体模型
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建立用于分析的人体模型
• 当分析内容和目的明确的条件下，从中能够进一
步选出用于分析的人体模型，以减少分析工作量
• 例：分析轿车前方视野和头部空间
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分析内容
人体模型
性别 身高等级 坐高
前方视野
上视野 男 95th百分位 高
下视野 女 5th百分位 矮
头部空间 男 95th百分位 高
设置人体模型的属性
• 为了应用方便，以及功能上的需要，通常要设置
人体模型的属性
• 在CATIA图形界面内，鼠标右键单击产品树上的某
个人体模型，弹出右键菜单；选择“属性”菜单
项，弹出“属性”对话框
• 该对话框中的人体模型属性包括名称、外观颜色、
显示、视野、人体测量学、基准点、IK特性、关节
角度极限、首选关节角度、绑定等
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设置人体模型的属性
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属性项 内容和选项
显示
渲染选项 杆状肢体段、椭圆断面线、曲面、分辨率
视野显示 视线、视野、视锥
其它选项 显示重心、显示基准点
视野
视野类型 双眼、左右单眼总视野、左单眼、右单眼、立体
视野极限
水平双眼、水平左右单眼总视野、垂直上极限、垂
直下极限、视锥
视野距离 焦距
人体测量
学
人群 美国、加拿大、法国、日本、韩国
性别 男、女
身高百分位
体重百分位
IK特性
视线和头部 保持视线方向
脊椎 胸椎、腰椎
骨盆 水平移动、垂直移动、横向转动、纵向转动
优化 姿势得分、RULA得分
注视 手
平衡 骨盆运动
4.汽车人机工程虚拟仿真
人体模型的定位
姿势评估
其它分析
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人体模型的定位
• 人体模型的位置和姿势是影响工效分析结果的重
要因素
– 一方面，位置和姿势要根据设计参数来定位，并与设计
要求和意图相符，不合适的人体位置和姿势描述的作业
空间却与设计意图不符
– 另一方面，姿势的差异导致分析结果可能大相径庭，不
准确的姿势会使视野、操作力等分析结果和优化方向偏
离正确的方向
– 此外，姿势还必须与真人的姿势和习惯接近
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人体模型的定位
1. 自动定位
– 利用人体建模模块的“Vehicle Occupants
Accommodation”工具栏中
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建立布置
环境
乘员定
位
人体模型的定位
1. 自动定位
– 建立布置环境
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人体模型的定位
1. 自动定位
– 建立布置环境
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人体模型的定位
2. 手动定位
– 手动定位可以采用两种方法：正向运动学（Forward
Kinematics，FK）方法和反向运动学（Inverse
Kinematics，IK）方法
– 这两种功能的按钮位于人体模型姿势工具栏（Manikin
Posture）上
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人体模型的定位
2. 手动定位
– 正向运动学方法
– 方式1
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人体模型的定位
2. 手动定位
– 正向运动学方法
– 方式2
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人体模型的定位
2. 手动定位
– 反向运动学方法
在运用正向运动学方法调节姿势时，如果初始姿势和目
标姿势差别较大，则需要不断地反复调整肢体，比较麻
烦，这时可以利用反向运动学方法
反向运动学是给定末端肢体位姿，自动求解其它关节自
由度的方法。反向运动学功能按钮位于“Inverse
Kinematics”工具栏上
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人体模型的定位
2. 手动定位
– 反向运动学方法
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姿势评估
1. 姿势评估原理
– 姿势评估之前，首先定义要评估的身体部位各关节自由
度的首选角度（Preferred Angle）及其得分值
– 在评估该部位姿势的时候，CATIA姿势分析模块会根据
当前姿势下各自由度所处的角度及其分值进行插值和加
权运算，最后得出各部位的评估分数
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姿势评估
2. 首选角度的定义
– 选择CATIA的“开始”菜单，进入姿势分析模块。
– 单击关节角度限度（Angular Limitations）工具栏上的
按钮，选择人体模型上的相关肢体，就进入该肢体的首
选角度定义状态
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姿势评估
2. 首选角度的定义
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姿势评估
3. 姿势评估
– 鼠标单击姿势得分“Postural Score”工具栏的 按钮，
弹出姿势得分分析对话框。该对话框中能够以数值和直
方图两种形式显示出身体部位姿势的得分
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其它分析
• 在将人体模型定位好的基础上，还可以进行视野
分析、伸及能力分析、操作力分析等
• 这些分析内容与人体模型的姿势密切相关，姿势
稍有差异，分析结果可能差别很大
• 这些分析的具体操作并不复杂，可参照CATIA帮助
或者相关资料学习
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本章结束
