基于CATIA知识工程的车身总布置参数化人体模型

本文使用CATIA软件参数化及知识工程技术，将人体模型知识通过CATIA知识工程技术与人体模型产品融合起来，建立基于知识工程的车身总布置参数化人体模型，并给出了设计应用实例。结果表明建立的人体模型完全可以满足车身总布置设计的需要，提高了设计质量和设计效率，并在一定程度上实现了设计的智能化。

一、引言

在进行汽车车身总布置设计时，需要经常使用人体模型，建立一个反映常用人体尺寸、可以方便快捷地进行关节角度调整的参数化人体模型就显得十分重要。为适应设计开发的需要，CATIA软件集成了人体工程学设计与分析（Ergonomics Design & Analysis）内容，人体模型（Human Builder）也是其中基础性模块，但没有针对中国人体尺寸的人体模型设置选项，根据其中的三维人体模型直接生成二维图也存在一定的困难。

本文使用CATIA知识工程、参数化模块，结合汽车设计常用人体尺寸，建立了适用于汽车车身总布置的参数化人体模型，这一参数化模型可以应用于三维总布置设计及二维总布置图等汽车总体设计工作中。

二、CATIA知识工程与参数化技术

知识工程具有极其广阔的应用领域，最重要的应用之一就是与传统的CAX系统相结合。基于知识工程的CAX系统起源于20世纪90年代初的美国，最初通过与CATIA和ICAD软件相结合应用于波音公司的飞机冲压件设计中。知识工程使得CAD设计融入了领域专家的知识和经验，在不需要人工参与或很少参与的情况下，能快速、自动地根据用户的要求改变或产生新的设计方案，提高了设计品质。如今，经过十几年的发展，知识工程已成为CATIA软件系统的核心技术之一。

1.CATIA V5知识工程模块

CATIA V5 软件知识工程模块包括知识工程顾问（Knowledge Advisor）、知识工程专家（Knowledge Expert）、产品知识模板（Product Knowledge Template）、业务流程知识模板（Business Process Knowledge Template）、产品工程优化（Product Engineering Optimizer）、产品功能定义（Product Function Definition）和产品功能优化（Product Function Optimization）7个子模块。通过这些模块，用户可以方便地进行知识库的创建、使用等应用工作。

2.CATIA V5知识工程基本工具

表1是CATIA软件知识工程基本工具列表。这些基本工具包含在Knowledge、Reactive Features等工具条中，其中Knowledge工具条内嵌到其他设计模块中，设计人员不必切换到专门的知识工程模块即可直接使用。通过这些工具，就可以把产品设计的隐形知识转化成CATIA软件中知识工程模块可识别的显性知识，从而为知识工程模块使用这些知识打下了基础。

3.CATIA V5知识工程运用基本过程

在产品设计过程中，把与产品设计相关的所有信息收集起来，如行业标准、企业标准、设计规范、尺寸关联、尺寸约束、特征关联、设计经验、材料要求、制造工艺和同类产品信息等，并加以分类、抽象和改进，组成一个产品设计的知识库，通过定义体现产品特征知识之间依附关系和约束关系的知识规则，形成以知识驱动为基础的产品设计，从而实现产品的参数化、智能化设计。

CATIA知识工程模块是知识工程方法与CAD软件结合的产物。在产品设计中，可以将专业领域的设计知识通过表1所示的工具及CATIA知识工程模块，与CAD设计结合起来，实现产品设计的参数化、智能化。图1是基于CATIA知识工程实现产品智能化设计的基本流程。

基于CATIA知识工程的产品设计完成后，可以将其作为设计模板在后续的产品设计时多次重复使用。使用时，通过修改产品特征树（Specification）的产品参数值，就可以实时改变模型的尺寸和特征，通过知识工程模块引入的设计知识会检验模型是否符合设计要求，并及时与设计人员对话，对于不符合设计要求的参数设置，给出适当的建议，让设计人员对设计做出进一步调整，直到满足要求，从而实现产品的智能化设计。

三、车身总布置用人体模型知识

1.车身总布置设计用人体模型尺寸

车身总布置设计与人体尺寸有着密切关系。在进行车身总布置设计时，遵循“大多数人”的设计原则，以普通男子第95百分位（P95）人体尺寸和普通女子第5百分位（P5）人体尺寸作为设计依据。根据设计车型目标市场的不同，车身总布置设计常用的人体模型主要包括国家标准、SAE标准等。因此，用于车身总布置设计的人体模型尺寸相对固定。

2.汽车人体坐姿关节角度及舒适性范围

车身总布置设计必须考虑乘员的乘坐舒适性。人体乘坐的舒适和疲劳程度与坐姿关节角度关系密切。在车身总布置设计时，通常需要进行人体各关节角度的调整以获得舒适的人体坐姿。

图2是人体模型关节角度示意图，这些关节角度直接影响着人的乘坐舒适性。

舒适关节角度随车型不同而有较大差别。对于关节角度，不同文献给出的关节角度舒适值范围存在一定差异。经综合比较，轿车驾驶员推荐采用表2给出的人体关节角度舒适值范围。需要说明的是，对于不需要操纵车辆的其他乘员，乘员的舒适坐姿范围与驾驶员坐姿也存在一定差别。

四、基于CATIA知识工程的参数化人体模型的建立

1.人体模型肢体层次结构

由于车身总布置中使用的人体模型尺寸相对固定，而需要频繁改变、调整的只是人体的关节角度数值。因此，下面在建立人体模型时，主要针对影响车身总布置的人体各个关节角度，而人体尺寸不做参数化处理。

为实现人体各关节角度的参数化，首先将人体各部拆分开来，以躯干作为根节点，手、足作为末端节点。图3是拆解得到的人体模型肢体层次结构。

2.基于CATIA/GSD模块的参数化人体模型

根据人体模型层次结构，通过CATIA软件创成式曲面设计模块（GSD：General Shape Design）中的旋转（Rotate）命令，逐一定义相邻关节之间的角度关系。这样，借助CATIA软件，参数化人体模型建立起来，如图4。

通过CATIA/GSD模块中的旋转（Rotate）命令建立的旋转角度参数，就是用于调整人体姿态的关节角度。在进行人体姿态调整时，只要修改装配模型中各旋转（Rotate）命令的旋转角度参数取值，便可完成对人体姿态的调整和控制。

但这样的参数化模型，没有嵌入领域知识，还无法实现人体参数化智能化设计与控制。

3.基于CATIA知识工程的参数化人体模型

在已建立的人体参数化模型的基础上，完成基于CATIA知识工程模块的参数化人体模型的建立，具体过程如下。

（1）根据人体坐姿参数在模型中新建各关节角度参数，新建的参数将显示在特征树的参数（Parameters）中。

（2）通过公式（Formula）将新建的角度参数与肢体间的旋转角度联系起来，建立的公式显示在特征树的关系（Relations）中。

（3）使用产品知识模板（Product Knowledge Template）将人体模型特征及参数创建为用户特征（User Feature）。

（4） 将创建好的人体模型用户特征进行实例化（Instantiate）处理，再将人体关节角度的舒适范围（表2）定义为角度参数的取值范围（Range），实现对人体模型关节角度的知识工程控制。至此，基于CATIA知识工程的车身总布置参数化人体模型建立完成，如图5。根据这一方法建立的模型，不仅实现了人体关节角度的参数化，同时由于引入了领域知识，对于不在关节角度舒适值范围内的参数修改，模型将给出错误提示，实现了人体模型关节角度参数修改的智能化。

图5所示是使用以上方法建立的参数化二维人体模型。

图6是在进行参数修改时，模型由领域知识给出的报错信息提示。模型初始的背角为25°，设计者预修改为31°，因31°不在内嵌的领域知识要求的范围内（20°～30°），系统给出了报错提示，设计者当前的修改操作无效。

五、应用举例

在车身总布置设计时，将已建立好的参数化人体模型装配到整车坐标系下，根据车身结构布置调整人体模型位置，并进行人体关节角度的调整，可以完成人体坐姿的布置设计。使用基于CATIA知识工程建立的车身总布置参数化人体模型可以使人体坐姿的布置设计更加快捷高效。

图7是使用基于CATIA知识工程建立的三维参数化人体模型进行人体坐姿布置设计实例，由于事先参数化并嵌入了领域知识，设计者在使用时将更加快捷高效。

图8是建立的参数化模型应用于车身总布置二维图中的情况（为清晰起见省去了尺寸标注）。由于所建立的人体模型外形轮廓根据标准生成，布置设计完成后的二维人体模型可直接用于生成车身总布置二维图，避免了通过建模生成人体模型用于二维图不够美观的弊端。

实际使用表明，基于CATIA知识工程建立的参数化人体模型可以满足车身总布置设计中人体坐姿布置设计等的需要，由于模型中融入了人体坐姿舒适值范围的专家知识，从而实现了关节角度参数修改的智能化。

六、结语

本文总结了使用CATIA软件进行知识工程应用的基本方法，并使用此方法完成了车身总布置参数化人体模型的建立，并给出了其在车身总布置设计中的应用实例。由此建立的参数化人体模型完全可以满足车身总布置设计的需要，同时大大提高了设计的效率和设计质量，在一定程度上实现了智能化设计。

以上用于知识工程智能化的参数来自于单个文件（Part）内部，属于实体模型层（Partlevel）、特征层（Feature level）的参数。对于复杂产品设计，也可考虑使用装配设计方法，通过在零部件之间建立约束等方法形成参数，对装配模型层（Product level）的参数进行智能化实现。

文中阐述的基于CATIA知识工程的产品设计完全适用于其他产品的智能化设计。在传统CAD软件基础上，引入知识工程理念，将专家知识融入产品设计，实现参数化、智能化设计，从而提高设计开发效率和质量，必将成为一种趋势。