人体建模（精选4篇）
人体建模 篇1
0引言
Pro/E软件提供的自顶向下设计方法,是按照产品的功能和要求构建顶层基本骨架,让数据从顶部模型传递到底部模型的过程。因为零部件的尺寸与产品总体框架之间存在各种约束关系,所以产品的参数化设计通过改变已经被参数化了的总体框架来控制零部件相关尺寸发生对应变化[1]。骨架模型一般按照每个零部件在空间中静止或运动时的特定相对位置而绘制,相当于形成产品装配的基本框架,设计好骨架模型之后再利用结构图装配各个零件,或者直接在组件模式中参照着骨架模型来创建需要的零件。这样就可避免不必要的装配限制条件的冲突,达到参数化建模的目的。
1骨架模型的定义
所谓骨架模型是指在产品的设计阶段根据产品的功能要求把总体框架、参照基准、布局和约束关系抽象出来,以此反映出零部件的空间位置、拓扑关系和装配关系。骨架模型通过对参数、参数约束和零部件装配约束的控制完成产品的设计,并由Pro/E“几何发布”功能实现设计参照。
本文运用Pro/E的骨架建模功能,从人体结构着手,以骨架模型为数据传递的载体,建立参数化人体模型,为人机工程领域提供新的设计方法。
2人体骨架模型的构建
2.1 人体结构分析
在人体模型创建过程中,由于人体的复杂和灵活性,直接使用人体骨架模型(如图1所示,圆圈部位为人体主要关节点)比较困难[2]。但如果将人体简化成头部、上臂、前臂、手部、大腿、小腿、足部与躯干这8个部分和主要的关节点,分别建立肢体模型,再使用骨架作为装配的定位基准进行装配则比较容易。如图2所示,人体骨架模型由15个关节点、14个部分铰接组成。
2.2 人体模型的构建
2.2.1 人体尺度的选择
人体尺度即人体尺寸,一般根据直接测量出的人体数据经数理统计原理分析后得到,其主要内容是人体高度与各部分肢体长度、重量及所占的三维空间[3]。1989年中国标准化研究院根据一定的抽样方法通过手工测量、随机采样等方式,采集了两万多份成年人人体尺寸数据,并以此基础制定了《中国成年人人体尺寸》GB10000-88标准[4]。该标准对测量样本在性别上分为男、女;在年龄段上分为 18岁～25 岁(男、女),26岁～35 岁(男、女),36岁～60岁(男),36岁～55岁(女);在测量项目上包括人体主要尺寸、立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸、人体水平尺寸、人体头部尺寸、人体手部尺寸、人体足部尺寸等。
2.2.2 百分位数的选择
百分位Pv是一个界值,表示有v%的样本的身体尺寸等于和小于给定值[5]。例如,中国成年人女子身高第95百分位数为165.9 cm,它表示这一年龄组中身高小于和等于165.9 cm者占95%,大于此值者占5%。GB10000-88中将测量数据分为P1、P5、P10、P50、P90、P95、P99共7个百分位数,人们经常用到的有P5,P50,P95。本课题中建立人体模型的数据来自于我国 18岁～60岁成年男性第50百分位的人体测量数据,所用到的相关尺寸见表1。
由于同性之间不同百分位的人体尺寸差距很小,反映在人体模型上的视觉比较不够明显。为与后面人体模型参数化设计后再生成的人体模型对比,同时列出相同百分位的女性人体测量数据作为参照对比,见表1。
2.3 骨架模型设计
(1) 在Pro/E组件模式下创建类型为“骨架模型”的元件,子类型为“标准”,名称为 “HUMANBODY_SKEL”。
(2) 在组件界面模型树上选择 “HUMANBODY_SKEL.PRT” 图标并打开,系统进入“HUMANBODY_SKEL”界面。
(3) 选取草绘工具,在草绘界面下绘制如图3所示的人体骨架模型。骨架模型关键点及其人体测量项目的对应情况见表2。
(4) 在下拉菜单中选择【工具】→【参数】,Pro/E弹出“参数”对话框,输入相关参数:HEAD=223,NECK=88……
(5) 在下拉菜单中选择【工具】→【关系】,Pro/E弹出“关系”对话框,在系统界面点击骨架模型,工作区出现了尺寸代码如:d0、d1等。输入关系如d0=HEAD、d1=NECK等。
(6) 在下拉菜单中选择【插入】→【共享数据】→【发布几何】,Pro/E弹出“出版几何”对话框,在“链”栏选取草绘曲线;在“参照”栏依次选取各基准面、坐标系、“PNT0”到“PNT20”的所有关键点,点击“确定”,看到模型树上出现“出版几何 标识86”,骨架模型创建完成。
3人体模型的生成与再生
3.1 人体模型的生成
(1) 在Pro/E组件模式下创建新元件,元件类型为“零件”,子类型为“实体”,名称为“HEAD”,激活并打开“HEAD.PRT”。
(2) 选择【插入】→【共享数据】→【复制几何】,打开已保存的骨架模型“HUMANBODY_SKEL.PRT”,“HEAD.PRT”系统工作区出现了骨架模型,模型树上出现了“外部复制几何 标识1”,骨架模型复制完成。
(3) 以“FRONT”面为草绘面,“RIGHT”面为参考面,参照骨架模型的轮廓线、基准点“PNT0”和“PNT1”,根据国标中头围的数据绘制人体头部草绘,并旋转360°,创建出头部模型。
(4) 用以上方法设计人体其他部位。
(5) 人体模型构建完成后的装配模型见图4(a),为第50百分位的男性人体模型。
3.2 人体模型的再生
(1) 在组件模式下的模型树上“激活”骨架模型文件“HUMANBODY_SKEL.PRT”,选择【工具】→【参数】,根据表1用于人体建模的女性人体(18岁～55岁)主要尺寸选用P50的人体测量数据,在“参数”对话框中依次对HEAD、NECK、SHOULDER、UPPER ARM、LOWER ARM、HAND、THIGH、CALF、FOOT的值进行修改,点击再生模型按钮并保存。
(2) 在组件模式下点击再生模型按钮,P50的女性人体模型见图4 (b)。比较图4(a)、图(b),可明显看出更改数据后人体模型身体躯干部分发生的变化。
4结论
(1) 本文采用自顶向下的设计方法,建立骨架模型,体现了产品设计过程中装配体内各零部件之间的空间关系。通过对骨架模型信息的修改可以自动更新零部件尺寸,实现了人体模型的参数化设计和模型的再生。
(2) 本文中人体尺寸的统计数据是根据相关标准构建的,尺寸不够全面,本文只是抛砖引玉介绍基于骨架模型的人体建模方法。通过大量人体数据的采集和处理可以建立更精确的人体模型,并应用在人机工程学领域中。
参考文献
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人体建模 篇2
无人机在军事上的成功应用, 使各国都清楚认识到其在未来高技术战争中的重要地位和巨大的市场潜力。专家预言, 无人机将成为新一代武器系统, 在战争中起到举足轻重的作用[1]。
2国内无人机系统存在的问题及人体建模技术
通常, 典型无人机系统包括:无人机、任务载荷、综合测控、情报处理和综合保障等系统。综合测控系统是整个无人机系统的核心, 主要由地面控制站、传输数据链和机上综合管理系统组成。
2.1地面控制站存在的人机问题
经过实践经验评估和调研发现以往地面控制站的设计考虑重点都放在了电子系统方面, 对人机工程方面的考量不足;同时对于操作员来说, 面对价值数千万元的无人机系统以及长航时带来的繁重操作, 如果没有很好的考虑人机工程方面的因素, 无疑将不能很好的发挥出无人机的巨大功效。
2.2基于中国人体参数的CATIA人体建模技术和应用
目前, 由于航空领域使用的CATIA软件源于国外开发, 因此在其人机功效模拟仿真模块中的人体数据库没有中国人体尺寸数据, 因此急需探索建立中国人体数据库便于模拟仿真。
在CATIA中建立具有中国人特征的人体模型就必须根据我国国标GB3975-83《人体测量术语》中所规定的需要测定点和测量项目, GB5703-85中规定的人体测量方法获得的数据建立中国人体的数据库[2,3,4]。CATIA建立人体数据库有独特的建立规则, 人体数据库文件是由一个关键字开始再由一个关键字结束。一个人群文件最多可能包含四段数据, 每段数据的关键字为:
MEAN_STDEV M男性人体尺寸
CORR M男性某一人体尺寸相对另一尺寸的百分比
人体数据主要包括人体某一尺寸的平均尺寸和标准差。所以在CAITA的数据库的输入规则是:
出现在人群文件中的所有长度值都是用厘米做单位, 所有的重量值都用千克做单位;而且在人群文件中的关键字是区分大小写的。
中国人男性人体尺寸文件的数据如下:
CATIA的中国人体数据库建立好之后, 就可以在CATIA人体数据库中增加中国人体数据库了, 如图1所示。
图2所示中/美第50百分位人体模型对比, 通过建立的中国人体模型库可以方便直观的看出二者之间的区别;有了基于CATIA的中国人体模型就可以较为真实的评价设计的人机特性。
3结束语
面对无人机产业在军民用方面的蓬勃发展, 提出了中国人体模型的建立方法并在CATIA人机功效模块中得以运用, 将可以更为准确的针对中国人体尺寸数据设计出令人满意、舒适的产品。
摘要：面对国内外无人机产业的蓬勃发展和广阔的运用前景, 根据实践经验评估和调研提出了地面控制站核心目前存在的问题, 同时提出了中国人体模型的建立方法并在CATIA人体数据库中得以验证。
关键词：无人机,人机功效,建模
参考文献
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[2]GB5703-85.国家标准局.人体测量方法[S].中华人民共和国国家标准, 1985.
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人体建模 篇3
关键词：人体穴位,UML,学习系统,经络
1 引言
面向对象的软件开发方法的出现为现代软件系统开发带来了曙光。统一建模语言(unified modeling language,UML)是一种面向对象的建模语言[1],它的主要作用是帮助用户对软件系统进行面向对象的描述和建模(建模是通过将用户的业务需求映射为代码,保证代码满足这些需求,并能方便地追溯需求的过程),它可以描述这个软件开发过程从需求分析直至实现和测试的全过程。UML通过建立各种联系,如类与类之间的关系、类/对象怎样相互配合实现系统的行为状态等,来组建整个结构模型。UML提供了各种图形,比如用例图、时序图、类图、协作图和状态图等,来把这些模型元素及其他关系可视化,让人们可以清楚容易地理解模型,并从多个视角来考察模型,从而更加全面地了解模型,这样同一个模型元素可能会出现在多个UML图中,不过都保持相同意义和符号[2]。UML融合了众多面向对象的建模语言的长处,并通过修改解决在实际应用中发现的问题,在系统的分析和设计中对项目开发、团队的交流起到非常重要的作用[3]。
据粗略统计,人体重要的穴位就有365个,无论多么专业的人都无法全部熟记这么多穴位的名称,同学们学习起来更是感到非常困难。在我们传统的教学中,老师只是在课堂上机械地讲述、示范或者观看模型等,学生只是被动地接受,无法积极主动地进行学习演练,因此,教学效果难以保证[4]。鉴于此,设计一种结构简单、价格低廉、经济实用、易于普及推广的人体穴位学习系统软件就显得非常重要了。
2 系统分析
本文将UML建模方法贯穿系统需求分析和设计的全过程,开发了一种人体穴位学习系统软件,该系统能有效地调动学生学习的积极性和主动性。
该系统在人体穴位教学中具有学习模式和练习模式等2种模式:学习模式可以利用人体穴位学习系统准确标示300多个常见针灸推拿穴位,使用者只需要通过鼠标控制,点击其上的穴位点,即可方便地了解相应穴位的定位、局部解剖、主治和操作,使腧穴学习更直观形象,使抽象问题形象化、简单化;练习模式可以使学生在虚拟的环境中扮演一个角色,全身心地投入到学习环境中去,可以做各种操作训练。由于虚拟的训练系统无任何危险,学生可以不厌其烦地训练直至掌握技能为止。
2.1 人体穴位学习系统用例图
用例图(use case diagram)展示了各类外部行为者与系统所提供的用例之间的连接[5]。一个用例是系统所提供的一个功能(或者系统提供的某一特定方法)的描述,行为者是指那些可能使用这些用例的人或外部系统,行为者与用例的连接表示该行为者使用了哪个用例[6]。人体穴位学习系统的用例图如图1所示。从绘制的用例图中可以明晰系统中概念性的类及它们之间的相互关系。
2.2 人体穴位学习系统主要时序图
时序图用来说明几个对象之间的动态协作关系,用来显示对象之间发送信息的顺序、对象之间的交互。时序图能很好而准确地描述系统执行的某一特定时间点所发生的事[7],为以后的系统实现打下良好的基础。
人体穴位学习系统中经络学习时序图描述的工作过程:首先用户浏览经络目录树,选择一个经络节点,系统监听用户请求,然后显示相应的经络图与经络说明。经络学习时序图如图2所示。
人体穴位学习系统中学习模式时序图描述的工作过程:首先用户浏览经络目录树,选择一个局部经络节点,系统监听用户请求,显示相应的经络图与提示点击穴位信息,然后用户点击图上的穴位点,系统监听用户请求并验证穴位是否命中,然后显示该穴位的介绍说明。学习模式时序图如图3所示。
人体穴位学习系统中练习模式时序图描述的工作过程:首先用户浏览经络目录树,选择一个局部经络节点,系统监听用户请求,显示相应的经络图与提示点击图像开始练习信息,用户点击图像,系统监听用户请求并随机显示图上一个穴位说明,用户点击图上穴位,系统监听用户请求并验证该穴位是否与说明相符,最后显示结果。练习模式时序图如图4所示。
3 系统设计
3.1 经络穴位分类结构图
人体五脏六腑的“正经”经络有12条,加上身体正面中央的“任脉”、背面中央的“督脉”各有1条特殊经络。这14条经络[8]上所排列着的人体穴位,称为“正穴”,全部共有365处[9]。本系统设计就是基于这14条经络,并把每条经络分成不同部位,然后再对每个部位的穴位一一介绍。系统经络穴位分类结构图如图5所示。
3.2 类图
类图是利用图示和文字注释描述类以及类和类之间相互关系的方法,用于建立类、类的内部结构(类的属性和方法)以及类与类之间的各种关系模型,它是一种对静态结构的描述[10]。人体穴位学习系统类图如图6所示。
4 系统实现
系统测试依据的系统应用工作流如下:
(1)经络学习
在目录树中显示经络名称,点击经络名称,在图像组件和文本框中会详细显示经络图与经络介绍说明。
(2)穴位学习
在目录树中显示经络的局部部位名称,点击该名称,在图像组件中会显示经络的局部图,在文本框中会提示:用鼠标点击图上穴位以学习对应的穴位介绍。
(3)穴位练习
点击菜单栏上的模式按钮,选中练习模式,点击目录树中显示的经络局部图,在图像组件中会显示经络的局部图,文本框中会提示:用鼠标点击图像开始练习。用鼠标点击图像,文本框中显示图中的一个穴位介绍。用鼠标点击与介绍对应的穴位,系统会判断该操作是否正确。
测试用例一:鼠标点击目录树的足阳明胃经经穴,测试结果会显示足阳明胃经经穴图与经络说明,测试结果如图7所示。限于篇幅,其余用例不再赘述。
5 结束语
本文对基于UML的人体穴位学习系统进行了详细系统分析,设计了各个环节的用例图、时序图等。所开发的人体穴位学习系统为学生、医务工作者及相关爱好者提供便利而且有效的人体穴位学习工具。用户可以进行弹性化的穴位学习,即可以选择自己想要学习的经络穴位来学习;可以进行交互式的穴位学习,能增强用户穴位学习的“投入”感和积极性;可以进行反馈式的穴位学习,使用户不再拘泥于单纯的“死记硬背”式学习;系统结构简单,功能实用,易于普及与推广。该系统能充分体现我国传统中医药的国际化发展趋势,为人类医学和健康的发展贡献一份力量,具有重要的实际应用价值。
参考文献
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人体建模 篇4
脊柱侧凸是指脊柱的一个或数个节段侧向弯曲伴有椎体旋转的三维脊柱畸形。青少年特发性脊柱侧凸(Adolescent Idiopathic Scoliosis,AIS)在脊柱侧凸发病中所占比例最高,严重危害青少年的身心健康[1]。发病与矫形治疗的生物力学机理及矫形治疗方案优化一直是医工界专家、学者研究的热点问题之一[2]。
本项目研究了一种建立脊柱侧凸模型的简化方法,该模型包括胸椎、腰椎及椎间盘等结构,该建模方法通过提取两张X线片(正位片、侧位片)中椎体的特征点,获取脊柱侧凸的基本信息,通过CAD软件建立脊柱侧凸的个性化几何模型,在ANSYS软件前处理平台上构建AIS患者的胸椎T1~T12、腰椎L1~L5及骶骨的三维有限元模型,为侧凸脊柱的生物力学特性研究及治疗方案的生物力学优化提供数值分析平台,为基于患者侧凸脊柱应力应变进行手术决策和支具设计提供支持。
2 材料和方法
2.1 材料
本研究的对象为一患有脊柱侧凸的男性青少年,16岁,侧凸类型为AIS(KingⅢ型)单胸凸。上海市第九人民医院提供两张X线片,即正位片(P-A 0°)、侧位片(LAT),其中X线片的放大率为3。
2.2 方法
用Getdata软件半自动提取每张X线片(见图1(a))中每个椎体的标志点,如图1(b)所示点1~8。以尾椎(S1)上端板面的中点为原点建立如图1(b)所示坐标系[3],其中XOZ平面位于矢状面上,YOZ平面位于冠状面上。
2.2.1 脊柱三维中心曲线的建模
由于X线片的放大率为3,则定义每个椎体中心的三维坐标(Xcn,Ycn,Zcn)为:
理论上,椎体中心的纵坐标基于两种不同的自变量应有两组不同的值,本研究在统计学上对两个不同的Zcn进行计算比较,得出由两组不同的Zcn差值的范围、均值和标准差分别为:0.998~1.000,0.999,0.001。因此,从侧面片计算出Zcn的坐标值和正位片计算的Zcn的坐标值可以近似认为相同,在本研究中Zc取两者的平均值。
以由等式(1)计算出的每个椎体的中心点为控制点,运用CAD软件的曲线功能,获得3次B样条曲线,即得到该侧凸脊柱病例的三维中心曲线,该曲线在冠状面及矢状面上反映了脊柱侧凸的弯曲特征。
2.2.2 脊柱的每个椎骨的建模
在定义了脊柱的整体特征之后,需要建立每个椎骨的模型。根据脊柱椎体的解剖学知识,每个椎骨都由前方的椎体和后方的椎弓两部分组成。椎体位于脊椎前部,似肾形或心形,是脊柱承受载荷和自重的主要部分,至上而下,椎体逐渐增大增厚。椎体的核心是松质骨,松质骨外围是坚而硬的皮质骨,椎体的上下面称为椎体终板,用来连接椎间盘。
每个椎体的解剖学上的几何参数包括前后径、左右径、高度、椎弓长度、宽度、横突总长和角度、棘突长度和角度等。青少年椎骨的几何尺寸可以从文献中获得统计学数据[4,5,6,7]。根据椎体的形状,前面椎体部分用椭圆体来模拟,长轴为椎体的左右径,短轴为前后径,椭圆体高为椎体前后高度的平均值。计算椭圆体与统计学上的相应椎体部分的体积比,如表1所示。因体积比平均为80%以上,能够较准确地反映椎体的形状,所示,可以认为椎体部分用椭圆体模拟是合理可行的方法。
椎弓由后部结构组成,主要限制椎体阶段的运动范围。Panjabi[6,7]等曾测量椎弓的长度及宽度,椎弓的模型则用方形结构模拟。该结构虽然不能仿真精确的解剖学特征,但是在该研究中,椎弓主要作用为连接横突和棘突,因此,是可以接受的。Panjabi等曾测量过横突和棘突的相关几何尺寸[6,7],而在横截面上横突的角度和矢状面上棘突的角度可以在人体解剖图谱中获得。
因此,根据以上的椎骨的几何信息,建立每个椎体的几何模型。因为每个椎体的结构具有相似性,只需设置每个椎体的一些几何参数,就可以方便快捷地建立其模型。典型腰椎的几何模型如图2所示。
2.2.3 侧凸脊柱的几何建模及有限元建模
建立了每个椎体的几何模型之后,然后将每个椭圆体的中心与上述计算而得的椎体中心坐标重合,分别在两张X线片中,测量每个椎体与水平面的夹角,并在CAD三维软件中将每个椎体模型旋转变形,得到整个侧凸脊柱的几何模型,如图3(a)所示,其中没有显示韧带和椎间盘。
将获得的几何模型在ANSYS前处理平台中进行网格划分,建立脊柱的有限元模型,如图3(b)所示。选择椎体、后部结构及椎间盘单元类型为8节点的实体单元。椎体外表面用一层壳单元(shell)来模拟皮质骨,参照相关文献[8]在椎体相应位置添加韧带,用索单元模拟韧带。所有材料均假设为各向同性、均匀连续的线弹性材料。明确各单元的材料性质,赋予各组织相应的材料参数(如表2所示)[8],对整个模型采取半自动网格划分模式进行网格划分,共得到体单元32 604个,壳单元4 931个,柔索单元62个。
根据脊柱的解剖学特点及佩戴支架时脊柱的受力特点,在骶骨的两侧施加约束,约束骶骨靠近髂骨处的平面的所有自由度。对T1施加约束,限制住T1椎体XY方向的自由度。
3 有限元模型在脊柱侧凸中的应用
脊柱侧凸的支具治疗的作用机制是利用生物力学3点或4点力矫正规律,通过支具内部的衬垫在畸形的突出部位施加外力,将侧凸脊柱推向正常的位置。支具的应用能减少侧凸畸形软骨终板的不平衡负重,减轻不平衡生长,对畸形控制起长期作用,从而矫正畸形,对变形较大的侧凸脊柱,常采用内固定支架进行矫正。
在本研究中,利用上述建立的有限元模型,模拟实际临床支具矫正的作用力的大小和方向,并结合临床肋骨对脊柱的作用力,选择矫正力作用点,对所建立的脊柱侧凸的有限元模型进行力学矫正。目前,特发性脊柱侧凸患者应用3种标准束带张力(20、40、60 N)。对于右胸凸,束带张力可以增加至60 N。考虑患者的承受能力,我们对模型施加60 N横向矫正力,观察侧凸脊柱应力分布情况及变形情况。
4 结果与讨论
本研究利用两张X线片成功建立了特发性脊柱侧凸的有限元模型。本模型包括了胸椎T1~T12,腰椎L1~L5以及骶骨,根据人类脊柱的解剖特点,模拟了椎体的皮质骨、松质骨、纤维环、髓核、韧带、横突、棘突等结构,整个模型单元划分采用了3种单元类型,4种材料性质,模型形态与人体脊柱解剖形态有很好的几何相似性,根据佩戴支架的受力特点,对该模型施加60 N的横向载荷,其矫正效果及应力云图如图4所示。整个椎体上的最大应力为43 MPa,最大应力是由于加载点的应力集中引起的,与实际情况存在区别,根据圣维南原理,加载引起的应力集中效果只是局部的,而在其他地方可以忽略这些局部影响。
可见,横向矫正力对脊柱侧凸有很好的矫正效果。本研究还将利用该模型,计算脊柱在受到纵向撑开力及矫正力偶时的矫正效果。
在本模型中,由于忽略了小关节的作用,可能给结果带来一定的影响。有文献记载[9],当人体在放松直立时小关节能承受16%的载荷,Yang[10]等的研究也显示正常小关节能承受脊柱3%~25%的压缩载荷。因此,本研究将进一步研究致力于小关节的建模并考虑肋骨传递力的效果。
5 结论
本研究所建立的整个侧凸脊柱的简化模型,相对于用CT断层扫描数据的建模方法,很大程度上缩短了建模时间及计算时间,且由于该建模方法仅拍摄正、侧位X线片,很大程度上减少了CT扫描对患者的辐射,使得临床引用更加方便、快捷及合理。对该模型进行完善,添加小关节的作用及肋骨传递力的作用,可用于脊柱侧凸的力学矫正方案优化研究,矫正机理的探讨,为矫形支具设计提供理论研究支撑。
摘要：目的:研究一种快速建立脊柱简化模型的方法,并对此进行矫正受力分析。方法:通过正位X线片和侧位X线片,提取脊柱的解剖学上的特征,并结合脊柱统计学的知识,重建脊柱三维模型。结果:成功建立了整个脊柱包括胸椎(T1～T12)、腰椎(L1～L5)及骶骨的几何模型及有限元模型,对该模型进行矫正分析,证明了横向矫正力对脊柱侧凸有一定的矫正作用。结论:该建模方法建模时间短,对患者辐射量少,适合于临床应用。
关键词：脊柱侧凸,简化模型,矫正,生物力学
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