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数字人体模型的力量 |
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作者：Beth Stackpole 来源：DesignNews |
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在福特公司，Jack工作在生产线上，对生产单元进行测试，并识别可能存在的安全隐患或者人力生产问题，例如不便的操作以及困难的组装。然而，Jack并非是个普通的车间基层员工，他是一个数字人体模型，是福特3D工具系统的核心组件。他帮助汽车制造的行业巨人评估生产可行性，并在汽车模型设计出来之前，预见可能发生的安全隐患。
Jack作为Siemens PLM解决方案的设计成果，是数字人体模型应用行业的成长级产品之一，帮助各公司模拟与产品设计、制造操作相关的人体行为，以期在产品设计周期之前找出问题所在，节约成本。例如像汽车、航空、资产设备这些生产行业最初是借助工具的改良，设计出零件组装操作程序，以减轻工人工作的疲劳度，降低由于重复工作带来的伤害影响。Siemens PLM Software、Dassault Systemes
公司以及NexGen人体工程公司在市场上销售的软件，以及由原始制造商OEM和大学研究实验室设计的软件专利功能，都被利用于产品设计中人体工程以及安全要素的评估上。例如，牵引机的驾驶舱或者汽车控制面板。随着数码人体模型结构越来越向人类靠拢，各公司包括主要的汽车生产厂商都把目光投向更远处，并让人型模型从事更加逼真的撞击测试。
模拟生物工程以及安全等人体要素和制作数码模型的原因一样，是为了测试设计产品的空气动力性以及耐久性。通过识别和纠正在设计工艺中可能出现的问题，大大降低了成本，同时减少了重复设计。另外，数字人体模型保证了产品和工作环境的安全及可用性，尤其可以看作如今所使用的3D模型的延伸以及计算机辅助工程(CAE)试验。
“计算机辅助工程CAE的概念是使用人体模型来观察起重机或牵引机的操作状况。如今，车辆驾驶舱内有操作员可以工作6到8小时一天，我们可以模拟这些操作员的动作。”为Siemens PLM Software担当市场开发的Tecnomatix公司副总裁Alain Iung先生说道。“实体模型放大了逼真性，可以模拟真正人的操作，并能够让我们观察在事故当中人如何操作机器或者从驾驶舱中逃生。”
虚拟环境的构建
福特公司就是采用该技术的公司之一。他们相信虚拟人体环境工作可以减少大量的操作伤害。根据美国食品药品管理局2007年所做的全球质量研究系统调查报告，福特公司的该技术让他们的产品质量较去年提高了11%，而同行业平均比率为2%。自2003年以来，该技术已成为福特公司工程设计工具的主流组成部分。
安全是各大公司使用Santos在现实环境中测试组装工艺的头等问题
在过去，福特公司制造一台汽车模型，他的人体工程学专家会花费数小时在人工车间平台，对工人组装工艺做评估，识别出瓶颈问题，比如难操控的姿势或者不太容易嵌入的地方。通过对真实人力操作的观察，专家们才能总结出向后压力或者疲劳受伤等安全问题。“当你向设计或者工艺工程师说明设计有地方需要改进时，已经太晚了。”福特公司组装人体工程学技术专家Allison Stephens说道。“现在，作为他们工程设计工艺的一部分，工程师将人体模型试验作为所有设计变化的基础，这样就不至于在最后才能进行人体试验。”
将Jack以及其他的人体模型软件结合使用，福特公司能够在将实体零件、原型汽车以及任何工具生产制造出来或配置好工作站之前，早早的构建出虚拟模型。数码模型化身“Jack”或者“Jill” (女性数字人体模型)在墙面大小的屏幕上组装汽车的同时，项目小组成员对生产可行性和组装环境进行评估。根据评估的结果，再来做出汽车设计变更。例如，原设计将一根卫星无线电天线安置在福特汽车的顶部正中，但虚拟场景显示小身材的车间基层操作工可能在这个部件安装上会遇到麻烦，于是这个设计被修改了。“当人体模型成为虚拟模型的一部分，福特公司做了很多安全方面的革新，”Stephens说道，“仅仅一个车间内的人体工程学相关的伤害就降低了80%。”
据人体工程学机器研究项目经理Bernie Meegan所说，在设计新型牵引车驾驶舱时，Caterpillar公司也引进了Jack，采用该软件来评估人体工程学要素。由PTC的ProEngineer设计的一个系统3D模型引入Jack工作环境中，该数字人体化身被用来检查诸如能见度或不同体型的驾驶员能否舒适操作等人体工程学要素。“在虚拟环境中对这些要素进行测试的优势在于，在原材料日益增加的今天，评估工作可以为生产节约成本。”Meegan说道，“用这种方法，能够在你掌控中发现问题，并在第一个产品零件制造出之前进行修改。这降低了成本并避免重复用工，允许我们开发符合人体工程学、更安全的产品。”
最后，Caterpillar小组成员完全在虚拟世界塑模并接触系统。“然而在过去，我们必须要在制造出第一台牵引机产品之后，再开始所有的测试，为了安全重复进行修改，对设备进行革新。该技术允许我们在虚拟环境中完成这些修改，而实体牵引机只用于验证模型测试结果。”Meegan说道。
Caterpillar同福特和其他各公司针对数字人体模型技术，与大学研究所合作希望将它继续向前推进。爱荷华州立大学Santos项目，作为由美军资助的虚拟士兵研究计划的一部分，是第五代精确数字人体模型，与人体的每块肌肉和骨骼都保持一致。根据爱荷华州立大学生化及医药部门教授兼虚拟士兵研究项目主管Karim Abdel-Malek所说，与其他现有的数码人体塑型产品不一样，Santos项目引入了可预测动力方法，这样可以精确计算不同尺寸身材、力量和体重人的步伐、跑步或者其他数字人体运动数据。
根据Meegan所说，这些功能在更加真实的环境中，帮助Caterpillar小组决定诸如人体工程学中的疲劳重复操作问题以及肌肉疲劳问题。“这是另一种程度的真实感，可以帮助我们设计出更加完美的产品。”他提到的是Santos模型，该技术还在开发当中。福特公司的Stephens也同意这个观点。借助像Santos这样的模型可以将人的因素考虑进来，比如皮肤以及人体运动对机械功能的反应，当面临安全和人体工程学的因素时，福特汽车公司可以做出更好的决定。“当你着手观察是否可以将螺母加装在汽车上时，必须要让模型具有真人的手指指甲的厚度。这样工程师就可以决定是否将螺母安装在凹槽处。”她说道。“这让我们继续前进将模型做的和真人一样精确。”
除了大学研究之外，软件供应商还尝试介入数字人体模型设计中。例如Dassault公司1999年收购了SafeWork公司之后获得了DELMIA人形模型技术，该技术简化了公司最近几项产品的生产。又例如，最新版本的软件收集了人体肢体和跪、爬等姿势，这样工程师就无需为这些构建程序。该软件也能够在工作站基础上强化虚拟工作效果，给用户提供全方位的解决方案。
“在1999年，设计虚拟人体模型对于人体工程学设计工程师来说还是相当困难的一件事。”Dassault工程解决方案及虚拟人体模型咨询经理Julie Charland说道。“到了2008年，我们让这件事情变得简单起来。”
Iung说道，Siemens PLM Software公司对人体模型Jack的开发也付出了同样的努力，他们借助额外的工具缩小了虚拟和现实世界的差别，让模型看起来更加真实。
主要的汽车原始设备制造商OEM承诺将数码人体模型的设计提升到下一个层级。九大汽车厂商，这其中包括戴姆勒克莱斯勒、福特、大众汽车、丰田汽车以及本田汽车，他们联合另外两家供应商，组成了全球人体模型联盟汇集资源来开发人体模型，仅为提高汽车撞击安全技术而努力。据官方透露，联盟计划到2011年为止，花费大约1800万美金开发出第一套6个人体模型(大号、中号和小号的男性和女性模型)。第二阶段将会开发任何一个年龄段和体型的成人模型，接下来的第三阶段则是聚焦儿童模型。
通用汽车公司车辆安全和结构装配主管Lou Carlin说道，汇集资源并聚焦于通用标准模型会保证标准虚拟模型的制作。高逼真度的人体模型，将会帮助汽车制造商得到车辆撞击伤害的详细数据，同时虚拟仿真技术允许通用汽车公司在一年之内进行更多的撞击测试。Carlin说：“从1991年开始，通用汽车公司每年的障碍撞击测试为400次;自从在撞击测试中使用了数码模型，这个数字上升为每月8000次。”
正在开发中的数字人体模型技术与真实人体撞击模型相对比，使得通用汽车公司以及其他的汽车制造商来衡量撞击对更宽范围内驾驶者的影响成为可能，。“一个18岁健康的年轻人与80岁的老妇人相比，他们对撞击产生的伤害反应不相同。”他说到。“基于这一点，我们现在不仅仅在设计人形模型，还在采用适合老龄化的设计。数字人体模型就是那个可以让驾驶更加安全的技术。”
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(9/23/2008) |
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