摘要: 1 研究动因与创新点
新车型设计过程需要满足大量用户需求并符合诸多规范。车辆设计参数中对用户具有直接影响的最关键的参数是舒适度。在车辆设计中人机工程学方法的应用正变得日益重要。在车辆研发中，人机工程学分析被用于人机界面设计。为应对汽车工业的需求，在为车辆内部设计而进行的乘员布置方面，汽车工程师协会(SAE)已经编制了一些推荐性的经验结果。这些结果已经成为车辆设计的指导性标准。
通过在人体上使用先进的计算机技术和生物力学信息，数字人体模型已经被开发出来(DHMs)并在不同的工业和研究领域得到应用。在车辆设计过程中，数字人体模型被用于需要进行人机工程学分析的场合，包括：运动捕捉与模拟、效果度量、可达能力检测和视野检测等。有些数字人体模型还可以与经典的计算机辅助设计(CAD)系统联合使用。在CAD环境中，数字人体模型可以帮助产品设计人员清晰地理解用户与产品的交互，因而能使设计人员预测产品的舒适性并在设计初期做出正确的设计更改。

2 方法框架(包括试验环境与结果)
我们的主要研究目标是开发一个以人体建模、人机工程学、生物力学人体运动仿真和CAD系统为基础的综合系统。首先，通过API编程，开发一个支持参数化车辆内部设计的CAD系统。系统参数根据汽车工程师协会的标准确定， 这使得设计人员可以方便地对车辆设计进行更改。接下来，将研究具有正确解剖学结构和实际外表的数字人体建模技术。然后，将以专用生物力学分析软件和CAD系统为基础，进行人与车辆的联合仿真分析。
设计人员最重要的目标是确保乘员的舒适与安全，该目标与座椅设计密切相关。使用在概念设计阶段支持基于知识设计的CAD系统将使设计过程更高效。本研究开发了一个在概念设计阶段支持对车辆内部设计进行参数化建模的CAD系统。该车辆内部设计CAD系统的主要参数是基于SAE J1100标准的， 该标准提供了机动车设计的通用指标体系。因而，通过运用这些SAE标准中描述的参数及其相互关系，本研究提出了一个可进行参数化车辆内部设计的自顶向下的建模方法。
以从韩国科技信息研究所(KISTI)负责的数字韩国项目中获得的数据为基础，本研究开发了数字人体模型的骨架结构。本项目中，由韩国人CT数据而来的医学图像被处理成STL格式的网格数据。本研究一共对206个包含全副骨架图像的STL文件根据国际生物力学学会(ISB)的推荐方法进行了分类，并根据分类结果，建立了包含19个区域和18个连接的数字人体模型。数字人体模型的全局坐标原点定位于骨盆上，其它区域则通过全局坐标与每个连接的坐标系相连。连接坐标系中位置的确定仍基于ISB的推荐方法进行。
为对不同的人机交互系统进行人机工程学评价，设计人员应能够控制车辆内的虚拟人体模型，以考虑可用空间的局限性并预测真实乘员的坐姿。因为虚拟人体模型是由许多相互连接的区域组成，所以它是一个多体系统。因而，为研究数字人体模型与车辆的交互，求解冗余系统的逆向运动学方法被用于控制数字人体模型的姿态。
如前所述，专用生物力学分析软件的主要优点在于它包含了人体的肌肉骨骼模型。但是，这类软件无法与诸如CAD系统之类的设计工具协同工作。因而本研究选择一个通用的人体肌肉骨骼建模仿真软件－AnyBody™来是实现系统的集成。

3 总结
汽车工业应尽量降低车辆的生成时间和成本并开发对用户更为友好的车辆。使用数字人体模型可以提升车辆开发过程，从而设计出更为用户友好的车辆。
为完全实现与人集成的CAD系统，多个不同的功能必须进行整合。其中，一些功能必须进行进一步提升。首先，必须建立并实现先进的参数化人体建模功能，绝大多数当前的参数化建模算法可以用于模拟人体皮肤， 但无法模拟骨骼，因而，首先应考察人体骨头、肌肉和皮肤之间的相互作用；接下来，通过分析三维人体皮肤扫描数据和医学图像数据来定义影响人体骨头、肌肉和皮肤之间相互作用的主控参数；然后开发能够运行生物力学分析软件的CAD系统。当前，从与人集成的CAD系统中获取的产品和人体信息被传到诸如AnyBody™之类的专业生物力学分析软件中。 将来，生物力学分析软件将直接安装在CAD系统中，从而可以实现无缝访问设计信息。

4 贡献与意义
本研究的目标是为使用数字人体模型进行车辆内部设计提供一个集成框架。在该框架中，首先，通过使用商用CAD系统实现基于知识的车辆参数化建模功能。由于所定义的指标包含了很多标准化的与车辆内部几何相关的参数，因而对车辆内部设计而言，SAE标准已经建立了定义良好的知识库。由于当前绝大多数CAD系统是基于参数化和特征设计策略的，所以这些CAD系统中的造型参数可以与SAE标准中的参数关联起来。然后，所建立的数字人体模型便可以与CAD系统结合起来，从而使设计人员能够进行不同人机交互界面的人机工程学评估，并能理解设计过程中车辆设计参数更改对乘员造成的影响。最后，使用该系统获得的人-产品 （车辆）交互信息能够传递给诸如SIMM™, LifeMOD™,和 AnyBody™之类的生物力学分析软件。通过使用这类软件分析车辆内部的人体运动，我们便可以得到优化后的车辆内部设计参数。使用以人为中心的CAD系统的设计过程不仅可用于设计车辆，也可以用来作为设计其它产品时的通用工具。