ANSA人体模型姿态调整工具介绍
ANSA的人体模型姿态调整工具(HBM Articulation Tool)通过网格变形技术实现基于人体不同部位进行调节，定位人体模型最终的姿态。
为了实现整个调节过程，该工具将ANSA的网格变形以及内置的多体动力学求解器相结合，实现快速且精准的定位。该工具与ANSA metadata(元数据)文件配合使用，支持市面上绝大部分的人体模型(AC-HUMs，THUMS，GHBMC，Safer，VIVA+等)以及LSDYNA和PAMCRASH版本。(图1)
图1 ANSA支持的人体模型类型
本文使用ANSA v25.1.0版本以及THUMS模型进行介绍，该工具位于Safety面板下面，通过Safety>Human Body Model>Articulation 进行调用。(图2)
图2 人体模型姿态调整工具位置
人体模型姿态调整工具的主界面如图3所示，包含了四个主要功能面板：
Biofidelic Moves(生物力学变形)，用于处理多个部位共同运动的关节调整;
Rotate(常规旋转)，适用于简单关节的运动处理;
Spine(脊柱调节)，可以精确设定每一节椎骨的角度，以匹配目标脊柱曲率;
Translate(位移调整)，用于将模型H点与座椅参考点匹配，并调整模型朝向。
在使用该工具前，需先获取对应人体模型的metadata文件，并在Metadata处打开该文件，系统将自动创建出运动关节并显示在工具中。Visibility Options(可见性选项)可用于控制人体模型的显示方式。
1. Biofidelic Moves
在Biofidelic Moves界面下，用户可以调整涉及多个部位共同变形的关节，目前支持的部位包括颈椎、前臂、膝盖、骨盆腰椎和肩膀。下方的区域用于控制调节参数，其中Step(步骤)指将目标角度分解成多个步骤进行变形，Total Angle(总角度)指调整的总角度。例如，若Total Angle输入10°，Step为5，则在调整时会将10°的角度拆解成每2°进行一次计算，最终得出结果。用户可以在Total Angle处输入角度并点击旁边的对号进行变形，或使用加、减号进行默认值的调整。此外，点击Previous(上一个)可以回到上一个调整的角度位置，点击Initial(初始)可以恢复到初始位置。
图3 人体模型姿态调整工具 - Biofidelic Moves
2. Rotate
Rotate界面用于控制常规关节的调整，涉及到的主要有：腰椎，肘部，手腕，手指，头颈部等。在进行角度调整后，对应的部位会显示移动了多少角度以及在下方会有一个旋转角度表格体现目前的旋转角度状态。对于大腿髋部的移动，提供Both Legs选项进行同步调节。(图4)
图4 人体模型姿态调整工具 – Rotate
3. Spine
Spine功能专门针对脊柱设计， ANSA为此提供了一个独立的控制界面，允许用户对每一节椎骨的角度进行精细控制，从而实现脊柱曲率的灵活调整。为了操作便捷，建议用户将所有椎骨的角度输入完毕后，点击Apply to all一次性完成调整。下图展示了脊柱曲率调整前后的对比效果(如图5、图6所示)。
图5 人体模型姿态调整工具 – Spine 调整前
图6 人体模型姿态调整工具 – Spine 调整后
4. Translate
Translate功能可以用来控制人体模型(HBM)基于H点精确地定位到座椅上。当切换到Translate界面时，系统会自动进入选择模式，用户只需直接点击座椅的参考点，然后点击确认对号，即可完成模型的移动定位。如果移动后的模型朝向不符合要求，还可以配合Rotate面板进行旋转调整，以达到理想的姿态(如图7、图8所示)。
图7 人体模型姿态调整工具 – Translate 调整前
图8 人体模型姿态调整工具 – Translate 调整后
在定位完人体模型的朝向之后，可以通过调整盆骨角度、肩部、肘部以及手腕，甚至手指关节等细节，来精确定义上半身躯干的姿态。随后，再对大腿、膝盖、脚踝等部位的角度进行细致调整，使人体模型达到最终所需的准确位置。由于完整的调整过程涉及较多步骤和细节，本文不再赘述。后续请关注BETA CAE的视频账号，我们将发布一个完整的人体模型姿态调整过程操作视频，供大家参考学习。调整后的最终姿态位置，可参考下图进行更直观了解(图9、图10、图11)。
图9 最终姿态 右视图
图10 最终姿态 正面视图
图11 最终姿态 左视图
最后，在人体模型姿态调整完毕或者想要保存当前姿态时，可以通过工具下方的功能进行输出。Output选项可以将当前人体姿态的节点位置以“Transform nodes”关键字的形式进行输出。Pos.File选项则可以将当前调节的信息，例如旋转的角度等，输出成一个“.json”文件，该文件可以作为人体模型姿态调整工具的角度配置文件进行使用。点击Save按钮可以将当前姿态保存成一个ANSA多体动力学关键字—KIN_POSITION，保存后可以在Database > ANSA Auxiliaries > KIN_POSITION中查看(图12)。
图12 工具输出选项
总 结
ANSA的人体模型姿态调整工具(HBM Articulation Tool)通过先进的网格变形技术和内置的多体动力学求解器，为用户提供了对人体模型姿态进行快速且精准调整的能力。该工具支持市面上绝大部分的人体模型，并提供了生物力学变形、常规旋转、脊柱调节以及H点定位等多种调整功能，满足用户在不同场景下的需求。调整完成后，用户还可以将当前的人体姿态输出保存，以便后续使用或分析。
作者 | 黄涛
BETA CAE 工程师