CN112504188B - 一种生成人体模型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种生成人体模型的方法，基于中国人体身高数据库选取受测人员；采集每个受测人员的关节点的三坐标信息、关节尺寸的长度信息和边界尺寸信息；基于关节点的三坐标信息、关节尺寸的长度信息和边界尺寸信息拟合构建中国人体的人体尺寸模型。本发明能够有效地建立符合中国国情的人体数据库，满足车型的开发需求，真正做到基于中国用户来设计开发，提升产品满意度。
Description
技术领域
本发明汽车设计技术领域，具体是一种生成人体模型的方法。
背景技术
所有的汽车开发的最终目的，都是方便乘员驾乘和使用，包括零部件的操作方便性、行车视野、乘坐空间及上下车方便性等。而上述所有的设计基准，都需以人体模型及其相应的人体尺寸为基础来开展设计。
目前的人体模型及尺寸，主要依据基于欧美人体的SAE人体尺寸的标准，然而，众所周知的是，欧美人体和中国人体差异巨大，不管是身材的绝对高度，还是各个关节尺寸的比例大小，所以，完全按照SAE标准来设计，是不科学或者不全面的。此外，中国人体尺寸的国家标准是GB10000-1988，距今已超过30年，早已不符合现状，也无法进行参考。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种生成人体模型的方法，其能够有效地建立符合中国国情的人体数据库，满足车型的开发需求，真正做到基于中国用户来设计开发，提升产品满意度。
为了达到上述目的，本发明公开了一种生成人体模型的方法，基于中国人体身高数据库选取受测人员；采集每个受测人员的关节点的三坐标信息、关节尺寸的长度信息和边界尺寸信息；基于关节点的三坐标信息、关节尺寸的长度信息和边界尺寸信息拟合构建中国人体的人体尺寸模型。
在本发明的一种优选实施方案中，受测人员的选取方法包括以下步骤，步骤一，选定一定样本量的人体的身高信息，男女比例1：1且身高呈正态分布规律；步骤二，该样本量中，身高高于95％数量的身高作为95百分位身高，身高高于50％数量的身高作为50百分位身高，身高高于5％数量的身高作为5百分位身高；步骤三，分别依据95百分位身高、50百分位身高和5百分位身高挑选的受测人员。
在本发明的一种优选实施方案中，关节点的三坐标信息的获取方法包括以下步骤，步骤一，受测人员穿戴测试服，测试服上设置有用于采集人体关节点的三坐标信息的位置传感器；步骤二，受测人员保证每次有且仅有一个人体关节点活动，位置传感器记录该人体关节点活动的运动轨迹；步骤三，基于该人体关节点活动的运动轨迹获取该活动人体关节点的旋转中心，该中心的三坐标信息即该人体关节点活动的三坐标位置信息。
在本发明的一种优选实施方案中，测试服上的位置传感器包括脚部传感器、小腿传感器、大腿传感器、靠背传感器、上臂传感器、小臂传感器和手部传感器。
在本发明的一种优选实施方案中，脚部传感器位于人体踵点的侧方，小腿传感器位于人体小腿下部的侧方，大腿传感器位于人体大腿前部的侧方，靠背传感器位于人体背部上部的侧方，上臂传感器位于人体上臂下部的侧方，小臂传感器位于人体小臂前部的侧方，手部传感器位于人体手掌抓握点的侧方。
在本发明的一种优选实施方案中，关节尺寸的长度信息的获取方法包括以下步骤，步骤一，受测人员穿戴测试服，测试服上设置有用于采集人体关节点的三坐标信息的位置传感器；步骤二，受测人员保证每次有且仅有一个人体关节点活动，位置传感器记录该人体关节点活动的运动轨迹；步骤三，基于该人体关节点活动的运动轨迹获取该活动人体关节点的旋转中心，该中心的三坐标信息即该人体关节点活动的三坐标信息；步骤四，基于所有人体关节点活动的三坐标信息确定脚部踩踏长度、小腿长度、大腿长度、靠背长度、上臂长度、小臂长度、手部抓握长度。
在本发明的一种优选实施方案中，边界尺寸信息的获取方法包括以下步骤，步骤一，受测人员穿戴测试服，测试服上设置有用于采集人体关节点的三坐标信息的位置传感器；步骤二，在乘员保持直立乘坐姿势下，基于位置传感器获取边界尺寸。
在本发明的一种优选实施方案中，边界尺寸包括测量脚部长度、膝盖至脚底距离、膝盖至腰部距离、臀部至头部的高度。
本发明还公开了一种测量人体尺寸的装置，包括立体框架、用以实时捕捉位置传感器位置的摄像头、可调座椅、和用于采集待测人员各关节点信息的测试服，所述位置传感器设置于所述测试服上。
在本发明的一种优选实施方案中，所述可调座椅包括座椅底座，所述座椅底座上连接有竖直布置的座椅高调器，所述座椅高调器上通过坐垫角度调节器与坐垫铰接，所述坐垫的前部设置坐垫长度调节块，所述坐垫的后部铰接有靠背角度调节器。
本发明的有益效果是：本发明针对目前行业中缺乏最新的中国人体模型及尺寸，因而无法真正做到基于中国乘员的车型设计开发的技术缺陷，建立一套可快速生成人体模型的方法和测量人体尺寸的装置，通过使用本发明，不仅可快速测量人体的生成人体模型，而且能够基于测量结构更加真实的模拟中国人体的驾乘工况，最终生成不同身高的、各个关节均可调节的、符合车内驾乘工况的人体模型。
附图说明
图1是测量人体尺寸的装置总体示意图。
图2是可调座椅机构结构侧视图。
图3是所需测量的人体关节示意图。
图4是所需测量的人体尺寸示意图。
图5是人体各关节点的拟合过程示意图。
图6是基于该装置测量和生成中国人体尺寸数据库的方法。
图中，1-立体框架，2-摄像头，3-可调座椅，4-测量人体，5-位置传感器，6-计算机处理单元，10-座椅底座，11-座椅高调器，12-坐垫角度调节器，13-坐垫，14-坐垫长度调节块，15-靠背角度调节器，16-靠背，20-脚掌点，21-踵点，22-踝关节点，23-膝关节点，24-胯关节点，25-肩关节点，26-肘关节点，27-腕关节点，28-手掌抓握点，30-脚部长度，31-膝盖至脚底距离，32-膝盖至腰部距离，33-臀部至头部的高度，40-脚部踩踏长度，41-小腿长度，42-大腿长度，43-靠背长度，44-上臂长度，45-小臂长度，46-手部抓握长度，100-脚部传感器，101-脚部运动轨迹，102-小腿传感器，103-小腿运动轨迹，104-大腿传感器，105-大腿运动轨迹，106-靠背传感器，107-靠背运动轨迹，108-上臂传感器，109-上臂运动轨迹，110-小臂传感器，111-小臂运动轨迹，112-手部传感器，113-手部运动轨迹。
具体实施方式
下面通过附图以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶部”、“底部”、“左侧”、“右侧”、“前面”、“后面”、“中间部位”、“内部”、“上端”、“下端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的一种优选实施方案中，受测人员的选取方法包括以下步骤，步骤一，选定一定样本量的人体的身高信息，男女比例1：1且身高呈正态分布规律；步骤二，该样本量中，身高高于95％数量的身高作为95百分位身高，身高高于50％数量的身高作为50百分位身高，身高高于5％数量的身高作为5百分位身高；步骤三，分别依据95百分位身高、50百分位身高和5百分位身高挑选的受测人员。
在本发明的一种优选实施方案中，关节点的三坐标信息的获取方法包括以下步骤，步骤一，受测人员穿戴测试服，测试服上设置有用于采集人体关节点的三坐标信息的位置传感器；步骤二，受测人员保证每次有且仅有一个人体关节点活动，位置传感器记录该人体关节点活动的运动轨迹；步骤三，基于该人体关节点活动的运动轨迹获取该活动人体关节点的旋转中心，该中心的三坐标信息即该人体关节点活动的三坐标位置信息。
在本发明的一种优选实施方案中，测试服上的位置传感器包括脚部传感器、小腿传感器、大腿传感器、靠背传感器、上臂传感器、小臂传感器和手部传感器。
在本发明的一种优选实施方案中，脚部传感器位于人体踵点的侧方，小腿传感器位于人体小腿下部的侧方，大腿传感器位于人体大腿前部的侧方，靠背传感器位于人体背部上部的侧方，上臂传感器位于人体上臂下部的侧方，小臂传感器位于人体小臂前部的侧方，手部传感器位于人体手掌抓握点的侧方。
在本发明的一种优选实施方案中，关节尺寸的长度信息的获取方法包括以下步骤，步骤一，受测人员穿戴测试服，测试服上设置有用于采集人体关节点的三坐标信息的位置传感器；步骤二，受测人员保证每次有且仅有一个人体关节点活动，位置传感器记录该人体关节点活动的运动轨迹；步骤三，基于该人体关节点活动的运动轨迹获取该活动人体关节点的旋转中心，该中心的三坐标信息即该人体关节点活动的三坐标信息；步骤四，基于所有人体关节点活动的三坐标信息确定脚部踩踏长度、小腿长度、大腿长度、靠背长度、上臂长度、小臂长度、手部抓握长度。
在本发明的一种优选实施方案中，边界尺寸信息的获取方法包括以下步骤，步骤一，受测人员穿戴测试服，测试服上设置有用于采集人体关节点的三坐标信息的位置传感器；步骤二，在乘员保持直立乘坐姿势下，基于位置传感器获取边界尺寸。
在本发明的一种优选实施方案中，边界尺寸包括测量脚部长度、膝盖至脚底距离、膝盖至腰部距离、臀部至头部的高度。
本发明还公开了一种测量人体尺寸的装置，包括立体框架、用以实时捕捉位置传感器位置的摄像头、可调座椅、和用于采集待测人员各关节点信息的测试服，所述位置传感器设置于所述测试服上。
在本发明的一种优选实施方案中，所述可调座椅包括座椅底座，所述座椅底座上连接有竖直布置的座椅高调器，所述座椅高调器上通过坐垫角度调节器与坐垫铰接，所述坐垫的前部设置坐垫长度调节块，所述坐垫的后部铰接有靠背角度调节器。
本发明通过将人体进行人体尺寸进行分解和构建：一共涵盖9个关节点、7个关节尺寸、以及共4个边界尺寸；9个关节点为脚掌点，踵点，踝关节点，膝关节点，胯关节点，肩关节点，肘关节点，腕关节点，手掌抓握点；7个关节尺寸包括脚部踩踏长度，小腿长度，大腿长度，靠背长度，上臂长度，小臂长度，手部抓握长度；4个边界尺寸包括脚部长度，膝盖至脚底距离，膝盖至腰部距离，臀部至头部的高度，基于上述9个关节点、7个关节尺寸、以及共4个边界尺寸实现了适合于中国车型建模用的人体模型，同时设计了一套可快速测量人体尺寸的装置，该装置包括角度和高度均可调节的坐垫、靠背角度可调节的靠背、以及运动轨迹捕捉装置等；生成人体模型的方法，是基于前述测量机构所测的人体尺寸进行拟合处理，最终生成不同身高的、各个关节均可调节的、符合车内驾乘工况的人体模型。
如图1所示，在该图中以示意方式显示了人体尺寸测量装置的整体示意图，主要包括立体框架1、用以实时捕捉位置传感器5位置的摄像头2、可调座椅3、以及测量人体4。此外，计算机处理单元6与摄像头2和位置传感器5通过无线或有线相连，用以处理和输出位置传感器5位置坐标信息。
如附图2所示，介绍了可调节座椅的结构构成。从下至上，结构依次为：由座椅底座10提供支撑，并与座椅高调器11相连；座椅高调器11与坐垫角度调节器12旋转连接；坐垫角度调节器12与坐垫13紧固连接；坐垫13前部设置坐垫长度调节块14，可实现坐垫长度调节以满足不同身材的乘坐需求；另外，坐垫13与靠背16通过靠背角度调节器15旋转连接。以上可调节座椅，即可满足测量人体4的任意乘坐姿势。
如附图3所示，介绍了所需测量的人体尺寸各关节点，包括脚掌点20，踵点21，踝关节点22，膝关节点23，胯关节点24，肩关节点25，肘关节点26，腕关节点27，手掌抓握点28共九个关节点，生成人体模型关键的前提之一就是确定各个关节点的三坐标信息。
如附图4所示，介绍了所需测量的人体相关尺寸，包括驾驶或乘坐姿势下的：脚部长度(穿鞋)30，膝盖至脚底距离31，膝盖至腰部距离32，臀部至头部的高度，脚部踩踏长度33；其中，脚部长度30直接测量得到，膝盖至脚底距离31以及膝盖至腰部距离32共同确定了膝盖边界，臀部至头部的高度确定了头部边界。另外，还包括各个关节的长度尺寸，包括脚部踩踏长度40，小腿长度41，大腿长度42，靠背长度43，上臂长度44，小臂长度45，手部抓握长度46共七个关节尺寸。
如附图5所示，介绍了确定和拟合图3所示的关节点位置。首先，人体每个活动部位设置位置传感器，这些位置传感器分布如下：脚部传感器100贴于踵点20的侧方，小腿传感器102贴于小腿下部的侧方，大腿传感器104贴于大腿前部的侧方，靠背传感器106贴于靠背上部的侧方，上臂传感器108贴于上臂下部的侧方，小臂传感器110贴于小臂前部的侧方，手部传感器112贴于手掌抓握点28的侧方。其次，结合座椅调节，依次单独转动脚部、小腿、大腿、靠背、上臂、小臂及手部，这样得到位置传感器的运动轨迹。进一步地，对运动轨迹进行拟合，可得到上述关节的旋转中心，即图3所述的九个关节点的位置坐标。最后，结合图4所测的相关尺寸，即可勾画出相应的人体模型，并且各个关节角度可以调节，以适应不同车型的不同坐姿的乘坐需求。
如附图6所示，说明基于该套装置进行中国人体尺寸测量及生成方法。
第一步，选定一定样本量的人体的身高信息，其男女比例接近1：1，且身高呈正态分布规律。一般地，用于汽车设计的典型人体包括95％男性、50％男性、50％女性及5％女性四种人体，所以，将身高从矮到高依次排列，取该样本量中，身高高于95％数量的身高作为95百分位身高，身高高于50％数量的身高作为50百分位身高，身高高于5％数量的身高作为5百分位身高。进一步地，假定95百分位身高为H95，则依据此身高，来挑选更多的受测人员。
第二步，受测人员穿鞋，穿紧身衣，按照图5所述贴上各个身体部位的位置传感器，包括脚部传感器100、小腿传感器102、大腿传感器104、靠背传感器106、上臂传感器108、小臂传感器110、手部传感器112。
第三步，脚部绕踝关节旋转，其它关节保持不动，通过摄像头捕捉脚部位置传感器的运动轨迹101，进一步地，通过计算机单元处理运动轨迹可以得到踝关节点22的位置坐标信息。类似的，依次可以得到膝关节点23、胯关节点24、肩关节点25、肘关节点26、腕关节点27及手掌抓握点28的位置坐标信息。另外，直接通过位置传感器可获知脚掌点20和踵点21的位置坐标信息。
第四步，直接测量脚部长度30，膝盖至脚底距离31、膝盖至腰部距离32以及臀部至头部的高度33,可确定人体脚部边界、膝部边界、背部边界及头部边界。
第五步，综合第三步的关节点、以及第四步的脚部边界、膝部边界、腰部边界及头部边界等，可拟合和构建出实测人体的人体尺寸模型。且该模型的各个关节角度均可旋转调节，可适应不同坐姿的人体姿势，广泛地应用于汽车总布置设计开发。
本领域技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则下所做的任何修改、组合、替换、改进等均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种生成人体模型的方法，其特征在于：基于中国人体身高数据库选取受测人员；采集每个受测人员的关节点的三坐标信息、关节尺寸的长度信息和边界尺寸信息；基于关节点的三坐标信息、关节尺寸的长度信息和边界尺寸信息拟合构建中国人体的人体尺寸模型；关节点的三坐标信息的获取方法包括以下步骤，
步骤一，受测人员穿戴测试服，测试服上设置有用于采集人体关节点的三坐标信息的位置传感器；
步骤二，受测人员保证每次有且仅有一个人体关节点活动，位置传感器记录该人体关节点活动的运动轨迹；步骤三，基于该人体关节点活动的运动轨迹获取该活动人体关节点的旋转中心，该中心的三坐标信息即该人体关节点活动的三坐标位置信息。
2.根据权利要求1所述的生成人体模型的方法，其特征在于：受测人员的选取方法包括以下步骤，
步骤一，选定一定样本量的人体的身高信息，男女比例1：1且身高呈正态分布规律；
步骤二，该样本量中，身高高于95％数量的身高作为95百分位身高，身高高于50％数量的身高作为50百分位身高，身高高于5％数量的身高作为5百分位身高；
步骤三，分别依据95百分位身高、50百分位身高和5百分位身高挑选的受测人员。
3.根据权利要求1所述的生成人体模型的方法，其特征在于：测试服上的位置传感器包括脚部传感器、小腿传感器、大腿传感器、靠背传感器、上臂传感器、小臂传感器和手部传感器。
4.根据权利要求3所述的生成人体模型的方法，其特征在于：脚部传感器位于人体踵点的侧方，小腿传感器位于人体小腿下部的侧方，大腿传感器位于人体大腿前部的侧方，靠背传感器位于人体背部上部的侧方，上臂传感器位于人体上臂下部的侧方，小臂传感器位于人体小臂前部的侧方，手部传感器位于人体手掌抓握点的侧方。
5.根据权利要求1所述的生成人体模型的方法，其特征在于：关节尺寸的长度信息的获取方法包括以下步骤，
步骤一，受测人员穿戴测试服，测试服上设置有用于采集人体关节点的三坐标信息的位置传感器；
步骤二，受测人员保证每次有且仅有一个人体关节点活动，位置传感器记录该人体关节点活动的运动轨迹；
步骤三，基于该人体关节点活动的运动轨迹获取该活动人体关节点的旋转中心，该中心的三坐标信息即该人体关节点活动的三坐标信息；
步骤四，基于所有人体关节点活动的三坐标信息确定脚部踩踏长度、小腿长度、大腿长度、靠背长度、上臂长度、小臂长度、手部抓握长度。
6.根据权利要求1所述的生成人体模型的方法，其特征在于：边界尺寸信息的获取方法包括以下步骤，
步骤一，受测人员穿戴测试服，测试服上设置有用于采集人体关节点的三坐标信息的位置传感器；
步骤二，在乘员保持直立乘坐姿势下，基于位置传感器获取边界尺寸。
7.根据权利要求6所述的生成人体模型的方法，其特征在于：边界尺寸包括测量脚部长度、膝盖至脚底距离、膝盖至腰部距离、臀部至头部的高度。
8.根据权利要求1所述生成人体模型的方法，其特征在于：使用了一种测量人体尺寸的装置，该装置包括立体框架、用以实时捕捉位置传感器位置的摄像头、可调座椅、和用于采集待测人员各关节点信息的测试服，所述位置传感器设置于所述测试服上。
9.根据权利要求8所述的生成人体模型的方法，其特征在于：所述可调座椅包括座椅底座，所述座椅底座上连接有竖直布置的座椅高调器，所述座椅高调器上通过坐垫角度调节器与坐垫铰接，所述坐垫的前部设置坐垫长度调节块，所述坐垫的后部铰接有靠背角度调节器。
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| Title |
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| 中国儿童坐姿三维几何人体模型数据库的研发;曹立波 等;《汽车安全与节能学报》;20190131;第10卷(第1期);第33页第1节，图1-2 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112504188A (zh) | 2021-03-16 |
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Legal Events
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