三维坐姿模型结合NURBS 曲面建模的汽车座椅结构设计

谷 燕，谷 莉

（1.江苏科技大学，江苏 镇江 212000；2.南京工业大学，江苏 南京 211816）

1 引言

由于汽车座椅靠背呈现出不规则的曲面结构，通过传统的绘图工具无法达到设计的准确性，且费时费力。在静强度分析方面，手工计算只适用于简单、形状较为规则的零部件，针对于座椅靠背等结构较为复杂且形状十分不规则的零部件，则需要通过有限元分析或者其他方法进行计算[1-2]。

在进行汽车座椅结构设计的过程中，相关设计人员能够利用三维模块快速将概念以及创意转换为虚拟的数字模型，为后续进行设计奠定坚实的基础，同时提供对应的数据支持。大到飞机和汽车，小到各种家用餐具等，三维模型已经成为新产品开发的重要阶段。目前，计算机辅助工业设计领域中大部分的三维建模软件都是以NURBS 技术[3]为基础，并且凭借模型的优越性能，在汽车车身设计以及产品设计方面取得了十分广泛的应用。结合上述分析，将三维坐姿模型和NURBS 曲面建模[4-5]两者相结合，实现汽车座椅结构设计。通过具体的实验数据测试，全面验证了所提设计方法的实用性，同时为三维产品建模提供了全新的思路。

2 方法

2.1 人体扫描坐姿测量

为了有效避免在人体坐姿扫描过程中不同遮挡问题的形成，需要确定人体扫描坐姿，同时设定人体坐姿支撑座椅。

为了更加精准地进行人体坐姿三维几何扫描，结合人体坐姿支撑座椅，对人体坐姿支撑座椅的功能结构进行确定，该平台的主要功能为：

（1）通过KinecFusion 技术得到点云数据[6]，并降低人体扫描晃动概率，所设计的平台需要具有固定作用以及支撑作用，并确保扫描精度；

（2）通过所设计平台能够实现人体分离；

（3）平台数量的持续增加，会导致结构遮挡问题日益严重，所以在进行平台设计的过程中，需要有效降低结构遮挡发生的概率。

人体坐姿支撑座椅的组成结构，如图1 所示。

①在人体坐姿支撑座椅中最为关键的部位就是转台，它主要带动整个装置按照一定的速度进行旋转。

②在人体进行扫描的过程中，需要通过不同志愿者的身高对座椅的高低进行调节，以有效保证扫描姿势的合理性。

③通过扶手能够有效增加整个平台的稳定性，同时还能够提升整个平台的扫描精度。

图1 人体坐姿支撑座椅结构图Fig.1 Structure Chart of Body Sitting Support Seat

人体坐姿支撑座椅工作原理为：

在座椅的调节装置中包含传感器，能够通过传感器感应到不同人体坐姿角度，并将这种感应信号进行处理，对需要调整的距离进行测量，测量过程为：

式中：d—测量距离；c—光速，光在空中飞行的速度大约为3×108m/s；Δφ—发射信号和接收信号之间的相位差；f—传感器的调制频率。

2.2 人体坐姿三维点云数据的提取以及处理

点云即为三维空间中全部点的集合[7-8]。为了得到高精度的人体坐姿三维点云，需要将三维坐姿模型结合NURBS 曲面建模两者相结合，同时进行坐标转换，获取点云质量精度，确定点云数据的具体获取方式，具体的操作流程，如图2 所示。

（1）人体点云数据的获取；

（2）点云背景去除；

（3）点云去噪平滑处理；

（4）漏洞填补；

（5）表面重建处理。

根据标定的程序可知，在三维空间中的点P 的深度数据值d的计算式能够表示为以下的形式。

图2 点云数据处理流程图Fig.2 Flow Chart of Cloud Data Processing

如果设定P 点在图像中的像素值为（xi，yi），通过针孔成像原理，能够获取以下的三维空间坐标的转换方程：

采用直通滤波技术可以有效地滤除点云数据中的噪声，同时有效地去除目标点的云点。

如果设定初始点云坐标为N，终点点云坐标为pn，则能够获取以下的计算式为：

通过获取初始点云坐标和终点点云坐标，可以准确提取人体坐姿三维点云数据[9]，则提取过程为：

在进行扫描的过程中仍然会存在部分漏洞，需要通过最小二乘得到进行漏洞填补。

在得到较为完成的人体坐姿点云后，需要进行三维重建，根据表面重建得到完整的三维几何模型。重点通过NURBS 曲线建模实现点云表面重建，这样能够有效增加重建速度，且具有较高的精度。

2.3 三维坐姿模型结合NURBS 曲面建模的汽车座椅结构设计

在汽车座椅结构设计中，最为重要的操作环节就是NURBS曲面建模，NURBS 曲面建模主要将经过处理之后的点云数据进行网络化以及特征提取等操作，实现NURBS 曲面；然后将点云数据进行封装处理，选择需要进行编辑的曲面边界[10]，结合输入控制点的数量对其边界进行光滑处理，最终形成样条曲线。

为了更好地实现点云数据辨认以及特征提取，需要对点云数据进行网格化处理。经过网络化处理之后，再对其进行平滑处理，使平滑效果达到最理想的状态。

汽车座椅零件原理为在普通座椅零件的基础上，通过NURBS 曲面对汽车座椅进行扫描，而且产生驱动力转矩，即具有电机功能的座椅零件。设定NURBS 曲面网格面积通过式（7）进一步确定：

其中，Fmax所描述的是承载力最大值，按照汽车座椅零件的陀螺力矩和重力进一步确认，Bmax所描述的是曲面扭矩。通常情况下曲面扭矩强度取值为1.5T，故其取值为Bmax=（0.6～0.8）T。

需要考虑座椅零件结构中的各个参数，将零件直径参数取值为 δ=（0.2～0.5）mm。

零件内径如下：

式中：d1—零件外径，依据NURBS 曲面网格数与陀螺力矩进行确定；δ0—座椅零件的外壳气隙。

式（11）中的lx代表零件特征线的周向长度。

对周向长度进行线性化处理，公式即：

NURBS 曲面建模最为关键的步骤就是特征线提取，在进行三维重构的初始阶段，需要对汽车座椅的零件进行规划，同时结合不同的影响因素将零件划分为多个不同的曲线，根据各个曲面的特征点进行特征曲线重建。

针对较为完整的网格面框能够利用创成式曲面设计中的扫略命令进行设计，在进行该操作之前，需要在网格面上进行轮廓以及引导线扫描。

综合分析以上命令，能够获取未进行修剪的曲面，对未进行修剪的曲面进行缝合、桥接以及加厚等，形成最终的曲面。

为了确保重构曲面的全面外形品质，需要进行曲率以及斑马线分析。质量较好的曲面曲率连续、曲率变化均匀。

在上述分析的基础上，对扫描影响精度进行优化分析，实现汽车座椅结构设计：

综上所述，完成了汽车座椅结构设计。

区内现有沙化和荒漠化面积6.29km2，占总面积的57.97%。虽历经多年治理，但治理效率较低，防治设施毁坏严重，产生的效益不明显。治理效率低是沙化与荒漠化难以治理的主要问题，防治水平急需加强，群众的防治沙化和荒漠化意识有待提高，土地利用结构需要调整。

3 仿真实验

为了验证所提三维坐姿模型结合NURBS 曲面建模的汽车座椅结构设计方法的综合有效性，需要进行仿真实验测试，具体的实验环境为：CPU 为Intel（R）Core（TM）i3-380M2.53GHz，内存为2.0GB，显存为1.0GB，操作系统为Cent OS6.8，实验环境，如图3 所示。

图3 实验环境Fig.3 Experimental Environment

如图3 所示，图3（a）为实验过程，图3（b）为压力分布垫，图3（c）为通过压力分布垫进行数据采集，并对数据进行处理。

（1）人体坐姿受力分布均衡性/（%）：

通过对压力分布垫分布支点进行数据采集，分析其受力均衡性，对比文献[3-4]方法，通过对比不同方法对人体坐姿受力分布均衡性，具体的实验对比结果，如图4 所示。

分析图4 中的实验数据可知，相比传统方法，所提方法受力区域较小，受力差别不大，说明所提方法具有较高的人体坐姿受力分布均衡性，充分验证了所提方法的优越性。

（2）人体坐姿测量误差/（%）：

实验选取三种不同方法对50 位志愿者进行人体坐姿测量，具体的实验对比结果，如图所示。

图4 不同方法的人体坐姿受力分布均衡性对比结果Fig.4 Comparative Results of Equilibrium Distribution of Body Sitting Posture by Different Methods

表1 所提方法的人体坐姿测量误差Tab.1 Measurement Error of Human Sitting Position by the Proposed Method

从表1 中能够看出，所提方法的人体坐姿测量误差为最低；文献[3]方法的人体坐姿测量误差次之；文献[4]方法的人体坐姿测量误差最高。

（3）汽车座椅结构设计成本/（万元）：

为了更加全面验证所提方法的有效性，以下仿真实验测试需要对比三种方法的汽车座椅结构设计成本，具体的实验对比结果，如表2 所示。

表2 不同方法的汽车座椅结构设计成本Tab.2 Design Cost of Car Seat Structure with Different Methods

综合分析上述表格中的实验数据可知，当测试样本数量持续增加，各个方法的汽车座椅结构设计成本也在不断变化，但是相比传统方法，所提方法的汽车座椅结构设计成本明显更低。

4 结语

针对传统的汽车座椅结构设计方法存在的一系列问题，将三维坐姿模型结合NURBS 曲面相结合，完成汽车座椅结构设计。通过具体的仿真实验数据，有效验证了所提方法的有效性以及优越性。虽然现阶段所提方法已经取得了十分显著的研究成果，但是由于受到时间的限制，仍然存在一定的不足，后续将针对这些不足进行进一步完善以及补充。