一個好的坐墊不僅有好的舒適性,而且還能控制臀部壓力的分布,減少疾病的發生。根據不同人員臀部形狀設計的個性化坐墊可提高座椅的舒適性,減少臀部壓力。本文研究的目的是通過逆向工程,有效迅速地建立個性化臀部-坐墊的計算機輔助設計(CAD)模型。利用CAD建模數據,可以直接用數控機床加工個性化坐墊;可以通過有限元模擬人體臀部與坐墊界面的壓力分布,分析座椅舒適性的影響因素。
引用本文： 黃旭其, 四庫. 個性化汽車坐墊的計算機輔助設計建模及有限元數值模擬. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(1): 64-68. doi: 10.7507/1001-5515.20140013 復制
引言
坐的時間過長，壓力過大，會引起疲勞，讓人感到很不舒服。更嚴重的會使人體組織因長時間承受過大且不平衡的外力，導致血管阻塞，進而使細胞缺血、組織壞死，從而產生壓瘡[1]。
為了減輕臀部的壓力，把泡沫坐墊外表面做成特定的與個人的臀部輪廓相匹配的形狀已被大量采用[2]。
Yang等[3]采用壓力陣列系統(force sensor array,FSA)獲得了個體臀部軟組織與平海綿坐墊界面之間的表面壓力分布數據，從而建立了表面壓力和切割深度之間的數學關系，實現了個性化防壓瘡坐墊的計算機輔助設計(computer-aided design,CAD)建模和數控加工。Ragan等[4]采用有限元數值模擬計算和分析不同厚度的輪椅坐墊。
坐墊的設計大多是基于臀部-坐墊界面壓力測試，這只能測量其表面壓力，因此，關于臀部軟組織的內應力狀態的信息就比較少。本文的研究目標在于，建立臀部-坐墊的生物力學模型用于有限元仿真。本文將構建一個能接近真實描述人體臀部-坐墊的有限元分析模型，以預測和驗證人體臀部與坐墊之間的界面壓力。
模型分為兩部分：海綿坐墊模型和臀部模型。臀部模型是由骨盆及軟組織組成。先通過激光掃描(VIVID 910)掃描一個健康男性臀部及坐墊的輪廓并采用polygon editing tooling軟件進行三維重構。重構的數據導入到GEOMAGIC (Raindrop)軟件進行進一步的處理，并構建成NURBS曲面。
1 個性化坐墊設計方法
1.1 臀部與坐墊激光掃描
建立三維CAD模型前,要獲取坐墊形狀和臀部輪廓數據。采用柯尼卡美能達公司生產的VIVID 910型非接觸式激光掃描儀(見圖 1)對人體臀部及汽車坐墊進行掃描。掃描儀固定在三腳架上,從不同的方位來掃描物體才能獲得完整的模型點云數據。對于臀部掃描，為了更好的表達出臀部曲線，被測者身穿緊身褲，并在褲子上貼上特征點，然后在不同的位置和角度進行多次局部掃描，獲得點云數據。點云數據是數據處理的第一步。經過隨后的數據修正,隨機RE 軟件將點云數據轉換成三維CAD 模型。
圖1
VIVID 910型非接觸激光三維掃描儀
Figure1.
Non contact three-dimensional laser scanner(VIVID 910)
1.2 數據采集
掃描過程所采集到的數據通過SCSI界面傳輸到電腦，由Vivid 910激光掃描儀配套的Polygon Editing Tool軟件來進行控制。由于激光掃描儀本身的限制，我們每次掃描只能獲取場景局部的數據。為了獲得一個完整的三維數據，我們就需要從不同的位置和不同的角度多次掃描物體，并且每次掃描都與下次掃描有重合的特征點，以便數據的配準。掃描控制界面如圖 2所示。
圖2
掃描數據顯示
(a) 坐墊；(b) 臀部
Figure2. Scanning data display(a) cushion; (b) buttock
1.3 數據處理
采用了逆向工程軟件Geomagic studio 9.0對掃描數據進行處理。首先對點云數據進行預處理，刪除多余點云數據,保留有效的圖象點云數據。然后通過“Merge” 命令將不同的位置、不同的角度多次掃描數據融合起來(合并多次掃描數據)成一個整體數據。通常合并后的點云有多處重疊，可用均勻采樣命令對點云進行抽樣，這樣可得到點距基本均勻的點云，如圖 3所示。利用Geomagic studio 的Wrap命令對點云進行三角化。由于三角面的質量直接影響到最后的曲面質量，所以需要進行表面光順處理、補洞、祛除表面特征、邊界調整等得到完整、光順但不變形的三角面網格模型。
圖3
人體臀部數據預處理
(a) 臀部數據的配準；(b) 臀部數據的融合
Figure3. Human buttocks data preprocessing(a) matching of multiple sets of scan data; (b) merging of multiple sets of scan data
1.4 曲面片自動劃分與調整
首先利用“探測輪廓線”命令，對模型曲面進行輪廓探測以獲得該模型的輪廓線(見圖 4a)。由于自動探測的輪廓帶很難滿足曲面片劃分的要求。通過“編輯輪廓線”對探測到的輪廓進行編輯，根據模型自身的特點再用手動修改把輪廓線編輯到準確位置。完成后的模型輪廓線如圖 4(b)所示。
圖4
探測和修改輪廓線
(a)自動檢測輪廓線；(b)手工調整輪廓線
Figure4. Contour detection and modification(a) automatic contour detection; (b) manually adjustment of the contour
完成人體輪廓線構建后，用Geomagic的構建曲面片功能，自動生成曲面片(patches)。為便于有限元網格分化，需要將自動構建的曲面片進一步調整，盡量使各種曲面片的方向相同，利用Shuffle Patches功能對面片排列再進行調整得到更整齊的面片分布。如圖 5所示為臀部調整后的曲面片分布。
圖5
曲面片布局圖
Figure5.
Surface patches
調整好曲面片布局后，用Geomagic的構建柵格功能，生成網格。網格放置在曲面片內，數量越大，可用于曲面擬合操作的細節越多。這樣可以得到一個更加精確的曲面，但相應的點云數據文件量也較大，會給后續的的修改工作帶來不便。定義Resolution分辨率值為80，控制應用到每個曲面片上的柵格數量，取為25。創建好的曲線網格如圖 6所示。
圖6
曲線網格圖
Figure6.
Surface Grid Generation
1.5 NURBS曲面擬合
在完成曲面網格線的定義以后，用Geomagic的擬合曲面功能，生成NURBS曲面，輸出IGES文件并保存。如圖 7所示。由于構建的模型只是表面模型，而有限元分析需要的是實體模型，所以需要對模型進一步實體化并修改。
圖7
擬合出NURBS曲面
(a)人體臀部；(b)汽車坐墊
Figure7. NURBS SURFACE(a) human buttock; (b) car seat cushion
1.6 實體化曲面
有限元分析需要的模型必須是實體模型，而作為接觸應力分析的話需要把兩個模型裝配在一起，所以下一步的工作就是把模型實體化，并把坐墊與臀部裝配在一起。這一步的工作將在UG NX軟件里進行。
首先把IGES文件以導入的形式導入到UG NX軟件中，導入后，抽取出曲面的特征曲線及邊界曲線，并利用抽取出的曲線構建成面，不同的區域采用不同的面去擬合，擬合以后用縫合命令把其縫合成一個片體，并對其加厚，其中臀部坐墊分別加厚10 mm和80 mm，這樣就把兩個片體模型做成了實體模型。值得注意的是，由于導入的IGES格式的文件是由很多很小的面片去擬合模型表面而構成的，所以不能直接加厚成實體。因此，在這個數據處理過程中，需要先抽取特征曲線，再以特征曲線構建面，再加厚，這樣就不會出現加厚錯誤。對兩個模型分別進行實體化后，下一步就需要把它們裝配在一起。首先把兩個實體模型導入到UG NX軟件里面，由于兩個實體不在一個全局坐標系當中，所以需要把它們放在同一個全局坐標系中并裝配。在裝配過程中，需要不斷的調整坐標系，如旋轉、移動等命令，使人體臀部與坐墊的位置接近真實的人在坐墊上的位置，如圖 8所示。
圖8
裝配好的實體模型
Figure8.
Human buttock-cushion assembling
1.7 有限元分析
分析模型在有限元分析軟件Ansys 9.0 中構建。該模型包括骨盆結構(如坐骨結節)、臀部軟組織及海綿坐墊組成。由于模型是軸對稱的，所以本文將采用模型的一半進行分析。有限元分析的過程包括：模型網格劃分、建立材料模型、設定邊界條件、施加載荷及結果的整理和分析，如圖 9所示。
圖9
有限元分析網格模型和邊界條件及載荷施加
Figure9.
Finite element mesh and boundary conditions
骨頭和軟組織單元類型選用Solid92單元(三維10節點4面體結構)，坐墊單元類型選用SOLID45單元。軟組織與坐墊結合面按面面接觸類型進行定義，目標單元類型選用TARGE170(坐墊接觸面)，接觸單元類型選用CONTA174(軟組織接觸面)。
在模型當中有三種不同的材料，分別為骨頭、軟組織和坐墊。其中骨頭的楊氏彈性模量及泊松比的平均值采用參考文獻中的值，如表 1所示。
表1
有關材料的力學參數
Table1.
Mechanical property parameters of the relevant materials
加載載荷條件： 在骨頭表面垂直方向加載520 N，采用通用分析軟件Ansys 9.0計算得出相應數據(見圖 10~12)。
圖10
軟組織接觸面的壓力分布(壓力為42 kPa)
Figure10.
Pressure distribution on the buttock interface (pressure is 42 kPa)
圖11
軟組織和骨頭接觸面的壓力(壓力為119 kPa)
Figure11.
The pressure distribution in the bone-soft tissue interface (pressure is 119 kPa)
圖12
平坐墊的 von Mises應力 σ (33.98 kPa)
Figure12.
Von Mises stress σ of cushion (33.98 kPa)
2 結語
此模型除了用于臀部跟坐墊的受力情況有限元分析外，還能應用于快速成型裝備和大規模定制策略的數控加工中心，這個系統可以靈活的通過處理器的簡單升級及利用逆向工程測量到的新的坐墊表面數據進行生產，大大縮短了加工時間。從而設計生產出理想的坐墊以減輕壓力對臀部傷害。
引言
坐的時間過長，壓力過大，會引起疲勞，讓人感到很不舒服。更嚴重的會使人體組織因長時間承受過大且不平衡的外力，導致血管阻塞，進而使細胞缺血、組織壞死，從而產生壓瘡[1]。
為了減輕臀部的壓力，把泡沫坐墊外表面做成特定的與個人的臀部輪廓相匹配的形狀已被大量采用[2]。
Yang等[3]采用壓力陣列系統(force sensor array,FSA)獲得了個體臀部軟組織與平海綿坐墊界面之間的表面壓力分布數據，從而建立了表面壓力和切割深度之間的數學關系，實現了個性化防壓瘡坐墊的計算機輔助設計(computer-aided design,CAD)建模和數控加工。Ragan等[4]采用有限元數值模擬計算和分析不同厚度的輪椅坐墊。
坐墊的設計大多是基于臀部-坐墊界面壓力測試，這只能測量其表面壓力，因此，關于臀部軟組織的內應力狀態的信息就比較少。本文的研究目標在于，建立臀部-坐墊的生物力學模型用于有限元仿真。本文將構建一個能接近真實描述人體臀部-坐墊的有限元分析模型，以預測和驗證人體臀部與坐墊之間的界面壓力。
模型分為兩部分：海綿坐墊模型和臀部模型。臀部模型是由骨盆及軟組織組成。先通過激光掃描(VIVID 910)掃描一個健康男性臀部及坐墊的輪廓并采用polygon editing tooling軟件進行三維重構。重構的數據導入到GEOMAGIC (Raindrop)軟件進行進一步的處理，并構建成NURBS曲面。
1 個性化坐墊設計方法
1.1 臀部與坐墊激光掃描
建立三維CAD模型前,要獲取坐墊形狀和臀部輪廓數據。采用柯尼卡美能達公司生產的VIVID 910型非接觸式激光掃描儀(見圖 1)對人體臀部及汽車坐墊進行掃描。掃描儀固定在三腳架上,從不同的方位來掃描物體才能獲得完整的模型點云數據。對于臀部掃描，為了更好的表達出臀部曲線，被測者身穿緊身褲，并在褲子上貼上特征點，然后在不同的位置和角度進行多次局部掃描，獲得點云數據。點云數據是數據處理的第一步。經過隨后的數據修正,隨機RE 軟件將點云數據轉換成三維CAD 模型。
圖1
VIVID 910型非接觸激光三維掃描儀
Figure1.
Non contact three-dimensional laser scanner(VIVID 910)
1.2 數據采集
掃描過程所采集到的數據通過SCSI界面傳輸到電腦，由Vivid 910激光掃描儀配套的Polygon Editing Tool軟件來進行控制。由于激光掃描儀本身的限制，我們每次掃描只能獲取場景局部的數據。為了獲得一個完整的三維數據，我們就需要從不同的位置和不同的角度多次掃描物體，并且每次掃描都與下次掃描有重合的特征點，以便數據的配準。掃描控制界面如圖 2所示。
圖2
掃描數據顯示
(a) 坐墊；(b) 臀部
Figure2. Scanning data display(a) cushion; (b) buttock
1.3 數據處理
采用了逆向工程軟件Geomagic studio 9.0對掃描數據進行處理。首先對點云數據進行預處理，刪除多余點云數據,保留有效的圖象點云數據。然后通過“Merge” 命令將不同的位置、不同的角度多次掃描數據融合起來(合并多次掃描數據)成一個整體數據。通常合并后的點云有多處重疊，可用均勻采樣命令對點云進行抽樣，這樣可得到點距基本均勻的點云，如圖 3所示。利用Geomagic studio 的Wrap命令對點云進行三角化。由于三角面的質量直接影響到最后的曲面質量，所以需要進行表面光順處理、補洞、祛除表面特征、邊界調整等得到完整、光順但不變形的三角面網格模型。
圖3
人體臀部數據預處理
(a) 臀部數據的配準；(b) 臀部數據的融合
Figure3. Human buttocks data preprocessing(a) matching of multiple sets of scan data; (b) merging of multiple sets of scan data
1.4 曲面片自動劃分與調整
首先利用“探測輪廓線”命令，對模型曲面進行輪廓探測以獲得該模型的輪廓線(見圖 4a)。由于自動探測的輪廓帶很難滿足曲面片劃分的要求。通過“編輯輪廓線”對探測到的輪廓進行編輯，根據模型自身的特點再用手動修改把輪廓線編輯到準確位置。完成后的模型輪廓線如圖 4(b)所示。
圖4
探測和修改輪廓線
(a)自動檢測輪廓線；(b)手工調整輪廓線
Figure4. Contour detection and modification(a) automatic contour detection; (b) manually adjustment of the contour
完成人體輪廓線構建后，用Geomagic的構建曲面片功能，自動生成曲面片(patches)。為便于有限元網格分化，需要將自動構建的曲面片進一步調整，盡量使各種曲面片的方向相同，利用Shuffle Patches功能對面片排列再進行調整得到更整齊的面片分布。如圖 5所示為臀部調整后的曲面片分布。
圖5
曲面片布局圖
Figure5.
Surface patches
調整好曲面片布局后，用Geomagic的構建柵格功能，生成網格。網格放置在曲面片內，數量越大，可用于曲面擬合操作的細節越多。這樣可以得到一個更加精確的曲面，但相應的點云數據文件量也較大，會給后續的的修改工作帶來不便。定義Resolution分辨率值為80，控制應用到每個曲面片上的柵格數量，取為25。創建好的曲線網格如圖 6所示。
圖6
曲線網格圖
Figure6.
Surface Grid Generation
1.5 NURBS曲面擬合
在完成曲面網格線的定義以后，用Geomagic的擬合曲面功能，生成NURBS曲面，輸出IGES文件并保存。如圖 7所示。由于構建的模型只是表面模型，而有限元分析需要的是實體模型，所以需要對模型進一步實體化并修改。
圖7
擬合出NURBS曲面
(a)人體臀部；(b)汽車坐墊
Figure7. NURBS SURFACE(a) human buttock; (b) car seat cushion
1.6 實體化曲面
有限元分析需要的模型必須是實體模型，而作為接觸應力分析的話需要把兩個模型裝配在一起，所以下一步的工作就是把模型實體化，并把坐墊與臀部裝配在一起。這一步的工作將在UG NX軟件里進行。
首先把IGES文件以導入的形式導入到UG NX軟件中，導入后，抽取出曲面的特征曲線及邊界曲線，并利用抽取出的曲線構建成面，不同的區域采用不同的面去擬合，擬合以后用縫合命令把其縫合成一個片體，并對其加厚，其中臀部坐墊分別加厚10 mm和80 mm，這樣就把兩個片體模型做成了實體模型。值得注意的是，由于導入的IGES格式的文件是由很多很小的面片去擬合模型表面而構成的，所以不能直接加厚成實體。因此，在這個數據處理過程中，需要先抽取特征曲線，再以特征曲線構建面，再加厚，這樣就不會出現加厚錯誤。對兩個模型分別進行實體化后，下一步就需要把它們裝配在一起。首先把兩個實體模型導入到UG NX軟件里面，由于兩個實體不在一個全局坐標系當中，所以需要把它們放在同一個全局坐標系中并裝配。在裝配過程中，需要不斷的調整坐標系，如旋轉、移動等命令，使人體臀部與坐墊的位置接近真實的人在坐墊上的位置，如圖 8所示。
圖8
裝配好的實體模型
Figure8.
Human buttock-cushion assembling
1.7 有限元分析
分析模型在有限元分析軟件Ansys 9.0 中構建。該模型包括骨盆結構(如坐骨結節)、臀部軟組織及海綿坐墊組成。由于模型是軸對稱的，所以本文將采用模型的一半進行分析。有限元分析的過程包括：模型網格劃分、建立材料模型、設定邊界條件、施加載荷及結果的整理和分析，如圖 9所示。
圖9
有限元分析網格模型和邊界條件及載荷施加
Figure9.
Finite element mesh and boundary conditions
骨頭和軟組織單元類型選用Solid92單元(三維10節點4面體結構)，坐墊單元類型選用SOLID45單元。軟組織與坐墊結合面按面面接觸類型進行定義，目標單元類型選用TARGE170(坐墊接觸面)，接觸單元類型選用CONTA174(軟組織接觸面)。
在模型當中有三種不同的材料，分別為骨頭、軟組織和坐墊。其中骨頭的楊氏彈性模量及泊松比的平均值采用參考文獻中的值，如表 1所示。
表1
有關材料的力學參數
Table1.
Mechanical property parameters of the relevant materials
加載載荷條件： 在骨頭表面垂直方向加載520 N，采用通用分析軟件Ansys 9.0計算得出相應數據(見圖 10~12)。
圖10
軟組織接觸面的壓力分布(壓力為42 kPa)
Figure10.
Pressure distribution on the buttock interface (pressure is 42 kPa)
圖11
軟組織和骨頭接觸面的壓力(壓力為119 kPa)
Figure11.
The pressure distribution in the bone-soft tissue interface (pressure is 119 kPa)
圖12
平坐墊的 von Mises應力 σ (33.98 kPa)
Figure12.
Von Mises stress σ of cushion (33.98 kPa)
2 結語
此模型除了用于臀部跟坐墊的受力情況有限元分析外，還能應用于快速成型裝備和大規模定制策略的數控加工中心，這個系統可以靈活的通過處理器的簡單升級及利用逆向工程測量到的新的坐墊表面數據進行生產，大大縮短了加工時間。從而設計生產出理想的坐墊以減輕壓力對臀部傷害。
