心電監(jiān)測服與人體有限元分析模型的建立

孫新建,鄧詠梅

(西安工程大學 服裝與藝術設計學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

傳統(tǒng)服裝壓力的測量[1]是將壓力接收單元插入人體和服裝接觸點。 這種方法只允許在多個點進行測量,服裝壓力分布[2]的預測精度不高,無法根據(jù)服裝壓力舒適性[3-6]實現(xiàn)高精度服裝的設計。 從20世紀90年代后半期開始,就有研究將服裝模型應用到人體模型(實體)精準計算服裝壓的壓力分布,所有這些研究都使用了有限元建模計算方法。 Niwaya H 等[7]通過有限元方法構建模型,將較大尺寸的衣服模型應用于人體模型計算與人體模型接觸區(qū)域的衣服壓力,但是不涉及與人體模型緊密接觸的衣服壓力計算。 Zhang[8],Yeung 等[9]通過有限元方法建模,通過模擬人體和服裝間的動態(tài)接觸,得到女性在以恒定速度慢步時的動態(tài)服裝壓力分布。Li等[10]提供一個三維生物力學模型,模擬女性在以恒速向前行走時,人體和胸罩之間的動態(tài)相互作用,包括胸罩的變形、壓力、應力分布及人體胸部的應力分布。Sonoko Ishimaru等[11]提出一種用計算機模擬編織的針織衣服模型， 并將其與人體模型緊密接觸， 計算相互接觸時服裝壓力。以上所有計算都是建立在高效精準的模型基礎上。 本文應用逆向工程技術得到心電監(jiān)測服曲面和人體曲面模型, 并分別進行曲面處理、有限元網格劃分,從而得到曲面符合光滑精度要求的心電監(jiān)測服網格模型和人體網格模型。

1 監(jiān)測服和人體模型數(shù)字化模擬

心電監(jiān)測服與人體壓力仿真模型的建立，在前期模型處理過程中屬于逆向工程[12]的范疇。實物原型的三維數(shù)字化信息(點云數(shù)據(jù))的采集直接影響到后期數(shù)字模型曲面質量、精度、成型效率及后續(xù)的有限元仿真分析。文中提出的基于逆向工程的心電監(jiān)測服和人體模型數(shù)字化建模方法流程見圖1。

設計的五導聯(lián)[13]心電監(jiān)測服[14]款式如圖2(a)所示?？钍綀D中紅色部位的RA,LA,V2,RL,LL為紡織電極,黑色線為導線,5根導線匯聚于電極扣處。在穿著五導聯(lián)心電監(jiān)測服的標準男性人模上(見圖2(b)),無規(guī)則地貼標記點,標記點的距離在3～5 cm之間。然后使用Creamform形創(chuàng)公司下的HandySCAN 3D 手持式三維掃描儀對模型整體掃描,并以OBJ的格式保存模型的點云數(shù)據(jù)。

圖 1 心電監(jiān)測服和人體模型建模流程Fig.1 The process of ECG monitoring clothing and human body model modeling

(a) 款式圖 (b) 實物圖圖 2 心電監(jiān)測服Fig.2 ECG monitoring clothing

1.1 監(jiān)測服和人體模型的提取

把掃描后的點云數(shù)據(jù)分別導入Geomagic studio軟件后,首先呈現(xiàn)的是多邊形對象,模型的修補必須在多邊形階段完成。為提高模型運算效率,用多邊形階段修補命令中的裁剪工具裁掉穿著衣服模型的下半部分。在用平面進行裁剪時(在對象上疊加一個平面并移除該平面一側的所有三角形,或在交點創(chuàng)建一個人工邊界)一定要選擇3個點的對齊平面法。即在衣服下擺邊緣選擇3個點,3個點的位置連線以能構成鈍角三角形為最佳,這樣可以使平面裁剪得更加精準。在同樣的位置以同樣的裁剪方法得到未穿心電監(jiān)測服的人臺。

通過多邊形階段的套索工具把人臺裁剪掉并提取出獨立的心電監(jiān)測服,然后經過多邊形階段的最佳擬合對齊，使心電監(jiān)測服和人體模型的相同部分重合,并使心電監(jiān)測服與人體模型的坐標系對齊,以便在之后的建模和有限元分析中,使之始終保持已經裝配好的位置。

1.2 模型點云數(shù)據(jù)的處理

在Geomagic studio軟件中把多邊形階段裝配好的模型分別轉化為點云數(shù)據(jù),然后經過點云階段的非連結項，去除體外孤點、減少噪音、曲率采樣，最后得到點云階段模型的心電監(jiān)測服和裝配好的模型，如圖3(a),(b)所示。為了得到一個完全對稱的人體模型,用對稱截面在人體模型的矢狀面處剪裁人體模型,得到位于一側的半個人體模型,并鏡像得到完全對稱的人體模型點云數(shù)據(jù),如圖3(c)所示。

(a) 心電監(jiān)測服 (b) 模型裝配 (c) 對稱的人體 點云 點云 模型點云圖 3 點云階段的模型Fig.3 Model of point cloud stage

2 監(jiān)測服和人體模型的建立

2.1 多邊形階段模型修復

經過點云處理的監(jiān)測服和人體模型在Geomagic studio軟件中分別轉換為多邊形,再由軟件中的網格醫(yī)生處理,在類型中選擇自動修復。然后依次經過封裝小面體、曲率填充、刪除釘狀物(選擇平滑級別)、松弛(把參數(shù)中的曲率優(yōu)先調到最大值)等功能鍵處理,得到多面體階段模型，如圖4所示。

(a) 監(jiān)測服多 (b) 監(jiān)測服和人 (c) 人體模型 邊形 體模型裝配圖 4 多邊形階段的模型Fig.4 Model of polygon stage

2.2 精確曲面階段模型的處理

精確曲面是一組四邊曲面片的集合體。首先根據(jù)模型表面的曲率生成輪廓線,并對輪廓線進行編輯,通過劃分輪廓線將模型整個表面劃分為多個獨立的曲面區(qū)域。對各個區(qū)域鋪設曲面片,使模型成為一個由較小的四邊形曲面片組成的集合體。然后將每個四邊形曲面片經格柵處理為指定分辨率的網格結構,將每個曲面片擬合成NURBS曲面[15],并進行曲面合并,得到最終的精確曲面。相鄰曲面之間是滿足全局G1連續(xù)的。精確曲面階段的目的在于通過相切、連續(xù)的曲面片有效地表達模型形狀,進而獲得規(guī)則的、合適形狀的曲面。本文根據(jù)模型以二次曲面為主的特征,選擇手動曲面化中的探測輪廓線方法。

2.2.1 構造人體特征線 通過Geomagic studio對提取的特征數(shù)據(jù)進行全局優(yōu)化及擬合質量檢測,可得到高精度特征截面曲線[16]。特征截面提取最關鍵步驟為特征數(shù)據(jù)數(shù)學模型的建立與求解。假定:

(1) 用Si(i=1,2,…,n)表示特征截面數(shù)據(jù)中各段數(shù)據(jù)所對應的目標曲線,點Qik表示第i段數(shù)據(jù)段中的第k個測量數(shù)據(jù)點(k=1,2,…,m), 測量數(shù)據(jù)點Qik到目標曲線Si的距離為d(Qik,Si);

(2)n段曲線的s維向量表示為X={x1,x2,…,xs},向量X集合了n段曲線的所有參數(shù);

(3)n段曲線之間滿足約束集Cj(X)=0,j=1,2,…,l。約束優(yōu)化模型為

先用拉格朗日乘數(shù)法將該優(yōu)化模型轉化成無約束優(yōu)化問題,再用非線性最小二乘算法中的列文伯格-馬奈爾特法求解。特征截面曲線提取過程,如圖5所示。

(a) 特征線截面 (b) 截面預處理 (c) 截面特征線 選取 數(shù)據(jù) 提取結果圖 5 截面曲線特征提取Fig.5 Feature extraction of section curve

2.2.2 分隔符的劃分及輪廓線的提取 基于上述提取特征線的模型,在Geomagic studio中點擊精確曲面功能。根據(jù)心電監(jiān)測服穿著到人體模型上的5個電極位置,選擇工具欄中曲線功能命令鍵中的從截面創(chuàng)建功能鍵,分別在胸上圍所在水平面曲線、胸圍線、腰圍線、矢狀切面橫截曲線和額狀切面橫截曲線處建立特征線,如圖6(a)所示。

在Geomagic studio中經過探測輪廓線、計算分隔符、編輯合并區(qū)域功能鍵的依次處理生成新的分隔符。按照上述步驟以人體模型胸上圍所在水平面曲線、胸圍線、腰圍線、矢狀切面橫截曲線和額狀切面橫截曲線為準選擇直線，分別繪制分隔符,如圖6(b)所示。然后依據(jù)繪制的分隔符模型抽取輪廓線,并進行編輯、細分或延伸,最終以網格線的形式保存在人體模型中,使得特征曲線信息在有限元分析計算中保存完整。

(a) 特征線提取 (b) 分隔符繪制圖 6 依據(jù)提取特征線繪制分隔符Fig.6 Drawing separators based on extracted feature lines

2.2.3 曲面擬合 根據(jù)自動估計模型的曲面片數(shù),利用Geomagic studio 曲面片中的移動面板功能編輯曲面片得到規(guī)整的曲面片,如圖7(a)所示。在Geomagic中劃分的網格都是幾何性的網格[17],網格的稀疏密度[18]要合理控制。然后經過構造格柵、模型的曲面擬合,輸出精簡的NURBS曲面,并以IGES格式保存輸出，如圖7(b)所示。

(a) 曲面片編輯 (b) 人體模型NURBS曲面圖 7 擬合后的NURBS曲面Fig.7 Fitted NURBS Surface

2.3 心電監(jiān)測服模型處理

2.3.1 曲面光順處理 經掃描的心電監(jiān)測服模型電極處的表面有凸起。一方面會影響曲面的質量，進而影響數(shù)據(jù)導入有限元計算軟件中的幾何精確性。另一方面，在ABAQUS/standard建模中,需要描述監(jiān)測服和人體模型的2個接觸面的相對滑動,并且面面之間的有限滑移必須光滑,否則會出現(xiàn)收斂問題。所以要進行特征點的消除,并在后期分析中在電極處做出相應標記。將圖4(a)的心電監(jiān)測服經Geomagic studio中多邊形階段的特征點消除、裁剪、曲率填充后依次得到曲率光滑的監(jiān)測服模型，如圖8(a)所示。

心電監(jiān)測服模型的建立同人體模型建立過程相似。在Geomagic studio中依次經過提取特征線、探測輪廓線、繪制分隔符、細分或延伸輪廓線、構造格柵等處理,最終擬合生成NURBS曲面,并以IGES格式保存輸出，如圖8(b)所示。

(a) 特征點消除 (b) 監(jiān)測模型NURBS曲面圖 8 心電監(jiān)測服模型曲面的擬合Fig.8 Fitting of model surface of ECG monitoring clothing model

2.3.2 人體模型的實體化處理 在逆向工程軟件中所構建的NURBS曲面模型為殼體模型。由于有限元分析軟件需要實體模型的支持,因此需要填充實體化處理。經過掃描得到的點云數(shù)據(jù)只是模型的表面形態(tài),經過 Geomagic 處理過的人體模型，也是采用曲面表示的一個類似人體形態(tài)的“空殼”。然而人體胸腔是包裹著各樣器官和液體的實體。因此,需要將用曲面表示的人體模型進行縫合,轉化為實體。首先在UG 軟件中導入IGES格式的人體模型,選擇高級選項中的曲面自動縫合和光順B曲面功能鍵,UG中的“縫合”工具可以將原本分離的曲面片縫合在一起。如這些曲面片構成一個封閉的形體,便會自動將這個形體轉化為實體。

2.4 模型的網格劃分

在逆向工程軟件Geomagic 中構建的實體模型符合有限元分析軟件的對接需求,但有限元分析的主導思想是將整體模型劃分成有限個單元體,各單元之間通過節(jié)點進行連接。因此，在分析之前需要進行一些前期設置，包括模型的改進及人體模型和衣服模型的離散化處理。把模型分別導入Abaqus有限元分析軟件,經過設置網格密度、控制網格劃分[19]、選擇單元類型,網格劃分[20](如果對于前期點云,曲面階段沒處理好,后期模型劃分會出現(xiàn)空白導致網格劃分失敗)等功能鍵依次處理,得到人體模型和監(jiān)測服模型，如圖9(a),(b)所示。

(a) 人體模型 (b) 監(jiān)測服模型圖 9 模型網格劃分Fig.9 Model meshing

2.5 模型曲面結果分析

將最終得到的人體NURBS曲面和監(jiān)測服NURBS曲面分別同多邊形階段的對象進行偏差分析,得到偏差分析圖,如圖10所示。標準偏差是反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度,反應測量數(shù)據(jù)的可靠性。由圖10(a),(b)得知，人體模型標準偏差值為0.042 mm,人體模型最大距離為±(0.607～0.256) mm, 平均值為±(0.022～0.021) mm。心電監(jiān)測服模型標準偏差值為0.003 mm,心電監(jiān)測服模型最大值為0.323 mm,平均值為0.003 mm。

(a) 人體模型 (b) 監(jiān)測服模型圖 10 曲面偏差分析圖Fig.10 Deviation analysis graph

3 結 論

(1) 人體模型和心電監(jiān)測服模型偏差值數(shù)值較小，可見生成的人體模型NURBS曲面和心電監(jiān)測服NURBS曲面與原多邊形模型的擬合程度較高；由人體模型和心電監(jiān)測服模型最大距離和平均距離數(shù)值可知，生成的NURBS曲面的精度較原始多邊形數(shù)據(jù)誤差小,分別滿足模型精度設計要求。

(2) 將心電電極凸起的衣服模型處理成光滑曲面的模型,為表面有凸起的紡織衣物的曲面光順法的仿真模型提供了一種有效途徑。不僅避免了高亮不精確幾何點的出現(xiàn),又能簡化模型計算。基于劃分好的輪廓線對人體模型劃分得到規(guī)整的四邊形幾何網格,最終建立心電監(jiān)測服與人體的有限元分析模型。

(3) 后期通過對心電監(jiān)測服模型在人體模型上穿著模擬的研究,可以及時了解不同材料、不同結構的監(jiān)測服穿著后的人體與服裝之間的壓力分布；分析穿著狀態(tài)下人體與服裝的壓力分布情況,使設計人員能夠及時了解心電監(jiān)測服對男性人體上半身產生的壓力影響。