双关节人偶素体结构三维建模设计

这类关节人偶素体的设计，最早脱胎于美术写生用的木质人偶，随着三维建模技术的普及，这类结构的应用场景早已不局限于美术辅助工具，在人机工程验证、工装操作模拟、影视动画预演、文创产品开发等领域都有广泛的使用空间。做这类铰接式人偶结构设计的时候，首先要明确不同使用场景下的活动边界要求，如果是用于工位人机操作验证，就需要重点保证肩、肘、腕、髋、膝、踝这些核心活动关节的转动角度覆盖人体日常操作的活动范围，比如肩关节要能实现前屈180度、后伸60度、外展180度的转动余量，肘关节要保留0到145度的屈伸空间，同时还要在关节处设计足够的阻尼结构，避免调整好姿态后出现松垮垮位的问题。如果是用于文创摆件类的用途，关节的阻尼要求可以适当降低，但要保证关节拼接处的缝隙均匀，外表面无明显的拼接断差，满足外观展示的需求。从结构设计思路上来说，这类双素体人偶采用了模块化的分件逻辑，头部、躯干、上臂、前臂、手部、大腿、小腿、足部都是独立的分件，各个分件之间通过球铰或者柱铰的形式连接，这种分件方式一方面方便后续调整不同部位的尺寸比例，适配不同年龄段、不同身形的人体比例建模需求，另一方面也方便后续做3D打印或者注塑开模的时候拆分模具，减少倒扣结构带来的开模难度。在做尺寸边界设定的时候，常规用于桌面展示或者工位验证的人偶，整体高度一般控制在200毫米到300毫米之间，这个尺寸既不会因为太小导致关节结构过于脆弱容易损坏，也不会因为太大占用过多的桌面空间，躯干部分的宽度控制在50毫米到60毫米，厚度控制在35毫米到40毫米，各个肢体分件的截面直径要保证在铰接位置有足够的壁厚，比如上臂和前臂的截面直径不小于8毫米，这样内部预留的铰接柱直径可以做到4毫米，满足反复转动的结构强度要求。做这类铰接结构的时候，很容易忽略的一个问题是关节转动时的干涉问题，比如手臂向前抬起的时候，大臂上端和肩部的结构如果没有做足够的让位切角，就会出现抬臂到一定角度就被顶住，达不到设计的活动角度，所以在建模完成后一定要做全关节的运动仿真，逐个关节测试极限活动角度下的零件干涉情况，对干涉的部位做逐步的切角让位，同时还要注意让位的幅度不能过大，不然关节在伸直状态下会露出内部的铰接结构，影响外观的完整性。另外不同材质的人偶，结构设计的侧重点也有区别，如果是采用木质材料加工的人偶，铰接位置一般采用金属销轴连接，销轴和木质孔位之间要预留0.1毫米左右的配合间隙，避免木材温湿度变化胀缩之后导致关节卡滞；如果是采用塑料注塑成型的人偶，铰接位置可以采用塑料自身的弹性卡扣结构，不需要额外加装金属销轴，这时候就要注意卡扣的变形量控制在塑料材料的允许弯曲范围内，避免反复拆装之后出现断裂。在实际的工业场景应用中，这类人偶模型经常被放在生产线工位的三维布局仿真里，用来验证操作台面的高度是否合适、工具摆放的位置是否在工人的最佳操作可达范围内、安全防护装置的安装位置会不会影响工人的正常操作，相比直接在三维场景里调用虚拟人体模型，这种实体化的人偶结构可以更直观地调整姿态，快速模拟不同操作动作下的人体空间占位，提前发现工位布局里存在的人机工程问题，减少后期生产线调试的时候因为人机尺寸不匹配带来的整改成本。还有一部分这类人偶模型会被用于文创周边的开发，这时候在结构设计之外还要考虑表面处理的适配性，比如木质款的表面要做打磨倒角处理，方便后续上木蜡油或者做涂装，塑料款的表面要保证足够的光洁度，减少后续喷涂的时候出现缩痕、夹水纹的问题。两个不同配色的素体并排设计的形式，一方面可以用来对比不同材质表面处理的效果，另一方面也可以在做动作模拟的时候用来演示双人配合操作的场景，比如装配工位上两个工人配合安装大型工件的时候，就可以用两个不同的人偶分别模拟两个操作者的站位和动作，验证两人的操作空间是否存在干涉，工具传递的路径是否顺畅。在做关节阻尼设计的时候，如果是需要长时间保持固定姿态的用途，比如美术写生参考、工位布局展示，就可以在铰接位置增加阻尼垫片，或者采用过盈配合的铰接结构，让关节转动的时候有足够的摩擦力，保证调整好的姿态不会因为自身重量发生变形；如果是需要频繁调整姿态的动画预演用途，就可以适当降低铰接的阻尼，让姿态调整更顺畅，同时可以在关节处增加角度刻度，方便记录不同动作的关节角度参数。