本發(fā)明涉及維修空間評(píng)價(jià)方法及系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于虛擬環(huán)境下維修空間的定量評(píng)價(jià)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

維修性是產(chǎn)品的固有特性，反映了一個(gè)設(shè)備在將要或者已經(jīng)發(fā)生故障后，進(jìn)行維修活動(dòng)的好壞程度。維修性主要從維修速度，維修效果以及維修成本來(lái)考慮，提高產(chǎn)品的維修性對(duì)保證維修安全，減少維修成品以及增加產(chǎn)品壽命具有重要意義。

可達(dá)性也是維修性的重要部分，其反映了當(dāng)以維修操作為目時(shí)接近產(chǎn)品維修部位的能力，具體包括以下方面：視覺(jué)可達(dá)、實(shí)體可達(dá)以及操作空間。其中，操作空間的大小直接決定著維修效率，良好的維修操作空間可以使維修人員較為快速舒適的完成維修任務(wù)。

但是，在目前現(xiàn)有技術(shù)中，關(guān)于維修操作空間的評(píng)價(jià)一般基于維修人員的經(jīng)驗(yàn)或者視覺(jué)來(lái)判斷，存在著一定的主觀性，缺少客觀數(shù)據(jù)支持，急需一種較為有效的定量的維修操作空間評(píng)價(jià)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于虛擬環(huán)境下維修空間的定量評(píng)價(jià)方法及系統(tǒng)，它可以克服現(xiàn)有技術(shù)上述的不足，實(shí)現(xiàn)了有效的、定量的評(píng)價(jià)了維修操作空間。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

本發(fā)明提供了一種基于虛擬環(huán)境下維修空間的定量評(píng)價(jià)方法，所述定量評(píng)價(jià)方法包括：

獲取維修人員的操作空間范圍；

獲取理想掃掠體數(shù)值和約束掃掠體數(shù)值；

根據(jù)所述理想掃掠體數(shù)值和所述約束掃掠體數(shù)值，獲取掃掠體的評(píng)分；

根據(jù)所述掃掠體的評(píng)分以及所述操作空間范圍，獲取維修空間的評(píng)分；

根據(jù)所述維修空間的定量評(píng)分，判斷產(chǎn)品維修性能。

可選的，所述定量評(píng)價(jià)方法還包括建立虛擬維修仿真模型；其中，所述維修仿真模型中輸入的仿真數(shù)據(jù)包括維修人員模型、維修操作流程以及數(shù)字樣機(jī)。

可選的，獲取理想掃掠體數(shù)值的方法具體包括：獲取維修人員的身體尺寸數(shù)據(jù)和維修設(shè)備的布局；根據(jù)所述身體尺寸數(shù)據(jù)和所述維修設(shè)備的布局以及結(jié)合維修操作規(guī)程，獲取所述理想掃掠體數(shù)值。

可選的，獲取約束掃掠體數(shù)值的方法具體包括：獲取維修人員的手部尺寸數(shù)據(jù)；根據(jù)所述手部尺寸數(shù)據(jù)結(jié)合維修基本操作動(dòng)作，獲取所述約束掃掠體數(shù)值。

可選的，獲取掃掠體的評(píng)分的方法具體包括：計(jì)算所述約束掃掠體數(shù)值除以所述理想掃掠體數(shù)值的結(jié)果值；根據(jù)所述結(jié)果值，獲取所述掃掠體評(píng)分。

本發(fā)明還提供一種基于虛擬環(huán)境下維修空間的定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)，該定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)包括：

范圍獲取模塊，用于獲取維修人員的操作空間范圍；

理想掃掠體數(shù)值模塊，用于獲取理想掃掠體數(shù)值；

約束掃掠體數(shù)值模塊，用于獲取約束掃掠體數(shù)值；

評(píng)分模塊，用于根據(jù)所述理想掃掠體數(shù)值和約束掃掠體數(shù)值，獲取掃掠體評(píng)分；

定量評(píng)分模塊，用于根據(jù)所述獲取的掃掠體評(píng)分和獲取的操作空間范圍模塊，計(jì)算維修空間的定量評(píng)分；

性能判斷模塊，用于根據(jù)所述維修空間的定量評(píng)分，判斷產(chǎn)品維修性能。

可選的，所述定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)還包括建立虛擬維修仿真模型；其中，所述維修仿真模型中輸入的仿真數(shù)據(jù)包括維修人員模型、維修操作流程以及數(shù)字樣機(jī)。

可選的，所述理想掃掠體數(shù)值模塊具體包括：

身體尺寸數(shù)據(jù)子模塊，用于獲取維修人員的身體尺寸數(shù)據(jù)；

布局子模塊，用于獲取維修設(shè)備的布局；

理想掃掠體數(shù)值獲取子模塊，用于根據(jù)所述獲取的身體尺寸數(shù)據(jù)和所述獲取的設(shè)備布局子以及結(jié)合維修操作規(guī)程，獲取所述理想掃掠體數(shù)值。

可選的，所述約束掃掠體數(shù)值模塊具體包括：

手部尺寸數(shù)據(jù)子模塊，用于獲取維修人員的手部尺寸數(shù)據(jù)；

約束掃掠體數(shù)值子模塊，用于根據(jù)所述手部尺寸數(shù)據(jù)結(jié)合維修基本操作動(dòng)作，獲取所述約束掃掠體數(shù)值。

可選的，所述評(píng)分模塊具體包括：

結(jié)果值子模塊，用于計(jì)算所述約束掃掠體數(shù)值除以理想掃掠體數(shù)值的結(jié)果值；評(píng)分子模塊，用于根據(jù)所述結(jié)果值，獲取所述掃掠體評(píng)分。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于虛擬環(huán)境下維修空間的定量評(píng)價(jià)方法及系統(tǒng)，本發(fā)明公開(kāi)了以下技術(shù)效果：

該定量評(píng)價(jià)方法及系統(tǒng)通過(guò)獲取理想掃掠體數(shù)值、約束掃掠體數(shù)值和維修人員的操作空間范圍，進(jìn)而獲取掃掠體的評(píng)分，并將獲取的掃掠體評(píng)分和獲取的操作空間范圍相結(jié)合，獲取維修空間的定量評(píng)分，最后根據(jù)維修空間的定量評(píng)分，判斷產(chǎn)品是否進(jìn)行維修。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該評(píng)價(jià)方法及系統(tǒng)提供了客觀數(shù)據(jù)支持，克服人為的主觀性，提高了產(chǎn)品的維修性能，解決了現(xiàn)有技術(shù)中根據(jù)維修人員的經(jīng)驗(yàn)或者視覺(jué)來(lái)判斷維修產(chǎn)品的操作空間，進(jìn)而主觀判斷維修性能好壞的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的定量評(píng)價(jià)方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的站姿下人體上肢模型簡(jiǎn)化圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

在現(xiàn)有技術(shù)中，通常根據(jù)維修人員經(jīng)驗(yàn)或者維修人員視覺(jué)來(lái)判斷產(chǎn)品的維修操作空間，進(jìn)而判斷產(chǎn)品維修性能，此判斷方法存在一定的主觀性，缺少客戶數(shù)據(jù)的支持，為了克服上述存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于虛擬環(huán)境下維修空間的定量評(píng)價(jià)方法。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例中的定量評(píng)價(jià)方法包括：

步驟101：獲取維修人員的操作空間范圍。

其中，獲取維修人員的操作空間范圍具體包括：首先獲取的人體尺寸數(shù)據(jù)，然后對(duì)站姿狀態(tài)下維修操作人員的上肢活動(dòng)范圍進(jìn)行求解。

請(qǐng)參閱圖3，其示出了維修人員站姿下人體上肢模型簡(jiǎn)化圖，設(shè)髖關(guān)節(jié)P₁為坐標(biāo)原點(diǎn)O，人體正面方向?yàn)閄軸正方向，向左方向?yàn)閅軸正方向，垂直軸向上為Z軸正方向。P₂為頸關(guān)節(jié)，P₃為左肩關(guān)節(jié)，P₄為左肘關(guān)節(jié)，P₅為左腕關(guān)節(jié)，P₆為左手中指的頂端，l₁為髖關(guān)節(jié)P₁到頸關(guān)節(jié)P₂的長(zhǎng)度，l₂為頸關(guān)節(jié)到左肩關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度，l₃為左肩關(guān)節(jié)到左手中指頂端長(zhǎng)度的一半。設(shè)定中指頂端端點(diǎn)P₆在空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x,y,z)，那么根據(jù)三角函數(shù)知識(shí)，P₆的坐標(biāo)可以表示為:

x＝l₃cosαcosβ (1)

y＝l₂+l₃cosβsinα (2)

z＝l₁+l₃sinβ (3)

根據(jù)上述公式(1)(2)(3)，計(jì)算人體上肢最大操作范圍。表1列出了根據(jù)我國(guó)人體測(cè)量數(shù)據(jù)得到的不同百分位男性女性l₁、l₂和l₃的數(shù)據(jù)(mm)。

表1

根據(jù)獲取的維修操作人員的上肢最大活動(dòng)范圍，依次獲得該維修操作人員的正常操作范圍和最佳操作范圍，分別是最大操作范圍的0.78倍和0.59倍。

步驟102：獲取理想掃掠體數(shù)值和約束掃掠體數(shù)值。

獲取理想掃掠體，其中，理想掃掠體則代表著維修人員能夠較舒適的完成維修操作的應(yīng)有掃略體積，具體包括：建立虛擬維修仿真模型，其輸入仿真數(shù)據(jù)包括維修人員模型、維修操作流程以及數(shù)字樣機(jī)；在考慮人機(jī)工效學(xué)以及維修任務(wù)的最低要求下，結(jié)合虛擬維修仿真模型，獲取理想掃掠體數(shù)值。

另外，獲取約束掃掠體數(shù)值，其中，約束掃掠體是指當(dāng)維修人員手部進(jìn)行實(shí)際的維修操作時(shí)，在實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的約束下所產(chǎn)生的掃略體積，具體包括：獲取維修操作人員的身體尺寸數(shù)據(jù)，將上述身體尺寸數(shù)據(jù)輸入到虛擬維修仿真模型中。由于不同尺寸手部在同一空間內(nèi)所占的體積不同，對(duì)于同一操作，難度也有所不同。因此還需要手部的尺寸數(shù)據(jù)，其中表2列出了中國(guó)不同百分位男性的手部尺寸。

表2

根據(jù)表2中國(guó)不同百分位男性的手部尺寸，確定虛擬維修仿真模型中的維修人員手部尺寸，然后在虛擬維修仿真模型獲取對(duì)設(shè)備的三個(gè)基本維修操作，如：擰、轉(zhuǎn)動(dòng)和平推的數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取約束掃掠體積，同時(shí)也會(huì)獲得如表3所示的每一基本操作維修人員部分關(guān)節(jié)的最大活動(dòng)角度范圍及舒適角度活動(dòng)

范圍。其中，每一個(gè)基本操作的約束掃掠體體積都可以通過(guò)仿真得到。

表3

步驟103：根據(jù)所述理想掃掠體數(shù)值和所述約束掃掠體數(shù)值，獲取掃掠體的評(píng)分。

具體包括：首先定義V_csv和V_esv分別為約束掃掠體和理想掃掠體的數(shù)值。則獲取掃掠體的評(píng)分可得：

P_v＝V_csv/V_esv (4)

其中，P_v是約束掃掠體和理想掃掠體數(shù)值的比值。P_v的值越大，則說(shuō)明該設(shè)備的維修操作空間設(shè)計(jì)的越好?；谌藱C(jī)工程學(xué)資料以及維修操作的要求，根據(jù)P_v的取值范圍，將每一個(gè)維修基本操作的空間評(píng)價(jià)分為三個(gè)等級(jí)：差，正常和良好。如果操作空間評(píng)價(jià)是差，則說(shuō)明該設(shè)備的維修操作空間不能滿足該維修操作的順利進(jìn)行。如果維修操作空間能夠滿足維修任務(wù)的完成，但是不符合人機(jī)工程學(xué)上對(duì)于維修人員該操作舒適度的要求，那么將維修操作空間的評(píng)價(jià)是正常。如果維修操作空間的設(shè)計(jì)既能夠滿足該維修操作的基本要求，又符合人機(jī)工程學(xué)對(duì)于維修操作人員舒適度的要求，那么維修操作空間的評(píng)價(jià)是良好。

表4各操作評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

但是，公式4只考慮了對(duì)于單個(gè)動(dòng)作約束掃掠體以及自由掃掠體之間的關(guān)系。但是該動(dòng)作所處的操作范圍同樣十分重要。同一動(dòng)作的舒適度，會(huì)隨著該動(dòng)作與身體之間相對(duì)位置的不同而發(fā)生變化。

步驟104：根據(jù)所述掃掠體的評(píng)分以及所述操作空間范圍，獲取維修空間的定量評(píng)分；

具體包括：將維修操作空間和掃掠體的評(píng)分相結(jié)合，對(duì)于整個(gè)維修過(guò)程，則獲取的維修空間的最終評(píng)分為：

s＝∑_ir_i·p_vi (5)

其中，s為維修空間評(píng)價(jià)的分?jǐn)?shù)，r_i和p_vi分別是第i個(gè)動(dòng)作所對(duì)應(yīng)的相對(duì)位置的分?jǐn)?shù)以及P_v的值。該動(dòng)作處于最佳操作范圍、正常操作范圍以及最大操作范圍的r_i值為分別為1，0.76以及0.55。

步驟105：根據(jù)所述維修空間的定量評(píng)分，判斷產(chǎn)品維修性能

其中，判斷產(chǎn)品維修性能具體包括：根據(jù)維修空間的最終評(píng)分s，判斷產(chǎn)品的維修性能。表5為針對(duì)整個(gè)維修流程的操作空間評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表5

本發(fā)明還提供了一種基于虛擬環(huán)境下維修空間的定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例中的定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)包括范圍獲取模塊201、理想掃掠體數(shù)值模塊202、約束掃掠體數(shù)值模塊203、評(píng)分模塊204、定量評(píng)分模塊205、性能判斷模塊206。

其中，所述范圍獲取模塊201用于獲取維修人員的操作空間范圍，具體包括：首先獲取的人體尺寸數(shù)據(jù)，然后對(duì)站姿狀態(tài)下維修操作人員的上肢活動(dòng)范圍進(jìn)行求解，然后獲取的維修操作人員的上肢最大活動(dòng)范圍，進(jìn)而依次獲得該維修操作人員的正常操作范圍和最佳操作范圍，分別是最大操作范圍的0.78倍和0.59倍。

所述理想掃掠體數(shù)值模塊202用于獲取理想掃掠體數(shù)值，具體包括：建立虛擬維修仿真模型，其輸入仿真數(shù)據(jù)包括維修人員模型、維修操作流程以及數(shù)字樣機(jī)；在考慮人機(jī)工效學(xué)以及維修任務(wù)的最低要求下，結(jié)合虛擬維修仿真模型，獲取理想掃掠體數(shù)值。

所述約束掃掠體數(shù)值模塊203用于獲取約束掃掠體數(shù)值，具體包括：獲取虛擬維修仿真模型中的維修人員手部尺寸，然后在虛擬維修仿真模型獲取對(duì)設(shè)備的三個(gè)基本維修操作，如：擰、轉(zhuǎn)動(dòng)和平推的數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取約束掃掠體積。

所述評(píng)分模塊204用于根據(jù)所述獲取的理想掃掠體數(shù)值和所述約束獲取的掃掠體數(shù)值，計(jì)算獲取掃掠體評(píng)分，具體包括：定義V_csv和V_esv分別為約束掃掠體和理想掃掠體的數(shù)值。則獲取掃掠體的評(píng)分可得：P_v＝V_csv/V_esv其中，P_v是約束掃掠體和理想掃掠體數(shù)值的比值。P_v的值越大，則說(shuō)明該設(shè)備的維修操作空間設(shè)計(jì)的越好。

所述定量評(píng)分模塊205用于根據(jù)所述獲取的掃掠體評(píng)分和獲取的操作空間范圍模塊，計(jì)算維修空間的定量評(píng)分；具體包括：將維修操作空間和掃掠體的評(píng)分相結(jié)合，對(duì)于整個(gè)維修過(guò)程，則獲取的維修空間的最終評(píng)分為：s＝∑_ir_i·p_vi其中，s為維修空間評(píng)價(jià)的分?jǐn)?shù)，r_i和p_vi分別是第i個(gè)動(dòng)作所對(duì)應(yīng)的相對(duì)位置的分?jǐn)?shù)以及P_v的值。該動(dòng)作處于最佳操作范圍、正常操作范圍以及最大操作范圍的ri值為分別為1，0.76以及0.55。

所述性能判斷模塊206用于根據(jù)所述計(jì)算獲取的維修空間的定量評(píng)分判斷產(chǎn)品維修性能；具體包括:根據(jù)維修空間的最終評(píng)分s，判斷產(chǎn)品的維修性能。

本發(fā)明采用的是拆卸大型客機(jī)上的輔助動(dòng)力單元為維修案例。維修人員身體尺寸采用中國(guó)人體第九十五百分位的人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)維修仿真在法國(guó)達(dá)索公司的DELMIA仿真軟件下進(jìn)行。

本發(fā)明的維修任務(wù)為拆卸三個(gè)螺母，并對(duì)這三個(gè)螺母的拆卸均涉及擰和平推的操作。首先根據(jù)該維修人員的身體尺寸，利用公式(1)(2)(3)，可以得到該維修人員上肢的最大活動(dòng)范圍，在MATLAB下可以得到可視化效果。

在得到上肢最大活動(dòng)范圍之后，最佳操作范圍以及正常操作范圍便可以求出。而每一個(gè)動(dòng)作所處的操作范圍可以在仿真過(guò)程中通過(guò)DELMIA的相關(guān)測(cè)量工具得到。

在仿真完成之后，我們便可以得到在仿真過(guò)程中的實(shí)際約束掃掠體體積以及每一個(gè)操作所處的活動(dòng)范圍。表6為維修仿真的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

表6.維修仿真操作空間評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)

通過(guò)仿真結(jié)果以及本文提出的評(píng)價(jià)方法，對(duì)三個(gè)部分的維修操作空間進(jìn)行評(píng)價(jià)。

第一部分附近的空間相對(duì)寬裕，平推或者擰的操作所對(duì)應(yīng)的P_v值均大于或等于1，也就意味著有足夠的空間供維修人員進(jìn)行維修操作。在三個(gè)部分中，該部分是最靠近維修人員身體的，所有的操作均在正常操作范圍內(nèi)。平推是一個(gè)近似沿著直線的運(yùn)動(dòng)，因此為了簡(jiǎn)便而不失一般性，如果平推的約束掃掠體體積大于理想掃略體積，那么設(shè)定P_v的值為1。對(duì)于擰的動(dòng)作，附近沒(méi)有障礙物。根據(jù)評(píng)價(jià)方法，該部分維修操作的整體得分為3.168，評(píng)價(jià)為良好。

第二部分中的s值在正常范圍內(nèi)，因此總體評(píng)分為正常。然而在這一部分中需要指出的是，雖然各個(gè)操作的P_v值都處于良好水平，但是這些操作都在最大操作范圍內(nèi)，因此r_i的值較低，所以導(dǎo)致最終的評(píng)分為正常而不是良好。該部分相對(duì)維修人員處于較高的位置，因此建議在維修過(guò)程中添加一個(gè)工裝以使維修人員站在一個(gè)較高的位置，方便操作。

第三部分周?chē)目臻g較為擁擠，緊挨著啟動(dòng)器和管線，有效操作空間較小。對(duì)于擰的動(dòng)作，P_v的值處于差的水平，因此，盡管該部分整體的維修操作評(píng)分為1.424，大于1.3的正常臨界水平，但是整體評(píng)分也是差。而且，在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，維修人員的手腕和手肘的背屈角度較大，分別達(dá)到了67°和92°，長(zhǎng)時(shí)間處于該狀態(tài)會(huì)加速維修人員的疲勞。

通過(guò)本發(fā)明的維修仿真案例的應(yīng)用，說(shuō)明了本文提出的維修操作空間定量評(píng)價(jià)方法及系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)有效的、定量的虛擬仿真維修行為。

本說(shuō)明書(shū)中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見(jiàn)即可。對(duì)于實(shí)施例公開(kāi)的系統(tǒng)而言，由于其與實(shí)施例公開(kāi)的方法相對(duì)應(yīng)，所以描述的比較簡(jiǎn)單，相關(guān)之處參見(jiàn)方法部分說(shuō)明即可。

本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處。綜上所述，本說(shuō)明書(shū)內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。