一種虛擬人維修動作混合驅(qū)動方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種驅(qū)動方法，尤其涉及一種虛擬人維修動作混合驅(qū)動方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 維修性問題是復(fù)雜裝備的基礎(chǔ)共性問題，貫穿裝備的全生命周期。維修性已經(jīng)成 為評價(jià)裝備性能的重要指標(biāo)，較差的維修性設(shè)計(jì)不僅增加維護(hù)成本，而且降低裝備利用率。 復(fù)雜裝備如飛機(jī)、雷達(dá)、大噸位履帶吊等對維修性要求很高，必須保證其在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能 恢復(fù)到規(guī)定功能狀態(tài)，因此在復(fù)雜裝備設(shè)計(jì)階段，就需要制定詳細(xì)的維修指令描述拆卸、檢 測、更換/修復(fù)、安裝及調(diào)試等過程，以確保維修操作能夠迅速、安全和準(zhǔn)確。維修性設(shè)計(jì)過 程中，設(shè)計(jì)人員需要考慮維修相關(guān)的所有因素，制定維修指令，并通過維修性分析，確定維 修性設(shè)計(jì)措施和評定維修性設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度。由于裝備維修活動大部分是手工拆裝， 并且很少具有生產(chǎn)裝配現(xiàn)場所具有的拆裝環(huán)境如工具與工裝，因此改善維修工作條件，便 于維修人員手工拆裝操作；減少維修的潛在風(fēng)險(xiǎn)，是復(fù)雜裝備維性設(shè)計(jì)亟待解決的問題。針 對具體維修作業(yè)的特點(diǎn)，在裝備的維修性設(shè)計(jì)過程中，需著重考慮維修作業(yè)中人的因素，從 適應(yīng)人的人機(jī)工效特性、便于維修人員操作入手，使維修作業(yè)環(huán)境適宜于人的工作，從而安 全、尚效地完成維修任務(wù)。
[0003] 盡管虛擬操作技術(shù)已有了相當(dāng)?shù)难芯颗c應(yīng)用成果，但目前基本上還依靠手工調(diào)整 虛擬人拆裝動作姿態(tài)，效率較低，設(shè)計(jì)人員通常只能根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對容易出現(xiàn)問題的部分 維修指令、或者維修流程的某個(gè)階段進(jìn)行分析與評估。這些問題是制約目前虛擬維修技術(shù) 工程應(yīng)用的主要瓶頸。
[0004] 對維修信息建模是虛擬維修的基礎(chǔ)，需要建立滿足虛擬人維修動作驅(qū)動與維修性 評估的數(shù)字樣機(jī)，提供各類維修相關(guān)信息的集成，其不僅包含CAD幾何數(shù)據(jù)、裝配約束關(guān) 系、物理屬性等信息，而且還應(yīng)包括維修操作行為信息、維修特征信息等。維修信息的集成 大體可分為兩類方法，一類方法是以集成產(chǎn)品裝配信息模型為基礎(chǔ)，利用PDM平臺，建立集 成的產(chǎn)品維修性信息模型（PPR - IVM，包含產(chǎn)品、工藝和資源的集成視圖模型），支持并行 維修性設(shè)計(jì)，軍械工程學(xué)院在此領(lǐng)域取得了大量的理論與應(yīng)用研究成果 [1];另一類方法是 通過開發(fā)CAD平臺下的支持模塊進(jìn)行維修性設(shè)計(jì)，在CAD環(huán)境下添加維修信息[2];針對現(xiàn)有 虛擬維修系統(tǒng)中維修資源管理存在的問題，很多研究聚焦在維修資源信息的組織與表達(dá)： 分別建立工具庫、時(shí)間庫、虛擬人模型庫，實(shí)現(xiàn)信息的分類管理；利用XML技術(shù)，建立可擴(kuò)展 的維修資源集合模型，實(shí)現(xiàn)維修資源的科學(xué)管理等 [3]。
[0005] 虛擬人手持工具進(jìn)行拆裝時(shí)，需要對工具的可接近性與可操作性進(jìn)行評估，從而 選取合適的工具。Chulho Chung等采用全局可接近性錐GAC(Global Accessibility Cone) 方法來快速獲得拆裝工具最合適的路徑，評價(jià)工具可接近性，但該研究沒有加入虛擬人的 約束，特別是虛擬手抓取位置對路徑的影響 [4]。尹周平等分析了進(jìn)行裝配工具可接近性分 析的難點(diǎn)，指出其可采用基于可視錐的方法進(jìn)行研究[5]。
[0006] 上述研究主要面向維修性設(shè)計(jì)，未詳細(xì)提出維修指令人機(jī)工效評估相關(guān)的操作行 為信息、零件及工具的物理屬性以及維修工具的信息建模，很少涉及評估所需的拆裝特征 信息，需要在后續(xù)分析過程中進(jìn)行手工交互式的配置，限制了人機(jī)工效分析的效率。
[0007] 虛擬人維修動作驅(qū)動方法目前大體分為兩類，一類是通過模型驅(qū)動，由"算法控 制"3D虛擬人實(shí)現(xiàn)拆裝動作仿真。此領(lǐng)域的研究是以Balder教授為代表，其研發(fā)了 Jack? 軟件，采用PAR(參數(shù)化動作表達(dá)）將語義描述的維修指令映射成虛擬人的動作指令，并通 過PaTNet描述維修動作狀態(tài)，這些方法至今是虛擬人自主驅(qū)動實(shí)現(xiàn)維修操作的基本方法 [6 8]。為提高維修動作驅(qū)動效率，很多研究對虛擬人基本維修動作進(jìn)行抽象，建立維修動素 庫》W，實(shí)現(xiàn)維修動作的重用。另外一些研究為了提高虛擬人維修動作姿態(tài)的準(zhǔn)確性，結(jié)合 生理學(xué)與生物學(xué)模型對虛擬人的運(yùn)動姿態(tài)預(yù)測 [12 14]。另一類是通過運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)驅(qū)動，由 真人通過虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)驅(qū)動虛擬人運(yùn)動，此領(lǐng)域研究聚焦在虛擬人動作匹配的真實(shí)性與自 然性。胡曉燕等提出了一種基于語義分析的懶匹配算法，自動匹配虛擬人模型與運(yùn)動數(shù)據(jù) [15]。李石磊等提出了基于任務(wù)約束的冗余空間，在加速度層次上的、具有任意多個(gè)優(yōu)先級的 虛擬人運(yùn)動驅(qū)動算法 [16]。還有許多研究采用跟蹤器、數(shù)據(jù)手套等虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)，實(shí)時(shí)驅(qū)動虛 擬人/虛擬手進(jìn)行維修操作[17 18]。
[0008] 這兩類虛擬人動作驅(qū)動方式各有其局限性，通過模型驅(qū)動在于人體動作復(fù)雜性和 靈活性，手工編輯方法對人機(jī)工程學(xué)專業(yè)知識要求非常高，工程師需要掌握專門的經(jīng)驗(yàn)和 技能方能合理地編輯虛擬人的行為?？紤]路徑規(guī)劃問題，對于復(fù)雜作業(yè)環(huán)境和作業(yè)任務(wù)而 言，手工編輯方法是一項(xiàng)十分繁重的工作。為了提高效率，很多研究提出了通過語義模板 進(jìn)行描述，但復(fù)雜裝備的維修指令具有多樣性、復(fù)雜性，難以解析成統(tǒng)一的PAR描述，其動 作解析需要集成空間（幾何）、視覺、操作行為等多種自然交互方式，因此很難采用"算法控 制"準(zhǔn)確模擬。對于零件的抓取與持拿等操作仿真，需要手工針對具體拆裝操作進(jìn)行初始化 配置 [18]。在目前的工程實(shí)踐中，完成虛擬維修仿真過程仍然是耗時(shí)費(fèi)力的工作：文獻(xiàn)[16]提 到利用Jack妒軟件每開發(fā)一段1分鐘的虛擬人維修操作過程，以每人每天8小時(shí)工作時(shí)間 計(jì)算，需要一名經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師耗費(fèi)5~7天的工作時(shí)間。
[0009] 通過運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)驅(qū)動在于虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)跟蹤范圍、精度的限制以及虛擬人關(guān)節(jié) 模型的簡化，造成虛擬人姿態(tài)控制的準(zhǔn)確度不高，難以保證維修動作自然交互的要求，目前 的研究還缺少對實(shí)時(shí)驅(qū)動過程中虛擬人驅(qū)動精度的性能研究。同時(shí)由于交互仿真的實(shí)時(shí)渲 染要求，需要對虛擬樣機(jī)模型、工具模型、人體模型的幾何數(shù)據(jù)、約束關(guān)系等進(jìn)行精簡，造成 虛擬環(huán)境下緊固件如螺釘、螺母的交互式拆裝操作非常困難。另外由于虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)跟蹤 范圍、精度的限制，其目前只適合驅(qū)動虛擬人在局部維修區(qū)域內(nèi)行走、持拿、釋放零件等維 修動作。
[0010] 為提高虛擬人動作驅(qū)動的效率，結(jié)合上述兩種驅(qū)動方式的優(yōu)點(diǎn)，有研究提出采用 混合驅(qū)動機(jī)制實(shí)現(xiàn)對虛擬人動作的驅(qū)動，目前的研究主要聚焦在虛擬人動作的模型算法驅(qū) 動與預(yù)測，沒有充分利用真人實(shí)時(shí)捕捉數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn) [16][19]。另外虛擬人是維修活動的發(fā) 起者和執(zhí)行者，支配和驅(qū)動產(chǎn)品零部件與工具的運(yùn)動；產(chǎn)品、工具、環(huán)境等對虛擬人的行為 均具有約束作用，因此虛擬人的維修操作必須服從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、裝配特點(diǎn)、工具使用方法等客 觀約束條件。
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