是否在處于自由錐內(nèi)，從而快速判斷工具的可接近性；
[0043] 2)提出虛擬人動(dòng)作混合驅(qū)動(dòng)：結(jié)合實(shí)時(shí)捕捉數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與模型驅(qū)動(dòng)優(yōu)點(diǎn)，通過實(shí)時(shí) 捕捉數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)降低模型驅(qū)動(dòng)對虛擬人關(guān)節(jié)自由度空間冗余處理所面臨的難題；通過多層次 功能約束模型驅(qū)動(dòng)操作者感知才能完成的精細(xì)維修動(dòng)作，從而有效解決維修動(dòng)作驅(qū)動(dòng)的效 率與精度問題；
[0044] 3)提出虛擬人實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)精度優(yōu)化：通過對驅(qū)動(dòng)誤差因素分析與量化定義，實(shí)現(xiàn)硬 件噪聲的過濾和基于灰色預(yù)測模型的在線補(bǔ)償，優(yōu)化虛擬人與操作者尺寸匹配。
【附圖說明】
[0045] 圖1是本發(fā)明提供的虛擬人維修動(dòng)作混合驅(qū)動(dòng)方法的總體技術(shù)方案框圖；
[0046] 圖2是本發(fā)明提供的虛擬人維修動(dòng)作混合驅(qū)動(dòng)方法提供的虛擬人實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)精度 控制流程圖；
[0047] 圖3是本發(fā)明提供的虛擬人維修動(dòng)作混合驅(qū)動(dòng)方法提供的維修工具最優(yōu)匹配流 程。
[0048] 圖4本發(fā)明提供的虛擬人維修動(dòng)作混合驅(qū)動(dòng)方法提供的虛擬人運(yùn)動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)機(jī) 制流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí) 施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。
[0050] 本發(fā)明針對維修指令人機(jī)工效評估的效率與準(zhǔn)確性問題，提出了虛擬維修環(huán)境下 虛擬人維修動(dòng)作混合驅(qū)動(dòng)及人機(jī)工效自動(dòng)量化評估方法，將在復(fù)雜裝備設(shè)計(jì)階段從人機(jī)工 程領(lǐng)域評估維修指令、有效避免裝備由于維修性設(shè)計(jì)問題而造成的維修困難、維修方案不 合理等問題，實(shí)現(xiàn)以人為中心的維修性設(shè)計(jì)，降低裝備研制與維護(hù)成本。本發(fā)明對促進(jìn)虛擬 維修技術(shù)在維修性設(shè)計(jì)領(lǐng)域的普及與工程化具有重要的意義?？梢詰?yīng)用到裝配指令的人機(jī) 工效評估，三維裝配/維修電子手冊的生成、維修操作訓(xùn)練等方面，全面提升裝備維修性設(shè) 計(jì)的水平。
[0051] 為了提高維修指令人機(jī)工效評估的效率，滿足復(fù)雜裝備并行維修性設(shè)計(jì)的需求， 虛擬人驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化與智能化是關(guān)鍵。本項(xiàng)目研究將在及時(shí)了解掌握國內(nèi)外研究工作進(jìn)展 動(dòng)態(tài)，充分利用課題組現(xiàn)有研究工作基礎(chǔ)上，采用理論研究與應(yīng)用開發(fā)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的 方法展開研究。
[0052] 擬定的技術(shù)方案如圖1所示。總體技術(shù)方案上，虛擬人動(dòng)作由實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù) 與模型算法混合驅(qū)動(dòng)，局部維修動(dòng)作與過渡維修動(dòng)作由實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)虛擬手 或者維修工具進(jìn)行精細(xì)維修動(dòng)作約束識(shí)別與匹配時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為模型算法驅(qū)動(dòng)，并由拆裝 環(huán)境約束，身體結(jié)構(gòu)約束、人體運(yùn)動(dòng)機(jī)能約束以及生理機(jī)能約束構(gòu)建姿態(tài)約束機(jī)，提高虛擬 人動(dòng)作驅(qū)動(dòng)的效率與精度。同時(shí)通過自動(dòng)提取維修過程關(guān)鍵幀的人機(jī)工效信息，采用自定 義的量化準(zhǔn)則進(jìn)行評估，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對量化結(jié)果進(jìn)行可信性評價(jià)。
[0053] 1)基于功能約束的精細(xì)維修動(dòng)作建模技術(shù)
[0054] 維修指令蘊(yùn)含的操作動(dòng)作信息挖掘需要處理大量的維修指令數(shù)據(jù)，采用智能挖掘 方法提煉典型維修指令動(dòng)作元素，建立標(biāo)準(zhǔn)拆裝動(dòng)作的結(jié)構(gòu)化表達(dá)和解析方法；為了便于 計(jì)算機(jī)的識(shí)別與處理，對維修指令動(dòng)作進(jìn)行層次編碼；同時(shí)把每條指令當(dāng)成一個(gè)族，通過數(shù) 據(jù)矩陣表述的維修動(dòng)作集合，采用曼哈坦距離公式計(jì)算族間距離，對動(dòng)作集合進(jìn)行聚類分 析，獲得標(biāo)準(zhǔn)的精細(xì)維修動(dòng)作。建立精細(xì)維修拆裝動(dòng)作信息描述模型，包含零件間、零件與 工具間的約束類型和個(gè)數(shù)，約束順序，以及工程約束（零件或部件）等信息，同時(shí)建立拆卸 \裝配規(guī)則、拆卸\裝配動(dòng)作集、工具約束匹配規(guī)則等。
[0055] 本發(fā)明擬在這些研究的基礎(chǔ)上，建立基于功能約束的虛擬人動(dòng)作驅(qū)動(dòng)的層次約束 模型：由拆裝環(huán)境約束，身體結(jié)構(gòu)約束、人體運(yùn)動(dòng)機(jī)能約束以及生理機(jī)能約束構(gòu)成的多層次 的姿態(tài)約束機(jī)。針對標(biāo)準(zhǔn)的精細(xì)維修動(dòng)作，一方面基于運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的方法生成各關(guān)節(jié)、軀 干和頭部的目標(biāo)位置，另外一方面基于實(shí)證統(tǒng)計(jì)建模的方法構(gòu)建運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)的約束模 型。本發(fā)明申請者采用NDI Pdaris?紅外線跟蹤設(shè)備，已測量與擬合了旋入、旋出等基本 維修動(dòng)作。以螺釘旋入為例，擬建立的虛擬人精細(xì)維修動(dòng)作自動(dòng)推理過程建模如下：首先根 據(jù)虛擬人站姿近身作業(yè)空間范圍和人體視野范圍劃分若干維修空間，根據(jù)虛擬人上肢反求 算法、干涉檢測算法及舒適度評估方法，逐次建立各個(gè)維修空間虛擬人維修姿態(tài)的推理法 貝1J，進(jìn)而計(jì)算維修動(dòng)作中的若干關(guān)鍵姿態(tài)；關(guān)鍵姿態(tài)之間虛擬人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)采用球面四元素 SLERP算法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，最終生成完整的維修動(dòng)作序列。例如擰緊螺釘動(dòng)作驅(qū)動(dòng)模型可表達(dá) 為：
[0056] MList = TightenScrew (Operator, VH&T, Object, Ra, Tp, As, v)
[0057] 式中=Operator為操作者；VH&T表示虛擬手抓取或采用擰緊工具；Object為擰緊 對象，此處為螺釘；R A為每次擰緊操作的角度；Tp為螺距；AS為螺釘與其配合螺紋孔的軸線； V為維修環(huán)境的仿真速率;MList為生成的維修動(dòng)作關(guān)鍵幀。
[0058] 以此類推，螺栓、螺母、銷釘?shù)绕渌o固件的旋入、旋出、擰松、敲打等精細(xì)維修動(dòng) 作的驅(qū)動(dòng)模型亦可建立。根據(jù)精細(xì)動(dòng)作模型參數(shù)計(jì)算每次操作零件、工具的位姿矩陣：以擰 緊螺釘操作為例，根據(jù)擰過的角度R a、螺距Tp和配合軸線A s，可計(jì)算出每次操作螺釘和擰緊 工具位置；再根據(jù)虛擬手與工具之間的固聯(lián)關(guān)系，通過虛擬人維修姿態(tài)推理模型求解當(dāng)前 最適合的維修操作姿態(tài)。
[0059] 2)基于遺傳算法的虛擬人運(yùn)動(dòng)精度優(yōu)化控制技術(shù)
[0060] 影響虛擬人實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)精度主要包括兩個(gè)環(huán)節(jié)：運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的輸入環(huán)節(jié)和處理環(huán)節(jié)。 前者跟硬件本身性能相關(guān)，本發(fā)明擬將這類由于硬件本身性能導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)精度下降的因素稱 之為硬件因素；后者與虛擬人的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模型相關(guān)，將其歸類為軟件因素。
[0061] 常見的硬件因素主要包括連續(xù)性噪聲和突發(fā)性噪聲兩大類。第一類主要指設(shè)備的 跟蹤誤差，其影響主要表現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)過程中虛擬人持續(xù)"顫抖"，跟蹤誤差累積會(huì)加劇"顫抖" 的劇烈程度以至嚴(yán)重失真。第二類指運(yùn)動(dòng)跟蹤過程的魯棒性，運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)在實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)過 程中受到外界干擾會(huì)產(chǎn)生噪聲數(shù)據(jù)，導(dǎo)致關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息突然缺失或者位姿狀態(tài)突變，使得 虛擬人動(dòng)作突然失真。針對硬件噪聲，首先對采集到的旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)建立對應(yīng)的過濾準(zhǔn)則；對實(shí) 時(shí)驅(qū)動(dòng)過程中產(chǎn)生的噪聲，按照人體關(guān)節(jié)極限角度和前后關(guān)鍵幀關(guān)節(jié)角度變化幅度進(jìn)行濾 波；對于合理的跟蹤數(shù)據(jù)，采用遞推平均濾波法，對跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行光滑處理，以消除虛擬人 驅(qū)動(dòng)過程中的"顫抖"現(xiàn)象；對于過濾掉的突發(fā)性噪聲，采用灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行在線的位姿 補(bǔ)償，以防止維修操作過程中虛擬人動(dòng)作的突然變形。如圖2虛擬人實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)精度控制所 不。
[0062] 軟件因素主要包括虛擬人模型簡化和人體部件匹配精度。目前虛擬人建模廣泛采 用Hanavan人體骨架結(jié)構(gòu)具有良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算精度，因此操作者與虛擬人骨骼 部件尺寸的匹配精度是影響虛擬人實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)精度的主要因素。本發(fā)明擬提出相應(yīng)的虛擬人 實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)精度的優(yōu)化方法：首先在獲取虛擬環(huán)境中各關(guān)節(jié)空間位姿的基礎(chǔ)上，提出虛擬人 實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)誤差的量化方法，根據(jù)誤差量化函數(shù)建立驅(qū)動(dòng)誤差模型；其次通過采集拆裝過程 頻繁操作域的空間點(diǎn)，計(jì)算若干采樣點(diǎn)的累計(jì)誤差，以該累計(jì)誤差最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立優(yōu) 化模型；然后以操作者身高對應(yīng)的虛擬人部件尺寸作為初始參數(shù)，引入部件尺寸收縮系數(shù) 來擴(kuò)大尋優(yōu)范圍；最后采用遺傳算法對優(yōu)化模型進(jìn)行求解，計(jì)算操作者與虛擬人的最佳匹 配尺寸。
[0063] 3)基于全局可接近性錐GAC的維修工具最優(yōu)匹配方法
[0064] 維修工具的種類繁多，不同的維修工具在幾何外形、應(yīng)用場合和使用方法等存在 很大的差異，為提高維修指令評估的效率，需要自動(dòng)、準(zhǔn)確選擇合適的維修工具。由于拆卸 與安裝緊固件是維修工作最為常見的指令。本發(fā)明考慮虛擬人手持工具進(jìn)行維修操作，增 加工具重量、虛擬人抓取位置、旋轉(zhuǎn)操作位置等參數(shù)，建立維修工具信息描述模型。對維修 工具進(jìn)分類，并采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫，建立緊固件拆裝工具庫，包含多種類型的手動(dòng)工具與半自 動(dòng)工具，同時(shí)建立其與可以拆卸緊固件的約束映射關(guān)系。
[0065] 采用分層優(yōu)化的方法進(jìn)行拆卸工具的初始匹配，流