一种虚拟人维修动作混合驱动方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种驱动方法，尤其涉及一种虚拟人维修动作混合驱动方法。
【背景技术】
[0002] 维修性问题是复杂装备的基础共性问题，贯穿装备的全生命周期。维修性已经成 为评价装备性能的重要指标，较差的维修性设计不仅增加维护成本，而且降低装备利用率。 复杂装备如飞机、雷达、大吨位履带吊等对维修性要求很高，必须保证其在规定的时间内能 恢复到规定功能状态，因此在复杂装备设计阶段，就需要制定详细的维修指令描述拆卸、检 测、更换/修复、安装及调试等过程，以确保维修操作能够迅速、安全和准确。维修性设计过 程中，设计人员需要考虑维修相关的所有因素，制定维修指令，并通过维修性分析，确定维 修性设计措施和评定维修性设计目标的实现程度。由于装备维修活动大部分是手工拆装， 并且很少具有生产装配现场所具有的拆装环境如工具与工装，因此改善维修工作条件，便 于维修人员手工拆装操作；减少维修的潜在风险，是复杂装备维性设计亟待解决的问题。针 对具体维修作业的特点，在装备的维修性设计过程中，需着重考虑维修作业中人的因素，从 适应人的人机工效特性、便于维修人员操作入手，使维修作业环境适宜于人的工作，从而安 全、尚效地完成维修任务。
[0003] 尽管虚拟操作技术已有了相当的研究与应用成果，但目前基本上还依靠手工调整 虚拟人拆装动作姿态，效率较低，设计人员通常只能根据设计经验，对容易出现问题的部分 维修指令、或者维修流程的某个阶段进行分析与评估。这些问题是制约目前虚拟维修技术 工程应用的主要瓶颈。
[0004] 对维修信息建模是虚拟维修的基础，需要建立满足虚拟人维修动作驱动与维修性 评估的数字样机，提供各类维修相关信息的集成，其不仅包含CAD几何数据、装配约束关 系、物理属性等信息，而且还应包括维修操作行为信息、维修特征信息等。维修信息的集成 大体可分为两类方法，一类方法是以集成产品装配信息模型为基础，利用PDM平台，建立集 成的产品维修性信息模型（PPR - IVM，包含产品、工艺和资源的集成视图模型），支持并行 维修性设计，军械工程学院在此领域取得了大量的理论与应用研究成果 [1];另一类方法是 通过开发CAD平台下的支持模块进行维修性设计，在CAD环境下添加维修信息[2];针对现有 虚拟维修系统中维修资源管理存在的问题，很多研究聚焦在维修资源信息的组织与表达： 分别建立工具库、时间库、虚拟人模型库，实现信息的分类管理；利用XML技术，建立可扩展 的维修资源集合模型，实现维修资源的科学管理等 [3]。
[0005] 虚拟人手持工具进行拆装时，需要对工具的可接近性与可操作性进行评估，从而 选取合适的工具。Chulho Chung等采用全局可接近性锥GAC(Global Accessibility Cone) 方法来快速获得拆装工具最合适的路径，评价工具可接近性，但该研究没有加入虚拟人的 约束，特别是虚拟手抓取位置对路径的影响 [4]。尹周平等分析了进行装配工具可接近性分 析的难点，指出其可采用基于可视锥的方法进行研究[5]。
[0006] 上述研究主要面向维修性设计，未详细提出维修指令人机工效评估相关的操作行 为信息、零件及工具的物理属性以及维修工具的信息建模，很少涉及评估所需的拆装特征 信息，需要在后续分析过程中进行手工交互式的配置，限制了人机工效分析的效率。
[0007] 虚拟人维修动作驱动方法目前大体分为两类，一类是通过模型驱动，由"算法控 制"3D虚拟人实现拆装动作仿真。此领域的研究是以Balder教授为代表，其研发了 Jack? 软件，采用PAR(参数化动作表达）将语义描述的维修指令映射成虚拟人的动作指令，并通 过PaTNet描述维修动作状态，这些方法至今是虚拟人自主驱动实现维修操作的基本方法 [6 8]。为提高维修动作驱动效率，很多研究对虚拟人基本维修动作进行抽象，建立维修动素 库》W，实现维修动作的重用。另外一些研究为了提高虚拟人维修动作姿态的准确性，结合 生理学与生物学模型对虚拟人的运动姿态预测 [12 14]。另一类是通过运动捕获数据驱动，由 真人通过虚拟现实外设驱动虚拟人运动，此领域研究聚焦在虚拟人动作匹配的真实性与自 然性。胡晓燕等提出了一种基于语义分析的懒匹配算法，自动匹配虚拟人模型与运动数据 [15]。李石磊等提出了基于任务约束的冗余空间，在加速度层次上的、具有任意多个优先级的 虚拟人运动驱动算法 [16]。还有许多研究采用跟踪器、数据手套等虚拟现实外设，实时驱动虚 拟人/虚拟手进行维修操作[17 18]。
[0008] 这两类虚拟人动作驱动方式各有其局限性，通过模型驱动在于人体动作复杂性和 灵活性，手工编辑方法对人机工程学专业知识要求非常高，工程师需要掌握专门的经验和 技能方能合理地编辑虚拟人的行为。考虑路径规划问题，对于复杂作业环境和作业任务而 言，手工编辑方法是一项十分繁重的工作。为了提高效率，很多研究提出了通过语义模板 进行描述，但复杂装备的维修指令具有多样性、复杂性，难以解析成统一的PAR描述，其动 作解析需要集成空间（几何）、视觉、操作行为等多种自然交互方式，因此很难采用"算法控 制"准确模拟。对于零件的抓取与持拿等操作仿真，需要手工针对具体拆装操作进行初始化 配置 [18]。在目前的工程实践中，完成虚拟维修仿真过程仍然是耗时费力的工作：文献[16]提 到利用Jack妒软件每开发一段1分钟的虚拟人维修操作过程，以每人每天8小时工作时间 计算，需要一名经验丰富的工程师耗费5~7天的工作时间。
[0009] 通过运动捕获数据驱动在于虚拟现实外设跟踪范围、精度的限制以及虚拟人关节 模型的简化，造成虚拟人姿态控制的准确度不高，难以保证维修动作自然交互的要求，目前 的研究还缺少对实时驱动过程中虚拟人驱动精度的性能研究。同时由于交互仿真的实时渲 染要求，需要对虚拟样机模型、工具模型、人体模型的几何数据、约束关系等进行精简，造成 虚拟环境下紧固件如螺钉、螺母的交互式拆装操作非常困难。另外由于虚拟现实外设跟踪 范围、精度的限制，其目前只适合驱动虚拟人在局部维修区域内行走、持拿、释放零件等维 修动作。
[0010] 为提高虚拟人动作驱动的效率，结合上述两种驱动方式的优点，有研究提出采用 混合驱动机制实现对虚拟人动作的驱动，目前的研究主要聚焦在虚拟人动作的模型算法驱 动与预测，没有充分利用真人实时捕捉数据驱动的优点 [16][19]。另外虚拟人是维修活动的发 起者和执行者，支配和驱动产品零部件与工具的运动；产品、工具、环境等对虚拟人的行为 均具有约束作用，因此虚拟人的维修操作必须服从产品结构、装配特点、工具使用方法等客 观约束条件。
[0011] 参考文献：
[0012] [1]刘安清，郝建平，于永利等.支持并行设计的维修性模型及其实现.计算机 集成制造系统.2004, 10 (7) : 769-800 ;
[0013] [2]罗旭，葛哲学，杨拥民，徐永成.面向维修性CAD的支持功能设计与集成方 法.机械设计与制造，2011，7, 201-203 ;
[0014] [3]刘钡钡，田凌，杨宇航.航空虚拟维修系统关键技术.计算机集成制造系 统，2012, 18(1) :47-57 ;
[0015] [4]Chulho Chung, Qingjin Peng. Tool selection-embedded optimal assembly planning in a dynamic manufacturing environment. 2009, Vol. 41(7):501-512 ；
[0016] [5]尹周平，丁汉，熊有伦.基于可视锥的可接近性分析方法及其应用.中国科学 (E 辑）· 2003, Vol. 33(11) :979-988 ;
[0017] [6] Norman I. Badler. Virtual Humans for Validating Maintenance Procedures. 2002, 45 (7) : 57-63 ；
[0018] [7]Norman I.Badler, et