一种基于虚拟环境下维修空间的定量评价方法及系统与流程

本发明涉及维修空间评价方法及系统的技术领域，特别是涉及一种基于虚拟环境下维修空间的定量评价方法及系统。

背景技术：

维修性是产品的固有特性，反映了一个设备在将要或者已经发生故障后，进行维修活动的好坏程度。维修性主要从维修速度，维修效果以及维修成本来考虑，提高产品的维修性对保证维修安全，减少维修成品以及增加产品寿命具有重要意义。

可达性也是维修性的重要部分，其反映了当以维修操作为目时接近产品维修部位的能力，具体包括以下方面：视觉可达、实体可达以及操作空间。其中，操作空间的大小直接决定着维修效率，良好的维修操作空间可以使维修人员较为快速舒适的完成维修任务。

但是，在目前现有技术中，关于维修操作空间的评价一般基于维修人员的经验或者视觉来判断，存在着一定的主观性，缺少客观数据支持，急需一种较为有效的定量的维修操作空间评价方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于虚拟环境下维修空间的定量评价方法及系统，它可以克服现有技术上述的不足，实现了有效的、定量的评价了维修操作空间。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种基于虚拟环境下维修空间的定量评价方法，所述定量评价方法包括：

获取维修人员的操作空间范围；

获取理想扫掠体数值和约束扫掠体数值；

根据所述理想扫掠体数值和所述约束扫掠体数值，获取扫掠体的评分；

根据所述扫掠体的评分以及所述操作空间范围，获取维修空间的评分；

根据所述维修空间的定量评分，判断产品维修性能。

可选的，所述定量评价方法还包括建立虚拟维修仿真模型；其中，所述维修仿真模型中输入的仿真数据包括维修人员模型、维修操作流程以及数字样机。

可选的，获取理想扫掠体数值的方法具体包括：获取维修人员的身体尺寸数据和维修设备的布局；根据所述身体尺寸数据和所述维修设备的布局以及结合维修操作规程，获取所述理想扫掠体数值。

可选的，获取约束扫掠体数值的方法具体包括：获取维修人员的手部尺寸数据；根据所述手部尺寸数据结合维修基本操作动作，获取所述约束扫掠体数值。

可选的，获取扫掠体的评分的方法具体包括：计算所述约束扫掠体数值除以所述理想扫掠体数值的结果值；根据所述结果值，获取所述扫掠体评分。

本发明还提供一种基于虚拟环境下维修空间的定量评价系统，该定量评价系统包括：

范围获取模块，用于获取维修人员的操作空间范围；

理想扫掠体数值模块，用于获取理想扫掠体数值；

约束扫掠体数值模块，用于获取约束扫掠体数值；

评分模块，用于根据所述理想扫掠体数值和约束扫掠体数值，获取扫掠体评分；

定量评分模块，用于根据所述获取的扫掠体评分和获取的操作空间范围模块，计算维修空间的定量评分；

性能判断模块，用于根据所述维修空间的定量评分，判断产品维修性能。

可选的，所述定量评价系统还包括建立虚拟维修仿真模型；其中，所述维修仿真模型中输入的仿真数据包括维修人员模型、维修操作流程以及数字样机。

可选的，所述理想扫掠体数值模块具体包括：

身体尺寸数据子模块，用于获取维修人员的身体尺寸数据；

布局子模块，用于获取维修设备的布局；

理想扫掠体数值获取子模块，用于根据所述获取的身体尺寸数据和所述获取的设备布局子以及结合维修操作规程，获取所述理想扫掠体数值。

可选的，所述约束扫掠体数值模块具体包括：

手部尺寸数据子模块，用于获取维修人员的手部尺寸数据；

约束扫掠体数值子模块，用于根据所述手部尺寸数据结合维修基本操作动作，获取所述约束扫掠体数值。

可选的，所述评分模块具体包括：

结果值子模块，用于计算所述约束扫掠体数值除以理想扫掠体数值的结果值；评分子模块，用于根据所述结果值，获取所述扫掠体评分。

根据本发明提供的一种基于虚拟环境下维修空间的定量评价方法及系统，本发明公开了以下技术效果：

该定量评价方法及系统通过获取理想扫掠体数值、约束扫掠体数值和维修人员的操作空间范围，进而获取扫掠体的评分，并将获取的扫掠体评分和获取的操作空间范围相结合，获取维修空间的定量评分，最后根据维修空间的定量评分，判断产品是否进行维修。与现有技术相比，该评价方法及系统提供了客观数据支持，克服人为的主观性，提高了产品的维修性能，解决了现有技术中根据维修人员的经验或者视觉来判断维修产品的操作空间，进而主观判断维修性能好坏的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的定量评价方法流程图；

图2为本发明实施例中的定量评价系统模块结构示意图；

图3为本发明实施例中的站姿下人体上肢模型简化图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

在现有技术中，通常根据维修人员经验或者维修人员视觉来判断产品的维修操作空间，进而判断产品维修性能，此判断方法存在一定的主观性，缺少客户数据的支持，为了克服上述存在的不足，本发明提供了一种基于虚拟环境下维修空间的定量评价方法。

如图1所示，本发明实施例中的定量评价方法包括：

步骤101：获取维修人员的操作空间范围。

其中，获取维修人员的操作空间范围具体包括：首先获取的人体尺寸数据，然后对站姿状态下维修操作人员的上肢活动范围进行求解。

请参阅图3，其示出了维修人员站姿下人体上肢模型简化图，设髋关节P₁为坐标原点O，人体正面方向为X轴正方向，向左方向为Y轴正方向，垂直轴向上为Z轴正方向。P₂为颈关节，P₃为左肩关节，P₄为左肘关节，P₅为左腕关节，P₆为左手中指的顶端，l₁为髋关节P₁到颈关节P₂的长度，l₂为颈关节到左肩关节的长度，l₃为左肩关节到左手中指顶端长度的一半。设定中指顶端端点P₆在空间坐标系中的坐标为(x,y,z)，那么根据三角函数知识，P₆的坐标可以表示为:

x＝l₃cosαcosβ (1)

y＝l₂+l₃cosβsinα (2)

z＝l₁+l₃sinβ (3)

根据上述公式(1)(2)(3)，计算人体上肢最大操作范围。表1列出了根据我国人体测量数据得到的不同百分位男性女性l₁、l₂和l₃的数据(mm)。

表1

根据获取的维修操作人员的上肢最大活动范围，依次获得该维修操作人员的正常操作范围和最佳操作范围，分别是最大操作范围的0.78倍和0.59倍。

步骤102：获取理想扫掠体数值和约束扫掠体数值。

获取理想扫掠体，其中，理想扫掠体则代表着维修人员能够较舒适的完成维修操作的应有扫略体积，具体包括：建立虚拟维修仿真模型，其输入仿真数据包括维修人员模型、维修操作流程以及数字样机；在考虑人机工效学以及维修任务的最低要求下，结合虚拟维修仿真模型，获取理想扫掠体数值。

另外，获取约束扫掠体数值，其中，约束扫掠体是指当维修人员手部进行实际的维修操作时，在实际产品结构的约束下所产生的扫略体积，具体包括：获取维修操作人员的身体尺寸数据，将上述身体尺寸数据输入到虚拟维修仿真模型中。由于不同尺寸手部在同一空间内所占的体积不同，对于同一操作，难度也有所不同。因此还需要手部的尺寸数据，其中表2列出了中国不同百分位男性的手部尺寸。

表2

根据表2中国不同百分位男性的手部尺寸，确定虚拟维修仿真模型中的维修人员手部尺寸，然后在虚拟维修仿真模型获取对设备的三个基本维修操作，如：拧、转动和平推的数据，进而获取约束扫掠体积，同时也会获得如表3所示的每一基本操作维修人员部分关节的最大活动角度范围及舒适角度活动

范围。其中，每一个基本操作的约束扫掠体体积都可以通过仿真得到。

表3

步骤103：根据所述理想扫掠体数值和所述约束扫掠体数值，获取扫掠体的评分。

具体包括：首先定义V_csv和V_esv分别为约束扫掠体和理想扫掠体的数值。则获取扫掠体的评分可得：

P_v＝V_csv/V_esv (4)

其中，P_v是约束扫掠体和理想扫掠体数值的比值。P_v的值越大，则说明该设备的维修操作空间设计的越好。基于人机工程学资料以及维修操作的要求，根据P_v的取值范围，将每一个维修基本操作的空间评价分为三个等级：差，正常和良好。如果操作空间评价是差，则说明该设备的维修操作空间不能满足该维修操作的顺利进行。如果维修操作空间能够满足维修任务的完成，但是不符合人机工程学上对于维修人员该操作舒适度的要求，那么将维修操作空间的评价是正常。如果维修操作空间的设计既能够满足该维修操作的基本要求，又符合人机工程学对于维修操作人员舒适度的要求，那么维修操作空间的评价是良好。

表4各操作评价标准。

但是，公式4只考虑了对于单个动作约束扫掠体以及自由扫掠体之间的关系。但是该动作所处的操作范围同样十分重要。同一动作的舒适度，会随着该动作与身体之间相对位置的不同而发生变化。

步骤104：根据所述扫掠体的评分以及所述操作空间范围，获取维修空间的定量评分；

具体包括：将维修操作空间和扫掠体的评分相结合，对于整个维修过程，则获取的维修空间的最终评分为：

s＝∑_ir_i·p_vi (5)

其中，s为维修空间评价的分数，r_i和p_vi分别是第i个动作所对应的相对位置的分数以及P_v的值。该动作处于最佳操作范围、正常操作范围以及最大操作范围的r_i值为分别为1，0.76以及0.55。

步骤105：根据所述维修空间的定量评分，判断产品维修性能

其中，判断产品维修性能具体包括：根据维修空间的最终评分s，判断产品的维修性能。表5为针对整个维修流程的操作空间评价标准。

表5

本发明还提供了一种基于虚拟环境下维修空间的定量评价系统。

如图2所示，本发明实施例中的定量评价系统包括范围获取模块201、理想扫掠体数值模块202、约束扫掠体数值模块203、评分模块204、定量评分模块205、性能判断模块206。

其中，所述范围获取模块201用于获取维修人员的操作空间范围，具体包括：首先获取的人体尺寸数据，然后对站姿状态下维修操作人员的上肢活动范围进行求解，然后获取的维修操作人员的上肢最大活动范围，进而依次获得该维修操作人员的正常操作范围和最佳操作范围，分别是最大操作范围的0.78倍和0.59倍。

所述理想扫掠体数值模块202用于获取理想扫掠体数值，具体包括：建立虚拟维修仿真模型，其输入仿真数据包括维修人员模型、维修操作流程以及数字样机；在考虑人机工效学以及维修任务的最低要求下，结合虚拟维修仿真模型，获取理想扫掠体数值。

所述约束扫掠体数值模块203用于获取约束扫掠体数值，具体包括：获取虚拟维修仿真模型中的维修人员手部尺寸，然后在虚拟维修仿真模型获取对设备的三个基本维修操作，如：拧、转动和平推的数据，进而获取约束扫掠体积。

所述评分模块204用于根据所述获取的理想扫掠体数值和所述约束获取的扫掠体数值，计算获取扫掠体评分，具体包括：定义V_csv和V_esv分别为约束扫掠体和理想扫掠体的数值。则获取扫掠体的评分可得：P_v＝V_csv/V_esv其中，P_v是约束扫掠体和理想扫掠体数值的比值。P_v的值越大，则说明该设备的维修操作空间设计的越好。

所述定量评分模块205用于根据所述获取的扫掠体评分和获取的操作空间范围模块，计算维修空间的定量评分；具体包括：将维修操作空间和扫掠体的评分相结合，对于整个维修过程，则获取的维修空间的最终评分为：s＝∑_ir_i·p_vi其中，s为维修空间评价的分数，r_i和p_vi分别是第i个动作所对应的相对位置的分数以及P_v的值。该动作处于最佳操作范围、正常操作范围以及最大操作范围的ri值为分别为1，0.76以及0.55。

所述性能判断模块206用于根据所述计算获取的维修空间的定量评分判断产品维修性能；具体包括:根据维修空间的最终评分s，判断产品的维修性能。

本发明采用的是拆卸大型客机上的辅助动力单元为维修案例。维修人员身体尺寸采用中国人体第九十五百分位的人体尺寸标准。整个维修仿真在法国达索公司的DELMIA仿真软件下进行。

本发明的维修任务为拆卸三个螺母，并对这三个螺母的拆卸均涉及拧和平推的操作。首先根据该维修人员的身体尺寸，利用公式(1)(2)(3)，可以得到该维修人员上肢的最大活动范围，在MATLAB下可以得到可视化效果。

在得到上肢最大活动范围之后，最佳操作范围以及正常操作范围便可以求出。而每一个动作所处的操作范围可以在仿真过程中通过DELMIA的相关测量工具得到。

在仿真完成之后，我们便可以得到在仿真过程中的实际约束扫掠体体积以及每一个操作所处的活动范围。表6为维修仿真的评价数据。

表6.维修仿真操作空间评价数据

通过仿真结果以及本文提出的评价方法，对三个部分的维修操作空间进行评价。

第一部分附近的空间相对宽裕，平推或者拧的操作所对应的P_v值均大于或等于1，也就意味着有足够的空间供维修人员进行维修操作。在三个部分中，该部分是最靠近维修人员身体的，所有的操作均在正常操作范围内。平推是一个近似沿着直线的运动，因此为了简便而不失一般性，如果平推的约束扫掠体体积大于理想扫略体积，那么设定P_v的值为1。对于拧的动作，附近没有障碍物。根据评价方法，该部分维修操作的整体得分为3.168，评价为良好。

第二部分中的s值在正常范围内，因此总体评分为正常。然而在这一部分中需要指出的是，虽然各个操作的P_v值都处于良好水平，但是这些操作都在最大操作范围内，因此r_i的值较低，所以导致最终的评分为正常而不是良好。该部分相对维修人员处于较高的位置，因此建议在维修过程中添加一个工装以使维修人员站在一个较高的位置，方便操作。

第三部分周围的空间较为拥挤，紧挨着启动器和管线，有效操作空间较小。对于拧的动作，P_v的值处于差的水平，因此，尽管该部分整体的维修操作评分为1.424，大于1.3的正常临界水平，但是整体评分也是差。而且，在仿真过程中发现，维修人员的手腕和手肘的背屈角度较大，分别达到了67°和92°，长时间处于该状态会加速维修人员的疲劳。

通过本发明的维修仿真案例的应用，说明了本文提出的维修操作空间定量评价方法及系统，可以实现有效的、定量的虚拟仿真维修行为。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。