基于Petri網的虛擬維修手部動素建模

王 政 朱曉軍 閔少松

海軍工程大學船舶與動力學院 武漢 430033

基于Petri網的虛擬維修手部動素建模

王 政 朱曉軍 閔少松

海軍工程大學船舶與動力學院 武漢 430033

針對虛擬維修仿真中手部動作仿真難度大、不容易控制的問題，提出基于Petri網手部維修動素模型，將虛擬維修手部動作根據維修操作封裝為若干動素單元的組合，降低了仿真計算的難度，從而提高手部動作控制的精確性，以螺栓拆卸的手部動作建模過程為例進行驗證。

虛擬維修 Petri網 手部動素 建模

隨著當今科學技術的不斷發展及其在虛擬維修上的廣泛應用，使得維修設備日趨復雜，技術含量越來越高，虛擬維修工作所涉及的范圍越來越廣，需要完成的虛擬維修任務也越來越復雜。在虛擬維修訓練系統中最重要的是人的手部動作的仿真實現，幾乎所有的維修任務都要靠手部動作去完成，所以手部動素建模是虛擬維修動作建模的關鍵。為了反映手部維修動作的狀態，提出了基于Perti網結構的手部動素模型，根據手部動作特征，借助Petri網分析方法和技術，建立手部維修動素的Petri網層次結構，并以面向對象的進行方法封裝。

1 Petri網基本模型

Petri網最早由Carl A．Petri博士于1962年提出，主要用于離散事件系統的建模與分析，已經成為一種高效的圖形化數學建模與分析工具，被廣泛應用于通信、制造、運輸、維修、虛擬建模等領域。Petri網是由庫所、變遷及連接庫所與變遷之間的弧所構成的一個有向網絡圖，系統的狀態可通過庫所中是否包含及包含多少個托肯（token）來描述。Petri網作為一種理論工具，許多學者提出了多種改進的Petri網理論。如普遍應用的隨機Petri網、著色Petri網、賦時Petri網、模糊Petri網等［1］。

Petri網具有嚴格的數學基礎和規范化的語義，Petri網能夠對事件的并發、同步、資源分享等特性建立模型，清楚地描述系統內部的相互作用，又能夠對系統的動態性質（有界性、安全性、活性、可達性等）進行分析，適合于描述復雜系統動態行為。Petri網中的資源、庫所、變遷等概念可以較好地描述設備網絡系統中的各種設備、資源以及它們的動態協作關系。圖1給出了工作流程基本路由結構的Petri網模型。

對于復雜手部維修動作流程，利用Petri網技術建立相應的仿真模型，可以帶來以下優點。

圖1 工作流程路由結構的petri網模型

1）隱藏子網內部結構，在建模時集中于相應的抽象層次；

2）對于有相同結構的子網，不必重復建模和分析；

3）使維修操作仿真流程模型具有良好的結構，便于對其分析處理［2］。

2 手部維修動素分析

維修動素的分類及定義應該涵蓋常見維修動作中的所有基本動作元素，通過維修動素的組合可以生成常見的維修活動，即必須滿足完備性；動素定義在語義上必須是獨立的，不可以互相交叉，即滿足獨立性；同時還要求分類有一定的概括性。

在虛擬維修仿真中，虛擬手的行為描述參數比較復雜，比較容易歸類的參數包括人抓握物體的手形，手部的起始姿勢，操作物體時的動作，維修工具等。其他參數與環境的幾何信息、物體的運動相關，如目標點、路徑、運動參數等，需要根據具體環境定義［3］。

手形參數主要根據作業的細致程度和手的形狀來分類，具體見圖2。

借鑒人機工程的動素分類方法以及虛擬維修仿真對動素的要求，提出了手部維修動素的分類及定義，見表1。

對于任意的手部維修作業單元，都可以按手部動作形態和維修操作對象將其分解為如上的維修動素的組合［4-6］。

圖2 維修作業手部形狀

表1 手部操作行為列表

3 基于Petri網手部維修動素建模

以在虛擬維修訓練平臺系統中的拆卸螺栓為例，應用基于Petri網的上述理論建立手部維修動素的Perti網模型。在確定了手部動素的起始信息和必須完成的動作以后，按照分析維修任務、劃分維修作業單元、將維修作業單元分解為若干手部動素的組合及建立動素組合Petri網模型等步驟，建立了維修任務的手部動素Petri網模型見圖3。

圖3 手部動素的Petri網模型

手部維修動作單元分解過程T2，還有基本動素封裝手部動作單元過程T3都可以分解為如圖3第二層Petri網。

將上面建立的手部維修動素Pertri網模型使用Jack內置基本動作函數進行封裝，然后利用Python語言驅動封裝后的動作模型單元。在仿真軟件Jack虛擬環境中將手部動作動素動態組合成虛擬維修操作流程。Python語言驅動Petri模型實現分為如下兩個部分。

1）首先封裝Jack的基本動作函數為模塊形式。

＃！／usr／bin／python

＃Filename：Hand Module．py

import jsHuman／／導入Jack相關函數模塊

def HandAction1／／自定義手部動作函數

jsHuman．BendTordo（）

jsHuman．MoveFinger（）

……／／調用基本動素函數

def……

2）為模塊調用。

＃！／usr／bin／python

＃Filename：Hand．py

import Hand Module

Start

Hand Module．HandAction1

……／／調用手部動作函數

對于復雜的仿真操作就可以反復調用動作單元從而減少了仿真的工作量，減輕了仿真計算機的負荷，提高了工作效率。

4 結束語

通過Petri網建立手部動素模型，將手部動作單元用基本動素進行封裝，實現了模塊化仿真設計，該模型既可用于靜態的結構分析，又可用于動態的行為分析，具有靈活的建模和強大的系統性能分析能力。同時面向對象封裝使得手部動素模型的適用性和通用性大大增強，能夠有效地降低手部維修動作仿真建模的復雜性。這樣與其它建模方式相比提高了模型的仿真計算效率，并且便于通過計算機建立可視化的建模環境，可快速實現比較復雜的手部維修動作虛擬建模。

參考文獻

［1］姚淑珍，楊文龍．Petri網原理與應用［M］．北京：北京航空航天大學出版社，1995：36-43．

［2］蔣昌俊．Petri網的行為理論及其應用［M］．北京：高等教育出版杜，2003：47-56．

［3］高 瞻，張樹有．虛擬現實環境下產品裝配定位導航技術研究［J］．中國機械工程，2002，13（11）：901-903．

［4］楊宇航，庚 紅．裝備虛擬維修訓練系統工程研究［J］．計算機工程與設計，2002，23（4）：34-37．

［5］Lin Fnlwa，Lan Ye etc．Developing Virtual environments for industrial training［J］．Infonnalion Sciences，2002，140（1）：153-170．

［6］Abshire K J，Barron M K．Virtual Maintenance：Realworld Applications within Virtual Environment［C］．Annual Reliability and Maintainability Symposium，California：1998：43-47．

The simulation model of manual therblig for virual maintenance based on Petri net

WANG Zheng ZHU Xiao-jun MINShao-Song
School of Naval Architecture and Power Naval University of Engineering Wuhan 430033

Manual therblig simulation is generally overloaded with details in virtual maintenance simulation．After analyzing the manual therblig characteristics required by virtual maintenance，a simulation model of manual therblig is set up based on Petri net，in which the maintenance therbligs are classified and defined respectively，so that the simulation and control of hand actions are feasible in virtual environment The developed manual therblig model for virtual maintenance is verified by simulating disassembly process of bolt．

virtual maintenance Petri net manual therblig modeling

U672．2

A

1671-7953（2007）02-0077-04

2006-09-21

修回日期2006-10-27

王 政（1980—），男，碩士生。