虛擬維修中虛擬人的動作模型設計

常高祥， 徐曉剛， 張 雷

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虛擬維修中虛擬人的動作模型設計

常高祥， 徐曉剛， 張 雷

（海軍大連艦艇學院裝備系統與自動化系，遼寧大連 116018）

提出了一種基于維修任務分解的虛擬人動作模型設計方法，將虛擬維修任務分解為三個過程，建立了三個相應的維修動作層次化模型，闡述了維修動作的分類與設計，并將維修動作模型應用到了虛擬維修過程中。實驗結果表明，基于維修任務分解的虛擬人動作模型可以有效地將虛擬人技術應用到虛擬維修中，大大提高了虛擬維修的逼真性。

虛擬現實；虛擬維修；維修任務分解；動作模型

虛擬維修是虛擬現實技術在設備維修中的應用體現，是實際維修過程在虛擬環境下的實現，是一種人機交互過程的仿真。隨著計算機軟硬件及虛擬人技術的發展，虛擬人在虛擬維修中的地位也越來越重要。如何逼真、方便地模擬人體動作，成為虛擬維修的一項關鍵性技術。維修任務的分解是實現維修活動仿真的基礎，應將維修作業分解到能夠支持模擬的程度才能實現維修仿真。

1 維修任務分解模型的建立

維修任務分解思想最早是由愛荷華大學(The University of Iowa)CAD中心的Ranko Vujoservic，他認為應將維修作業分解到能夠支持模擬的程度才能實現維修仿真。他提出了維修作業的層次結構模型，共分為四層，從上到下依次是：維修作業層、拆裝順序層、拆裝步驟層、宏運動和宏模型層次。為了進行維修性的研究，Iowa 大學研究制造了一個被稱為維修性分析工作站(Maintainability Analysis Workstation，MAW)的系統，基本實現了基于仿真的維修性分析。

喬治亞工學院的SRL(System Realization Laboratory)在進行DFD研究時，將拆卸分為作業(task)與操作(operation)。作業又分為三個層次，即層次3(task level 3)，層次2(task level 2)，層次1(task level1)。

國內的石家莊軍械工程學院將維修過程分解為維修準備和實施維修兩個階段，華中理工大學以及國防科大將動素引入到了維修分解中，但是對整個維修過程的分解還不夠合理，不能滿足大型復雜裝備的維修仿真。但是，其中的分層設計思想值得借鑒，將維修動作進行分層，以實現不同層面上的維修仿真。

虛擬維修仿真是對真實維修活動的再現，應將人體運動、維修工具和維修對象三者結合起來，對整個維修過程進行分解，并將每個過程的虛擬人運動進行分類，建立層次化的虛擬人動作模型。

本文提出了一種基于過程分解的維修任務分解模型，將整個維修任務分解為：

· 人體移動過程 虛擬人從當前位置變換到作業位置的過程；

· 姿態調整過程 虛擬人調整姿態到能夠進行作業的過程；

· 維修作業過程 虛擬人運用工具或徒手進行維修作業的過程。

2 面向任務分解的維修動作分類

維修任務分解的目的是為了更方便地實現虛擬人維修動作仿真，任務分解層次對動作分層有著指導性的意義。

2.1 層次化動作模型的建立

虛擬人動作的分層設計思想是根據維修任務分解后的各個過程，將維修動作進行層次化分解，按照動作的復雜性和任務相關語義的抽象程度，可以將每個維修過程的維修活動分為若干層次，由下到上初步分為三層：任務無關的動作元素、與通用語義相關的動作單元、面向任務的作業單元。

定義1 動作元素(Motion Element) 動作元素簡稱動素，通常按照人體關節鏈和運動自由度來進行劃分，一般是涉及若干關節的一段連續運動軌跡，帶有一定的維修語義，但基本不與任務語義相關。

定義 2 動作單元(Action Unit) 動作單元簡稱動作，一般由若干動素根據一定語義規則構成，這些語義屬于通用意義上對人體維修活動的描述，與特定任務無關。

定義 3 作業單元(Task Unit) 作業單元簡稱作業，是在動作元素和動作單元的基礎上面向特定領域任務構造的。作業單元用來描述人體模型在一段時間內為達成某一較小的維修目標而完成的各項維修活動的總稱，這些維修目標可以通過對具體維修任務進行分解后得到。

圖1是維修任務分解后，三個維修過程的維修動作層次化模型。

圖1 三個維修過程的維修動作層次化模型

2.2 維修動作分類與設計

維修作業包含大量的維修動作，而每個動作又涉及到大量關節的運動。如果對每個作業都進行動畫仿真，將會花費大量的時間和精力。

要提高仿真的效率就不能將動作設計的重點放在作業層和動素層上，而是放在動作層。作業層定義的人體運動非常抽象，不能設計出通用的人體運動單元；動素層沒有任何維修的語義出發點更不能在此層。

2.2.1 現有的動作分類

（1）愛荷華大學計算機輔助設計中心的動作分類

John D.lanni認為七種基本活動就足以描述大部分的作業，并把常見動作分為：虛擬人移動(Position)，觸摸一個物體(Touch)，獲得一個物體(Get)，將物體移動到另一位置(Put)，看某個地方(LookAt)，使用工具(UseTool)，對機器進行操作(Operate)。

（2）喬治亞工學院的分類方法

SRL實驗室在對拆卸過程進行描述時，將最基本的動作稱為(Operation)，并將操作具體分為：Grabbing、Removing、Releasing、Unfastening，其中Releasing指徒手操作，Unfastening指利用工具操作。

（3）人機功效領域的分類方法

從人機功效領域出發，一般包括薩布里克動素、MODAPTS (Modular Arrangement of Predetermined Time Standard)動作、MTM(Methods-Time Measurement)動作、PMT-X系統的動作等。

吉爾布雷斯夫婦首先定義了薩布里克動素，將維修動作劃分為3大類18個動素。但他們的工作側重于分析動作的必要性，盡可能去除去掉多余動作。他們的分類方法不適用于虛擬維修仿真的實現，但其動素的思想非常值得借鑒。

人機工程學在進行作業時間分析時，常用的幾種動作分析方法包括 MTM 法、模特排時法、WF 法和 PMT-X 系統。MTM 法又稱為方法－時間衡量法，將動作劃分為伸手、旋轉、加壓、抓取等 18 個動作，主要用于汽車設計中的人機工效學分析，劃分仍顯粗糙，并不適合直接刻畫維修仿真過程。澳大利亞Heyde 博士在長期研究 MTM 等方法的基礎之上提出了模特排時法(MODAPTS)，將動作分為移動動作、終結動作和輔助動作，但他的分類思路從仿真的角度來看有些混亂，有的按作用分類，有的按關節運動分類。WF 法的分類過于粗糙，不利于實現仿真中的交互行為。PMT-X 系統主要面向低重復度作業的時間分析，是在 MTM 基礎上進一步簡化和合并得來，從 18 個動作進一步簡化為 9 個。

總的來說，上述動作分類方法多數是為了單純進行人機工效學分析與評價而設計的，沒有考慮到人體運動仿真的需求。目前，還缺乏以人體活動為中心的，以維修仿真和人素分析為應用背景的動作分類方法。

2.2.2 動作模型分類與設計

本文面向維修任務，以人體運動為核心，針對維修任務分解后的三個維修過程，設計了一套適合虛擬維修的動作模型。

人體移動類動素 人體移動過程中要用到的動素，該類動素的功能是完成虛擬人從一個作業位置變換到另一個位置。人的移動可以分為位置變換、轉向兩種。其中位置變換即人移動重心從空間位置A到B的動作。轉向指人的重心基本保持不動，只是人體由面向物體A到B的過程。人體移動過程是這兩種移動方式交叉運用的過程。

姿態調整類動素 當虛擬人變換到作業位置時，要調整姿態以能夠對目標零件進行操作，這期間的所有動素都屬于姿態調整類。

維修作業類動素 利用工具或徒手完成對零件拆、移動、修理、更換、安裝等操作過程中用到的動素。維修作業類動素最為復雜多樣，對其進行分析總結后發現可以將其分為：徒手作業、使用工具作業。

在表1中，給出了三大類動素的詳細分類。

3 維修動作仿真

仿真實驗在Intel(R) Celeron(R) CPU 2.66GHz，GeForce6200顯卡，Windows XP操作系統，VS2005.net及torque script(Torque Game Engine三維引擎的腳本語言)環境下完成。

仿真流程圖如圖2所示，虛擬人首先進行位置移動，找到要進行操作的零件，然后進行姿態調整、維修作業，將虛擬零件上的裝配點與虛擬人手部上的裝配點對齊，使虛擬人獲得零件的控制權，虛擬人攜帶零件移動到合適位置將零件放置到該位置，完成一次拆卸操作。

維修動作仿真要把建立的維修動作模型通過動畫的方式表現出來，實現對設備的虛擬維修。在維修過程中注重虛擬人動作的細節刻畫。圖3是虛擬人對某型火炮進行維修作業的一個實例，先從身管組上用錘子卸下啟動器，將啟動器放置到維修桌上，用手將啟動器彈簧和帶齒輪軸的齒輪抽出，用小撬杠撬出氣缸活塞，用卸環鉤卸掉活塞上的密封環。

由圖3可以看出，運用虛擬人技術可以很逼真地刻畫出真實的維修作業過程，提高了虛擬維修的交互性和逼真度。另外對計算機硬件的要求不高，可以大大降低虛擬維修訓練的成本，有較好的實用價值。

表1 虛擬人的維修動素分類表

圖2 維修仿真流程圖

圖3 虛擬人維修作業實例

4 總 結

本文通過對虛擬維修任務進行分解，建立了三個層次化的虛擬人維修動作模型，從而很好地將虛擬人技術應用到了虛擬維修過程中，可以利用虛擬人對裝備進行實時的維修操作，大大提高了虛擬維修的真實感。

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The Design of Virtual Human’s Action Models in Virtual Maintenance

CHANG Gao-xiang，XU Xiao-gang，ZHANG Lei

( Department of Equipment System and Automatization, Dalian Naval Academy, Dalian Liaoning 116018, China )

Based on the mission of virtual maintenance, the process of maintenance are separated into three courses, and three corresponding straticulate action modes are established, the sort and design of maintenance action are expatiated, and the maintenance action models are applied in virtual maintenance. The experimental results indicate that the action models of virtual human based on decomposing maintenance mission can improve greatly the reality of virtual maintenance.

virtual reality; virtual maintenance; decomposition of maintenance mission; action model

TP 391.9

A

1003-0158(2011)01-0099-05

2009-08-19

遼寧省自然科學基金資助項目（20082176）；“浙江大學CAD&CG國家重點實驗室”開放課題資助項目（A0906）

常高祥（1986-），男，河南汝陽人，碩士研究生，主要研究方向為虛擬維修。