虛擬維修仿真中時間模型研究與應用

王玉泉，韓朝帥

WANG Yu-quan，HAN Chao-shuai

(裝甲兵工程學院 技術保障工程系，北京 100072)

0 引言

虛擬維修仿真[1]是指利用先進的虛擬現實技術，在虛擬環境中對產品數字樣機進行維修拆卸、零部件更換和安裝等仿真試驗。虛擬仿真技術[2]的廣泛應用將傳統的“設計—試驗—分析—改進”模式逐漸轉變為“各階段同時進行”的模式，基本實現了產品設計研制和維修性驗證評價工作的并行開展，使得在對產品設計提出了更改建議的同時避免了物理樣機造成的時間和資源的浪費，是產品維修性的研究熱點之一。

虛擬仿真時間可信度是仿真可信度的重要指標之一，尤其在產品的一些定量指標上體現的更為明顯。另外，由文獻[3-6]可知，無論美國還是我國，目前虛擬維修仿真多側重于對提高產品維修過程精度的仿真研究，在提高產品維修時間精度的建模和仿真方面缺乏深入的研究。本文在“維修動素”的概念基礎上，提出“維修動素標準時間”這一新的概念，開發出適用于Jack軟件的維修時間輔助系統，提高了虛擬維修時間的仿真精度，對研究虛擬維修仿真具有十分重要的參考意義。

1 虛擬維修時間建模研究

1.1 維修時間分解模型

圖1 M型主離合器維修時間基本層次結構

在維修性工程的基礎上，按照維修層次的不同，將產品維修時間分解為：產品維修時間、維修事件時間、維修作業時間、維修基本作業單元時間和維修動素標準時間。產品維修時間是指為保持或恢復產品到規定功能狀態而進行維修活動所消耗的時間；維修事件時間是指按規定的維修計劃進行的維修活動所消耗的時間，產品維修可以由若干個維修事件組成；維修作業時間是指完成規定的維修作業所消耗的時間，如故障檢測時間、定位時間和隔離時間等，每個維修事件都是由若干個維修作業組成的；維修基本作業單元是最基本的維修活動，如擰螺栓、焊接等；每一個維修基本作業單元都可以由若干個維修基本動素組合而成，如擰螺釘的時間由左手食指和大拇指抓住螺釘，右手抓握螺絲刀工具，定位至螺釘旋轉點，旋轉螺絲刀（n圈），擰下后釋放螺絲刀這5個基本動素所消耗的時間組成。圖1為M型主離合器維修時間層次結構圖。

1.2 維修動作模型

人的維修動作由人所操縱的對象決定[6]。對機械產品而言，人的維修動作對象主要分為以下四類：一般零部件、緊固件、操縱器和工具。一般零部件是指軸、蓋板、銷子和卡鎖等常規零部件，特點是受機體的一定約束，即人體操作零部件的時候也會有一定的約束；緊固件是指可以用手快速解脫的緊固件，特點是多為旋轉或拉動；操縱器根據運動特點分為轉動式、平動式和腳操縱器；實際維修，中大部分的維修作業都需要工具來支持，因為操作工具所涉及到的人體運動是相當復雜的，所以合理規劃虛擬人按照規定的方式進行工具的使用，建立合適的工具操作運動模型。因此，將人體維修動作根據對象分為四大類：一般零部件維修動作、緊固件操作動作、操縱器操縱動作和工具使用動作。通過對這四類操作的常見動作進行分析，構成適合于裝甲裝備的人體維修動作模型，如圖2所示。

1.3 維修動素標準時間模型

從維修動作到維修動素，可以看出，每一種維修動作實際上是若干個維修動素組合而成的，維修動作的設計實現，就是將相關的維修動素適當的組合在一起，使虛擬人完成相應維修動作的模型。因此，在維修動作模型的基礎上，分類歸納得出能夠滿足維修仿真需求的人體維修動素集。通過C++語言對各維修動素類進行定義，實現各動素類中函數的設計，并在實際環境中對各動素時間函數進行維修時間樣本獲取，進而開發出維修時間輔助系統，實現對維修動素標準時間函數的封裝和調用。

圖2 裝甲兵維修動作模擬圖

1.3.1 維修動素類的定義

根據圖2裝甲兵維修動作模型，總結歸納得出適合裝甲裝備虛擬維修仿真的維修動素集。表1為適用于Jack軟件的10種虛擬人維修動素及其類的概念。

表1 虛擬人維修動素及其類的概念

由表1可知，維修時間輔助系統包括10個動素類，每個動素類都包含其相應的若干個函數。例如：Control類包括旋轉(revolve)、推(push)、拉(pull)、抽(draw)、提(boost)、舉(lift)、搬(carry)和按(press)8個方法；SpaceMove類包括走(walk)、彎腰走(bendWalk)、側身走(sidle)、跨步(stride)、攀爬(climb)、跑(run)、匍匐前進(crawl)、倒行(down)及跳躍(jump)9個函數。

1.3.2 維修動素標準時間建模

確定維修動素類的時間函數后，必須在類中對函數進行定義和封裝，進而實現在Jack軟件中對時間函數的調用。以時間函數“走(walk)”為例，對其設計進行描述，如圖3所示。其他時間函數照此法進行。

圖3 時間函數“walk”設計流程圖

由圖3可知，“walk”函數設計時，首先，應確認個體的年齡屬性（中年/青年/未成年、男/女）；其次，確定個體是否徒手作業，若否，則確認攜帶物體重量，通過公式（1）得到虛擬人行走速度；最后，對該時間函數進行計算機語言定義。

其中，v′為虛擬人攜帶物品行走速度；

v 為虛擬人徒手行走速度；

m為虛擬人自身質量；

m′為攜帶物體質量。

動素時間函數“walk”的定義函數為：

對某些附有隨機變量的維修動素時間函數，可以根據其實際情況進行函數輸出值的微調；另外，定義時間函數時必須考慮維修動素標準時間的不確定性，以盡可能的提高仿真可信度。

1.4 維修時間輔助系統

綜合維修動素類及其時間函數的定義、封裝和調用，開發出輔助Jack軟件進行虛擬維修仿真時的時間獲取系統，即維修時間輔助系統。正確設置該系統和Jack軟件的接口，實現在Jack仿真中對動素時間函數的調用，進而保證仿真的時間準確性。

2 實例仿真分析

Jack 6.1仿真軟件中，以“取下輪盤氈墊”為例，進行實例仿真，并通過實際環境試驗進行對比驗證。

2.1 維修時間分解

按照維修過程時間分解模型（圖1），對“取下輪盤氈墊”這一基本維修作業單元進行分解，分解如圖4所示。

圖4 “取下輪盤氈墊”動素流程圖

2.2 虛擬維修仿真

在Jack軟件中構建裝甲車乘員艙虛擬環境，導入主離合器樣機，調用維修動素時間輔助系統，操控特征為中國青年男士的虛擬人體模型進行圖4所示動素流程。表2為10次試驗后的統計結果。

統計得到維修動作“取下輪盤氈墊”的仿真時間，如表3所示。

由表3可知，統計10次維修動作“取下輪盤氈墊”的仿真數據，得到該維修動作仿真時間平均值為4.85s。在實際環境中對該維修動作進行10次試驗，統計得到其試驗時間數據，如表4所示。

由表4可知，通過實際環境試驗，得到維修動作“取下輪盤氈墊”的試驗時間平均值為4.93s，方差為0.43s。綜上可得，通過Jack軟件進行維修動作“取下輪盤氈墊”的仿真時間與實際環境中的試驗時間基本一致，即通過該維修時間輔助系統進行虛擬維修仿真統計得到的時間數據與實際環境試驗比較貼近。

表2 “取下輪盤氈墊”動素仿真時間

表3 “取下輪盤氈墊”動作仿真時間

表4 “取下輪盤氈墊”試驗時間

3 結束語

本文針對虛擬維修仿真中缺少對維修時間的仿真這一現狀，提出虛擬人維修動素標準時間這一概念，并通過實際環境統計試驗和數學建模方法開發出基于Jack的維修時間輔助系統，實現了Jack軟件中對維修時間的仿真，對解決產品全壽命階段進行虛擬維修仿真時的仿真時間可信度問題提供了重要的參考價值。

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