基于虛擬現(xiàn)實的操作空間度量方法與工具設計

文天樂

本論文來自于基于虛擬現(xiàn)實的維修性工程，主要研究內容為實現(xiàn)虛擬環(huán)境中產(chǎn)品的維修操作空間自動定量評價。通過查閱和學習現(xiàn)有的維修操作空間及相近概念的定量評價方法，提出新的更適宜的評價方法和評價標準，最終制定出標準化的維修性自動評價方法，并在CATIA和DELMIA環(huán)境下進行實現(xiàn)和實例驗證。這一方法為實際工程中定量評價虛擬環(huán)境中產(chǎn)品的維修性設計水平提供了參考依據(jù)。

隨著電子、機械等工業(yè)技術的飛速發(fā)展和生產(chǎn)商對加工精度要求的不斷提高，產(chǎn)品的固有可靠性逐步提高。然而，無論產(chǎn)品的固有可靠性提高到哪種程度，都不可能達到百分之百，隨著貯存、運輸和使用等時間上的積累，產(chǎn)品總會有發(fā)生故障的時候。一旦產(chǎn)品發(fā)生故障，必須有方便快捷、經(jīng)濟實惠的維修手段以恢復產(chǎn)品的性能。因此，維修是否快速有效將直接關系到使用者的經(jīng)濟利益。產(chǎn)品的維修可達性將直接影響維修活動工作量的大小，改善產(chǎn)品的維修可達性將極大的提高產(chǎn)品的系統(tǒng)效能，同時節(jié)省產(chǎn)品的壽命周期費用。由于產(chǎn)品的維修可達性是產(chǎn)品本身固有的質量特性，因此解決維修可達性問題必須從設計人手。

隨著計算機信息科學的飛速發(fā)展，尤其是本世紀在計算機圖形學技術、高性能圖形系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實方面的誕生了不少的研究成果，維修過程在獲得實物樣機或原型機之前就可以開始進行。產(chǎn)品設計和開發(fā)的模式也隨之發(fā)生了變化。DELMIA、Jack等計算機輔助設計軟件和技術的廣泛應用，可以輔助設計人員完成包含數(shù)字樣機、虛擬維修人員和虛擬維修工具的虛擬維修操作流程仿真。在設計階段即開展對設計方案和設計布局的數(shù)字仿真，可以避免實物原型的制作，節(jié)約了從設計到定型的時間，提高了設計效率，從而降低了開發(fā)成本；前期開展的虛擬維修工程評價工作，在一定程度上優(yōu)化了設計方案和設計布局，因此可以避免不合理的設計，減少給后續(xù)維修工作造成的不便。

維修操作空間定量評價方法

維修是一種需要人參與的活動，適當?shù)木S修空間將提高維修效率和維修人員的舒適程度。這一節(jié)的主要內容是確定適當?shù)木S修操作空間的大小。

在設計產(chǎn)品時，適當?shù)牟僮骺臻g的具體尺寸需要依據(jù)維修人員的身體尺寸和操作姿態(tài)來確定。因此維修操作空間應考慮維修人員的影響因素，如實體可達性。人的上肢可以接觸到的空間范圍分為最佳范圍、正常范圍和最大范圍。人體上肢的作業(yè)范圍是一個三維空間，維修人員的最大操作空間和舒適度隨著操作高度、手臂延伸線與人體中線的夾角角度的改變而發(fā)生變化。為了便于分析人體上肢的操作范圍，建立數(shù)學模型描述人體各部分的尺寸和相對位置。

軟件工具設計和案例探究

CATIA是法國達索公司（Dassault Systemes）與IBM公司（International Business Machines Corporation國際商業(yè)機器公司）聯(lián)合開發(fā)的一款CAD/CAE/CAM軟件，主要為客戶提供產(chǎn)品外形設計、機械零件設計、配合結構設計、組裝、數(shù)控加工等功能，并提供大量的標準尺寸零件模型，使得企業(yè)可以縮短開發(fā)周期，快速迭代設計方案，對市場需求做出敏捷的反應。CATIA是目前應用最廣泛數(shù)字樣機設計開發(fā)軟件之一，應用范圍涵蓋等航空航天、建筑、船舶、汽車、鐵路等多個領域。DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interaction Application）是法國達索（Dassault Systemes）公司生產(chǎn)的一款數(shù)字化企業(yè)的互動制造應用軟件，是PLM（Product Life Management）系列產(chǎn)品之一。該軟件與CATIA互為補充，呈現(xiàn)上下游關系，共同貫穿產(chǎn)品的設計周期。利用CATIA制作數(shù)字樣機后，可在DELMIA中進行物流過程分析、維修、裝配、工藝規(guī)劃、與機器人配合等多種功能的虛擬演示和模擬，是一個面向設計、制造、維護、人機過程的“數(shù)字化工廠”仿真平臺。便于用戶檢查設計方案的缺陷和漏洞，及時更改設計方案，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)時間，實現(xiàn)快速上市的目的。DELMIA中含有一個Human Task Simulation模塊，包含虛擬人模型、人體動作模型、維修工具等內容，用于模擬人機交互過程，實現(xiàn)虛擬維修、虛擬拆卸、虛擬裝配等功能，也是本研究中重點使用的模塊，包含本研究中所需要的大部分數(shù)據(jù)。本研究基于CATIA與DELMIA現(xiàn)有的軟件功能和數(shù)據(jù)庫進行二次開發(fā)，研究目標是在客戶已經(jīng)完成產(chǎn)品設計和數(shù)字樣機的制作的情況下，根據(jù)已制作好的虛擬維修仿真動畫，針對產(chǎn)品的維修操作空間的完成定量評估。

軟件的二次開發(fā)是在現(xiàn)有軟件產(chǎn)品的基礎上，對軟件功能進行延伸和擴展，或實現(xiàn)和其他軟件的對接并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和傳輸。二次開發(fā)一般針對某一類特定的用戶，通過添加更個性化、專業(yè)化的功能和模塊，使得軟件功能更具有針對性，用戶的需求得以實現(xiàn)，工作效率得以提高。DELMIA為不開源的軟件，為實現(xiàn)二次開發(fā)必須利用軟件開發(fā)商為用戶專門準備的二次開發(fā)接口。為靈活地滿足不同客戶的需要，DELMIA提供了多種二次開發(fā)的接口：一是CAD格式接口，方便客戶加載在CAD環(huán)境下設計的數(shù)字樣機，實現(xiàn)模型結構、尺寸、顏色渲染等數(shù)據(jù)的導入導出；二是知識工程，這是DELMIA的一個專門模塊，知識工程利用參數(shù)化定義的方法對人體模型和基礎動作單元進行了建模，建立一個標準模型庫，用戶可以通過關鍵參數(shù)調用標準模型庫中的模塊，從而實現(xiàn)快速建模，完成設計任務；三是采用自動化對象編程的接口Automation API（Application Programming Interface），能夠實現(xiàn)宏指令的編寫，或利用宏與VB開發(fā)語言（Visual Basic）相結合編寫簡易程序；四是開放的基于構件的應用編程接口CAA（Component Application Architecture，應用組件架構），這是DELMIA的一套C++函數(shù)庫，這一接口主要用于與C++開發(fā)語言鏈接，方便客戶使用C++編寫所需程序，用戶可通過快速應用研發(fā)環(huán)境RADE（Rapid Application Development Environment）和不同的API（Application Programming Interface）接口完成從DELMIA數(shù)據(jù)庫中調取數(shù)據(jù)到C++程序中的過程。

該案例為針對拆卸某型號大型客機APU上六角螺母的維修空間定量評估。目的是利用所提出的方法和開發(fā)的軟件工具，對維修操作空間進行定量評價，以展示方法的靈活性和有效性以及軟件的可用性和可靠性。該大型客機APU的虛擬維修操作動畫截圖如圖1所示。該大型客機APU上有12顆六角螺母，選取123號螺母作為典型案例，三顆螺母的位置如圖2所示。

這三顆螺母中，顯然3號周圍的障礙物少，對扳手的使用影響較少，同時位置較低，距離肩膀較近，手臂只需微微向上伸出即可接觸到，因而上肢舒適度較高。該螺母周圍的空間無需定量評估，定性評估即可確定等級為優(yōu)秀。1號螺母雖然位置很高，但是周圍的障礙物少，手部可達到1200旋轉。2號螺母位置較高且周圍障礙物較多，維修人員手部只能達到600旋轉。本案例中選取2號螺母進行分析。

第一步打開程序，連接虛擬環(huán)境，選定虛擬人并連接。第二步選定關鍵幀，抓取扳手之后，選取手部攜工具接近、旋轉卸下六角螺母、手部攜工具離開這三幀內容。第三步系統(tǒng)提示選取第一幀的維修活動單元類型，為平移，此時軟件自動計算第一幀的掃掠舒適度P_V、上肢舒適度r和該幀總舒適度s，x=0，y=0，z=1，但不在界面中顯示。第四步系統(tǒng)提示選取第二幀的維修活動單元類型，為旋轉，如圖3所示，此后軟件自動計算第一幀的掃掠舒適度P_v、上肢舒適度r和該幀總舒適度s，x=0，y=1，z=1，但不在界面中顯示。第五步系統(tǒng)提示選取第三幀的維修活動單元類型，為平移，此時軟件自動計算第三幀的掃掠舒適度P_v、上肢舒適度r和該幀總舒適度s，x=0，y=1，z=2，但不在界面中顯示。第六步系統(tǒng)自動根據(jù)已有的x、y、z，計算s的評價標準，（0.8x+0.75y+0.9z）為優(yōu)秀閾值，（0 5x+0.25y+0.7z）為差閾值，該部分不在界面中顯示。第七步系統(tǒng)輸出三幀中每一幀的s值，并與s的優(yōu)秀閾值和差閾值比較，給出空間評價結論。該案例中具體數(shù)據(jù)截圖如圖4所示。得出結論該部分操作空間維修性差，必須加以改進。

本文以維修操作空間為研究對象，在前人基于掃掠體積的維修操作空間的定量評價方法的理論基礎上，對與維修操作空間相近的概念進行學習和研究，參考作業(yè)空間的評價方法，在維修操作空間的定量評估中加入針對上肢舒適度的評判標準。在熟練掌握DELMIA使用方法的基礎上，對其進行二次開發(fā)，基于前述原理完成軟件工具設計，并取得了實現(xiàn)。利用某型號大型客機APU對該原理及軟件工具進行了實例驗證，證實了該方法的可行性和該軟件的實用性。

本研究取得的成果主要有：對維修操作空間的定量評價方法進行了改進，提出了包含更多影響因素的定量評價方法，并提出了針對該方法的評價標準；基于所提出的方法進行軟件工具的二次開發(fā)和實現(xiàn)，驗證了本項研究的實際應用價值，為產(chǎn)品的工業(yè)設計提供了一種參考標準和參考工具。

由于時間緊張，沒有對該方法中基于手部掃掠體積的評價標準進行驗算和修正，且在定義上肢舒適度r值的定義過程中，采用的模型過于簡略，方法近乎簡單粗暴。后續(xù)可以在這兩方面進行深入的研究和探討。