王 政 朱曉軍 閔少松

海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院 武漢 430033

基于Petri網(wǎng)的虛擬維修手部動(dòng)素建模

王 政 朱曉軍 閔少松

海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院 武漢 430033

針對(duì)虛擬維修仿真中手部動(dòng)作仿真難度大、不容易控制的問(wèn)題，提出基于Petri網(wǎng)手部維修動(dòng)素模型，將虛擬維修手部動(dòng)作根據(jù)維修操作封裝為若干動(dòng)素單元的組合，降低了仿真計(jì)算的難度，從而提高手部動(dòng)作控制的精確性，以螺栓拆卸的手部動(dòng)作建模過(guò)程為例進(jìn)行驗(yàn)證。

虛擬維修 Petri網(wǎng) 手部動(dòng)素 建模

隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展及其在虛擬維修上的廣泛應(yīng)用，使得維修設(shè)備日趨復(fù)雜，技術(shù)含量越來(lái)越高，虛擬維修工作所涉及的范圍越來(lái)越廣，需要完成的虛擬維修任務(wù)也越來(lái)越復(fù)雜。在虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)中最重要的是人的手部動(dòng)作的仿真實(shí)現(xiàn)，幾乎所有的維修任務(wù)都要靠手部動(dòng)作去完成，所以手部動(dòng)素建模是虛擬維修動(dòng)作建模的關(guān)鍵。為了反映手部維修動(dòng)作的狀態(tài)，提出了基于Perti網(wǎng)結(jié)構(gòu)的手部動(dòng)素模型，根據(jù)手部動(dòng)作特征，借助Petri網(wǎng)分析方法和技術(shù)，建立手部維修動(dòng)素的Petri網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)，并以面向?qū)ο蟮倪M(jìn)行方法封裝。

1 Petri網(wǎng)基本模型

Petri網(wǎng)最早由Carl A．Petri博士于1962年提出，主要用于離散事件系統(tǒng)的建模與分析，已經(jīng)成為一種高效的圖形化數(shù)學(xué)建模與分析工具，被廣泛應(yīng)用于通信、制造、運(yùn)輸、維修、虛擬建模等領(lǐng)域。Petri網(wǎng)是由庫(kù)所、變遷及連接庫(kù)所與變遷之間的弧所構(gòu)成的一個(gè)有向網(wǎng)絡(luò)圖，系統(tǒng)的狀態(tài)可通過(guò)庫(kù)所中是否包含及包含多少個(gè)托肯（token）來(lái)描述。Petri網(wǎng)作為一種理論工具，許多學(xué)者提出了多種改進(jìn)的Petri網(wǎng)理論。如普遍應(yīng)用的隨機(jī)Petri網(wǎng)、著色Petri網(wǎng)、賦時(shí)Petri網(wǎng)、模糊Petri網(wǎng)等［1］。

Petri網(wǎng)具有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和規(guī)范化的語(yǔ)義，Petri網(wǎng)能夠?qū)κ录牟l(fā)、同步、資源分享等特性建立模型，清楚地描述系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用，又能夠?qū)ο到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)（有界性、安全性、活性、可達(dá)性等）進(jìn)行分析，適合于描述復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為。Petri網(wǎng)中的資源、庫(kù)所、變遷等概念可以較好地描述設(shè)備網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的各種設(shè)備、資源以及它們的動(dòng)態(tài)協(xié)作關(guān)系。圖1給出了工作流程基本路由結(jié)構(gòu)的Petri網(wǎng)模型。

對(duì)于復(fù)雜手部維修動(dòng)作流程，利用Petri網(wǎng)技術(shù)建立相應(yīng)的仿真模型，可以帶來(lái)以下優(yōu)點(diǎn)。

圖1 工作流程路由結(jié)構(gòu)的petri網(wǎng)模型

1）隱藏子網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在建模時(shí)集中于相應(yīng)的抽象層次；

2）對(duì)于有相同結(jié)構(gòu)的子網(wǎng)，不必重復(fù)建模和分析；

3）使維修操作仿真流程模型具有良好的結(jié)構(gòu)，便于對(duì)其分析處理［2］。

2 手部維修動(dòng)素分析

維修動(dòng)素的分類及定義應(yīng)該涵蓋常見(jiàn)維修動(dòng)作中的所有基本動(dòng)作元素，通過(guò)維修動(dòng)素的組合可以生成常見(jiàn)的維修活動(dòng)，即必須滿足完備性；動(dòng)素定義在語(yǔ)義上必須是獨(dú)立的，不可以互相交叉，即滿足獨(dú)立性；同時(shí)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(shù)比較復(fù)雜，比較容易歸類的參數(shù)包括人抓握物體的手形，手部的起始姿勢(shì)，操作物體時(shí)的動(dòng)作，維修工具等。其他參數(shù)與環(huán)境的幾何信息、物體的運(yùn)動(dòng)相關(guān)，如目標(biāo)點(diǎn)、路徑、運(yùn)動(dòng)參數(shù)等，需要根據(jù)具體環(huán)境定義［3］。

手形參數(shù)主要根據(jù)作業(yè)的細(xì)致程度和手的形狀來(lái)分類，具體見(jiàn)圖2。

借鑒人機(jī)工程的動(dòng)素分類方法以及虛擬維修仿真對(duì)動(dòng)素的要求，提出了手部維修動(dòng)素的分類及定義，見(jiàn)表1。

對(duì)于任意的手部維修作業(yè)單元，都可以按手部動(dòng)作形態(tài)和維修操作對(duì)象將其分解為如上的維修動(dòng)素的組合［4-6］。

圖2 維修作業(yè)手部形狀

表1 手部操作行為列表

3 基于Petri網(wǎng)手部維修動(dòng)素建模

以在虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)系統(tǒng)中的拆卸螺栓為例，應(yīng)用基于Petri網(wǎng)的上述理論建立手部維修動(dòng)素的Perti網(wǎng)模型。在確定了手部動(dòng)素的起始信息和必須完成的動(dòng)作以后，按照分析維修任務(wù)、劃分維修作業(yè)單元、將維修作業(yè)單元分解為若干手部動(dòng)素的組合及建立動(dòng)素組合Petri網(wǎng)模型等步驟，建立了維修任務(wù)的手部動(dòng)素Petri網(wǎng)模型見(jiàn)圖3。

圖3 手部動(dòng)素的Petri網(wǎng)模型

手部維修動(dòng)作單元分解過(guò)程T2，還有基本動(dòng)素封裝手部動(dòng)作單元過(guò)程T3都可以分解為如圖3第二層Petri網(wǎng)。

將上面建立的手部維修動(dòng)素Pertri網(wǎng)模型使用Jack內(nèi)置基本動(dòng)作函數(shù)進(jìn)行封裝，然后利用Python語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)封裝后的動(dòng)作模型單元。在仿真軟件Jack虛擬環(huán)境中將手部動(dòng)作動(dòng)素動(dòng)態(tài)組合成虛擬維修操作流程。Python語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)Petri模型實(shí)現(xiàn)分為如下兩個(gè)部分。

1）首先封裝Jack的基本動(dòng)作函數(shù)為模塊形式。

＃?。痷sr／bin／python

＃Filename：Hand Module．py

import jsHuman／／導(dǎo)入Jack相關(guān)函數(shù)模塊

def HandAction1／／自定義手部動(dòng)作函數(shù)

jsHuman．BendTordo（）

jsHuman．MoveFinger（）

……／／調(diào)用基本動(dòng)素函數(shù)

def……

2）為模塊調(diào)用。

＃?。痷sr／bin／python

＃Filename：Hand．py

import Hand Module

Start

Hand Module．HandAction1

……／／調(diào)用手部動(dòng)作函數(shù)

對(duì)于復(fù)雜的仿真操作就可以反復(fù)調(diào)用動(dòng)作單元從而減少了仿真的工作量，減輕了仿真計(jì)算機(jī)的負(fù)荷，提高了工作效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)Petri網(wǎng)建立手部動(dòng)素模型，將手部動(dòng)作單元用基本動(dòng)素進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)了模塊化仿真設(shè)計(jì)，該模型既可用于靜態(tài)的結(jié)構(gòu)分析，又可用于動(dòng)態(tài)的行為分析，具有靈活的建模和強(qiáng)大的系統(tǒng)性能分析能力。同時(shí)面向?qū)ο蠓庋b使得手部動(dòng)素模型的適用性和通用性大大增強(qiáng)，能夠有效地降低手部維修動(dòng)作仿真建模的復(fù)雜性。這樣與其它建模方式相比提高了模型的仿真計(jì)算效率，并且便于通過(guò)計(jì)算機(jī)建立可視化的建模環(huán)境，可快速實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的手部維修動(dòng)作虛擬建模。

參考文獻(xiàn)

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［3］高 瞻，張樹(shù)有．虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下產(chǎn)品裝配定位導(dǎo)航技術(shù)研究［J］．中國(guó)機(jī)械工程，2002，13（11）：901-903．

［4］楊宇航，庚 紅．裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)工程研究［J］．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2002，23（4）：34-37．

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［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。