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(shè)計(jì)

常高祥， 徐曉剛， 張 雷

（海軍大連艦艇學(xué)院裝備系統(tǒng)與自動化系，遼寧大連 116018）

提出了一種基于維修任務(wù)分解的虛擬人動作模型設(shè)計(jì)方法，將虛擬維修任務(wù)分解為三個過程，建立了三個相應(yīng)的維修動作層次化模型，闡述了維修動作的分類與設(shè)計(jì)，并將維修動作模型應(yīng)用到了虛擬維修過程中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于維修任務(wù)分解的虛擬人動作模型可以有效地將虛擬人技術(shù)應(yīng)用到虛擬維修中，大大提高了虛擬維修的逼真性。

虛擬現(xiàn)實(shí)；虛擬維修；維修任務(wù)分解；動作模型

虛擬維修是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在設(shè)備維修中的應(yīng)用體現(xiàn)，是實(shí)際維修過程在虛擬環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)，是一種人機(jī)交互過程的仿真。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件及虛擬人技術(shù)的發(fā)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(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。維修任務(wù)的分解是實(shí)現(xiàn)維修活動仿真的基礎(chǔ)，應(yīng)將維修作業(yè)分解到能夠支持模擬的程度才能實(shí)現(xiàn)維修仿真。

1 維修任務(wù)分解模型的建立

維修任務(wù)分解思想最早是由愛荷華大學(xué)(The University of Iowa)CAD中心的Ranko Vujoservic，他認(rèn)為應(yīng)將維修作業(yè)分解到能夠支持模擬的程度才能實(shí)現(xiàn)維修仿真。他提出了維修作業(yè)的層次結(jié)構(gòu)模型，共分為四層，從上到下依次是：維修作業(yè)層、拆裝順序?qū)?、拆裝步驟層、宏運(yùn)動和宏模型層次。為了進(jìn)行維修性的研究，Iowa 大學(xué)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(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)了基于仿真的維修性分析。

喬治亞工學(xué)院的SRL(System Realization Laboratory)在進(jìn)行DFD研究時(shí)，將拆卸分為作業(yè)(task)與操作(operation)。作業(yè)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(nèi)的石家莊軍械工程學(xué)院將維修過程分解為維修準(zhǔn)備和實(shí)施維修兩個階段，華中理工大學(xué)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(fù)雜裝備的維修仿真。但是，其中的分層設(shè)計(jì)思想值得借鑒，將維修動作進(jìn)行分層，以實(shí)現(xiàn)不同層面上的維修仿真。

虛擬維修仿真是對真實(shí)維修活動的再現(xiàn)，應(yīng)將人體運(yùn)動、維修工具和維修對象三者結(jié)合起來，對整個維修過程進(jìn)行分解，并將每個過程的虛擬人運(yùn)動進(jìn)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(wù)分解模型，將整個維修任務(wù)分解為：

· 人體移動過程 虛擬人從當(dāng)前位置變換到作業(yè)位置的過程；

· 姿態(tài)調(diào)整過程 虛擬人調(diào)整姿態(tài)到能夠進(jìn)行作業(yè)的過程；

· 維修作業(yè)過程 虛擬人運(yùn)用工具或徒手進(jìn)行維修作業(yè)的過程。

2 面向任務(wù)分解的維修動作分類

維修任務(wù)分解的目的是為了更方便地實(shí)現(xiàn)虛擬人維修動作仿真，任務(wù)分解層次對動作分層有著指導(dǎo)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(shè)計(jì)思想是根據(jù)維修任務(wù)分解后的各個過程，將維修動作進(jìn)行層次化分解，按照動作的復(fù)雜性和任務(wù)相關(guān)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(wù)無關(guān)的動作元素、與通用語義相關(guān)的動作單元、面向任務(wù)的作業(yè)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(guān)節(jié)鏈和運(yùn)動自由度來進(jìn)行劃分，一般是涉及若干關(guān)節(jié)的一段連續(xù)運(yùn)動軌跡，帶有一定的維修語義，但基本不與任務(wù)語義相關(guān)。

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(jù)一定語義規(guī)則構(gòu)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(wù)無關(guān)。

定義 3 作業(yè)單元(Task Unit) 作業(yè)單元簡稱作業(yè)，是在動作元素和動作單元的基礎(chǔ)上面向特定領(lǐng)域任務(wù)構(gòu)造的。作業(yè)單元用來描述人體模型在一段時(shí)間內(nèi)為達(dá)成某一較小的維修目標(biāo)而完成的各項(xiàng)維修活動的總稱，這些維修目標(biāo)可以通過對具體維修任務(wù)進(jìn)行分解后得到。

圖1是維修任務(wù)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(shè)計(jì)

維修作業(yè)包含大量的維修動作，而每個動作又涉及到大量關(guān)節(jié)的運(yùn)動。如果對每個作業(yè)都進(jìn)行動畫仿真，將會花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。

要提高仿真的效率就不能將動作設(shè)計(jì)的重點(diǎn)放在作業(yè)層和動素層上，而是放在動作層。作業(yè)層定義的人體運(yùn)動非常抽象，不能設(shè)計(jì)出通用的人體運(yùn)動單元；動素層沒有任何維修的語義出發(fā)點(diǎn)更不能在此層。

2.2.1 現(xiàn)有的動作分類

（1）愛荷華大學(xué)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中心的動作分類

John D.lanni認(rèn)為七種基本活動就足以描述大部分的作業(yè)，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(jī)器進(jìn)行操作(Operate)。

（2）喬治亞工學(xué)院的分類方法

SRL實(shí)驗(yàn)室在對拆卸過程進(jìn)行描述時(shí)，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(jī)功效領(lǐng)域的分類方法

從人機(jī)功效領(lǐng)域出發(fā)，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(tǒng)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(cè)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(shí)現(xiàn)，但其動素的思想非常值得借鑒。

人機(jī)工程學(xué)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)間分析時(shí)，常用的幾種動作分析方法包括 MTM 法、模特排時(shí)法、WF 法和 PMT-X 系統(tǒng)。MTM 法又稱為方法－時(shí)間衡量法，將動作劃分為伸手、旋轉(zhuǎn)、加壓、抓取等 18 個動作，主要用于汽車設(shè)計(jì)中的人機(jī)工效學(xué)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(chǔ)之上提出了模特排時(shí)法(MODAPTS)，將動作分為移動動作、終結(jié)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(guān)節(jié)運(yùn)動分類。WF 法的分類過于粗糙，不利于實(shí)現(xiàn)仿真中的交互行為。PMT-X 系統(tǒng)主要面向低重復(fù)度作業(yè)的時(shí)間分析，是在 MTM 基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡化和合并得來，從 18 個動作進(jìn)一步簡化為 9 個。

總的來說，上述動作分類方法多數(shù)是為了單純進(jìn)行人機(jī)工效學(xué)分析與評價(jià)而設(shè)計(jì)的，沒有考慮到人體運(yùn)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(yīng)用背景的動作分類方法。

2.2.2 動作模型分類與設(shè)計(jì)

本文面向維修任務(wù)，以人體運(yùn)動為核心，針對維修任務(wù)分解后的三個維修過程，設(shè)計(jì)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(yè)位置變換到另一個位置。人的移動可以分為位置變換、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yùn)用的過程。

姿態(tài)調(diào)整類動素 當(dāng)虛擬人變換到作業(yè)位置時(shí)，要調(diào)整姿態(tài)以能夠?qū)δ繕?biāo)零件進(jìn)行操作，這期間的所有動素都屬于姿態(tài)調(diào)整類。

維修作業(yè)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(yè)類動素最為復(fù)雜多樣，對其進(jìn)行分析總結(jié)后發(fā)現(xiàn)可以將其分為：徒手作業(yè)、使用工具作業(yè)。

在表1中，給出了三大類動素的詳細(xì)分類。

3 維修動作仿真

仿真實(shí)驗(yàn)在Intel(R) Celeron(R) CPU 2.66GHz，GeForce6200顯卡，Windows XP操作系統(tǒng)，VS2005.net及torque script(Torque Game Engine三維引擎的腳本語言)環(huán)境下完成。

仿真流程圖如圖2所示，虛擬人首先進(jìn)行位置移動，找到要進(jìn)行操作的零件，然后進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整、維修作業(yè)，將虛擬零件上的裝配點(diǎn)與虛擬人手部上的裝配點(diǎn)對齊，使虛擬人獲得零件的控制權(quán)，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(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的虛擬維修。在維修過程中注重虛擬人動作的細(xì)節(jié)刻畫。圖3是虛擬人對某型火炮進(jìn)行維修作業(yè)的一個實(shí)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(huán)鉤卸掉活塞上的密封環(huán)。

由圖3可以看出，運(yùn)用虛擬人技術(shù)可以很逼真地刻畫出真實(shí)的維修作業(yè)過程，提高了虛擬維修的交互性和逼真度。另外對計(jì)算機(jī)硬件的要求不高，可以大大降低虛擬維修訓(xùn)練的成本，有較好的實(shí)用價(jià)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(yè)實(shí)例

4 總 結(jié)

本文通過對虛擬維修任務(wù)進(jìn)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(shù)應(yīng)用到了虛擬維修過程中，可以利用虛擬人對裝備進(jìn)行實(shí)時(shí)的維修操作，大大提高了虛擬維修的真實(shí)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(xué)基金資助項(xiàng)目（20082176）；“浙江大學(xué)CAD&CG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”開放課題資助項(xiàng)目（A0906）

常高祥（1986-），男，河南汝陽人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘摂M維修。