中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 邱世廣 周 勇

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 范秀敏 何其昌

盡管裝配工藝仿真技術(shù)在飛機(jī)裝配過程中已有相當(dāng)?shù)难芯颗c應(yīng)用成果，但工程實(shí)際使用過程中存在仿真效率低的問題，工藝人員通常只能根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，對(duì)容易出現(xiàn)問題的部分裝配工藝或者裝配流程的某個(gè)階段進(jìn)行仿真分析與評(píng)估，裝配工藝仿真效率已成為制約虛擬裝配仿真技術(shù)深度應(yīng)用的主要瓶頸。導(dǎo)致仿真效率低的主要原因是虛擬人的裝配操作姿態(tài)與動(dòng)作需要工藝人員手工調(diào)整，動(dòng)作參數(shù)設(shè)置過程十分繁瑣，不僅工作量大，且要求工藝人員對(duì)人體生理結(jié)構(gòu)及動(dòng)作行為規(guī)律具有深刻的理解和掌握。目前飛機(jī)裝配仿真普遍采用DELMIA，該軟件仍舊依賴于直接使用FK、IK方法來編輯虛擬人行為，實(shí)際應(yīng)用效果并不理想[1]。因此，這種直接由底層的控制函數(shù)（人體關(guān)節(jié)和運(yùn)動(dòng)鏈的控制）來實(shí)現(xiàn)裝配操作過程仿真的方式亟待改變。

為提高裝配工藝的仿真效率，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究。研究人員通過使用運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)Kinect、ShapeWrap、Vicon等捕獲動(dòng)作數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)真人實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)虛擬人進(jìn)行操作仿真，但其交互性能受到硬件性能和虛擬人驅(qū)動(dòng)精度的制約[2]。另一類方法是基于運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)采集真實(shí)動(dòng)作來建立相應(yīng)的參數(shù)化模型，通過調(diào)節(jié)參數(shù)生成逼真的人體動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)拆裝操作仿真[3-4]；然而在實(shí)際拆裝操作過程中，虛擬人拆裝動(dòng)作受到操作對(duì)象的約束，例如擰緊動(dòng)作，需要根據(jù)擰緊對(duì)象的位置和軸線確定，故完全基于運(yùn)動(dòng)捕捉的真實(shí)動(dòng)作數(shù)據(jù)庫來建立精確的交互模型非常困難。

第三類方法是對(duì)底層的控制函數(shù)進(jìn)行封裝來建立參數(shù)化裝配動(dòng)作模型。Badler等研究了虛擬人參數(shù)化建模方法（PAR），給出了虛擬人動(dòng)作參數(shù)化描述，然而PAR方法描述的動(dòng)作范圍比較寬泛，缺乏對(duì)具體裝配動(dòng)作的定義，因此動(dòng)作參數(shù)設(shè)置非常復(fù)雜，增加了應(yīng)用的難度。王豐產(chǎn)等人在PAR方法的基礎(chǔ)上，對(duì)動(dòng)作模型進(jìn)行了進(jìn)一步的組合[5]；KUO等采用語義邏輯來組織虛擬人作業(yè)行為以實(shí)現(xiàn)裝配動(dòng)作自動(dòng)生成[6-7]，但上述研究缺乏對(duì)動(dòng)作仿真過程中相關(guān)功能約束的考慮。裝配作業(yè)過程中，裝配動(dòng)作受到零部件拆裝特點(diǎn)、工具使用特點(diǎn)、操作空間、人體生理?xiàng)l件、人因工程法則等多個(gè)方面的約束，例如擰緊動(dòng)作，擰緊對(duì)象的螺距、擰緊深度等工程屬性，操作過程中擰緊對(duì)象、工具的空間位姿變化、作業(yè)空間、操作者視野等都對(duì)擰緊動(dòng)作產(chǎn)生直接影響。

為提高裝配工藝仿真效率，提出面向飛機(jī)裝配的裝配動(dòng)作混合仿真方法，首先面向飛機(jī)裝配仿真對(duì)裝配作業(yè)過程進(jìn)行分解；隨后對(duì)裝配動(dòng)作進(jìn)行歸納和仿真特性分析，總結(jié)出不同裝配動(dòng)作類型的快速仿真方法，即充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）外設(shè)驅(qū)動(dòng)虛擬人和算法驅(qū)動(dòng)虛擬人的優(yōu)點(diǎn)，來仿真不同特性的裝配動(dòng)作；建立典型的裝配動(dòng)作模型；最后以油泵裝配為例對(duì)所提方法進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。

1 虛擬人混合驅(qū)動(dòng)下的裝配動(dòng)作仿真

1.1 面向飛機(jī)裝配仿真的裝配作業(yè)分解

裝配作業(yè)分解是實(shí)現(xiàn)裝配操作仿真的前提，即如何根據(jù)裝配任務(wù)，分解并歸納出既易于裝配仿真、又能完整表達(dá)裝配作業(yè)的裝配動(dòng)作。人因工程中常見的動(dòng)作分析方法，如MTM法、模特排時(shí)法，主要是面向動(dòng)作時(shí)間的測(cè)定與分析，分解層次較低且缺乏特定的裝配語義，因此不適用于裝配仿真的實(shí)現(xiàn)。

借鑒維修工程中維修分解思想，將飛機(jī)裝配活動(dòng)分解為裝配事件、裝配作業(yè)（Assembly Task, AT）和基本裝配作業(yè)（Elementary Assembly Activity, EAA）3個(gè)層次。裝配事件指一項(xiàng)具體的裝配任務(wù)，比如中機(jī)身裝配、機(jī)翼裝配等；裝配作業(yè)是操作工人按照裝配大綱（AO）執(zhí)行裝配工藝的活動(dòng)過程；EAA指一項(xiàng)裝配活動(dòng)可以分解成的工作單元，它是裝配作業(yè)分解的最低層次，例如擰緊螺釘、鉆孔、鉚接等。

為實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境下對(duì)裝配作業(yè)過程進(jìn)行仿真，需要對(duì)EAA繼續(xù)分解，如圖1所示。目前裝配動(dòng)作分類方法通常將操作者姿態(tài)調(diào)整視為獨(dú)立的裝配動(dòng)作來對(duì)待，與基本裝配動(dòng)作并列，層次關(guān)系不夠清晰。實(shí)際上，任何裝配動(dòng)作都需要操作人員進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，因此人體姿態(tài)調(diào)整應(yīng)當(dāng)隸屬于裝配動(dòng)作，是裝配動(dòng)作的下一層次。

圖1 面向仿真的裝配作業(yè)分解Fig.1 Assembly task deposition for assembly simulation

EAA中除了操作者本身的動(dòng)作，同時(shí)還包括操作對(duì)象本身的動(dòng)作，如零部件的動(dòng)作、工具設(shè)備的動(dòng)作。操作對(duì)象的動(dòng)作行為由裝配約束、環(huán)境約束以及操作者共同決定，操作對(duì)象的動(dòng)作反過來也會(huì)影響操作者動(dòng)作（圖1中虛線框）。裝配動(dòng)作的自動(dòng)仿真方法本質(zhì)即通過數(shù)學(xué)方法正確描述和處理操作者、零部件、工具設(shè)備以及環(huán)境之間相互作用關(guān)系，需要考慮到具體裝配動(dòng)作中包含的零部件裝配特點(diǎn)、工具使用特點(diǎn)、環(huán)境影響以及操作者本身的生理約束等因素。

操作者是裝配行為的發(fā)起者，支配其他裝配要素的動(dòng)作，操作者動(dòng)作的仿真效率直接決定了整個(gè)裝配過程的仿真效率，進(jìn)而決定了裝配工藝仿真效率。依據(jù)不同裝配動(dòng)作的仿真特性，采用不同驅(qū)動(dòng)方式對(duì)裝配動(dòng)作進(jìn)行混合仿真，包括采用VR外設(shè)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)虛擬人的方式和基于虛擬人自適應(yīng)行為模型的方式。

1.2 基于EAA過程分段的裝配動(dòng)作歸納

裝配動(dòng)作的集合形成裝配動(dòng)作庫，它具有完備性的特點(diǎn)，即任何裝配作業(yè)都可以通過裝配動(dòng)作庫中的裝配動(dòng)作有序組合得到。裝配動(dòng)作庫的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到裝配仿真實(shí)現(xiàn)的難易程度，單個(gè)裝配動(dòng)作還應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

（1）獨(dú)立性：裝配動(dòng)作是從EAA過程中抽象出來的，它能夠獨(dú)立于產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)；裝配動(dòng)作之間在語義上是相互獨(dú)立的，不存在相互包含關(guān)系。

（2）參數(shù)性：通過修改模型參數(shù)生成不同的裝配動(dòng)作，以適應(yīng)不同約束條件的裝配操作仿真。

（3）語義性：裝配動(dòng)作應(yīng)當(dāng)具備一定的裝配語義，便于用戶理解和使用。

本文通過對(duì)EAA的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行分段描述，在綜合考慮裝配動(dòng)作庫及單個(gè)裝配動(dòng)作設(shè)計(jì)需要滿足上述特點(diǎn)基礎(chǔ)上，總結(jié)和歸納基本裝配作業(yè)各個(gè)階段所需要的裝配動(dòng)作。EAA的完整業(yè)務(wù)流程可劃分為3個(gè)階段：裝配操作準(zhǔn)備階段、裝配操作執(zhí)行階段和裝配操作結(jié)束階段，各個(gè)階段的含義如圖2所示。

“擰緊螺釘”是裝配作業(yè)過程中最常見的常見裝配活動(dòng)，根據(jù)上述劃分方法對(duì)該作業(yè)流程進(jìn)行分析。首先，裝配作業(yè)準(zhǔn)備階段，操作者拾取工具并移動(dòng)至裝配操作位置，調(diào)整到準(zhǔn)備擰緊操作的姿態(tài)；然后，裝配操作執(zhí)行階段，操作者使用工具開始進(jìn)行擰緊操作，直至螺釘完全擰到位置；最后，裝配操作結(jié)束階段，即螺釘擰緊之后，操作者需要將工具移動(dòng)至合適的位置，以便進(jìn)行下一次裝配操作。操作者按照上述過程逐條執(zhí)行裝配工序，最終完成整個(gè)裝配作業(yè)。

圖2 基本裝配作業(yè)過程分段描述Fig.2 General work process of elementary assembly activity

通過對(duì)EAA各個(gè)階段完整的業(yè)務(wù)流程分析，并充分考慮裝配仿真的實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，歸納出各個(gè)階段包括的裝配動(dòng)作。裝配作業(yè)準(zhǔn)備階段各個(gè)動(dòng)作的含義如表1所示。裝配作業(yè)結(jié)束階段的裝配動(dòng)作同準(zhǔn)備階段的動(dòng)作類似。裝配操作執(zhí)行階段即操作者開始進(jìn)行操作，各個(gè)裝配動(dòng)作的基本含義如表2所示。

表1 EAA準(zhǔn)備與結(jié)束階段的裝配動(dòng)作

表2 EAA執(zhí)行階段基本裝配動(dòng)作

表1中，抓取和釋放指手指的動(dòng)作。準(zhǔn)備動(dòng)作具有兩種含義，在“準(zhǔn)備階段”的含義為“當(dāng)前姿態(tài)到裝配操作初始姿態(tài)的動(dòng)作過程，包括操作對(duì)象的動(dòng)作過程”，在“結(jié)束階段”的含義為：“裝配操作終了姿態(tài)到最終結(jié)束姿態(tài)的動(dòng)作過程，包括操作對(duì)象的動(dòng)作過程”。過渡動(dòng)作主要指人體方位轉(zhuǎn)換，同時(shí)包含轉(zhuǎn)換過程中姿態(tài)的調(diào)整。例如操作者抓取零件，如果零件距離操作者較近，則操作者站在原地不動(dòng)，通過彎腰、伸手、扭轉(zhuǎn)等姿態(tài)調(diào)整就可以觸及零件實(shí)現(xiàn)抓取，上述過程包含了準(zhǔn)備、抓取兩種動(dòng)作；如果零件本身距離操作者很遠(yuǎn)，則操作者需要通過轉(zhuǎn)身、步行等方位變換操作才能到達(dá)零件附近，再通過姿態(tài)調(diào)整才能抓取零件，除了準(zhǔn)備、抓取，還包括過渡裝配動(dòng)作。

1.3 裝配動(dòng)作特性分析、歸類與混合仿真

為提高裝配工藝仿真效率，分析裝配動(dòng)作的實(shí)際作業(yè)過程，根據(jù)其作業(yè)過程中操作者的動(dòng)作特點(diǎn)，結(jié)合虛擬人常用驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)，提出不同裝配動(dòng)作采用相適應(yīng)的虛擬人驅(qū)動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)其快速仿真。 裝配動(dòng)作的分類及其采用的仿真方法如圖3所示，劃分為精細(xì)裝配動(dòng)作（Fine Assembly Motion, FAM）、普通裝配動(dòng)作（General Assembly Motion, GAM）和過渡裝配動(dòng)作（Transitional Assembly Motion, TAM）3種類型，各種類型定義及所采用的仿真方法如下。

部分裝配動(dòng)作具有如下特征： （1）需要依賴于操作者的實(shí)際感知才能夠正確完成的裝配動(dòng)作，且動(dòng)作本身與零件的工程屬性緊密相關(guān)，擰緊（出）、旋入（出）、敲打等均屬于這一類動(dòng)作，比如使用扳手?jǐn)Q緊螺釘，擰緊動(dòng)作與螺紋長度、螺距等螺釘?shù)墓こ虒傩悦芮邢嚓P(guān)，操作是否完成需要操作者通過感知擰緊力的大小來最終確定。（2）具有精度要求的裝配動(dòng)作，例如精確插入動(dòng)作，對(duì)插入深度有準(zhǔn)確的要求。本文將局部操作區(qū)域具備上述特點(diǎn)的一類裝配動(dòng)作稱之為精細(xì)裝配動(dòng)作。

由于基于VR外設(shè)在線仿真方式目前存在的局限性，使得這種仿真方式對(duì)裝配操作過程中精細(xì)動(dòng)作支持不足，操作者難以根據(jù)自身的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)去控制虛擬人完成上述精細(xì)動(dòng)作，進(jìn)而造成緊固件如螺釘、螺母等的交互式拆裝操作十分困難。因此，采用包含零部件工程屬性的參數(shù)化裝配動(dòng)作模型方法來自動(dòng)仿真精細(xì)動(dòng)作。

局部操作區(qū)域除了精細(xì)裝配動(dòng)作之外，還有一類不需要依賴于操作者的實(shí)際感知，僅通過操作者自身經(jīng)驗(yàn)或者僅借助于幾何約束定位就能夠正確完成的裝配動(dòng)作，將這一類裝配動(dòng)作稱之為普通裝配動(dòng)作。例如在局部操作區(qū)域中，操作者憑借經(jīng)驗(yàn)伸手抓取目標(biāo)對(duì)象；抓取以后，憑借經(jīng)驗(yàn)將其移動(dòng)至裝配操作位置，然后繼續(xù)進(jìn)行放上、插入、裝上、卸下等操作，操作過程具有一定的位置約束，比如螺釘插入螺孔的過程中，操作者須保證螺釘沿著二者軸線方向插入。

采用VR外設(shè)在線仿真的方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：首先，可以有效避免復(fù)雜的路徑規(guī)劃問題；其次，更加逼真和高效地生成虛擬人裝配動(dòng)作。因此，對(duì)于普通裝配動(dòng)作，采用VR外設(shè)驅(qū)動(dòng)虛擬人的方法快速生成，即通過運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備來捕捉操作者的真實(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以控制虛擬環(huán)境中的虛擬人，通過數(shù)據(jù)手套捕捉手的真實(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)來控制虛擬手的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬對(duì)象的抓取、移動(dòng)、裝上、卸下等裝配操作。普通裝配動(dòng)作中對(duì)部分具有位置約束的裝配動(dòng)作，采用幾何約束自動(dòng)處理的方法來解決完全依賴經(jīng)驗(yàn)無法正確完成的問題，例如插入操作過程中通過軸線約束來引導(dǎo)和保證操作者正確的插入路徑。

過渡裝配動(dòng)作是指需要借助于人體方位轉(zhuǎn)換才能正確完成的動(dòng)作。如圖3所示，操作者在A位置局部區(qū)域內(nèi)的操作結(jié)束后，需要到B位置局部區(qū)域繼續(xù)進(jìn)行操作，此時(shí)需要的人體方位轉(zhuǎn)換動(dòng)作，包括步行，轉(zhuǎn)身等動(dòng)作。實(shí)際裝配過程中，經(jīng)常需要在不同的區(qū)域執(zhí)行不同的操作，例如工具或零部件一般擺放在工具小車或物料架上，從裝配位置到達(dá)工具小車或物料架，裝配人員常常需要轉(zhuǎn)身，步行等一系列動(dòng)作才能到達(dá)。由于運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)跟蹤范圍、精度以及仿真試驗(yàn)環(huán)境大小等限制因素，操作者難以像在真實(shí)裝配環(huán)境中一樣的自由轉(zhuǎn)移，故基于VR外設(shè)的在線仿真方式目前仍主要是局部區(qū)域內(nèi)的裝配操作仿真。因此，過渡裝配動(dòng)作亦采用參數(shù)化模型的方法自動(dòng)仿真。

表3 常見裝配動(dòng)作分類及其仿真方法

綜上所述，裝配動(dòng)作分類及其仿真方法總結(jié)如表3所示。根據(jù)操作精度要求，插入動(dòng)作可分為一般插入和精確插入兩種類型。當(dāng)插入過程通過面約束進(jìn)行定位就可完成，此時(shí)屬于普通裝配動(dòng)作；當(dāng)對(duì)插入深度有明確要求的時(shí)候，且無法通過約束來實(shí)現(xiàn)精確定位的情形，則屬于精細(xì)裝配動(dòng)作。

由于上述裝配動(dòng)作采用不同的虛擬人驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行仿真，因此裝配操作混合驅(qū)動(dòng)過程中必然涉及到不同仿真方式之間的轉(zhuǎn)換，包括從外設(shè)控制到模型控制以及從模型控制到外設(shè)控制的轉(zhuǎn)換。從外設(shè)控制到模型控制轉(zhuǎn)換有在線和離線兩種方法，在線方法是指根據(jù)虛擬場(chǎng)景中操作姿態(tài)、操作對(duì)象、工具的工程屬性等信息，識(shí)別操作意圖，判斷裝配動(dòng)作類型，獲取裝配動(dòng)作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)外設(shè)控制與模型控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。離線方法是指提供用戶停止外設(shè)控制裝配仿真的方法, 用戶通過停止外設(shè)控制以進(jìn)行模型控制。本文采用第二種方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。從模型控制到外設(shè)控制的轉(zhuǎn)換相對(duì)簡單，裝配動(dòng)作仿真結(jié)束后自動(dòng)轉(zhuǎn)換為外設(shè)控制即可。

2 典型裝配動(dòng)作參數(shù)化建模及自動(dòng)仿真

螺釘?shù)臄Q緊是最常見的裝配動(dòng)作之一，本文以擰緊動(dòng)作來說明裝配動(dòng)作參數(shù)化建模及自動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)過程。擰緊操作一般流程如下：首先，操作者VO按照預(yù)定的旋入深度l1將P旋入到對(duì)應(yīng)的螺紋孔中，然后使用擰緊工具T，沿著緊固件的中心軸線AS，將P完全擰緊，擰緊深度l2等于P的螺紋長度l0減去已旋入深度l1。擰緊動(dòng)作參數(shù)化模型表示如下：

式中：VH&T表示操作過程中虛擬手已抓取工具，v表示裝配動(dòng)作仿真速度，通過設(shè)置它的大小可調(diào)節(jié)動(dòng)作的快慢。擰緊動(dòng)作的自動(dòng)仿真過程可分為以下步驟：

Step1：確定擰緊工具T的初始操作位置。通過處理T與被操作緊固件之間的幾何約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)擰緊工具的準(zhǔn)確定位；同時(shí)，擰緊工具與被擰緊緊固件的固聯(lián)矩陣MT-P自動(dòng)記錄，且擰緊過程中MT-P保持不變。關(guān)于幾何約束處理的詳細(xì)過程可參考文獻(xiàn)[8]。

Step2：計(jì)算緊固件的旋轉(zhuǎn)和平移增量矩陣。P的增量矩陣由下式計(jì)算：

其中，makeTrans和makeRotation為生成平移和旋轉(zhuǎn)矩陣數(shù)學(xué)方法；ΔMtran和ΔMrot分別表示位置和旋轉(zhuǎn)增量矩陣。

Step3：計(jì)算緊固件終了位姿矩陣?？稍诔跏嘉蛔藸顟B(tài)的基礎(chǔ)上疊加增量矩陣獲得：= ΔMrot× ΔMtran。

Step4：計(jì)算擰緊工具的終了位姿矩陣。根據(jù)緊固件的終了位姿矩陣以及二者存在的固聯(lián)關(guān)系，可通過下式計(jì)算：

Step5：計(jì)算虛擬手的終了位姿矩陣。根據(jù)虛擬手與擰緊工具之間的位姿關(guān)系，由下式計(jì)算：

Step6：自動(dòng)解算虛擬人操作姿態(tài)。將和輸入到虛擬人自適應(yīng)行為模型中，解算出當(dāng)前子操作的虛擬人操作姿態(tài)序列，即上一次終了姿態(tài){到下一次初始操作姿態(tài)}的中間姿態(tài)，并同步記錄操作工具及緊固件的裝配關(guān)鍵點(diǎn)序列，解算結(jié)果自動(dòng)追加至 中。,···,}=VHAAM(),式中，VHAAM表示虛擬人自適應(yīng)行為模型，即已知虛擬人兩種姿態(tài)，自動(dòng)解算虛擬人中間姿態(tài)的方法，具體原理參考文獻(xiàn)[9]。

Step7：判斷當(dāng)前操作是否結(jié)束。判斷操作者、操作對(duì)象是否與周圍環(huán)境發(fā)生干涉，如果發(fā)生干涉，則提示修改裝配動(dòng)作模型參數(shù)，重新生成裝配動(dòng)作；如果沒有發(fā)生干涉，比較P總的擰緊深度lc和預(yù)定義擰緊深度l2。lc≥l2表明已完全安裝到位，進(jìn)入Step10；lc＜l2表明P尚未到達(dá)正確的裝配位置，進(jìn)入Step8。

Step8：計(jì)算擰緊工具T下一次操作初始位姿矩陣。

其中，是工具在當(dāng)前操作初始位姿矩陣的旋轉(zhuǎn)信息則表示本次操作終了狀態(tài)工具的空間位置分量。由虛擬手與工具之間的位姿關(guān)系，計(jì)算虛擬手下一次操作的初始位姿矩陣

Step9：自動(dòng)解算虛擬人上一次終了姿態(tài)到下一次初始操作姿態(tài)的中間姿態(tài)，解算結(jié)果追加至中；然后返回Step2，繼續(xù)進(jìn)行子操作的循環(huán)。

Step10：結(jié)束擰緊動(dòng)作仿真流程。首先解除擰緊工具與被操作緊固件之間的約束關(guān)系；虛擬人抓取工具由操作終了姿態(tài)回到初始操作姿態(tài)，中間操作姿態(tài)序列通過虛擬人自適應(yīng)行為模型解算。至此，擰緊動(dòng)作所包含的虛擬人裝配姿態(tài)序列、操作對(duì)象（P、T）的關(guān)鍵點(diǎn)序列生成完畢。

3 應(yīng)用案例

采用上海交通大學(xué)自主研發(fā)的虛擬裝配軟件VESP，以油泵安裝過程為案例，對(duì)所提的方法進(jìn)行驗(yàn)證。采用VR外設(shè)跟蹤人體動(dòng)作，操作者實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)虛擬人將油泵放置在基座上，然后左手從安裝孔中伸入拖起油泵，左右手協(xié)同逐漸將其移動(dòng)至基座附近。移動(dòng)過程中實(shí)時(shí)計(jì)算約束識(shí)別精度，當(dāng)滿足識(shí)別精度要求后，油泵和裝配基座之間的軸線約束自動(dòng)識(shí)別，約束確認(rèn)后通過約束導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)油泵的正確定位，安裝過程如圖4所示。

圖4 基于VR外設(shè)的安裝動(dòng)作仿真Fig.4 Installing hydraulic motor through VR devices

使用專用扳手?jǐn)Q緊螺釘?shù)倪^程（精細(xì)裝配動(dòng)作）如圖5所示，首先輸入擰緊動(dòng)作的相關(guān)參數(shù)，包括選擇虛擬人，虛擬手的類型以及螺釘相關(guān)參數(shù)，如圖5（a）所示。圖5（b）為虛擬人擰緊操作的初始狀態(tài)，第一次擰緊操作后，虛擬人將扳手沿著螺釘軸線方向移動(dòng)，扳手與螺釘脫離，虛擬人移動(dòng)扳手至初始的旋入姿態(tài)，然后虛擬人移動(dòng)扳手重新與螺釘定位，準(zhǔn)備下一次擰緊操作，如此重復(fù)，直到完全擰緊，最終狀態(tài)如圖5（c）所示。

圖5 擰緊動(dòng)作自動(dòng)仿真Fig.5 Tightening motion automatic generation

上述操作過程中，實(shí)時(shí)記錄裝配過程的關(guān)鍵幀，形成裝配關(guān)鍵幀序列，通過對(duì)不同方法獲得的裝配動(dòng)作關(guān)鍵幀序列進(jìn)行合并和編輯，最終形成與裝配工藝映射的完整裝配操作關(guān)鍵幀序列。

4 結(jié)束語

針對(duì)現(xiàn)階段裝配工藝仿真與效率低的問題，本文圍繞裝配動(dòng)作混合仿真相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究與實(shí)踐，提出了混合驅(qū)動(dòng)虛擬人進(jìn)行裝配操作仿真的方法，在對(duì)基本裝配作業(yè)過程分段分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)和歸納了裝配作業(yè)中的基本裝配動(dòng)作，通過對(duì)裝配動(dòng)作特性分析，將裝配動(dòng)作具體分解為普通裝配動(dòng)作、精細(xì)裝配動(dòng)作和過渡裝配動(dòng)作。針對(duì)前者，采用VR外設(shè)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)虛擬人進(jìn)行裝配動(dòng)作仿真；針對(duì)后兩者，采用自適應(yīng)行為模型驅(qū)動(dòng)虛擬人進(jìn)行裝配動(dòng)作仿真。最后通過油泵裝配過程仿真驗(yàn)證了所提出的虛擬人裝配動(dòng)作混合仿真方法的正確性與有效性。下一步工作將研究虛擬人裝配操作混合驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)制，以減少仿真過程中的人工干預(yù)。

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