上海交通大学学报 ›› 2022, Vol. 56 ›› Issue (10): 1409-1419.doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.304
朱文敏1, 骆晓萌2, 范秀敏1,3(), 张磊2, 蔡俊祺1
收稿日期:
2021-08-12
出版日期:
2022-10-28
发布日期:
2022-11-03
通讯作者:
范秀敏
E-mail:xmfan@sjtu.edu.cn.
作者简介:
朱文敏(1992-),男,湖北省洪湖市人,博士生,从事虚拟维修/装配、人机工程研究.
基金资助:
ZHU Wenmin1, LUO Xiaomeng2, FAN Xiumin1,3(), ZHANG Lei2, CAI Junqi1
Received:
2021-08-12
Online:
2022-10-28
Published:
2022-11-03
Contact:
FAN Xiumin
E-mail:xmfan@sjtu.edu.cn.
摘要:
由于人体结构的自由度较大,同时受作业环境的影响,仿真时虚拟人作业位姿的生成是一个非常复杂的过程,需要耗费较多的时间和精力.针对这一问题,本文以装配操作为对象,根据人体结构特点与运动特性,构建了虚拟人装配动作模板.然后,通过理论分析与计算,推导了不同动作模板操作可达域的计算公式,建立了虚拟人的完整可达域.在此基础上,通过可达域分析先筛选出可行的装配动作,再结合虚拟人作业姿态的多目标优化模型的求解,实现了虚拟人作业位姿的自动生成.最后,基于以上研究,结合实例对本方法进行了应用验证.
中图分类号:
朱文敏, 骆晓萌, 范秀敏, 张磊, 蔡俊祺. 基于完整可达域分析的虚拟人作业姿态生成方法[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(10): 1409-1419.
ZHU Wenmin, LUO Xiaomeng, FAN Xiumin, ZHANG Lei, CAI Junqi. Working Posture Generation Method for Virtual Human Based on Complete Reachable Region Analysis[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2022, 56(10): 1409-1419.
表1
装配动作基本类型
动作名称 | 代号 | 含义 |
---|---|---|
直立 | Stand | 挺胸直立,双腿直立完成与身高相近区域的操作 |
弯腰 | Flexion | 腰部弯曲,双腿直立完成位置较低区域的操作 |
侧弯 | LateralFlexion | 腰部向左或右弯曲,双腿直立完成位置较低区域的操作 |
转腰 | Rotation | 腰部向左或右转动,双腿直立完成与身高相近区域的操作 |
下蹲 | Squat | 双膝弯曲完成位置较低区域的操作 |
双膝跪 | KneelBoth | 双膝跪于支撑面上完成位置较低区域的操作 |
单膝跪 | KneelOne | 左膝或右膝跪于支撑面上完成位置较低区域的操作 |
俯卧 | LieProne | 腹部着地,面部朝下完成位置很低区域的操作 |
仰卧 | LieSupine | 背部着地,面部朝上完成位置很低区域的操作 |
侧卧 | LieSide | 身体呈卧姿且腹部朝左或右,完成位置很低区域的操作 |
表3
装配动作描述参数与子空间Si的对应关系
类型 | Si | α, β, γ, δ, λ1, λ2, λ3, λ4, λ5范围 |
---|---|---|
直立 | S1 | α=0°, β=0°, γ=0°, δ=0, λ1=-1, λ2=-1, λ3=-1, λ4=-1, λ5=-1 |
弯腰 | S2 | 0°<α≤45°, β=0°, γ=0°, δ=0, λ1=-1, λ2=-1, λ3=-1, λ4=-1, λ5=-1 |
侧弯 | S3 | α=0°, -20°≤β≤20°, γ=0°, δ=0, λ1=-1, λ2=-1, λ3=-1, λ4=-1, λ5=-1 |
转腰 | S4 | α=0°, β=0°, -45°≤γ≤45°, δ=0, λ1=-1, λ2=-1, λ3=-1, λ4=-1, λ5=-1 |
下蹲 | S5 | 0°≤α≤45°, β=0°, γ=0°, 0<δ≤1, λ1=-1, λ2=-1, λ3=-1, λ4=-1, λ5=-1 |
双膝跪 | S6 | 0°≤α≤45°, β=0°, γ=0°, δ=-1, 0≤λ1≤1, λ2=-1, λ3=-1, λ4=-1, λ5=-1 |
单膝跪 | S7 | 0°≤α≤45°, β=0°, γ=0°, δ=-1, λ1=-1, 0≤λ2≤1, λ3=-1, λ4=-1, λ5=-1 |
俯卧 | S8 | 0°≤α≤45°, β=0°, γ=0°, δ=-1, λ1=-1, λ2=-1, 0≤λ3≤1, λ4=-1, λ5=-1 |
仰卧 | S9 | 0°≤α≤45°, β=0°, γ=0°, δ=-1, λ1=-1, λ2=-1, λ3=-1, 0≤λ4≤1, λ5=-1 |
侧卧 | S10 | 0°≤α≤45°, β=0°, γ=0°, δ=-1, λ1=-1, λ2=-1, λ3=-1, λ4=-1, 0≤λ5≤1 |
表4
Squat-7的非支配动作解
序号 | x/mm | y/mm | r/rad | f1(Pn, An) | f2(Pn, An) | f3(Pn, An) | 0.75f2+0.25f3 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | -14.224 | 206.325 | 0.197 | 0.000 | 0.019 | 0.702 | 0.190 |
2 | -58.729 | 250.205 | 0.199 | 0.000 | 0.038 | 0.604 | 0.180 |
3 | -131.581 | 292.951 | 0.200 | 0.000 | 0.068 | 0.486 | 0.173 |
4 | -87.671 | 263.219 | 0.200 | 0.000 | 0.046 | 0.561 | 0.175 |
5 | -131.581 | 292.951 | 0.200 | 0.000 | 0.068 | 0.486 | 0.173 |
6 | -87.883 | 259.592 | 0.200 | 0.000 | 0.044 | 0.566 | 0.175 |
7 | -12.708 | 188.186 | 0.199 | 0.000 | 0.013 | 0.728 | 0.192 |
8 | -198.705 | 299.181 | 0.157 | 0.000 | 0.093 | 0.424 | 0.176 |
9 | -87.671 | 253.546 | 0.200 | 0.000 | 0.040 | 0.574 | 0.174 |
10 | -188.055 | 296.017 | 0.200 | 0.000 | 0.080 | 0.429 | 0.167 |
11 | -98.563 | 265.333 | 0.200 | 0.000 | 0.048 | 0.549 | 0.173 |
12 | -173.331 | 297.042 | 0.200 | 0.000 | 0.078 | 0.448 | 0.171 |
13 | -199.160 | 297.167 | 0.200 | 0.000 | 0.084 | 0.431 | 0.171 |
14 | -9.535 | 219.028 | 0.199 | 0.000 | 0.024 | 0.689 | 0.190 |
15 | -199.083 | 299.181 | 0.161 | 0.000 | 0.093 | 0.424 | 0.176 |
16 | -154.245 | 296.242 | 0.200 | 0.000 | 0.074 | 0.463 | 0.171 |
17 | -98.563 | 293.640 | 0.200 | 0.000 | 0.066 | 0.514 | 0.178 |
18 | -199.981 | 299.979 | 0.198 | 0.000 | 0.086 | 0.426 | 0.171 |
[1] | 赵博, 刘凤财, 向彩霞. 航空航天虚拟装配和虚拟维修进展综述[J]. 导弹与航天运载技术, 2016(5): 53-57. |
ZHAO Bo, LIU Fengcai, XIANG Caixia. Summary of virtual assembly and virtual maintenance in aerospace[J]. Missiles and Space Vehicles, 2016(5): 53-57. | |
[2] |
GENG J, PENG X, LI Y, et al. A semi-automatic approach to implement rapid non-immersive virtual maintenance simulation[J]. Assembly Automation, 2018, 38(3): 291-302.
doi: 10.1108/AA-07-2017-079 URL |
[3] | 邱世广, 范秀敏, 武殿梁, 等. 虚拟操作仿真环境中基于运动捕获的虚拟人实时控制技术[J]. 计算机集成制造系统, 2013, 19(3): 523-528. |
QIU Shiguang, FAN Xiumin, WU Dianliang, et al. Virtual human real-time control technology based on motion capture in virtual simulation environment[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2013, 19(3): 523-528. | |
[4] |
BERNARD F, ZARE M, SAGOT J C, et al. Using digital and physical simulation to focus on human factors and ergonomics in aviation maintainability[J]. Human Factors, 2020, 62(1): 37-54.
doi: 10.1177/0018720819861496 pmid: 31361155 |
[5] |
QIU S, YANG Y, FAN X, et al. Human factors automatic evaluation for entire maintenance processes in virtual environment[J]. Assembly Automation, 2014, 34(4): 357-369.
doi: 10.1108/AA-04-2014-028 URL |
[6] |
GUO Z, ZHOU D, CHEN J, et al. Using virtual reality to support the product’s maintainability design: Immersive maintainability verification and evaluation system[J]. Computers in Industry, 2018, 101: 41-50.
doi: 10.1016/j.compind.2018.06.007 URL |
[7] |
QIU S, FAN X, WU D, et al. Virtual human modeling for interactive assembly and disassembly operation in virtual reality environment[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, 69(9): 2355-2372.
doi: 10.1007/s00170-013-5207-3 URL |
[8] |
QIU S, HE Q, FAN X, et al. Virtual human hybrid control in virtual assembly and maintenance simulation[J]. International Journal of Production Research, 2014, 52(3): 867-887.
doi: 10.1080/00207543.2013.842025 URL |
[9] | 刘钡钡, 田凌, 杨宇航, 等. 基于知识的航空虚拟维修技术[J]. 计算机集成制造系统, 2016, 22(6): 1509-1528. |
LIU Beibei, TIAN Ling, YANG Yuhang, et al. Knowledge-based virtual aviation maintenance technology[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2016, 22(6): 1509-1528. | |
[10] | 陶松桥. 虚拟人装配动作库构建方法[J]. 机电工程技术, 2017, 46(5): 84-87. |
TAO Songqiao. Building an assembly action library for a virtual human[J]. Mechanical and Electrical Engineering Technology, 2017, 46(5): 84-87. | |
[11] | 焦庆龙, 徐达. 关于虚拟人体维修作业姿态库设计研究[J]. 计算机仿真, 2019, 36(4): 324-329. |
JIAO Qinglong, XU Da. Research on the design method of virtual human body maintenance posture examples[J]. Computer Simulation, 2019, 36(4): 324-329. | |
[12] | 伍朝晖, 杨云飞, 蔡乾亚, 等. 船舶分段装焊工艺建模及狭小操作区域搜索方法[J]. 系统仿真学报, 2016, 28(10): 2638-2645. |
WU Zhaohui, YANG Yunfei, CAI Qianya, et al. Research on welding process modeling and narrow operating area searching for shipbuilding block[J]. Journal of System Simulation, 2016, 28(10): 2638-2645. | |
[13] | 邱世广. 维修动作混合仿真及人机工效自动评估方法研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2014. |
QIU Shiguang. Maintenance motion hybrid simulation and factors automatic evaluation for entire maintenance process in virtual environment[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2014. | |
[14] | 杨云飞, 顾岩, 范秀敏, 等. 虚拟人装配操作智能仿真技术研究[J]. 系统仿真学报, 2015, 27(10): 94-101. |
YANG Yunfei, GU Yan, FAN Xiumin, et al. A research of virtual human assembly intelligent simulation technology[J]. Journal of System Simulation, 2015, 27(10): 94-101. | |
[15] | 武维维, 叶林梅, 邵晓东, 等. 基于多目标遗传算法的虚拟人作业姿态仿真[J]. 计算机集成制造系统, 2019, 25(1): 155-164. |
WU Weiwei, YE Linmei, SHAO Xiaodong, et al. Working posture simulation method for virtual human based on multi-objective genetic algorithm[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2019, 25(1): 155-164. |
[1] | 李兆亭, 周祥, 张洪波, 汤国建. 基于伪谱法的再入可达域影响因素分析[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(11): 1470-1478. |
[2] | 邱世广1, 武殿梁1, 2, 范秀敏1, 2, 胡勇3. 基于船舶人机工程的虚拟人操作驱动建模仿真技术 [J]. 上海交通大学学报(自然版), 2012, 46(09): 1366-1370. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||