基于虛擬現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實的維修性工程，主要研究內容為實現虛擬環境中產品的維修操作空間自動定量評價。通過查閱和學習現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環境下進行實現和實例驗證。這一方法為實際工程中定量評價虛擬環境中產品的維修性設計水平提供了參考依據。

隨著電子、機械等工業技術的飛速發展和生產商對加工精度要求的不斷提高，產品的固有可靠性逐步提高。然而，無論產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，產品總會有發生故障的時候。一旦產品發生故障，必須有方便快捷、經濟實惠的維修手段以恢復產品的性能。因此，維修是否快速有效將直接關系到使用者的經濟利益。產品的維修可達性將直接影響維修活動工作量的大小，改善產品的維修可達性將極大的提高產品的系統效能，同時節省產品的壽命周期費用。由于產品的維修可達性是產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展，尤其是本世紀在計算機圖形學技術、高性能圖形系統和虛擬現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。產品設計和開發的模式也隨之發生了變化。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字仿真，可以避免實物原型的制作，節約了從設計到定型的時間，提高了設計效率，從而降低了開發成本；前期開展的虛擬維修工程評價工作，在一定程度上優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，適當的維修空間將提高維修效率和維修人員的舒適程度。這一節的主要內容是確定適當的維修操作空間的大小。

在設計產品時，適當的操作空間的具體尺寸需要依據維修人員的身體尺寸和操作姿態來確定。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生變化。為了便于分析人體上肢的操作范圍，建立數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國際商業機器公司）聯合開發的一款CAD/CAE/CAM軟件，主要為客戶提供產品外形設計、機械零件設計、配合結構設計、組裝、數控加工等功能，并提供大量的標準尺寸零件模型，使得企業可以縮短開發周期，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字樣機設計開發軟件之一，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）公司生產的一款數字化企業的互動制造應用軟件，是PLM（Product Life Management）系列產品之一。該軟件與CATIA互為補充，呈現上下游關系，共同貫穿產品的設計周期。利用CATIA制作數字樣機后，可在DELMIA中進行物流過程分析、維修、裝配、工藝規劃、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，降低研發成本，縮短研發時間，實現快速上市的目的。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據。本研究基于CATIA與DELMIA現有的軟件功能和數據庫進行二次開發，研究目標是在客戶已經完成產品設計和數字樣機的制作的情況下，根據已制作好的虛擬維修仿真動畫，針對產品的維修操作空間的完成定量評估。

軟件的二次開發是在現有軟件產品的基礎上，對軟件功能進行延伸和擴展，或實現和其他軟件的對接并實現數據的交換和傳輸。二次開發一般針對某一類特定的用戶，通過添加更個性化、專業化的功能和模塊，使得軟件功能更具有針對性，用戶的需求得以實現，工作效率得以提高。DELMIA為不開源的軟件，為實現二次開發必須利用軟件開發商為用戶專門準備的二次開發接口。為靈活地滿足不同客戶的需要，DELMIA提供了多種二次開發的接口：一是CAD格式接口，方便客戶加載在CAD環境下設計的數字樣機，實現模型結構、尺寸、顏色渲染等數據的導入導出；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調用標準模型庫中的模塊，從而實現快速建模，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），能夠實現宏指令的編寫，或利用宏與VB開發語言（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++函數庫，這一接口主要用于與C++開發語言鏈接，方便客戶使用C++編寫所需程序，用戶可通過快速應用研發環境RADE（Rapid Application Development Environment）和不同的API（Application Programming Interface）接口完成從DELMIA數據庫中調取數據到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。第六步系統自動根據已有的x、y、z，計算s的評價標準，（0.8x+0.75y+0.9z）為優秀閾值，（0 5x+0.25y+0.7z）為差閾值，該部分不在界面中顯示。第七步系統輸出三幀中每一幀的s值，并與s的優秀閾值和差閾值比較，給出空間評價結論。該案例中具體數據截圖如圖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，基于前述原理完成軟件工具設計，并取得了實現。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和實現，驗證了本項研究的實際應用價值，為產品的工業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。后續可以在這兩方面進行深入的研究和探討。