虚拟维修分析验证平台解决方案20

1虚拟维修设计与评价系统建议方案北京朗迪锋科技有限公司2011-92目录1.面向工程应用的人机功效研究背景...................................................................................................31.1面向制造工程应用的人机功效...................................................................................................31.1.1人机功效研究的内容.............................................................................................................31.1.2仿真环境下的人机功效研究.................................................................................................51.1.3仿真环境下人机功效分析的分类.........................................................................................61.2人机功效面临的现状分析............................................................................................................72.基于虚拟现实技术的人机功效分析...................................................................................................82.1虚拟装配.......................................................................................................................................92.2虚拟维修.......................................................................................................................................93.基于虚拟现实技术的人机功效分析验证平台解决方案.................................................................103.1分析验证平台的内容..................................................................................................................113.1.1制造工程行业人机功效研究内容......................................................................................113.1.2工程装备虚拟维修的可达性、可视性和可操作性验证评估..........................................113.1.3沉浸式人机功效维修时间验证评估..................................................................................113.1.4基于动作捕捉系统的维修性验证评估..............................................................................123.2人机功效平台总体解决方案......................................................................................................123.3总体技术架构..............................................................................................................................133.3.1数据支撑...............................................................................................................................133.3.2沉浸式虚拟人机环境...........................................................................................................143.2.1人机功效平台总体技术解决方案.......................................................................................1731.面向工程应用的人机功效研究背景在如今的大型制造及研究领域，如航天航空、兵器工业、船舶、汽车等行业，都应用到了较为先进的信息化工具及方法，如CAD/CAE/CAM/CAPP及PLM技术，使得从型号设计、分析、生产到维护、展示都拥有了产品全生命周期管理的解决方案。这些技术和理念应用的重点一般都在于“产品”，而我们这里所要描述的人机功效领域的研究及应用，重点在于“人”，处于工程应用中不同阶段的人。在制造工程应用方面，人机功效是处理人与设计环境、制造环境及之间的关系。是通过揭示人、机、环境三要素之间互相关系的规律，从而确保人-机-环境系统总体性能的最优化。用传统的物理模拟和模型方法研究人机系统，往往不能完全反映系统中人的特征。另外，现代人机系统越来越复杂，采用物理模拟和模型方法，不仅成本高，周期长，而且模拟和模型装置一经定型，就很难作修改变动。随着计算机技术的发展，基于虚拟样机技术的人机工程学设计、测试评价己经成为可能，这不仅可以节省大量的时间和资源，而且可以增强企业的竞争能力，使产品更具有使用性和人性化。1.1面向制造工程应用的人机功效1.1.1人机功效研究的内容面向制造工程应用的人机功效应用实际上往往贯穿于从设计到后期维修的整个过程，因为这些阶段人都是重要的参与因素，也是主导因素，其中主要研究内容为以下几个方面:1)、人体生理、生物运动方面特性的研究，包括人体骨骼建模、运动建模、运动机能等，主要分析操作环境中人的感受。这方面的研究涉及到从设计到制造的多个阶段：如在操作阶段，飞机与坦克战车驾驶舱的驾驶者的舒适度，包括座椅、仪表盘的可达性、人的可视范围等；在维护维修阶段，工程维修人员操作及维修的疲劳感、可维护性方面的分析及评价。42）、人机系统的总体规划与设计；如在一个制造或工装环境现场加入了人的因素后，对整体工装规划及工艺流程规划、设备布局的设计研究。其中人与制造/工装环境融为一体，人是其中重要的因素，研究这个人机系统总体的规划布局与工艺流程设计，从而达到最佳的工作效率。3）、设计、制造及工装场所和信息传递装置的设计，主要是制造工程应用环境下，人机交互和环境对人影响方面的研究。4)、环境控制及安全保护研究在体力劳动的作业中，对于可能对人产生的有害效应进行有效的限制。对工作人员进行选择、培训方面，考虑人的生理和心理特点和所具备的技术，使作业活动的性质和要求相适应。51.1.2仿真环境下的人机功效研究仿真环境下的人机功效研究，是人体建模与仿真以及人机工效评价结合的解决方案，帮助制造工程的应用客户提高产品设计、制造及维修的工效学因素和改进车间厂房的任务，目前此类方案主要是利用人机功效软件系统结合各自的分析评价体系来实现人机功效研究的目的，其主要采用以下通用流程及步骤：1)、建立一个虚拟的环境，包括虚拟工程背景及一些常用的工程用的工具库；2)、创建一个虚拟人；3)、定义人体形状和生理参数。；4)、把人加入在虚拟环境中；5)、给虚拟人指派任务；6)、分析虚拟人体如何执行任务；7)、对于虚拟人进行工效学评价.如下图，为整个仿真环境下的人机功效主要流程图：61.1.3仿真环境下人机功效分析的分类制造工程应用下的人机功效分析，按照产品生命周期管理PLM的阶段也对应分为基于人机功效的仿真设计、仿真制造及仿真维护维修几个方面，在工程应用分析的整个阶段，人机功效的分析都贯穿于整个过程之中，对人素及人机效能的研究是整个应用的核心。71.2人机功效面临的现状分析目前，人机功效方面的研究和分析在各个制造工程行业都已经开始应用，拥有了一些符合国情及各自工程应用的经验。随着虚拟现实技术在国内工程应用中的发展，更多的行业和客户开始进行虚拟现实技术在人机功效领域应用的理论与技术方面的研究与实践，利用商业化仿真平台构建了虚拟环境和人机功效分析评价系统，推进了虚拟现实技术在人机功效领域的研究。第一阶段传统的物理样机人机功效分析第二阶段第三阶段虚拟现实技术建设阶段基础建设发展建设成熟应用人机功效软件数字样机DMU人机功效软件人机交互人机功效分析评价体系CAD/CAE/PLM目前存在的问题及发展趋势如下：1)缺乏一套完善的人机功效技术方法和工程化应用指南；人机功效技术方法已取得一定的研究结果，但在工程实际应用中还不够完善，究其原因，关键在于没有充分地利用虚拟技术特点来开展相关装配、维修等设计分析，没有充分地与型号数字化设计环境相结合，并在工程上没有相应的技术方法指南来做规范化的指导，针对大型的型号研制，目前急需一套完善的人机功效技术方法和工程化应用指南。2)基于人机功效的维修时间评估可信性问题采用维修仿真动画方式或沉浸式虚拟维修方式评估维修时间与实际产品维修时间是否一致存在可信性问题。经过前期调研发现，采用基于人体动作捕捉技8术可快速建立沉浸式虚拟维修环境，在沉浸式虚拟环境下获得维修时间相对是准确的，同时对虚拟维修方式的维修时间进行分类、对每类时间进行分析研究，采取合适方法进行数据处理，综合计算可获取合适可信的维修时间。3)将人体动作捕捉技术与人机功效技术相结合是开展人素分析及评估的发展趋势。将人体动作捕捉技术与人机功效技术相结合的综合技术优势在于既可获取真实可靠的工程人员动作数据，同时借助虚拟环境可获得定量化的分析结果，这种优势是单独采用传统人素评估方式或单独采取人机功效软件方式所不具备的。使用动作捕捉系统、数据手套等虚拟现实技术和手段，来结合人机功效软件进行分析及研究，是一种可行的效率较高的解决方案。2.基于虚拟现实技术的人机功效分析基于虚拟现实技术的人机功效分析，包括虚拟环境下的人素分析、人机交互式虚拟装配、虚拟维护维修等。采用虚拟技术的人机功效分析，是指从产品设计的角度出发，利用各种虚拟现实技术建立一个具有视觉、听觉和触觉等多模式虚拟沉浸式环境，借助于虚拟现实的交互设备，使工程操作者或设计员者在虚拟现实环境中，以人机交互式的方式进行工程应用任务的各种操作，检验和评价产品的装配性能，可靠性、可维护性，最终为整个人素分析及评价提供基础的数据源及方法，从而生成经济、合理、实用的人机评价方案。其对优化产品设计、避免或减少物理模型制作、缩短产品研制、制造及维护时间周期、提高工程人员的工作效率、保障工程人员的工作舒适度及安全都具有重要意义。本方案重点描述了依托动作捕获系统等硬件条件支持，紧密结合兵器工