虚拟维修性分析系统及人机交互技术的应用研究

虚拟维修性分析系统及人机交互技术的应用研究1、本选题的研究领域维修性:是指产品在规定条件下和规定时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复其规定功能的能力。维修性分析:在武器装备研制过程中，是一项非常重要的维修性工作，它包含研制、生产、使用中涉及维修性的所有分析工作。一、引言传统的维修性分析存在的问题1）传统的维修性分析评价主要依托产品的物理样机或全尺寸模型，然而在产品开发的前期阶段，一般缺乏实验用的物理样机，一些维修性分析工作无法开展，影响维修性设计与产品设计的并行进行。设计制造分析改进2）另一方面，传统的维修性分析技术，对人的因素、工具的应用等没有考虑进来，即便考虑到了，也还不够彻底。一、引言设计阶段提高武器装备可维修性的途径1)在产品的设计和开发过程，应力求产品结构简单，零部件组合合理，并充分考虑拆卸方便，安装方便，更换方便。应有良好的维修可达性，可视性，即可能维修的部位能“看得见，摸得着”。2)产品实现过程应符合人一机系统要求，即根据产品的目的、功能和技术手段，合理分配人和设备的任务和职能。一、引言随着虚拟现实技术近年来日渐成熟，并在工业领域获得广泛应用，对产品的设计、集成、制造具有极大的支撑作用。虚拟设计、虚拟制造等先进技术手段的提出，改变了“设计－制造－分析－改进”的传统模式，虚拟样机将逐渐取代产品研制过程中用于工程分析的实物模型或全尺寸样机，这已经成为制造业中一个不可逆转的趋势。提出解决方法一、引言虚拟样机虚拟样机是一种计算机模型,它利用虚拟现实技术在可视化方面的优势以及可交互探索虚拟物体的功能,而建立的反映产品几何、功能、制造等方面特性的可交互的设计和分析的模型。虚拟样机能够从视觉、听觉、触觉以及功能和行为上模拟真实产品,它能够反映物理样机的特性,包括外观、空间关系以及运动学、动力学等方面的特征。本系统进行实例演示所需的虚拟样机是采用Pro/Engineer建立的CAD模型。它作为系统的最始端为系统完成CAD建模功能，以进行后续阶段的处理。1223333一、引言虚拟维修性分析系统本课题提出建立虚拟维修性分析系统，目的是要建立一个包含产品虚拟样机、维修人员、维修工具、维修设备、维修过程信息的虚拟环境，并在该环境下仿真产品的维修及相关过程，对产品维修性，如维修过程中的可视性、零部件可达性以及零部件的拆卸与装配，进行分析研究，将有关产品在维修性方面的潜在问题在设计阶段的早期予以解决。一、引言2、本选题的研究现状由于虚拟现实技术在维修性设计、维修保障以及维修训练等领域的应用具有相当大的经济效益和军事效益，而虚拟现实软硬件技术的迅速发展也为虚拟现实技术在这些方面的应用提供了必要的基本条件和有力的保障。因此，现在许多国家和大学的研究机构都开展了虚拟现实技术在维修性以及维修方面的应用研究。一、引言波音公司于20世纪90年代末建立了一个虚拟现实实验室，主要用于对“联合攻击机”（JSF）的保障性进行评估和试验。该实验室可以使设计人员在进行设计的同时就能够了解维修任务是否可行，在飞机设计定型之前，就可以发现潜在的保障性问题。该实验室的建成与投入使用，提高了JSF维修性设计人员参与到设计早期阶段的能力，有效地避免由于设计修改所导致的费用。虚拟维修航空发动机(图)我国对虚拟现实技术的研究与应用主要集中在制造领域，还处于刚刚起步的阶段，多数是在原先的CAD/CAE/CAM和仿真技术等基础上进行。而虚拟现实应用系统的实现仍依赖于国外先进的技术平台与国内应用环境的结合。一、引言3、本论文的研究内容本课题的研究目标是建立沉浸感好，交互自然的虚拟维修性分析系统，它包括非沉浸式虚拟维修性分析部分和沉浸式虚拟维修演示部分。非沉浸式虚拟维修性分析系统能对典型型号复杂系统（如装甲车辆动力系统等）的维修性和虚拟维修进行全过程的仿真和分析，如对维修工具的适应性进行分析评价，并对维修工作中维修人员的维修安全和疲劳状况等进行分析。沉浸式虚拟维修演示系统的目的是使维修人员沉浸到虚拟环境中，对虚拟样机进行装配与拆卸工作，检查维修工作过程的合理性、可达性等相关问题。一、引言本论文的研究内容（一）、对人机交互技术的发展现状进行研究以此为理论根据来搭建虚拟维修性分析系统，为虚拟维修性分析系统的设计提出解决方案。然后详细介绍了虚拟维修性分析系统的集成，分别从软件组成，硬件组成进行讨论。（二）、本论文还讨论了JACK动作库二次开发问题，良好的人机交互是系统可行性的一个标准，因此，针对实际应用的需求和对系统的了解，对现有动作库进行二次开发问题进行了一定的研究工作。（三）、最后，沉浸式虚拟维修演示部分，虽然硬件及软件已经集成成功，但是，目前只能进行极其简单的维修工作，还有许多工作有待研究，需要对系统进一步完善。一、引言二、人机交互技术虚拟环境技术是一种有效的模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术，这种模拟具有“沉浸感”和“交互性”，即用户产生身临其境的感觉，并且人能够对虚拟环境中的实体进行交互操作。虚拟环境是计算机生成的具有沉浸感的环境，它对参与者产生如视觉、听觉、触觉、嗅觉等各种感观刺激信息，给参与者一种身临其境的感觉，参与者还能直接地、自然地与计算机生成的环境中的各种对象进行交互作用。因此，虚拟环境是一种新发展的、具有新含义的一种人机交互系统。二、人机交互技术虚拟环境的组成在软件方面，除系统软件外，还需要建立虚拟环境的支撑软件和建立软件,如WTK等。虚拟环境的组成在硬件方面，除了计算机外，典型的硬件还有以下各种：1）立体眼镜:用户通过它能看到计算机所产生的立体感很强的三维图象。二、人机交互技术2）位置跟踪器位置跟踪器:用户通过它能跟踪到头部和手部在三维空间中的位置和方向。二、人机交互技术3）图形图象生成器图形图象生成器:它具有实时处理图形图象功能的高性能CPU和图形加速卡。二、人机交互技术4）数据手套数据手套:用户通过它把手势控制信息传递给虚拟环境，如拾取物体等。二、人机交互技术虚拟环境系统的分类根据应用的要求，虚拟环境系统可以设计成非佩戴型或佩戴型。非佩戴型也称为桌上型，其视景是通过计算机的屏幕，或投影屏幕；非佩戴型的优点是用户比较自由，不需要戴头盔和耳机，不需要戴数据手套，不需要戴跟踪器，可以同时允许多个用户加入系统，对用户数的限制较小。佩戴型是用封闭的视景和音响系统将用户的视听觉与外界隔离，使用户完全置于计算机生成的环境之中。计算机通过用户佩戴的数据手套和跟踪器可以测试出用户的运动和姿态，并将测得的数据反馈到生成的视景中，产生人沉浸在其中的效果。二、人机交互技术人机交互技术主要研究问题因为本课题的核心是虚拟维修性分析系统的建立或者集成问题，即建立一个有沉浸感，易于人机交互，完成虚拟维修性分析和维修工作分析的虚拟环境，在该系统中，人机交互技术可以从以下几方面入手进行研究：1）虚拟环境的设计原则2）虚拟环境的硬件组成3）虚拟环境的软件组成二、人机交互技术虚拟环境的设计原则所设计的系统应该是开放的。所设计的系统应该使面向对象的和可重用的。所设计的系统应是服从标准化的。所选择的部件或子系统应该是有生命力的。用户的安全和健康放在第一位。二、人机交互技术虚拟现实系统示意图二、人机交互技术三、虚拟维修性分析系统1)数字化开发平台数字化开发平台具有协同工作、信息集成功能，并能够与其它应用系统进行链接。管理产品CAD模型数据、虚拟工具数据、人体模型数据，以及虚拟场景数据。2)非沉浸式虚拟维修性分析部分非沉浸式虚拟维修系统是一个采用计算机仿真和虚拟现实技术，依托产品虚拟样机、虚拟工具、虚拟场景等，利用虚拟人对产品的维修任务进行维修性分析评价、人素分析与评价，维修工作分析与评价等，3)沉浸式虚拟维修性分析部分沉浸式虚拟维修系统主要是利用虚拟外设进行维修仿真，虚拟外设包括头盔、数据手套、跟踪器、传感器、图形工作站。维修人员带上头盔与数据手套“沉浸”到虚拟环境中，对虚拟样机进行装配与拆卸工作，发现维修工作过程的合理性、可达性、可视性等相关的问题，检查维修工作。三、虚拟维修性分析系统虚拟维修性分析系统框架三、虚拟维修性分析系统根据产品维修性设计与分析的标准和要求，虚拟维修性分析系统能实现的主要功能如下：（1）检测维修活动中所涉及到的人体和工具的可达性及维修部位的可视性；（2）能够对拆卸作业进行分解，确定拆卸顺序，并选择适当的拆卸工具；（3）检测拆卸路径上是否有充分的活动空间，避免与周围环境的碰撞与干涉；（4）审查是否符合人机工程学要求；（5）能够给出产品设计的维修性评价以及修改建议。虚拟维修性分析系统能实现的主要功能三、虚拟维修性分析系统虚拟维修性分析系统原理三、虚拟维修性分析系统（1）Pro/EPro/E是CAD工具软件，用于建立产品三维实体模型。（2）Vismockup软件VisMockup是一个高性能的虚拟样机、虚拟装配分析以及协同工作的工具。a.CAD模型转换与缩减。应用VisMockup，可将Pro/E建立的CAD模型缩小几倍，并且不改变模型中零件之间的装配关系。b.拆卸顺序的自动推理。c.VisMockup与CAD软件的无缝连接功能可使从Pro/E转换来的CAD模型转换到下一个分析平台Jack软件中。三、虚拟维修性分析系统非沉浸式分析系统(3)Jack软件的主要功能Jack软件是EDS公司的产品，它首先是一个人机功效分析软件，又是一个实时交互虚拟仿真解决方案。其基本功能有：a.建造虚拟环境。b.建立虚拟人体。c.在虚拟环境中定位人体。d.为虚拟人指派任务。e.分析人体性能。包括：虚拟人能看到什么、能接触到什么、虚拟人的适应性、虚拟人的承载情况。三、虚拟维修性分析系统(4)MOCAP软件的主要功能JACK的MOCAP是一个工具集，它能帮助快速配置和使用虚拟现实设备；在虚拟环境中注册和缩放人体，驱动、记录和重放虚拟人体的运动。MOCAP提供必要的工具来正确的配置运动－跟踪硬件，并且正确地定义VR环境选项。运动跟踪工具包将自动加载VR硬件的启动模块如FlockofBirds运动跟踪设备和Cyberglove，MOCAP还为HMD提供视图设置窗口。三、虚拟维修性分析系统沉浸式虚拟现实演示系统三、虚拟维修性分析系统四、系统数据接口非沉浸式分析系统内部接口文件格式扩展名Prt，为Pro/E中三维零件模型的文件.prtASM，为Pro/E中三维装配模型文件.asmIges,公用标准模型文件.igsStep，公用标准模型文件.stpVDA标准,德国汽车工业联合会制订的一个标准.vdaPatran,Msc公司有限元分析软件patran的文件格式.patVRML模型文件.wrlInventor.ivPro/E支持的几种数据格式文件格式扩展名DirectModel，VisMockup的三维模型文件.jtIges,公用标准.igsStep，公用标准.stpVRML标准.wrlVisMockup支持的几种数据格式Pro/E与VisMockup间的数据接口四、系统数据接口系统所采用的Jack软件版本为3.0，其支持的文件格式如下：a)jt格式，即VisMockup的文件格式；b)vrml1.0格式的文件；c)Stepap203格式的文件；d)Iges格式的文件；e)pss格式的文件，为Jack软件本身的文件格式。VisMockup与Jack间的数据接口Pro/E2001到VisMockup具有转换的专用接口软件。即：在Pro/E中能够将Pro/E的asm装配模型文件转换为VisMockup模型文件格式(jt格式)首先需要将整个jt格式的模型文件读入到jack软件中并存放为Jack软件本身的pss文件格式，此时的模型只是一个“Figue”，模型中的零部件是以“段”的形式存在，无法运动。利用维修分析软件可确定相关零件，因此可以得到相关的需要“运动”零部件，此时可采用替换的方法，即删除那些需要运动的段并用相应的“Figue”来代替，其他不需要运动的部分保留。四、系统数据接