沉浸式維修性虛擬驗(yàn)證平臺(tái)開發(fā)與應(yīng)用

郭 慶， 薩 路， 黃一峰， 劉昕杰

(中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300)

沉浸式維修性虛擬驗(yàn)證平臺(tái)開發(fā)與應(yīng)用

郭 慶， 薩 路， 黃一峰， 劉昕杰

(中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300)

沉浸式維修性虛擬驗(yàn)證平臺(tái)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該平臺(tái)由動(dòng)捕設(shè)備、顯示系統(tǒng)和軟件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。平臺(tái)通過采集真實(shí)人體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并將其重新定向到體型不同的虛擬人上同時(shí)保留原始人體的動(dòng)作特性，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)重定向。結(jié)合關(guān)節(jié)位置的算法可以糾正關(guān)節(jié)角度的計(jì)算偏差，這種數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)能提高關(guān)節(jié)角度和位置的計(jì)算精度。通過利用該平臺(tái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件維修性評(píng)估驗(yàn)證，結(jié)果表明，驗(yàn)證結(jié)果可靠，使用方便靈活。同時(shí)，該平臺(tái)也可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

維修性驗(yàn)證； 虛擬現(xiàn)實(shí)； 沉浸式； 動(dòng)作重定向

0 引 言

維修性是裝備的基本屬性之一，良好的維修性設(shè)計(jì)是提高維修效率和質(zhì)量的重要手段。傳統(tǒng)的維修性研究是基于物理樣機(jī)或全尺寸模型開展工作的，因此，維修性評(píng)估明顯滯后于產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)[1]。這不僅是對(duì)設(shè)計(jì)資源的浪費(fèi)，也不利于設(shè)計(jì)的整體優(yōu)化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，虛擬維修技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。虛擬維修是虛擬顯示技術(shù)與維修工程相結(jié)合的成果，是以計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為依托，在由計(jì)算機(jī)生成的、包含了產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)與維修人員三維人體模型的虛擬場(chǎng)景中，通過驅(qū)動(dòng)人體模型來完成整個(gè)維修過程仿真的綜合性技術(shù)。將虛擬維修仿真應(yīng)用于維修性研究，進(jìn)而形成了維修性虛擬驗(yàn)證技術(shù)，其可廣泛應(yīng)用于維修過程規(guī)劃評(píng)估、維修過程分析和產(chǎn)品的維修性及其維修過程驗(yàn)證等內(nèi)容。

根據(jù)虛擬維修實(shí)驗(yàn)方法的不同，維修性驗(yàn)證可以分為沉浸式和非沉浸式兩種[2]，如圖1所示。非沉浸式又稱為桌面虛擬現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)，是研究維修性虛擬驗(yàn)證的必需條件，它要求參與者使用鍵盤和鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，通過計(jì)算機(jī)屏幕觀察360°范圍內(nèi)的虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時(shí)參與者不是完全的沉浸，因?yàn)樗匀皇艿街車h(huán)境的干擾。沉浸式驗(yàn)證系統(tǒng)提供完全沉浸體驗(yàn)，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔顯示器把參與者的視覺封閉起來，并利用動(dòng)作捕捉設(shè)備使參與者產(chǎn)生身臨其境和沉浸其中的感覺。其最重要的是對(duì)虛擬環(huán)境管理、虛擬人員的控制是通過動(dòng)捕設(shè)備自然的人機(jī)交互技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。

圖1 維修性虛擬驗(yàn)證平臺(tái)組成

本文主要針對(duì)于沉浸式維修性虛擬評(píng)估系統(tǒng)的開發(fā)和其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，旨在為維修性定量和定性研究提出新的設(shè)備與方法。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

1.1工作原理

維修性驗(yàn)證平臺(tái)由軟件和硬件兩部分構(gòu)成，如圖2所示，其中硬件主要包括：慣性動(dòng)捕設(shè)備，頭盔顯示系統(tǒng)和全景演示系統(tǒng)；軟件采用的是Siemens PLM系統(tǒng)軟件中的Tecnomatix Jack模塊。其工作原理可描述為：在Tecnomatix Jack中建立虛擬維修環(huán)境，并對(duì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)通信和管理。人體運(yùn)動(dòng)控制主要用來實(shí)現(xiàn)虛擬驗(yàn)證系統(tǒng)中操作者的化身和操作者自身運(yùn)動(dòng)間的映射，利用動(dòng)捕設(shè)備所采集到的操作者身體各個(gè)部分的空間位置來驅(qū)動(dòng)虛擬環(huán)境中操作者化身的運(yùn)動(dòng)，操作者化身的動(dòng)作姿態(tài)通過頭盔顯示系統(tǒng)反饋給操作者，以便操作者自身做適應(yīng)性的調(diào)節(jié)，其他參評(píng)人員通過第三視角對(duì)維修全景進(jìn)行整體評(píng)估。

圖2 沉浸式維修性虛擬驗(yàn)證平臺(tái)示意圖

1.2平臺(tái)架構(gòu)

虛擬驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)的主體思路是以慣性動(dòng)捕設(shè)備和Tecnomatix Jack軟件[3]為基礎(chǔ)構(gòu)建的，通過設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理動(dòng)捕數(shù)據(jù)并重新定向到JACK軟件的仿真過程[4-6]。整體開發(fā)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集和提取、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的重定向三部分。其中運(yùn)動(dòng)捕捉模塊實(shí)時(shí)捕捉真實(shí)人體的關(guān)節(jié)位置和角度信息；采集數(shù)據(jù)傳輸模塊將捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送；運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)處理模塊處理采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，生成虛擬人關(guān)節(jié)位置和角度；運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊對(duì)生成的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析和平滑處理；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊將處理和優(yōu)化后的數(shù)據(jù)重新定向到JACK 人體模型實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)；動(dòng)力學(xué)仿真模塊負(fù)責(zé)動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算與控制；人機(jī)功效學(xué)模塊則控制仿真過程中的人機(jī)功效性。為了保證運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)時(shí)性，采用了多線程機(jī)制，每個(gè)模塊都是彼此獨(dú)立的線程。驗(yàn)證平臺(tái)的架構(gòu)如圖3所示。

圖3 驗(yàn)證平臺(tái)的架構(gòu)

1.3人體建模與模型映射

實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)虛擬人仿真需要將運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)重定向到目標(biāo)模型上，如圖4所示。動(dòng)捕設(shè)備廣泛采用BVH格式進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送。然而，BVH(圖4(a))人體骨骼模型與JACK(圖4(b))人體骨骼模型間存在軀體結(jié)構(gòu)的差異[7-8]，即在關(guān)節(jié)數(shù)量、骨骼長度、關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系設(shè)定三方面存在差異。

圖4 動(dòng)捕設(shè)備人體模型與JACK模型

JACK人體骨骼模型由72個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其中多數(shù)集中在手部區(qū)域[9]。而通用的簡化人體模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量一般20～59個(gè)不等，忽略手部細(xì)節(jié)特征，通用模型與JACK模型的軀干結(jié)構(gòu)雙方基本一致。對(duì)表1所列的關(guān)節(jié)點(diǎn)描述信息進(jìn)行采集，通過JACK軟件內(nèi)置的逆向運(yùn)動(dòng)(IK)算法即可能實(shí)現(xiàn)虛擬人仿真驅(qū)動(dòng)。

表1 關(guān)節(jié)點(diǎn)描述信息

1.4數(shù)據(jù)處理

驅(qū)動(dòng)JACK人體模型，需要提供表1所列節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、偏轉(zhuǎn)角度信息。模型的初始姿勢(shì)需定義為：T形雙臂平舉、手心向下，所有關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)角度都為零(見圖4b)，Y軸始終指向骨骼方向，Z軸指向前方。

表1中列出了JACK模型的軀干關(guān)節(jié)清單，提供的每組關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)應(yīng)包括3個(gè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)和3個(gè)旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)在內(nèi)共6個(gè)自由度。動(dòng)捕設(shè)備以BVH格式向外發(fā)送數(shù)據(jù)包，處理后的數(shù)據(jù)應(yīng)以JACK指定的數(shù)據(jù)包協(xié)議傳輸給軟件。

通過采用模塊化設(shè)計(jì)，仿真平臺(tái)可以多線程同步的實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)捕捉、處理、優(yōu)化、重定向、以及應(yīng)用過程，數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)

運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)映射是通過提取動(dòng)捕設(shè)備傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行坐標(biāo)系變換計(jì)算出人體關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)矩陣，再通過坐標(biāo)系校準(zhǔn)得到JACK人體模型對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)矩陣，進(jìn)而反求出關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度[10-12]。

2.1初始姿態(tài)校準(zhǔn)

動(dòng)捕設(shè)備人體模型的各節(jié)點(diǎn)在初始狀態(tài)下都采用世界坐標(biāo)系方向，而JACK人體模型不同關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系的初始方向不同，導(dǎo)致模型關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度計(jì)算要需要進(jìn)行角度校準(zhǔn)，包括觀察校準(zhǔn)角度和生成校準(zhǔn)矩陣。

圖5 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)處理流程

觀察校準(zhǔn)角度是指判斷出不同關(guān)節(jié)在初始狀態(tài)時(shí)的角度的方向差異，參考圖4，以右肩關(guān)節(jié)為例，JACK模型(右)中的右肩關(guān)節(jié)須繞Z軸旋轉(zhuǎn)90°后才能與絕對(duì)坐標(biāo)系一致，則校準(zhǔn)矩陣。

2.2運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)提取

人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的提取過程以某時(shí)刻的第i個(gè)關(guān)節(jié)為例，設(shè)定動(dòng)捕設(shè)備傳輸該關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)順序?yàn)閅XZ，角度值為β、α、γ，JACK模型中的旋轉(zhuǎn)順序默認(rèn)是XYZ，則JACK人體模型上對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)角計(jì)算如下：

相對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣

RoMi(t)=RY(β)RX(α)RZ(γ)

絕對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣

RRoMi=RRoMi-1RoMi；(RRoM1=RoM1)

JACK模型對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)矩陣：

由上式得：

(1)

由JACK人體模型關(guān)節(jié)按照XYZ軸順序依次偏轉(zhuǎn)θ、φ、ψ角度與重合，則有：

(2)

θ、φ、ψ滿足下列必要條件：

(3)

2.3運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的處理

由歐拉旋轉(zhuǎn)公式可知旋轉(zhuǎn)矩陣中的元素都應(yīng)滿足|aij|≤1(i,j=1,2,3),但是由于數(shù)據(jù)測(cè)量和傳遞偏差，會(huì)出現(xiàn)式(2)中的某個(gè)元素出現(xiàn)|aij|>1的情況并可能造成式(3)無解，為此需要對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)行預(yù)處理，若|aij|>1，則令aij=aij/|aij|，由式(3)可得：

(4)

則存在8組解滿足條件(3)，為了選取正確的解，將每組解依次代入公式(2)并用最小二乘法計(jì)算與式(1)矩陣的偏差值，選取偏差值最小的一組解作為基礎(chǔ)解。

2.4運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的優(yōu)化和平滑處理

雖然獲得了基礎(chǔ)解使JACK模型的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)效果與真實(shí)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)近似，但考慮到測(cè)量數(shù)據(jù)本身生成和傳遞過程中產(chǎn)生的隨機(jī)誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，還需要在基礎(chǔ)解的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定范圍的優(yōu)化[13-14]，流程如圖6所示。

圖6 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的優(yōu)化和平滑處理

優(yōu)化初始令步長d為5°，對(duì)任意角度進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化后的結(jié)果代入式(2)并計(jì)算與式(1)的偏差，選取使偏差值最小的優(yōu)化角度并將步長減半，考慮到式(2)中矩陣的特殊性，根據(jù)數(shù)據(jù)敏感性的不同，優(yōu)化以φ、θ、ψ的順序進(jìn)行，合理設(shè)定優(yōu)化次數(shù)滿足最終的偏差值小于1.0。通過多次驗(yàn)證，優(yōu)化次數(shù)一般不超過3次就能滿足要求，過多過密的設(shè)定優(yōu)化步長和次數(shù)對(duì)結(jié)果的影響有限。

運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的平滑處理，是在獲得當(dāng)前幀數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，考慮到由于系統(tǒng)性誤差所產(chǎn)生的壞點(diǎn)，為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去除壞點(diǎn)和線性擬合的工作，其中線性擬合采用優(yōu)化后的三次樣條差值方法將每幀數(shù)據(jù)與前6幀結(jié)果進(jìn)行線性擬合[15-16]。

2.5程序開發(fā)

Tecnomatix Jack提供數(shù)據(jù)端口和數(shù)據(jù)通信協(xié)議。所有的動(dòng)捕設(shè)備提供BVH實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)廣播方式，并提供二次開發(fā)接口。本文通過.NET平臺(tái)C#語言實(shí)現(xiàn)上述功能開發(fā)。

3 平臺(tái)應(yīng)用

3.1實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)所用的硬件：PC機(jī)(Inter Core i7-3770 3.4GHz CPU, 16GB內(nèi)存)， Perception Neuron動(dòng)捕設(shè)備。軟件開發(fā)環(huán)境： Windows 7, VS 2014, JACK8.0.1-win32, Axis Neuron。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用該平臺(tái)可直接實(shí)時(shí)獲得維修性方面的定量和定性的分析，如視野可達(dá)，動(dòng)作可達(dá)，維修路徑是否存在干涉的定性分析，還可獲得諸如人體受力分析，疲勞分析，新陳代謝等定量分析。

現(xiàn)采用該平臺(tái)針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)放氣活門(VBV)作動(dòng)筒維修性進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估。試驗(yàn)場(chǎng)景及驗(yàn)證結(jié)果如圖7、8所示。

圖7為作動(dòng)筒拆卸維修性驗(yàn)證，其中圖7(a)為沉浸式仿真場(chǎng)景，圖7(b)為動(dòng)作可達(dá)性驗(yàn)證，結(jié)果顯示：由于受到圖示中管道的阻擋，虛擬人不能過于貼近VBV作動(dòng)筒，同時(shí)左手手肘也易與風(fēng)扇機(jī)匣組件發(fā)生干涉。但是虛擬人仍然可以使用左手對(duì)VBV作動(dòng)桿連接部位進(jìn)行維修操作。考慮到絕大多數(shù)維修人員慣用手是右手，同時(shí)有些操作需要兩只手協(xié)同動(dòng)作，例如拆卸螺栓等。所以該VBV設(shè)計(jì)，在這種維修方式下實(shí)體可達(dá)性不佳。

(a) 動(dòng)捕設(shè)備驅(qū)動(dòng)

(b) 姿態(tài)仿真結(jié)果

(a) 疲勞恢復(fù)時(shí)間預(yù)測(cè)

(b) 維修人員OWAS工作姿勢(shì)分析

(c) 虛擬人靜強(qiáng)度評(píng)估圖表

圖8(a)為疲勞恢復(fù)時(shí)間預(yù)測(cè)，結(jié)果表明在設(shè)定的勞動(dòng)強(qiáng)度下，留有了足夠的休息時(shí)間(預(yù)留休息的時(shí)間2 s,大于所需的1.469 s)，表明虛擬人能夠順利完成工作，勞動(dòng)強(qiáng)度是舒適適宜的。圖8(b)為維修人員OWAS工作姿勢(shì)分析結(jié)果，OWAS工作姿勢(shì)分析方法是由芬蘭 Ovako 鋼鐵公司與芬蘭職業(yè)健康研究所聯(lián)合開發(fā)的，用來研究各崗位工人的作業(yè)姿勢(shì)是否合理。這種方法適應(yīng)面較廣，能定性的幫助識(shí)別不良的作業(yè)姿勢(shì)。模擬結(jié)果表明姿勢(shì)(OWAS)代碼為1121，具體內(nèi)容表示虛擬人處于直立垂手雙腳站立小載荷的工作姿態(tài)?？梢娫谡麄€(gè)仿真過程中由于都是站立姿態(tài)，且載荷很小，虛擬人始終處于良好的工作姿態(tài)中。圖8(c)為虛擬人靜強(qiáng)度評(píng)估圖表，顯示的結(jié)果分別為：能夠完成該任務(wù)強(qiáng)度要求的工人百分比；上肢角度(肘、肩、肱骨旋轉(zhuǎn)、膝、踝)和軀干角度(彎曲、旋轉(zhuǎn)、側(cè)彎)；各個(gè)關(guān)節(jié)力矩的大?。豢捎藐P(guān)節(jié)的平均力矩大小。在整個(gè)仿真過程中所有動(dòng)作均能被至少95%的虛擬人完成，表明整個(gè)維修過程的勞動(dòng)強(qiáng)度是適宜的，不會(huì)對(duì)維修人員造成危害。

4 結(jié) 語

從上述實(shí)例中可以看出，與傳統(tǒng)維修性分析相比，沉浸式維修性虛擬驗(yàn)證平臺(tái)具有如下特點(diǎn)：①驗(yàn)證過程和驗(yàn)證環(huán)境全數(shù)字化，從而支持并行工程在維修領(lǐng)域的實(shí)現(xiàn)；②基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的維修性驗(yàn)證，可以滿足經(jīng)濟(jì)性和及時(shí)性要求；③虛擬維修過程與實(shí)際維修相似一致，因此驗(yàn)證評(píng)估結(jié)果可信度高。

在應(yīng)用方面，該平臺(tái)不僅可適用于維修性科學(xué)研究工作，還可應(yīng)用于維修性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，因其參與性強(qiáng)，數(shù)據(jù)指標(biāo)可視化，受到師生的廣泛歡迎。

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ResearchandDevelopmentofImmersionVirtualRealityMaintainabilityVerificationPlatform

GUOQing,SALu,HUANGYifeng,LIUXinjie

(College of Aeronautic Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

Immersion virtual reality maintainability verification platform is based on virtual reality technique, it consists of motion capture gears, projector system and driven software. Real-time captured human motion was processed and retargeted to another anthropometry virtual-reality model, while preserving the original motion characteristics. Data enhancement algorithm which was based on joint position was used to correct deviation of joint angles calculation, could improve the accuracy in both joint angles and positions. Experimental results show that this platform is reliable, convenient and flexible, and as a by-product, the platform could also be used for experiment and teaching.

maintainability verification; virtual reality; immersion; motion retargeting

TP 391.9

A

1006-7167(2017)09-0092-05

2016-11-15

國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610059005)

郭 慶(1976-)，男，湖南郴州人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向裝備綜合保障。Tel.：13920046759；E-mail：qguo_cauc@sina.com