基于虛擬現(xiàn)實(shí)的飛機(jī)維修仿真與工效評(píng)估

張登峰　成紅芳　羅旭升

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以高沉浸感的特點(diǎn)，在仿真領(lǐng)域發(fā)揮日益重要的作用?；陲w機(jī)設(shè)計(jì)階段對(duì)維修工效仿真的需求，開(kāi)展了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在飛機(jī)維修仿真與工效評(píng)估中的應(yīng)用研究。首先，構(gòu)建了虛擬現(xiàn)實(shí)的維修仿真平臺(tái)，開(kāi)展虛擬現(xiàn)實(shí)維修軟硬件環(huán)境設(shè)置;然后，參照飛機(jī)客艙環(huán)境建立了虛擬維修場(chǎng)景;最后，通過(guò)仿真試驗(yàn)評(píng)估了座椅維修可視性和可達(dá)性工效水平，驗(yàn)證了研究方法的有效性。該研究可以對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)搭建提供參考，對(duì)提升虛擬維修仿真的效率有一定作用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);維修仿真;人機(jī)工效;可視性;可達(dá)性

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）08-0043-04

現(xiàn)階段常用的維修仿真主要是基于物理樣機(jī)或虛擬樣機(jī)。其中，物理樣機(jī)能夠提供最接近實(shí)際維修狀態(tài)的環(huán)境，多次采集樣本評(píng)估結(jié)果可靠性高，但是會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間與物力。通過(guò)虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真，例如Delmia，通過(guò)構(gòu)建虛擬維修環(huán)境[1]，采用軟件自帶的模塊或依靠人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行維修工效評(píng)估。但是，這種方法依賴(lài)于功能模塊的評(píng)價(jià)，割裂了人與評(píng)估對(duì)象之間的聯(lián)系，容易出現(xiàn)評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況不符合的問(wèn)題。

在產(chǎn)品的物理樣機(jī)出現(xiàn)之前，如果設(shè)計(jì)人員能以第一人稱(chēng)的視角觀察產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，或是直接參與維修仿真，將有利于提高維修工效評(píng)估的質(zhì)量和效率[2-3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)生成沉浸式虛擬環(huán)境的綜合性技術(shù)[4]。虛擬現(xiàn)實(shí)通過(guò)立體視覺(jué)、動(dòng)作捕捉等功能將現(xiàn)實(shí)的人與虛擬環(huán)境中數(shù)字模型關(guān)聯(lián)，將人的動(dòng)作輸入計(jì)算機(jī)，提高了人的主觀感受的可靠性，為維修工效的評(píng)估提供了新思路。九五規(guī)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)等把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)列入了研究項(xiàng)目[5]。在國(guó)內(nèi)高校中，軍械工程學(xué)院最早開(kāi)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在維修方面的研究，研究?jī)?nèi)容包括虛擬人體模型的維修動(dòng)作仿真技術(shù)[6]、產(chǎn)品的工程模型簡(jiǎn)化技術(shù)和虛擬環(huán)境中真實(shí)人與虛擬模型的交互等[7];北京航空航天大學(xué)研究了虛擬維修仿真系統(tǒng)的搭建流程[8];南京航空航天大學(xué)研究了虛擬環(huán)境下民用飛機(jī)維修性評(píng)估的相關(guān)技術(shù)[9]。

針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬維修仿真中的應(yīng)用，本文對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的維修工效評(píng)估方法進(jìn)行了研究。首先，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)軟硬件設(shè)備構(gòu)建了虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真平臺(tái);然后，設(shè)計(jì)了虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的維修仿真試驗(yàn);最后，進(jìn)行了飛機(jī)客艙座椅的維修仿真與工效評(píng)估。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

1.1 軟硬件組成

虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的硬件部分包括動(dòng)作捕捉設(shè)備、運(yùn)算設(shè)備、定位設(shè)備和立體顯示設(shè)備，軟件部分包括建模軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)引擎和輕量化工具。綜合考慮虛擬現(xiàn)實(shí)維修仿真的需求和市場(chǎng)上的產(chǎn)品性能，選擇的軟硬件信息如表1所示。

在硬件中，定位設(shè)備、立體顯示設(shè)備和動(dòng)作捕捉設(shè)備是映射虛實(shí)關(guān)系從而實(shí)現(xiàn)互動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備，顯示設(shè)備可以根據(jù)人體的位置信息，提供第一人稱(chēng)視角的視覺(jué)信息;動(dòng)作捕捉設(shè)備通過(guò)獲取真實(shí)人的姿態(tài)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)人體模型的肢體運(yùn)動(dòng)從而與虛擬模型進(jìn)行交互。在軟件中，虛擬現(xiàn)實(shí)引擎是構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的軟件平臺(tái)，輕量化工具是對(duì)模型進(jìn)行處理從而導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)引擎的軟件工具。在上述軟硬件的基礎(chǔ)之上，本文構(gòu)建了虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，支持仿真與評(píng)估，實(shí)驗(yàn)的環(huán)境及軟硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)置

在Unity 3D平臺(tái)中需要對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，內(nèi)容包括組件布置和碰撞交互設(shè)置。

1.2.1 組件布置

虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境內(nèi)的組件包括Kinect骨骼模型，Steam VR攝像頭和Leap motion手部骨骼模型。通過(guò)輸入硬件捕捉的人體關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，Kinect骨骼模型和Leap motion手部骨骼模型可以在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中展現(xiàn)人體的運(yùn)動(dòng)。Steam VR攝像頭可以捕捉人體頭部在Lighthouse定位器范圍內(nèi)的空間位置和角度，從而顯示實(shí)時(shí)的虛擬場(chǎng)景圖像。如圖2所示，將這些組件導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D的虛擬環(huán)境內(nèi)，調(diào)整到初始位置，并添加光源。

1.2.2 碰撞與交互設(shè)置

Unity 3D中采用“事件驅(qū)動(dòng)”的方式進(jìn)行虛實(shí)交互，即在檢測(cè)到某信號(hào)后執(zhí)行某指令。在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行維修仿真，最重要的交互事件是碰撞，可以通過(guò)檢測(cè)碰撞事件實(shí)現(xiàn)虛實(shí)交互。Unity 3D具有強(qiáng)大的碰撞檢測(cè)功能，通過(guò)添加碰撞網(wǎng)格和剛體屬性，能夠檢測(cè)環(huán)境內(nèi)的碰撞信息。本文將維修中的碰撞分為3類(lèi)，人體的碰撞，手的碰撞以及工具的碰撞，如表2所示。其中，通過(guò)檢測(cè)人體模型與維修環(huán)境的碰撞，本文以碰撞視覺(jué)反饋的方式，例如光源顏色變化，提示仿真人員該姿態(tài)不可行，需要調(diào)整身體的姿態(tài)。

為了虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的交互，需要對(duì)虛擬人與虛擬模型之間的交互進(jìn)行預(yù)先定義。本文中對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)中交互的類(lèi)型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，拾取操作采用“碰撞黏著”的方式，即檢測(cè)碰撞后模型變更主從關(guān)系一起移動(dòng)。Unity 3D平臺(tái)含有眾多的類(lèi)，交互事件通過(guò)編寫(xiě)C#腳本實(shí)現(xiàn)，本文主要使用Collider碰撞器。通過(guò)定義碰撞開(kāi)始OnTriggerEnter，持續(xù)碰撞OnTriggerStay和碰撞結(jié)束OnTriggerExit，可以編寫(xiě)腳本實(shí)現(xiàn)碰撞的交互事件。

2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的維修試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 飛機(jī)客艙的虛擬維修場(chǎng)景構(gòu)建

試驗(yàn)的仿真對(duì)象是飛機(jī)客艙座椅，仿真內(nèi)容是對(duì)客艙座椅底部的4枚不同位置的螺栓進(jìn)行拆卸。首先需要建立飛機(jī)客艙的維修仿真環(huán)境，參照實(shí)際的民航波音737客艙環(huán)境，本文構(gòu)建了簡(jiǎn)化的波音737客艙模型，客艙內(nèi)各部件均為獨(dú)立的模型，如圖3所示。

輕量化處理的客艙模型在導(dǎo)入 Unity 3D平臺(tái)后，將其添加到虛擬場(chǎng)景中并對(duì)模型進(jìn)行移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，根據(jù)現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境位置與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的世界坐標(biāo)原點(diǎn)，將維修目標(biāo)移動(dòng)到HTC的定位范圍內(nèi)校準(zhǔn)其位置。本實(shí)驗(yàn)中設(shè)定螺栓的交互時(shí)間為5s，工具與螺栓碰撞交互滿(mǎn)5s認(rèn)為該螺栓被拆卸。參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的中國(guó)成年人體測(cè)量數(shù)據(jù)，在年齡18歲到25歲之間的成年男性中，本文選取第50百分位的身材作為虛擬人體骨骼模型的尺寸，對(duì)應(yīng)中等身材，能夠代表維修人員最為普遍的情況。

[10] 童時(shí)中.人機(jī)工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

Aircraft Maintenance Simulation and Ergonomics Evaluation Based on Virtual Reality

ZHANG Deng-feng， CHENG Hong-fang， LUO Xu-sheng

（First Aircraft Design and Research Institute of China Aviation Industry Group Corporation， Xi'an Shaanxi? 710089）

Abstract：Virtual reality technology plays an increasingly important role in the field of simulation with its high immersion characteristic. Based on the demand for maintenance ergonomics during the aircraft design phase， the application research of virtual reality technology in aircraft maintenance simulation and ergonomics evaluation was carried out. Firstly， the maintenance simulation platform based on virtual reality is built，and the virtual reality maintenance software and hardware environment is set up. Then， the virtual maintenance scene is established with reference to the aircraft cabin environment. Finally， the visibility and accessibility of seat maintenance are evaluated through simulation experiments，and verify the effectiveness of the research method. This research can provide reference for the construction of virtual reality platform， which has a certain effect on improving the efficiency of virtual maintenance simulation.

Key words：Virtual reality; Maintenance simulation; Ergonomics; Visibility; Accessibility