CN101853319A - 一种支持虚拟维修仿真的维修动素集的建立方法 - Google Patents

Abstract

一种支持虚拟维修仿真的维修动素集的建立方法，它将人的低层运动、动作控制函数进行封装，构成多个可模拟维修动作的基本动作单位的维修动素，并基于维修动素建立相应的基本动作函数库，该方法将维修动作分为移动类动作和操作类动作，其中，移动类动作包括人的移动和调整姿势两种动素；操作类动作包括徒手操作和使用工具操作两种类型，所述徒手操作包括抓取、拆装操作、释放三个动素；所述使用工具操作包括使用工具、定位、放物、保持四个动素。本发明可以减少用户的工作量，降低对用户的要求，大大提高虚拟维修仿真效率。

Description

一种支持虚拟维修仿真的维修动素集的建立方法

技术领域

本发明涉及一种虚拟维修仿真的方法，特别是通过将维修过程分解为一个有限集元素的组合，并建立基于这个有限集的函数库的方法，属数据处理技术领域。

背景技术

虚拟维修仿真(Virtual Maintenance Simulation，VMS)是虚拟现实技术在维修领域的应用，是指在集模型、仿真和仿真者为一体的虚拟环境中对产品的实际维修过程进行模拟。虚拟维修仿真是虚拟维修训练系统的核心，仿真的真实程度以及控制的交互便捷性直接影响并决定维修训练的效果。虚拟维修仿真是实际维修过程与维修动作在虚拟环境下的再现，不仅要求过程的完整，而且要求准确反映产品-维修人员-维修工具或设备之间的相互作用关系。

比较成熟的虚拟现实软件如Jack、Deneb都提供了虚拟人运动及动作控制、样机运动控制、以及人机交互控制的功能，多数虚拟维修仿真相关研究都是基于这类软件平台进行的。但是，这些软件提供的都是低层的人体运动控制，即通过对人体关节或运动链的控制来完成人体动作仿真。人体有大量的关节和运动链，且人体动作往往涉及到多个关节的协同运动，这使得人体动作控制相当复杂。

在对实际维修过程进行虚拟仿真时，如果采用直接由低层的控制函数来完成整个维修过程仿真的方法，不仅工作量大，效率低，而且对系统使用人员有很高的要求，难以实用。因此必须对虚拟现实平台所提供的低层控制函数进行一定的封装，在较高层次进行仿真的控制，也就是说将维修过程分解为一个有限集元素的组合，并建立基于这个有限集的函数库。

目前人体动作分类主要有以下几种：

(1)爱荷华大学计算机辅助设计中心的动作分类

爱荷华大学计算机辅助设计中心的John D.lanni认为七种基本活动就足以描述大部分的作业，并把常见动作分为：虚拟人体的移动，触摸一个物体，获得一个物体，将物体移动到另一个位置，看某个地方，使用一个物体作用于另一个物体，对机器进行操作。其中又将操作活动具体分为若干种。

(2)乔治亚工学院的动作分类

乔治亚工学院的SRL实验室在对拆卸过程进行描述时，将最基本的动作称为“操作”，并将操作具体分为徒手操作和工具操作。

(3)人因工程中的几种动作分类方法：

人因工程在进行动作分析时，规定了3大类18个动素。但动作分析的目的是去掉多余动作，把必要的动作组合成标准动作系列，并且设计与之相适应的工位器具及工作地布置等，以开发合理、高效的工作方法，它的动作分类侧重于动作的必要性，目的是尽量将构成操作动作的第二类和第三类动素去掉，这种分类并不适用于维修仿真。人因工程中的动素分类以及定义如下：

第一类：运空、抓取、运实、定位、装配、分解、使用、放物；

第二类：寻找、发现、选择、检查、思考、预位；

第三类：保持、延迟、休息、故延。

预定时间标准法、在制订时间标准时，也对常见的操作动作进行了分类，应用较广的有：

(1)模特法、认为手工操作时，95％以上的操作动作是以上肢为主，并且上肢动作的最基本特点是由成对出现的“移动动作”和“终结动作”结合而成的，把常见的操作动作分为上肢动作、下肢动作和其他动作，上肢动作包括移动动作和终结动作，其中移动动作又分为5种，终结动作分为6种。

(2)工作因素法、把动作分解为八种基本的动作单元：移动、抓起、放下、抓正、装配、使用、拆卸、精神作用。

(3)方法时间测定法、把动作分为十种基本动作：伸手、移动、旋转、加压、握取、定位、放开、拆开、眼睛动作、全身动作。其中全身动作又分为10种：足部动作、腿部动作、横侧移部动作、转变身体方向、弯腰与起身、弯膝与起身、单膝跪地与起身、双膝跪地与起身、坐下与站起、步行。

这些方法的动作分类侧重于动作时间的测定和分析，以去掉不必要的作业时间，合理安排作业强度为目的。

事实上，各种人体仿真软件都在向这个方向靠拢，如走的动作，大多数的软件都进行了封装，即在关节和运动链控制的基础上设计了走的函数，用户不需直接进行低层的控制。但目前还没有形成合理的、体系化的动作函数库。

综上所述，现有的人体动作分类方法，往往是针对各自特有的用途提出的，不能直接用于虚拟维修仿真。目前还没有专门针对维修动作或是虚拟维修仿真的动作模型集。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足、提供一种支持虚拟维修仿真的维修动素集的建立方法。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种支持虚拟维修仿真的维修动素集的建立方法，它将人的低层运动、动作控制函数进行封装，构成多个模拟维修动作的基本动作单位的维修动素，并基于维修动素建立相应的基本动作函数库；所述维修动作分为移动类动作和操作类动作，其中，移动类动作包括人的移动和调整姿势两种动素，操作类动作包括徒手操作和使用工具操作两种类型；所述徒手操作包括抓取、拆装操作、释放三个动素；所述使用工具操作包括使用工具、定位、放物、保持四个动素。

上述支持虚拟维修仿真的维修动素集的建立方法，所述抓取动素包含如下描述参数或动作控制函数：

a、虚拟人到达的操作位置参数及采用的操作姿势参数；

b、给出当前手形各关节角的参数数据，所述手形各关节是指拇指、食指、中指、无名指和小指中三个指关节；

c、手与目的物精确定位参数，内含目标物上的抓握点参数、手与目标物精确定位的位置与方向参数；动作完成后，手与目标点距离的控制值；

d、实时碰撞检测参数，根据抓握对象和抓握方式，选择人手模型中与目标物之间接触的各段为碰撞检测队列参数；调用CollisionSet函数，根据选定的关节角度调整策略，以设定调整量调整手部关节角度，同时采用Geibert&Johnson算法实时进行碰撞检测和关节角度是否已到最大极限值检测，当人手模型中与抓握对象相接触的各段均与抓握对象发生碰撞或关节角度已到最大极限值时，抓取动作结束。

上述支持虚拟维修仿真的维修动素集的建立方法，虚拟人手臂模型采用JACK中人体的手臂模型，由肩部、大臂、小臂、手部以及锁骨关节、肩关节、肘关节、腕关节、手部关节组成；虚拟人人手模型采用JACK中人体的手部模型。

上述支持虚拟维修仿真的维修动素集的建立方法，所述动作控制函数中的关节调整函数为：在关节当前角度值x的基础上每次增加步长s，即手指每次握拢s°，并进行检测，直到人手模型中与抓握对象相接触的各段均与抓握对象发生碰撞或手指关节角度已到最大极限值J_MAX为止，其中步长s取为3°，手指关节角度最大极限值J_MAX为90°。

上述支持虚拟维修仿真的维修动素集的建立方法，所述动作控制函数中的另一种关节调整函数为，取手指关节角度最大极限值J_MAX与当前关节角度值J_MAX的平均值(J_MAX+x)/2进行检测，如果碰撞，取(J_MAX+x)/2与JMAX的平均值进行调整，如果仍然碰撞则取(J_MAX+x)/2与x的平均值进行调整；依此法进行检测，直到关节变化小于门限值为止，关节变化门限值取3°。

上述支持虚拟维修仿真的维修动素集的建立方法，所述操作类动作还应包括思维活动这一动素。

本发明利用专门针对维修动作的维修动素集及参数模型来描述常见的维修过程，用户通过赋予动作函数不同的参数就可得到不同的维修动作仿真，进而通过一系列的维修动作仿真来完成对整个维修过程的虚拟仿真。本发明可以减少用户的工作量，降低对用户的要求，大大提高虚拟维修仿真效率。经应用测试，本发明可使虚拟维修仿真的效率提高50％。

附图说明

图1是JACK中手臂的模型；

图2是JACK中手的模型；

图3是基于碰撞检测的握取动作的基本流程；

图4是锤类工具作用点的定义。

文中所用符号为：J_MAX、关节角度最大极限值；x、当前关节角度值；s、关节角度调整步长；X、X坐标轴；Y、Y坐标轴；Z、Z坐标轴。

具体实施方式

借鉴人因工程中动素的概念，本发明提出维修动素(maintenance therblig)的概念，并将其定义为“是构成维修动作的基本动作单位”，即常见的维修动作都可由一定数量的维修动素组成；不同维修动素可以组合为不同的维修动作；同时维修动素具有一定的概括性，是对人的低层运动、动作控制函数的封装。基于维修动素开发相应的基本动作函数库，通过赋予动作函数不同的参数来得到不同的维修动作仿真，通过一系列的维修动作仿真来完成对整个维修过程的虚拟仿真。这样可以大大减少用户的工作量，降低对用户的要求，提高虚拟维修仿真效率。

本发明中的函数(如动作函数和控制函数等)是指计算机完成或者实现的一类算法。

尽管维修动作多种多样，但通过仔细观察实际维修过程，不难发现都具有这样一种基本过程或结构：“接近物体——操作”。因此，可以把维修动作分为两类：

移动类动作、应该包括操作人员的方位变换、姿势调整。这里把移动类动作分为两种动素：人的移动、调整姿势。

操作类动作、可以分为徒手操作和使用工具操作两种类型。对于徒手操作，一般符合：伸手抓握-操作-释放恢复姿势的结构，所以将抓取、拆装操作、释放作为动素。使用工具进行操作时，其一般结构应是：工具定位-使用工具-恢复，则将使用工具(Use Tool)作为动素，对于工具的定位，考虑到装配时会有零件或组件的定位，统称为定位(Position)。

完成操作后需将手中物体或工具放下，放物(Place)也是一个动素。维修过程中会有人保持当前位姿的情况，故将保持(Hold)也作为一种动素。

此外，借鉴模特法的分类，精神作用也应作为一类动素来考虑。

由此，可形成维修动素集及其参数模型如下：

一、移动类动作(human_move)：

1、人的移动：人徒手或携带物体的方位变换(包括变换位置和转向)，包括以下动作类型：

①走、侧身走、仰泳式行进

动素参数包括：虚拟人、目标方位或移动距离、速度或持续时间、步幅，可选参数包括：移动路径、携带的物体、是否摆臂。

②弯腰走

动素参数包括：虚拟人、目标方位或移动距离、速度或持续时间、步幅、弯腰的角度，可选参数包括：移动路径、携带的物体、是否摆臂。

③跨步

动素参数包括：虚拟人、目标方位或移动距离、速度或持续时间、步幅、抬腿高度，可选参数包括：移动路径、携带的物体、是否摆臂。

④攀爬、匍匐前进

动素参数包括：虚拟人、目标方位或移动距离、速度或持续时间、步幅，可选参数包括：移动路径、携带的物体。

⑤跑

动素参数包括：虚拟人、目标方位或移动距离、速度或持续时间、步幅、躯干跳跃高度，可选参数包括：移动路径、携带的物体、是否摆臂。

⑥四肢着地爬

动素参数包括：虚拟人、目标方位或移动距离、速度或持续时间、步幅、躯干高度，可选参数包括：移动路径、携带的物体。

⑦跳跃

动素参数包括：虚拟人、目标方位或移动距离、速度或持续时间、步幅、单双腿，可选参数包括：移动路径、携带的物体、是否摆臂。

⑧自定义

动素参数包括：虚拟人、关节值列表、关节持续时间列表，可选参数包括：携带的物体。

2、调整姿势：操作前调整到合适的操作姿势或移动前根据移动的类型调整当前姿势到相应的姿势，包括以下动作类型：

①变换姿势

动素参数包括：虚拟人、目标姿势、支撑方式、持续时间，可选参数包括：携带的物体。

②调整姿势

动素参数包括：虚拟人、关节值列表、关节持续时间列表，可选参数包括：携带的物体。

二、操作类动作：

1、抓取：完成对目标对象的抓握；脚踩到目标对象的某一位置或是眼睛注视、观察某一目标对象。包括以下动作类型：

①手抓

动素参数包括：虚拟人、抓握对象、目标位置或目标点、左右手或双手、抓握手形、持续时间，可选参数包括：是否握取、伸手路径。

②脚踩

动素参数包括：虚拟人、脚踩对象、目标位置或目标点、左右脚或双手、持续时间，可选参数包括：伸脚路径。

2、定位：操作前人控制工具或手中物体与目的物或目的点、线、面对齐的动作。动素参数包括：虚拟人、定位对象、目标位置或目标点、左右手或双手、持续时间，可选参数包括：定位路径。

3、保持：人保持现有姿势不进行任何动作或控制物体使其不发生方位变化。动素参数包括：虚拟人、保持对象、左右手或双手、持续时间。

4、放物：完成操作后人将工具或手中物体放下的动作。动素参数包括：虚拟人、放置对象、目标位置或目标点、左右手或双手、持续时间，可选参数包括：放物路径。

5、释放：操作完成后人手放开物体或使工具离开物体并恢复到初始姿势(指开始动作前的姿势)或习惯姿势的动作。动素参数包括：虚拟人、释放手或工具、左右手或双手、持续时间，可选参数包括：释放路径。

6、使用工具：人使用工具对物体的操作。包括以下动作类型：

①螺钉旋具、锤类、扳手、冲具、撬具

动素参数包括：虚拟人、工具、操作对象、操作位置或操作点、操作对象运动参数、工具作用次数、左右手或双手、持续时间，可选参数包括：定位路径。

②钳类

动素参数包括：虚拟人、工具、操作对象、操作位置或操作点、工具作用次数、左右手或双手、持续时间，可选参数包括：定位路径。

7、拆装操作：人对物体的拆装操作，如：推、拉、抽、拧等。动作类型：旋转、推、拉、提举、按压。动素参数包括：虚拟人、操作对象、操作位置或操作点、操作对象运动参数、左右手或双手、持续时间。

8、思维活动：维修过程中以思维为主，肢体运动为辅或无肢体运动的操作活动。如：观察、思考等。动作类型：观察、思考。动素参数包括：虚拟人、持续时间，可选参数包括：操作对象、操作位置或操作点。

常见的操作动作以手的动作为主体，而手的抓取动作较为复杂，因此以手的抓取为例介绍设计实现方法。

用手抓取一般符合以下过程：观察作用物-调整手形-手伸向目的物-手与目的物精确定位-抓握。用手抓取的输入参数为：goal：指目标物上的抓握点，此参数确定了手与目标物精确定位的位置与方向；handshape：hand_get时手的基本形态，也是grasp动素的预手形，根据作用物的类型可以将常用的hand_get手形分为五大类21种；get_duration：指get动作完成后终端效应器与目标点距离的控制值，默认为0；jfrom：运动的起始关节，即采用逆向算法计算各关节运动量时从该关节开始计算，决定了动作涉及到的人体关节范围，一般取值为肩“shoulder”或腰“waist”；duration：hand_get动作过程的时间；poweight：指位置与方向之间的权值，0为方向定位，1为位置定位，默认为0.5，即同时考虑方向与位置的定位；type：用来定义左右手臂，默认为右手的抓取动作。

①基本假设

假设虚拟人已经到达合适的操作位置，并处于合适的操作姿势，因此动作设计时，只考虑手臂链以及腰关节的运动，而不考虑人的方位、姿势的变化。

手臂模型：JACK中人体的手臂模型如图1所示，由肩部、大臂、小臂、手部以及锁骨关节、肩关节、肘关节、腕关节、手部关节组成，共29个关节控制值。

人手模型：JACK中人体的手部模型如图2所示，由16个段(segment)和15个关节(joint)组成，一共有20个关节控制值。

手形的分类和定义如表1所示：

表1手形分类表

②伸手动作的实现

手臂的运动，一般只定义手的运动，通过反向算法来控制。反向算法的基本思想是通过终端效应器的运动来推算其到起算关节之间各个关节角的值。在JACK中，reachhold函数可以实现基于反向算法对手臂运动的控制。通过在物体上定义抓握点，然后使手移动到该目标点并进行定位，采用反向算法控制手臂进行随动，可以实现对伸手动作的仿真。作为反向算法的重要控制参数，起始关节选择为肩部或腰部将影响动作效果。起始关节到肩时，动作相对要自然流畅，但此时手部的可达区域较小，可能会够不到目标物；起始关节到腰时，手部的可达区域较大，但有些动作会较为僵硬。函数设计时将起始关节的默认值设为肩。

③物体上抓握点的定义

在维修过程中，物体的形状将影响其抓握位置和方式，也就是说，根据物体的几何外形以及其他性质，可以确定维修中在哪个部位采用什么手形进行抓握比较合适。基于这种思想，在样机上定义抓握点来实现与虚拟人的交互。

虚拟人的手形不同，在伸手时着重的定位点就会不同。例如，在抓握较为精细的物体时，人的注意力会集中于手指肚，而抓握较粗的柱状物体时，重点是手掌于物体的贴合。为此，针对不同的手形，应该有不同的定位点，才能使手与物体的定位更为自然、精确。即在样机上定义抓握点时，不同手形会有不同的要求，详见表2：

表2手形及其定位点描述

手形名称	手上关键定位点	定义物体上定位点的要求
			z-c、z-x2、g-c1、g-c2、q-d、q-x1、k-d、k-x1	palm	Z轴沿手心方向，Y轴沿中指方向
g-d1、g-d2、g-z1、g-z2、b1q-x2、k-x2、x-c、x-a1	thumb0	Z轴沿虎口向上，Y轴沿拇指方向
			z-x1	thumb2	X轴沿拇指内侧方向，Y轴沿拇指方向
x-a2	finger02	Z轴沿食指内侧方向，Y轴沿食指方向
			b2	finger12	Z轴沿中指内侧方向，Y轴沿中指方向

④基于碰撞检测的握取动作的实现

握取是指手已经到达预定位置后，五指收拢实现对物体的抓握。基于碰撞检测实现握取的基本思想是：在手指抓拢的过程中，实时进行碰撞检测，使手上的某些段(segment)与物体贴合。在函数实现时，调用CollisionSet函数采用Geibert&Johnson算法进行碰撞检测。下面以右手为例介绍具体的实现方法。

检测队列：rthumb0、rthumb1、rthumb2、right_finger00、right_finger01、right_finger02、right_finger10、right_finger11、right_finger12、right_finger20、right_finger21、right_finger22、right_finger30、right_finger31、right_finger32和所抓握物体object。

需要调整的关节以及关节极值见表3：

表3手上的关节及其关节极值

调整策略1、在当前角度值x的基础上增加步长s，即手指再握拢s°，然后进行检测，直到发生碰撞或到达最大极值为止。取步长为3°，手指关节中变化幅度最大为90°，则最多需要30次调整，消费较大；但手指的运动过程与实际接近，动作较为真实。

调整策略2、取最大极值J_MAX与当前关节值x的平均值(J_MAX+x)/2进行检测，如果碰撞，取(J_MAX+x)/2与J_MAX的平均值进行调整，否则取(J_MAX+x)/2与x的平均值进行调整；依此法进行检测，直到关节变化小于门限值为止。同样取门限值为3°，最多只需要5次调整，消耗大大减少，但手指的运动过程与实际过程相差较远，会出现穿越现象。

在实现中，采用了第二种调整策略，但调整时需要引入手的ghost(临时的手的模型)进行检测，用ghost得到的关节值来指导手的运动。

不同的物体对应有不同的手指的握取方式，如在握取球状物体时，五指关节是同时收拢的；而在握取板状物体时，第三关节首先收拢，其次才是第二、第一关节进行收拢。常见的握取方式有五种，应根据抓握对象来选择抓握方式。

方式1、五指同时弯曲并收拢，即五指所有关节值同时调整，例如对杆状物体的握取。

方式2、五指同时弯曲，即五指所有关节的X轴值同时调整，例如对较大的球状物体的握取。

方式3、五指依次弯曲并收拢，即首先调整第三关节，其次调整第二、第一关节，例如对板状物体的握取。

方式4、只有拇指、食指、中指进行调整，例如对较小物体的握取。

方式5、只有拇指、食指进行调整，例如对细小物体的握取。

以抓取一个螺丝刀为例，采用当前的人体运动分类方式和虚拟现实软件如Jack、Deneb进行仿真时，通常经过如下步骤完成：

①确定抓取物体(螺丝刀)，实施抓取的人体及其手；

②选择路径手动调整手臂到抓取的位置；

③手动调整抓取的手形(此处需要依次调整手指各个关节以适合抓取的物体)；

④开始调整手指各关节以完成抓取，此处又需要若干步骤调整，由主观判断是否完成抓取过程；

⑤直至调整到合适的关节角度和位置，抓取完成。

采用本发明中的维修动素及其抓取实现方法，需要如下步骤：

①确定抓取物体(螺丝刀)，实施抓取的人体及其手，确定抓握物体的抓握点，选择抓握手形；

②运行抓取动素，完成抓取动作。

可以看到，采用本发明的方法仿真后，只需要确定几个参数，通过两个步骤就能自动完成抓取螺丝刀的动作，减少了人为调整关节角度的繁琐，大大提高了仿真的效率。

维修中大部分的操作需要依托工具来实现，而使用工具的动作取决于工具的运动特征，所以将使用按工具类型以及作用形式来划分。对于每一类工具，根据使用工具时动作类型的不同又进行了细分，如螺丝刀类工具又分为：拧、撬。

一个完整的使用工具进行操作的过程一般包括：到达工具台取工具，走到操作位置，将工具定位到使用位置，使用工具对物体进行操作，然后释放工具；其动素组成为：走-抓取-携物走-工具定位-使用工具-释放-放物(放下工具)。工具的定位方式与工具类型与作用形式相关，因而在设计函数时，将工具定位-使用工具作为一个函数来封装。

以使用锤类工具砸的动作为例详细介绍其设计方法，其输入参数为：lhuman：操作人员名；object：操作对象名；obj_work：物体上工具的作用点；direction：物体的运动参数；toolname：工具名；move_times：工具作用的次数，如砸几下；action_type工具的作用形式，锤类只有敲一种；type：左手、右手或双手操作。

①定位方式

不同的工具定位方式不同，锤类工具定位时要求工具的作用面与操作部位接触且法线方向与物体的运动方向相反，即要求工具的作用面与物体上的操作平面共轴，但对平面上的方向没有特殊要求；而螺丝刀类则在共轴的基础上，还要求平面上共向，即螺丝刀的刀口应与螺钉的凹槽对齐。在设计函数时，在工具上定义作用点，在物体上的操作部位处定义工具定位和作用的点，并约定了这些点的定义要求，这样，轴向定位就可归结为使工具的作用点与物体上的作用点位置相同，工具作用点的某一轴与物体上作用点的某一轴重合。

锤类工具作用点的约定如图4所示，定位时要求其Z轴与物体上作用点的Z轴重合。

常见工具的定位方式以及定位要求见表4：

表4工具的定位方式以及定位要求

定位方式	定位要求	适用的工具
			轴向定位	工具的作用点与物体上的作用点位置相同，工具作用点的某一轴与物体上作用点的某一轴重合	冲具、锤类
共向定位	工具的作用点与物体上的作用点位置相同、方向重合	螺钉旋具、扳手
			接触定位	工具的作用点与物体上的作用点位置相同	撬具、钳类

②运动特征

工具的运动特征由工具的类型以及动作方式决定。砸物体时锤类工具的运动可以分解为两个运动的循环：转动-平动-平动-转动，即挥动锤子砸下，然后抬起锤子，依次进行；循环次数由参数move_time确定。工具到达被操作物体后，令物体随工具而运动，即物体被砸而运动。这里只进行运动学的仿真，而没有考虑动力学的问题，即只考虑了物体被锤子砸后的运动量，而没有依据实际情况对物体运动的速度、加速度进行仿真。

③仿真的基本流程

锤类工具定位函数的基本程序为：

在工具与手之间建立附属关系，即令工具依附于手；

以工具的作用点为终端效应点，控制手臂链运动，使终端效应点到达物体上的作用点；

解除附属关系，在工具与手之间建立约束关系；

以工具的作用点为基点，移动工具，使其基点的Z轴与物体上作用点的Z轴重合且两点位置一致；

令工具运动到砸的预位置，开始执行循环，工具在运动的同时，被操作物体也依运动量参数的值而运动。

冲具类型的工具，会有一手拿冲具，另一手使用锤进行砸的情况，在此在冲具与被操作的物体之间建立Attach关系，另冲具随物体而运动。

采用类似的思路，结合工具及其使用方式的分类(见表5)，开发了螺钉旋具、钳类、锤类、扳手、冲具、撬具类等常用工具共8个使用工具的动作模块。

表5工具的使用及其运动特点

Claims (5)

1.一种支持虚拟维修仿真的维修动素集的建立方法，其特征是，它将人的低层运动、动作控制函数进行封装，构成多个模拟维修动作的基本动作单位的维修动素，并基于维修动素建立相应的基本动作控制函数；所述维修动作分为移动类动作和操作类动作，其中，移动类动作包括人的移动和调整姿势两种动素，操作类动作包括徒手操作和使用工具操作两种类型；所述徒手操作包括抓取、拆装操作、释放三个动素；所述使用工具操作包括使用工具、定位、放物、保持四个动素。

2.根据权利要求1所述支持虚拟维修仿真的维修动素集的建立方法，其特征是，所述抓取动素包含如下描述参数或动作控制函数：

a、虚拟人到达的操作位置参数及采用的操作姿势参数；

b、给出当前手形各关节角的参数数据，所述手形各关节是指拇指、食指、中指、无名指和小指中三个指关节；

c、手与目的物精确定位参数，内含目标物上的抓握点参数、手与目标物精确定位的位置与方向参数；动作完成后，手与目标点距离的控制值；

d、实时碰撞检测参数，根据抓握对象和抓握方式，选择人手模型中与目标物之间接触的各段为碰撞检测队列参数；根据选定的关节角度调整策略，以设定调整量调整手部关节角度，同时采用碰撞检测算法实时进行碰撞检测(检测是否发生接触或碰撞)和关节角度是否已到最大极限值检测，当人手模型中与抓握对象相接触的各段均与抓握对象发生碰撞或关节角度已到最大极限值时，抓取动作结束。

3.根据权利要求2所述支持虚拟维修仿真的维修动素集的建立方法，其特征是，虚拟人手臂模型采用JACK中人体的手臂模型，由肩部、大臂、小臂、手部以及锁骨关节、肩关节、肘关节、腕关节、手部关节组成；虚拟人人手模型采用JACK中人体的手部模型。

4.根据权利要求3所述支持虚拟维修仿真的维修动素集的建立方法，其特征在于，所述动作控制函数中的关节调整函数为：在关节当前角度值x的基础上每次增加步长s，即手指每次握拢s°，并进行检测，直到人手模型中与抓握对象相接触的各段均与抓握对象发生碰撞或手指关节角度已到最大极限值J_MAX为止，其中步长s取为3°，手指关节角度最大极限值J_MAX为90°。

5.根据权利要求3所述支持虚拟维修仿真的维修动素集的建立方法，其特征在于，所述动作控制函数中的关节调整函数为，取手指关节角度最大极限值J_MAX与当前关节角度值x的平均值(J_MAX+x)/2进行检测，若碰撞，取(J_MAX+x)/2与J_MAX的平均值进行调整，若仍然碰撞则取(J_MAX+x)/2与x的平均值进行调整；依此法进行检测，直到关节变化小于门限值为止，关节变化门限值取3°。

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