CN105095557A - 载人航天器在轨维修的虚拟仿真及评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种载人航天器在轨维修的虚拟仿真及评价方法，该方法包括以下步骤：步骤一、建立在轨维修仿真所需的数字人模型；步骤二、建立在轨维修仿真所需的维修操作模型；步骤三、开展在轨维修过程虚拟仿真；步骤四、对在轨维修过程虚拟仿真结果进行可视性、可达性、舒适度评价。所述步骤三包括：建立维修仿真所需的三维模型，三维模型包括航天器三维模型、维修工具三维模型、维修辅助设施三维模型；建立虚拟仿真场景；将三维模型及数字人模型导入虚拟仿真场景中，并布局到位；根据在轨维修方案建立在轨维修过程的仿真脚本，对在轨维修过程进行虚拟仿真。本发明可准确的仿真在轨维修操作，避免水槽试验带来的高昂费用。

Description

载人航天器在轨维修的虚拟仿真及评价方法

技术领域

本发明涉及一种载人航天器在轨维修的虚拟仿真及评价方法。

背景技术

“和平”号空间站在轨运行15年，航天员执行维修任务的时间约占总工作时间的75％，国际空间站上航天员执行维修任务的时间约占总工作时间的32％，可见在轨维修是保证载人航天器在轨长寿命、高可靠运行的必要手段。在轨维修包括舱内维修和出舱维修，所维修的产品包括蓄电池、电子单机、控制力矩陀螺、太阳翼等。

航天器在轨运行时，物体处于失重状态，航天员在太空中的行动很难控制，很多在地面认为合理的维修方法在太空中未必奏效。为确保维修性设计的合理可行，必须在地面开展维修性设计的验证和评价工作。传统方法是使用中性浮力水槽模拟失重环境，但该方法的缺点包括前期造价高、单次试验费用高、试验周期长、水下难以加电等，随着计算机虚拟现实技术的发展，采用虚拟仿真技术开展维修性验证已被越来越多的国家采用。针对在轨失重状态下的维修性设计开展维修操作特性研究，对维修性设计、维修流程进行仿真分析，并开展在轨维修操作评价是目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种载人航天器在轨维修的虚拟仿真及评价方法，实现对在轨维修过程的仿真分析，并实现在失重状态下对维修可视性、可达性、舒适度的评价。

为了解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种载人航天器在轨维修的虚拟仿真及评价方法，包括以下步骤：步骤一、建立在轨维修仿真所需的数字人模型；步骤二、建立在轨维修仿真所需的维修操作模型；步骤三、开展在轨维修过程虚拟仿真；步骤四、对在轨维修过程虚拟仿真结果进行可视性、可达性、舒适度评价；其中，所述步骤三包括：建立维修仿真所需的三维模型，所述三维模型包括航天器三维模型、维修工具三维模型、维修辅助设施三维模型；建立虚拟仿真场景；将所述三维模型及所述数字人模型导入所述虚拟仿真场景中，并布局到位；根据在轨维修方案建立在轨维修过程的仿真脚本，对在轨维修过程进行虚拟仿真。

作为本发明上述载人航天器在轨维修的虚拟仿真及评价方法的改进，所述可视性评价是：按照人的生理视野区域在所述数字人模型的眼部建立可视锥，如果待观察的对象在所述可视锥范围内则认为满足可视性要求，如果待观察的对象不在所述可视锥范围内则认为不满足可视性要求；所述可达性评价是：固定所述数字人模型除肩关节、肘关节、腕关节以外的关节自由度，将所述肩关节、肘关节、腕关节按照人体生理运动特性进行遍历，如果操作对象在所述数字人模型的手的运动包络空间内则满足可达性要求，如果操作对象不在所述手的运动包络空间内则不满足可达性要求；所述舒适度评价是通过对颈部关节抬头低头自由度、颈部关节左右摆头自由度、颈部关节扭转自由度、肩关节上臂前后摆动自由度、肩关节上臂侧举自由度、肩关节上臂转动自由度、肘关节曲肘自由度、腕关节手腕轴向转动自由度、腕关节手腕左右转动自由度、腕关节手腕上下转动自由度、腰部关节躯干弯曲自由度、髋关节大腿前后转动自由度、髋关节大腿左右转动自由度、髋关节大腿轴向转动自由度、膝关节弯曲自由度、踝关节弯曲自由度共16个评价项目进行评价从而给出在轨维修操作舒适度；所述16个评价项目的舒适度评价为，将失重状态下人体自然体位所对应的关节角度值作为舒适度的中值，并通过对航天员在轨维修数据的分析来确定舒适度的上、下限，在轨维修过程中所述数字人模型的关节角度在所述舒适度上、下限范围内时给出舒适的评价结论，超出所述上、下限范围则给出不舒适的评价结论。

作为本发明上述载人航天器在轨维修的虚拟仿真及评价方法的进一步改进，所述包络空间采用包络球的方式表示。

作为本发明上述载人航天器在轨维修的虚拟仿真及评价方法的改进，所述数字人模型是计算机三维模型，由69段主要骨骼和68个关节构成；其中，所述数字人模型的一侧上肢关节链包括肩关节、肘关节和腕关节，所述肩关节有3个自由度，所述肘关节有1个自由度，所述腕关节有3个自由度；所述数字人模型的一侧下肢关节链包括髋关节、膝关节和踝关节，所述髋关节有3个自由度，所述膝关节有1个自由度，所述踝关节有3个自由度。

作为本发明上述载人航天器在轨维修的虚拟仿真及评价方法的改进，所述维修操作模型包括失重状态下自然体位操作模型、脚部固定下自然体位操作模型、腰部固定下自然体位操作模型、脚部固定下维修操作模型、腰部固定下维修操作模型、漂浮转移操作模型。

本发明所采用的在轨维修虚拟仿真评价方法的有益效果是：

1)提供了一种可适用于在轨维修操作的数字人建模方法，该数字人模型的自由度可满足在轨维修操作的需求，且给出了满足失重状态特性的维修操作姿势，可准确的仿真在轨维修操作。

2)提供了一种满足在轨失重状态特性的维修操作仿真流程，使用该方法可完成在轨维修操作过程仿真，可避免水槽试验带来的高昂费用，并能提早发现设计缺陷，减少设计更改成本。

3)提供了一种失重状态下维修操作仿真的评价方法，使用该方法可准确完成在轨维修时可视性、可达性和舒适度的评价，有助于修改完善载人航天器维修性设计和维修方案设计。

附图说明

图1是数字人模型组成；

图2是失重状态下维修操作模型，其中，(a)是失重状态下自然体位操作模型，(b)是腰部固定下维修操作模型，(c)是漂浮转移操作模型；

图3是载人航天器在轨维修虚拟仿真及评价方法的流程图；

图4是在轨维修仿真的评价方法，其中，(a)是可视性评价方法的示意图，(b)是可达性评价方法的示意图，(c)是舒适度评价方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

航天员进行在轨维修操作时，处于失重环境中，其维修方法和操作感受与在地面开展维修工作大不相同。对在轨维修过程的虚拟仿真需满足失重条件下维修特性，而且要对维修过程中的可视性、可达性、舒适度进行分析评价。

本发明建立了满足在轨虚拟维修仿真的数字人模型、满足失重下维修特性的维修操作模型，还给出了满足失重下维修特性的可视性、可达性、舒适度评价方法。

图3是载人航天器在轨维修虚拟仿真及评价方法的流程图。如图3所示，本发明的载人航天器在轨维修的虚拟仿真及评价方法，包括以下步骤：

步骤一、建立在轨维修仿真所需的数字人模型；

如图1所示，数字人模型是计算机三维模型，该模型由69段主要骨骼和68个关节构成，共135个自由度，模型外观依据中国成年人尺寸(GB1000-88)建立。

在轨维修航天器的过程中，人体移动和上肢维修动作较多，其中，人体移动主要涉及基点位置变化，上肢维修动作涉及上肢关节链自由度变化。维修虚拟仿真主要用到的关节有颈部、腰部、肩部、肘部、腕部、髋部、膝部和踝部关节，共有34个自由度。

本发明将基点坐标设定为数字人模型的髋骨下端，Z轴指向数字人的正面方向，可用于判断数字人躯体是否正对维修目标，以及数字人的行走控制；一侧上肢关节链包括肩关节、肘关节和腕关节，其中，肩关节有3个自由度，肘关节有1个自由度，腕关节有3个自由度，共7个自由度；一侧下肢关节链包括髋关节、膝关节和踝关节，髋关节有3个自由度，膝关节有1个自由度，踝关节有3个自由度，上肢和下肢结构类似，该数字人模型使用简便且满足在轨维修仿真的需求。

步骤二、建立在轨维修仿真所需的维修操作模型；

在轨维修时，维修操作特性与地面有较大差异，航天员在轨维修操作时主要采用脚限位、扶手限位、腰限位、限位座椅等方式固定身体。本发明通过对国内外航天员在轨运动录像的分析，获取并建立了符合失重状态特性的维修操作模型，主要包括失重状态下自然体位操作模型、脚部固定下自然体位操作模型、腰部固定下自然体位操作模型、脚部固定下维修操作模型、腰部固定下维修操作模型、漂浮转移操作模型，如图2所示。

步骤三、开展在轨维修过程虚拟仿真；

首先建立维修仿真所需的三维模型，三维模型包括航天器三维模型、维修工具三维模型、维修辅助设施三维模型；建立虚拟仿真场景，保证与实际产品的构型、布局、安装方式一致；然后将三维模型及数字人模型导入虚拟仿真场景中，并布局到位。根据在轨维修方案建立在轨维修全过程的仿真脚本，对维修过程进行虚拟仿真。

步骤四、对在轨维修过程虚拟仿真结果进行可视性、可达性、舒适度评价；

a.在轨维修仿真可视性评价

如图4中(a)所示，在轨维修仿真可视性评价的方法是：按照人的生理视野区域在数字人模型的眼部建立可视锥，如果待观察的对象在可视锥范围内则认为满足可视性要求，如果待观察的对象不在可视锥范围内则认为不满足可视性要求。

b.在轨维修仿真可达性评价

如图4中(b)所示，在轨维修仿真可达性评价的方法是：固定数字人模型除肩关节、肘关节、腕关节以外的关节自由度，将肩关节、肘关节、腕关节按照人体生理运动特性进行遍历，如果操作对象在手的运动包络空间内则满足可达性要求，手的操作范围可用包络球的方式表示，如果操作对象不在手的运动包络空间内则不满足可达性要求。

c.在轨维修仿真舒适度评价

如图4中(c)所示，在轨维修仿真舒适度评价的方法是：通过对表1中所列的16个评价项目进行评价从而给出在轨维修操作舒适度。

16个评价项目的舒适度评价方法为：将失重状态下人体自然体位所对应的关节角度值作为舒适度的中值，并通过对航天员在轨维修数据的分析，确定舒适度的上、下限，如表1所示，在轨维修过程中数字人模型的关节角度在舒适度上、下限范围内时给出舒适的评价结论，超出该上、下限范围则给出不舒适的评价结论。

表1在轨维修仿真操作舒适度评价方法

序号	评价项目	最小值/°	最大值/°	中值/°
					1	颈部关节抬头低头自由度(head flexion)	-30	40	24
2	颈部关节左右摆头自由度(head lateral)	-21	20	0
					3	颈部关节扭转自由度(head rotation)	-45	45	0
4	肩关节上臂前后摆动自由度(upper arm flexion)	-15	180	33
					5	肩关节上臂侧举自由度(upper arm elvation)	-55	171	33
6	肩关节上臂转动自由度(humeral totation)	-110	50	-60
					7	肘关节曲肘自由度(elbow included)	38	180	109
8	腕关节手腕轴向转动自由度(forearm twist)	0	126	53
					9	腕关节手腕左右转动自由度(wrist ulnar deviation)	-25	25	0
10	腕关节手腕上下转动自由度(wrist ulnar flexion)	-25	45	0
					11	腰部关节躯干弯曲自由度(torso recline)	-40	65	3.1
12	髋关节大腿前后转动自由度(trunk thigh)	35	180	113
					13	髋关节大腿左右转动自由度(leg splay)	-5	32	7.5
14	髋关节大腿轴向转动自由度(thigh rotation)	-28	20	-14.2
					15	膝关节弯曲自由度(knee included)	18	180	118
16	踝关节弯曲自由度(foot calf included)	60	130	111

在轨维修过程虚拟仿真结果完成可视性、可达性、舒适度评价之后，对评价结果不满足的部分，提出维修性设计、维修方案的优化建议，并进行维修性设计、仿真和评价的迭代。

图4是在轨维修仿真的评价方法。其中，图(a)所示意的是采用视锥方法实现软件对可视性的评价，当人的头部保持直立不动而只是眼球在转动时，人的垂直视野方向的正常视线是水平线下15°，其上下15°为最佳视野范围，上40°至下20°是最大视野范围；水平视野中心线左右各15°是最佳视野范围，左右各35°是最大视野范围。图(b)所示意的是采用运动包络的方法实现软件对可达性的评价。图(c)所示意的是采用关节舒适范围的方法实现软件对维修舒适性的评价。

本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行多种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种载人航天器在轨维修的虚拟仿真及评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、建立在轨维修仿真所需的数字人模型；

步骤二、建立在轨维修仿真所需的维修操作模型；

步骤三、开展在轨维修过程虚拟仿真；

步骤四、对在轨维修过程虚拟仿真结果进行可视性、可达性、舒适度评价；

其中，所述步骤三包括：建立维修仿真所需的三维模型，所述三维模型包括航天器三维模型、维修工具三维模型、维修辅助设施三维模型；建立虚拟仿真场景；将所述三维模型及所述数字人模型导入所述虚拟仿真场景中，并布局到位；根据在轨维修方案建立在轨维修过程的仿真脚本，对在轨维修过程进行虚拟仿真。

2.根据权利要求1所述的载人航天器在轨维修的虚拟仿真及评价方法，其特征在于，所述可视性评价是：按照人的生理视野区域在所述数字人模型的眼部建立可视锥，如果待观察的对象在所述可视锥范围内则认为满足可视性要求，如果待观察的对象不在所述可视锥范围内则认为不满足可视性要求；

所述可达性评价是：固定所述数字人模型除肩关节、肘关节、腕关节以外的关节自由度，将所述肩关节、肘关节、腕关节按照人体生理运动特性进行遍历，如果操作对象在所述数字人模型的手的运动包络空间内则满足可达性要求，如果操作对象不在所述手的运动包络空间内则不满足可达性要求；

所述舒适度评价是通过对颈部关节抬头低头自由度、颈部关节左右摆头自由度、颈部关节扭转自由度、肩关节上臂前后摆动自由度、肩关节上臂侧举自由度、肩关节上臂转动自由度、肘关节曲肘自由度、腕关节手腕轴向转动自由度、腕关节手腕左右转动自由度、腕关节手腕上下转动自由度、腰部关节躯干弯曲自由度、髋关节大腿前后转动自由度、髋关节大腿左右转动自由度、髋关节大腿轴向转动自由度、膝关节弯曲自由度、踝关节弯曲自由度共16个评价项目进行评价从而给出在轨维修操作舒适度；所述16个评价项目的舒适度评价为，将失重状态下人体自然体位所对应的关节角度值作为舒适度的中值，并通过对航天员在轨维修数据的分析来确定舒适度的上、下限，在轨维修过程中所述数字人模型的关节角度在所述舒适度上、下限范围内时给出舒适的评价结论，超出所述上、下限范围则给出不舒适的评价结论。

3.根据权利要求2所述的载人航天器在轨维修的虚拟仿真及评价方法，其特征在于，所述包络空间采用包络球的方式表示。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的载人航天器在轨维修的虚拟仿真及评价方法，其特征在于，所述数字人模型是计算机三维模型，由69段主要骨骼和68个关节构成；其中，所述数字人模型的一侧上肢关节链包括肩关节、肘关节和腕关节，所述肩关节有3个自由度，所述肘关节有1个自由度，所述腕关节有3个自由度；所述数字人模型的一侧下肢关节链包括髋关节、膝关节和踝关节，所述髋关节有3个自由度，所述膝关节有1个自由度，所述踝关节有3个自由度。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的载人航天器在轨维修的虚拟仿真及评价方法，其特征在于，所述维修操作模型包括失重状态下自然体位操作模型、脚部固定下自然体位操作模型、腰部固定下自然体位操作模型、脚部固定下维修操作模型、腰部固定下维修操作模型、漂浮转移操作模型。

6.根据权利要求4所述的载人航天器在轨维修的虚拟仿真及评价方法，其特征在于，所述维修操作模型包括失重状态下自然体位操作模型、脚部固定下自然体位操作模型、腰部固定下自然体位操作模型、脚部固定下维修操作模型、腰部固定下维修操作模型、漂浮转移操作模型。