CN107885320A - 一种装配线工人活动区域的布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于体感交互领域，具体的说是一种通过装配线工人的走步数目、距离和速度从而得到装配线工人活动区域的布置方法。该方法包括以下步骤：步骤一、计算出装配线工人的行走步数和空间落点位置；步骤二、根据装配线工人的骨骼点数据算出适合的活动区域，并根据最长走步点连成的线与计算出的活动区域给出区域改善意见。本发明从模特法出发，旨在利用体感交互技术和计算机技术自动计算出装配线工人下肢动作中的走步动作、距离和速度，通过走步数目确定模特值大小，并根据每个人的骨骼点数据测算出适应的活动区域，针对检测的走步数据给出装配线工人活动区域的布置方法，解决了现有装配线工人活动区域设置不合理的问题。

Description

一种装配线工人活动区域的布置方法

技术领域

本发明属于体感交互领域，具体的说是一种通过装配线工人的走步数目、距离和速度从而得到装配线工人活动区域的布置方法。

背景技术

动作时间的研究是基础工业工程极其重要的一环，为后续的改善提供关键数据。现今作业测定主要分为直接测量法和间接测量法，直接测量常安排IE工作人员用秒表对工人操作时间进行直接测算，考虑到受到人员记时的影响，大部分现场改善人员逐渐摒弃此类方法。间接测量通过对每个动作的时间研究，将每个动作时间标准化，代表即为模特法。直接测量法需要安排工程师在现场用秒表测量，数据不精确，耗时长，间接测量法需要工程师观看现场录像，根据模特法队动作进行定义，工作量依旧庞大。

发明内容

本发明从模特法出发，旨在利用体感交互技术和计算机技术自动计算出装配线工人下肢动作中的走步动作、距离和速度，通过走步数目确定模特值大小，并根据每个人的骨骼点数据测算出适应的活动区域，针对检测的走步数据给出装配线工人活动区域的布置方法，解决了现有装配线工人活动区域设置不合理的问题。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种装配线工人活动区域的布置方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、计算出装配线工人的行走步数和空间落点位置；

步骤二、根据装配线工人的骨骼点数据算出适合的活动区域，并根据最长走步点连成的线与计算出的活动区域给出区域改善意见。

步骤一中所述的装配线工人的行走步数的具体计算方法如下：

11)已知KINECT为坐标原点O，其中已知左髋为右髋左踝骨右踝骨可得左髋到右髋的向量左踝骨与右踝骨的向量向量与向量的夹角KINECT最高频率可以实现30帧/秒，即每秒得到30组骨骼点数据；

12)根据骨骼点数据确定行走步数；具体方式有两种，分别为：

方式一、根据装配线工人在行走时，脚步会交叉行走，即向量与重合即θ＜5时认为行走了一步，通过累计θ＜5°次数即可知道装配线工人行走的步数；

方式二、通过找到最大角度判断行走次数，正常行走左右脚前后走，默认为最大角度即为行走一步，即可求出行走速度和距离，但行走可能出现非交叉式移动，另外还存在达到局部最小角度之后反向行走的现象，就不能单独通过最大角度的数量判断行走数目和行走距离，为此，需要在最大角度的基础上设计出修正计步模型，获取人体骨骼数据，通过找到最大角度和局部小角度判断行走次数，即可求出行走速度和距离，并记录每次计数时行走位置的数据。

步骤一中所述的空间落点位置的确认方法如下：

当方式二得到最大角、局部最小角、局部最大角时，就会存储kinect采集的工人脚的三维坐标点，即可得到空间落点位置。

通过比较确认行走步数的方式一和方式二，选取计数多的数据作为模特值数据，将方式二的走步数据作为步骤二的分析数据并根据步数确定模特值得大小。

所述的步骤二的具体方法如下：

针对不同装配线工人计算出不同的活动区域，根据步骤11)获取的人体不同的骨骼点再通过线性规划的方法求出不同装配线工人的活动范围，具体设计方法为定义左髋为右髋左踝骨右踝骨左手左手腕左肘左肩膀右肩膀左踝骨左脚

左手到左手腕的长度：

左手腕到左肘的长度：

左肘到左肩膀的长度：

左肩膀到右肩膀的长度：

左踝骨到左脚的长度：

最小活动范围即为长X和宽Y的面积最小，通过线性规划方程求出不同装配线工人的活动范围，根据轻工装配环境，取值范围为[1,2]，γ取值范围为[3,4]；重工装配环境，取值范围为[2,3]，γ取值范围为[4,5]；

minZ＝X×Y

其中认为背向移动耗时多于横向移动，即活动人员的区域应为长方形，从而定义限制式求解最优活动范围，再根据适宜活动区域的脚步数目比例提出合理的建议，其中具体建议由走步数目在适宜区域的比例决定，具体分类如下：

其中，δ为适宜区域的走步数目在总走步数目中的比例。

本发明的有益效果为：本发明能将模特法中走步动作的评判设计成计算机能接受的数学方法，减少工程师的工作量，并根据走步空间位置和装配人员的骨骼大小提供一种活动区域的布置方法。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的骨骼坐标示意图；

图3是本发明的向量夹角示意图；

图4是本发明的零度角计步逻辑图；

图5是本发明的最大角度计步示意图；

图6是本发明的非交叉行走过程示意图；

图7是本发明的修正计步方法逻辑图；

图8是本发明的最小活动范围X，Y示意图；

图9是本发明的适宜活动范围图。

具体实施方式

本发明是一种通过走步动作模特值测算方法，自动算出装配线工人的走步数目，并换算模特值，另外根据不同人的骨骼点数据，计算出不同的适宜活动区域，并根据走步路线提供改善意见。

参阅图1，步骤一：计算出装配线工人的行走步数和空间落点位置；

步骤二、根据装配线工人的骨骼点数据算出适合的活动区域，并根据适合区域的走步比例给出区域布置改善意见。

参阅图2，KINECT可采集头、肩中心、左手、右手、左手腕、右手腕、左肘、右肘、左肩膀、右肩膀、脊柱、髋关节中心、左髋、右髋、左膝盖、右膝盖、左踝骨、右踝骨、左脚和右脚数据。

步骤一中装配线工人的行走步数的具体计算方法如下：

参阅图3，11)已知KINECT为坐标原点O，其中已知左髋为右髋左踝骨右踝骨可得左髋到右髋的向量左踝骨与右踝骨的向量向量与向量的夹角KINECT最高频率可以实现30帧/秒，即每秒得到30组骨骼点数据。

12)根据骨骼点数据确定行走步数；具体方式有两种，分别为：

方式一、参阅图4，根据装配线工人在行走时，脚步会交叉行走，即向量与重合即θ＜5°时认为行走了一步，通过累计θ＜5°次数即可知道装配线工人行走的步数；

框图逻辑为下：

(1)首先启动系统，设定i＝1转(2)；

(2)计算下一θ值，转(3)。

(3)如果θ＜5°，转(4)，否则转(3)；

(4)计算下一θ值，如果θ≥5°，转(5)，否则转(4)；

(5)i＝i+1，KINECT是否关闭，否转(2)，是结束。

方式二、参阅图4，通过找到最大角度判断行走次数，正常行走左右脚前后走，默认为最大角度即为行走一步，即可求出行走速度和距离，正常的行走方式，正常行走记录 其中T₁、T₂、T₃分别表示左右脚脚踝落点，它们可以用N₂、N₃、N₄替代，行走顺序即为N₂-N₃-N₄，此时根据N₂、N₃、N₄与的夹角即可求得行走距离，并根据12)确定行走步数)参阅图5。但行走可能出现非交叉式移动，如图6所示，如果出现行走顺序即为N₂-N₃-N₄，此时并未出现夹角到达5°以下，意味着不会出现最大夹角，此时会出现局部最小角，然后扩大夹角的情况，此时之前的距离计算和计步方法都存在问题，另外还存在达到局部最小角度之后反向行走的现象，就不能单独通过最大角度的数量判断行走数目和行走距离，为此，需要在最大角度的基础上设计出修正计步模型，修正方法为通过比较前后三个连续数据，找到最大角度值，记为最大角度，面对可能出现未到达最大角度的情况，修正就是在计算最大角度时，先要保证夹角到0，说明没有反向行走，如果夹角未到0，反向增长即为反向行走，即计算局部最小角，通过比较连续三个数据，找到它，此时的距离计算不再是之前的加和，而是上次最大角度得到的距离减去局部最小角的距离。反向行走以后，就会出现最大角的情况，此时正常计算即可，但是距离计算依旧是相减，从而修正计步模型。

参阅图7，获取人体骨骼数据，通过找到最大角度和局部小角度判断行走次数，统计达到最大角度、局部小角度的次数和局部最大角度次数，三者加和即为行走次数，即可求出行走速度和距离，根据每次达到最大角度和反向最小角时的行走向量通过向量乘角度，求出行走距离，其中反向行走需要用之前的最大角度行走距离减去反向角度行走距离，从而得到总的行驶距离，再用总距离除以总时间即可求得行走速度，并记录每次计数时行走位置的数据。

框图逻辑为下：

(1)首先设定i＝1，K₁＝0，K₂＝0，K₃＝0，转(2)；其中设定三个变量用于比较连续采集的三个角度；

(2)计算下一θ值，记录此时向量时间为t，转(3)；

(3)K₁＝当前θ值，转(4)；

(4)判断是否满足K₂＝0或K₃＝0，满足，K₂＝K₁,K₃＝K₂,T₀＝t,转(2)，否则转(5)；

(5)判断是否满足K₃＜K₂＞K₁，如果不满足，K₂＝K₁,K₃＝K₂,T₀＝t,转(2)；如果满足，此时让M_i＝K₂,T_i＝T₀,N_i＝N₀,K₂＝K₁,K₃＝K₂，其中M_i表示第i次达到最大角度，T_i表示第i次达到最大角度的时间节点，N_i表示第i次达到最大角度脚踝连线长度，i代表出现最大角度次数。计算步数n，行走距离l，平均速度v。判断KINECT是否关闭，关闭结束，否则转(6)。

(6)计算下一θ值，记录此时向量时间为t，转(7)。

(7)K₁＝当前θ值，转(8)；

(8)判断是否满足K₂＝0，满足，i＝i+1，转(2)，否则转(9)；

(9)判断是否满足K₃＞K₂＜K₁，满足，转(10)，否则K₂＝K₁,K₃＝K₂,F₀＝t,转(6)；

(10)j＝j+1，D_j＝K₂,d_j＝M_i；F_j＝F₀,f_j＝T_i；S_j＝S₀,s_j＝N_i,K₂＝K₁,K₃＝K₂，其中D_j表示第j次出现局部最小角，F_j表示第j次达到局部最小角的时间节点，S_j表示第j次达到局部最小角脚踝连线长度，j代表出现局部最小角次数，d_j为上次最大角度的具体数值，F₀为当前时间点，f_j为上次到最大角度的时间节点，S₀为上次向量N_i达到最大角度脚踝连线长度，转(11)；

(11)计算步数n，行走距离l，平均速度v，转(12)；

(12)计算下一θ值，记录此时向量时间为t，K₁＝当前θ值，判断是否满足K₂＝0，满足，i＝i+1，转(2)，否则转(13)；

(13)判断是否满足K₃＜K₂＞K₁，满足，转(14)，否则K₂＝K₁,K₃＝K₂,E₀＝t,转(12)；

(14)h＝h+1，W_h＝K₂,w_h＝D_j,E_h＝E₀,e_h＝F_j,Q_h＝Q₀,q_h＝S_j,K₂＝K₁,K₃＝K₂，其中W_h表示第h次出现反向最大角，E_h表示第h次达到出现反向最大角的时间节点，Q_h表示第h次达到局部出现反向最大角踝连线长度，h代表出现局部最小角次数。计算步数n，行走距离l，平均速度v，转(6)。

其中n＝i+j+h，其中，i为达到最大角度的次数，j为达到局部最小角的次数，h为达到反向最大角度的次数；

其中，N_i第i次达到最大角度脚踝连线长度，M_i表示第i次达到最大角度，S_j表示第j次达到局部最小角脚踝连线长度，d_j为上次最大角度的具体数值，S_j达到局部最小角脚踝连线长度，D_j表示出现局部最小角，Q_h达到局部出现反向最大角踝连线长度，W_h表示出现反向最大角，q_h上次达到局部最小角脚踝连线长度，w_h上次达到出现局部最小角；

，其中，v为平均速度，T_i为第i次达到最大角度的时间节点，F_j为第j次达到局部最小角的时间节点，E_h为第h次达到出现反向最大角的时间节点；

通过上述两个方式的比较，采用计数最多的模特值数据，而将方式二的走步数据点作为步骤二的分析数据。其中现场工作人员可以根据总的步数和行走距离，平均速度对操作程序进行有效改善，其中步数可以确定模特值的大小，模特值大小针对不同动作定义了不同的模特值(1MOD＝0.129s)，走步动作为W5，即每走一步认为行走时间为5模特，通过算出走的步数即可知道总的模特值。

步骤二：

针对不同装配人员计算出不同的活动区域，本发明根据人体不同的骨骼点通过线性规划的方法求出不同人员的活动范围。其中认为背向移动耗时多余横向移动，即活动人员的区域应为长方形，从而定义限制式求解最优活动范围，再根据适宜活动区域的脚步数目比例提出合理的建议，即根据装配线工人的骨骼点数据算出不同装配工人的适宜活动区域，再根据工人的空间行走范围和之前的适宜活动区域给出现场布置评价。

具体如下：

左髋为右髋左踝骨右踝骨

左手左手腕左肘左肩膀右肩膀左踝骨左脚

左手到左手腕的长度：

左手腕到左肘的长度：

左肘到左肩膀的长度：

左肩膀到右肩膀的长度：

左踝骨到左脚的长度：

最小活动范围即为长X和宽Y的面积最小，通过线性规划方程求出不同装配工作人员的活动范围。根据轻工装配环境，取值范围为[1,2]，γ取值范围为[3,4]；重工装配环境，取值范围为[2,3]，γ取值范围为[4,5]；

minZ＝X×Y

参阅图8，即为计算结束后的X₁、Y₁。

参阅图9，默认KINECT水平放置，并且正对装配工人，取所有走步点U_k(x_k,z_k)，计算任意两个走步点的距离，通过其中(x_r、y_r)，(x_t、y_t)代表任意两个走步点，找到距离最远的两个坐标点U₁(x₁,z₁)和U₂(x₂,z₂)，找到中点V(x_v,z_v)，取构建一个封闭矩形，其中即为适宜活动区域。在适宜区域的走步点为I_u(x_u,z_u)，根据其中，u为适宜区域内走步数目，k为总走步数目，具体分类如下：

本文中出现的所有变量均采用国际单位。

Claims (5)

1.一种装配线工人活动区域的布置方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、计算出装配线工人的行走步数和空间落点位置；

步骤二、根据装配线工人的骨骼点数据算出适合的活动区域，并根据最长走步点连成的线与计算出的活动区域给出区域改善意见。

2.根据权利要求1所述的一种装配线工人活动区域的布置方法，其特征在于，步骤一中所述的装配线工人的行走步数的具体计算方法如下：

11)已知KINECT为坐标原点O，其中已知左髋为右髋左踝骨右踝骨可得左髋到右髋的向量左踝骨与右踝骨的向量向量与向量的夹角KINECT最高频率可以实现30帧/秒，即每秒得到30组骨骼点数据；

12)根据骨骼点数据确定行走步数；具体方式有两种，分别为：

方式一、根据装配线工人在行走时，脚步会交叉行走，即向量与重合即θ＜5时认为行走了一步，通过累计θ＜5°次数即可知道装配线工人行走的步数；

方式二、通过找到最大角度判断行走次数，正常行走左右脚前后走，默认为最大角度即为行走一步，即可求出行走速度和距离，但行走可能出现非交叉式移动，另外还存在达到局部最小角度之后反向行走的现象，就不能单独通过最大角度的数量判断行走数目和行走距离，为此，需要在最大角度的基础上设计出修正计步模型，获取人体骨骼数据，通过找到最大角度和局部小角度判断行走次数，即可求出行走速度和距离，并记录每次计数时行走位置的数据。

3.根据权利要求2所述的一种装配线工人活动区域的布置方法，其特征在于，步骤一中所述的空间落点位置的确认方法如下：

当方式二得到最大角、局部最小角、局部最大角时，就会存储kinect采集的工人脚的三维坐标点，即可得到空间落点位置。

4.根据权利要求2所述的一种装配线工人活动区域的布置方法，其特征在于，通过比较确认行走步数的方式一和方式二，选取计数多的数据作为模特值数据，将方式二的走步数据作为步骤二的分析数据并根据步数确定模特值得大小。

5.根据权利要求2所述的一种装配线工人活动区域的布置方法，其特征在于，所述的步骤二的具体方法如下：

针对不同装配线工人计算出不同的活动区域，根据步骤11)获取的人体不同的骨骼点再通过线性规划的方法求出不同装配线工人的活动范围，具体设计方法为定义左髋为右髋左踝骨右踝骨左手左手腕左肘左肩膀右肩膀左踝骨左脚

左手到左手腕的长度：

左手腕到左肘的长度：

左肘到左肩膀的长度：

左肩膀到右肩膀的长度：

左踝骨到左脚的长度：

最小活动范围即为长X和宽Y的面积最小，通过线性规划方程求出不同装配线工人的活动范围，根据轻工装配环境，取值范围为[1,2]，γ取值范围为[3,4]；重工装配环境，取值范围为[2,3]，γ取值范围为[4,5]；

minZ＝X×Y

其中认为背向移动耗时多余横向移动，即活动人员的区域应为长方形，从而定义限制式求解最优活动范围，再根据适宜活动区域的脚步数目比例提出合理的建议，其中具体建议由走步数目在适宜区域的比例决定，具体分类如下：

其中，δ为适宜区域的走步数目在总走步数目中的比例。