CN111179431B - 一种基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法及装置，该方法步骤包括：S1.对待维修机车设备构建虚拟维修场景模型以及手臂运动模型；S2.根据手臂运动模型计算手臂末端操作点的所有空间可达点，得到维修人员手臂空间可达点集合，以及提取虚拟维修模型中所需维修部件的表面特征点，得到维修部件的模型表面特征点集合；S3.判断手臂空间可达点集合与维修模型表面特征点集合之间的匹配关系，根据判断结果评估所需维修部件的可达性；该装置包括模型构建模块、模型特征点提取模块以及可达性评估模块。本发明能够基于虚拟环境实现基于虚拟环境的设备维修可达性评估，且实现操作简单、成本低、评估精度及效率高。

Description

一种基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法及装置
技术领域
本发明涉及机车设备维修技术领域，尤其涉及一种轨道交通机车设备维修可达性评价方法及装置。
背景技术
可达性是指在维修操作中，当维修人员的维修站位确定之后，维修部件是否在维修人员手臂或手持工具的可达范围内。维修部件接触可达是进行维修操作的前提，良好的可达性设计要求产品在维修时，维修部件必须容易“够得着”，如果不能满足可达性要求，该维修部件无法进行维修操作，由可达性可确定维修人员对产品维修部件进行维修时接触到维修部件的难易程度，因而可达性评估已成为当前产品维修性设计中需要考虑的重要方面。
传统针对设备维修可达性通常都是基于物理样机的专家经验判断，即生产出物理样机后人工依据主观观察及经验进行定性判断，不仅存在评价主观、评价工作耗时费力、评价结果不准确，缺乏客观数据支撑等问题，且即便发现存在可达性问题后不便于及时处理所存在的可达性问题，由于物理样机已经造出，设计已基本定型，一旦可达性设计出现不合理的情况，往往无法更改，更改的成本也较高，如轨道交通机车等的设备复杂、体积重量大，在完成物理样机后要更改需要非常高的成本。
为解决上述问题，通过引入虚拟维修技术来实现可达性评估，虚拟维修是将计算机技术与虚拟现实技术相结合，利用数字样机和虚拟人进行维修过程仿真与评价的技术，虚拟维修技术因其可仿真物理环境、有效获取空间数据等优势为产品可达性评价提供了技术途径；利用虚拟维修仿真技术，可以在设计的早期阶段发现一些可达性设计方面的不足，以避免维修人员在进行维修作业时无法以较自然的工作姿态接触到维修部件或者无法接触到维修部件，提高维修效率及舒适度。但是目前基于虚拟维修技术来实现可达性评估，通常都是通过搭建虚拟维修场景的模型后，基于搭建的模型人工观测是否存在可达性问题，仍然需要依赖人工观测，评估效率低，且无法实现精确的评估。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够基于虚拟环境实现基于虚拟环境的设备维修可达性评估，且实现操作简单、成本低、评估精度及效率高。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法，步骤包括：
S1.模型构建：对待维修机车设备构建用于模拟维修场景的虚拟维修场景模型，以及用于模拟维修过程中维修人员手臂运动状态的手臂运动模型；
S2.模型特征点提取：根据所述手臂运动模型计算手臂末端操作点的所有空间可达点，得到维修空间可达点集合，以及提取所述虚拟维修场景模型中所需维修部件的表面特征点，得到维修模型表面特征点集合；
S3.可达性评估：判断所述手臂空间可达点集合与所述维修模型表面特征点集合之间的匹配关系，根据判断结果评估所需维修部件的可达性。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S2中提取所述虚拟维修场景模型中所需维修部件的表面特征点包括：将所述虚拟维修场景模型中所需维修部件的三维模型使用网格模型进行表示，得到维修部件网格模型，对所述维修部件网格模型的表面进行特征点提取，得到维修模型表面特征点集合。
作为本发明方法的进一步改进：所述网格模型为三角网格模型，即使用一系列空间三角形逼近表示所需维修部件的三维模型。
作为本发明方法的进一步改进，所述进行表面特征点提取包括基于邻近点法矢的夹角进行特征点提取步骤S211，通过计算所述维修部件网格模型中各条边的邻近点法矢的夹角，基于所述邻近点法矢的夹角确定所需提取的特征点，得到初始特征点集合，所述法矢为曲面在一点上的法向量。
作为本发明方法的进一步改进，所述基于邻近点法矢的夹角进行特征提取步骤S211包括：
S2111.获取所述维修部件网格模型中的网格链表；
S2112.遍历所述网格链表中各条边，每次遍历时，判断当前边e是否只有一个邻接点，如果是转入执行步骤S2113，否则提取当前确定边e的两个端点为特征点，遍历完成后得到所述初始特征点集合；
S2113.计算当前边e的邻接点法矢的夹角α，并判断计算得到的所述邻接点法矢的夹角α是否在预设阈值范围内，如果是，提取当前确定边e的两个端点为特征点，否则提取当前不确定边e的两个端点为特征点。
作为本发明方法的进一步改进，所述进行表面特征点还包括显著性顶点特征提取步骤S212，通过判断所述维修部件网格模型中各个顶点的凹凸程度，确定所需提取的顶点并作为特征点，得到显著性顶点特征点集合，由所述初始特征点集合以及所述显著性特征点集合构成所述维修模型表面特征点集合。
作为本发明方法的进一步改进，所述显著性顶点特征提取步骤S212包括：分别计算所述维修部件网格模型中各相邻顶点之间的高度差，根据各相邻顶点之间的高度差判定所述顶点的凹凸程度，并提取所述高度差在指定范围内的各顶点作为特征点。
作为本发明方法的进一步改进，所述提取所述高度差在指定范围内的各顶点作为特征点为：将所述维修部件网格模型中各顶点按照与相连顶点之间的高度差从大到小的顺序进行排序，得到排序后顶点集合，提取所述排序后顶点集合中前P％比例的顶点作为特征点，P为提取的特征点的比例值。
作为本发明方法的进一步改进，所述手臂运动模型为基于7个转动自由度的三连杆运动模型，所述转动自由度包括肩关节的径向平面内、在冠状面、绕肱骨的转动自由度，以及肘关节的绕肘关节屈伸转动自由度以及腕关节的外展、内收和绕尺骨的转动自由度。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S2中计算所述手臂末端操作点的所有空间可达点包括：通过获取所述手臂运动模型中手臂各关节的平移和旋转几何变换关系，建立得到手臂末端操作点相对于肩关节的运动方程，根据建立的所述运动方程计算所述手臂末端操作点的所有空间可达点。
作为本发明方法的进一步改进，所述手臂各关节的平移和旋转几何变换关系使用齐次坐标构建得到。
作为本发明方法的进一步改进，所述建立得到手臂末端操作点相对于肩关节的运动方程包括：使用齐次坐标构建各关节转角的变换矩阵，根据各关节转角的变换矩阵分别计算肘关节相对于肩关节、腕关节相对于肘关节的以及手臂末端操作点相对于腕关节的总变换矩阵，由各所述总变换矩阵构建得到手臂末端操作点相对于肩关节的总变换矩阵，根据所述手臂末端操作点相对于肩关节的总变换矩阵得到手臂末端操作点相对于肩关节的运动方程。
作为本发明方法的进一步改进，基于所述手臂末端操作点相对于肩关节的运动学方程，根据不同类型人体的手臂各部分的长度和各关节旋转角度范围，计算出手臂末端操作点在肩关节坐标系中所有可达点集合。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S2中得到所述维修空间可达点集合时，还包括将所述维修空间可达点集合的空间包络区域划分为多个小立方体的空间剖分步骤。
作为本发明方法的进一步改进，将所述维修空间可达点集合的空间包络区域划分为多个小立方体时，还包括去除划分得到的各小立方体中的空立方体步骤。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S3包括：计算所述手臂空间可达点集合与所述维修模型表面特征点集合之间的特征点匹配比例，若所述特征点匹配比例大于预设阈值，则判定为可达性良好。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S2中还包括分别对得到的所述维修空间可达点集合进行空间剖分，将所述维修空间可达点集合划分为多个小立方体；所述步骤S3中，计算所述维修模型表面特征点集合中位于所述手臂空间可达点集合的某一个小立方体中的特征点的比例，得到所述特征点匹配比例。
作为本发明方法的进一步改进：所述虚拟维修场景模型包括虚拟维修设备模型、虚拟人体模拟以及维修工具模型。
一种基于虚拟环境的设备维修可达性评估装置，包括：
模型构建模块，用于对待维修机车设备构建用于模拟维修场景的虚拟维修场景模型，以及用于模拟维修过程中维修人员手臂运动状态的手臂运动模型；
模型特征点提取模块，用于根据所述手臂运动模型计算手臂末端操作点的所有空间可达点，得到维修空间可达点集合，以及提取所述虚拟维修场景模型中所需维修部件的表面特征点，得到维修模型表面特征点集合；
可达性评估模块，用于判断所述手臂空间可达点集合与所述维修模型表面特征点集合之间的匹配关系，根据判断结果评估所需维修部件的可达性。
作为本发明装置的进一步改进，所述模型特征点提取模块包括用于提取所述虚拟维修场景模型中所需维修部件的表面特征点的第一特征提取子模块以及用于计算所述手臂末端操作点的所有空间可达点的第二特征提取子模块，所述第一特征提取子模块将所述虚拟维修场景模型中所需维修部件的三维模型使用网格模型进行表示，得到维修部件网格模型，对所述维修部件网格模型的表面进行特征点提取，得到维修模型表面特征点集合；所述第二特征提取子模块通过获取所述手臂运动模型中手臂各关节的平移和旋转几何变换关系，建立得到手臂末端操作点相对于肩关节的运动方程，根据建立的所述运动方程计算所述手臂末端操作点的所有空间可达点。
作为本发明装置的进一步改进，所述第一特征提取子模块包括模型表示单元以及表面特征提取单元，所述模型表示单元将所述虚拟维修场景模型中所需维修部件的三维模型使用网格模型进行表示，得到维修部件网格模型，输出给所述表面特征提取单元，所述表面特征提取单元对所述维修部件网格模型的表面进行特征点提取，得到维修模型表面特征点集合。
作为本发明装置的进一步改进，所述表面特征点提取单元包括用于基于邻近点法矢的夹角进行特征点提取的第一提取子单元、以及用于显著性顶点特征提取的第二提取子单元，所述第一提取子单元通过计算所述维修部件网格模型中各条边的邻近点法矢的夹角，基于所述邻近点法矢的夹角确定所需提取的特征点，得到初始特征点集合，所述法矢为曲面在一点上的法向量；所述第二提取子单元通过判断所述维修部件网格模型中各个顶点的凹凸程度，确定所需提取的顶点并作为特征点，得到显著性顶点特征点集合。
作为本发明装置的进一步改进，所述模型特征点提取模块还包括空间剖分子模块，用于将所述第一特征提取子模块得到的所述维修空间可达点集合的空间包络区域划分为多个小立方体。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法及装置，通过在虚拟环境下构建虚拟维修场景模型以及手臂运动模型，对手臂运动模型进行特征点提取来获取维修空间可达点集合，对虚拟维修场景模型进行特征点提取来获取维修模型表面特征点集合，由两特征点集合之间的匹配关系来评估维修部件的可达性，可以自动实现可达性的客观、量化评估，可以在设计的早期阶段发现可达性设计方面问题，而无需依赖人工主观观测操作，评估实现的成本低且能够有效提高评估的精度以及效率，结合该评估结果可以进一步实现相应维修部位的空间布局分析或提供其他分析指导。
2、本发明基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法及装置，通过充分利用数字化以及人机工程学和维修性相关准则来建立虚拟维修环境模型，可以真实模拟设备的维修环境，使得可以准确实现设备维修可达性评估。
3、本发明基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法及装置，进一步通过构建简化自由度的手臂运动模型，使用齐次坐标获取手臂运动模型中手臂各关节的平移和旋转几何变换关系，建立得到手臂末端操作点相对于肩关节的运动方程，可以根据建立的运动方程快速、准确的计算手臂末端操作点的所有空间可达点。
4、本发明基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法及装置，进一步基于法矢夹角进行特征点提取，通过对三角网格的每一边计算法矢夹角，确定模型的边界点和部分特征点，实现简单且速度快，能够方便地确定边界点。
5、本发明基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法及装置，进一步结合基于法矢夹角进行特征点提取以及基于显著性顶点的特征点进行两次特征提取，能够充分利用基于邻接点法矢夹角的特征点提取和基于显著性顶点的特征点提取的优势，实现所述边界点以及表面平缓过渡等特征点的提取，从而实现维修评估所需的全面特征点，通过提取的特征点可以在几何外形轮廓上精确表达维修设备的三维模型。
附图说明
图1是本实施例基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法的实现流程示意图。
图2是本实施例构建的手臂运动模型的结构原理示意图。
图3是本实施例中基于邻接点法矢的夹角提取特征点的原理示意图。
图4是本实施例中基于邻接点法矢的夹角提取特征点的实现流程示意图。
图5是本发明具体实施例中对一维修部件网格模型进行特征点提取的结果示意图。
图6是本发明具体实施例中得到的手臂末端可达点XY轴视图结果。
图7是本发明具体实施例中得到的手臂末端可达点XZ轴视图结果。
图8是本发明具体实施例中得到的手臂末端可达点三维视图结果。
图9是本发明具体实施例中维修空间可达点集合进行空间剖分后结果示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法步骤包括：
S1.模型构建：对待维修机车设备构建用于模拟维修场景的虚拟维修场景模型，以及用于模拟维修过程中维修人员手臂运动状态的手臂运动模型；
S2.模型特征点提取：根据手臂运动模型计算手臂末端操作点的所有空间可达点，得到维修空间可达点集合，以及提取虚拟维修场景模型中所需维修部件的表面特征点，得到维修模型表面特征点集合；
S3.可达性评估：判断手臂空间可达点集合与维修模型表面特征点集合之间的匹配关系，根据判断结果评估所需维修部件的可达性。
本实施例上述方法，通过在虚拟环境下构建虚拟维修场景模型以及手臂运动模型，对手臂运动模型进行特征点提取来获取维修空间可达点集合，对虚拟维修场景模型进行特征点提取来获取维修模型表面特征点集合，由两特征点集合之间的匹配关系来评估维修部件的可达性，基于客观数据可以自动实现可达性的客观、量化评估，可以在设计的早期阶段发现可达性设计方面问题，而无需依赖实物样机或人工主观观测操作，评估实现的成本低，且能够有效提高评估的精度以及效率，结合该评估结果可以进一步实现相应维修部位的空间布局分析或提供其他分析指导。
本实施例具体针对轨道交通机车设备进行维修可达性评估，首先根据维修场景、维修操作规程以及实际的机车设备维修环境搭建机车车辆设备的典型虚拟维修环境，同事构建虚拟维修场景模型，虚拟维修场景模型包括用于模拟维修设备的虚拟维修设备模型、用于模拟维修人员的虚拟人体模型以及用于模拟维修工具的维修工具模型等，在虚拟维修环境中导入虚拟维修设备模型、虚拟人体模型以及维修工具模型等，完成初始维修场景搭建。通过充分利用数字化以及人机工程学和维修性相关准则，来建立虚拟维修环境模型，可以真实模拟设备的维修环境，使得可以准确实现设备维修可达性评估。
在具体应用实施例中，构建虚拟维修环境时，首先在CATIA环境中完成虚拟维修仿真需要的模型文件，如95百分位维修人员的人体尺寸、维修工具的制作等等，在CATIA中完成上述工作后，将所需模型导入到DELMIA虚拟维修仿真平台的Human Task Simulation环境中，对虚拟维修模型进行装配和位置设定，导入虚拟维修环境模型、维修样机模型、虚拟人体模型以及维修工具模型，其中维修工具模型具体为用于开口扳手的工具模型，为了便于可达性分析评价工作，对维修场景中不参与维修性分析的部分进行适当的精简，最终完成维修场景搭建，可以逼真的模拟维修场景环境。
手臂在维修操作中起着直接的作用，维修部件能不能被接触到，即是指手或者手持维修工具能否接触到维修部件。本实施例通过建立维修人员手臂运动模型以模拟手臂的操作，手臂运动模型具体使用基于7个转动自由度的三连杆运动模型，其中转动自由度包括肩关节的径向平面内、在冠状面、绕肱骨的转动自由度，以及肘关节的绕肘关节屈伸转动自由度以及腕关节的外展、内收和绕尺骨的转动自由度。传统人的手臂通常划分为27个自由度，然而对于维修性分析评价，存在着较多冗余自由度，本实施例考虑维修操作的特点，对维修人员手臂运动进行了简化，将手臂的自由度简化为7个，如图2所示，手臂包络大臂、小臂和手掌三部分，主要包括肩关节、肘关节和腕关节三个关节，其中大臂长度为l，小臂长度为m，手的长度为n，根据维修操作的特点进行合理简化后，肩关节有3个转动自由度，包括在径向平面内转动(平行于身体的中心面)、在冠状面转动(一肩到另一肩的平面)和绕肱骨转动，旋转角度分别用θ1，θ2，θ3表示；肘关节有1个转动自由度，包括绕肘关节屈伸转动，旋转角度用θ4表示；腕关节有3个转动自由度，包括外展、内收和绕尺骨转动，旋转角度分别用θ5，θ6，θ7表示，简化后手臂7个自由度的旋转角度范围如表1所示。
表1：虚拟人手臂各关节转角范围
序号 关节转角范围
θ1 -180°～45°
θ2 -40°～90°
θ3 -45°～90°
θ4 -140°～0°
θ5 -30°～50°
θ6 -90°～80°
θ7 -80°～110°
本实施例中，步骤S2中计算手臂末端操作点的所有空间可达点包括：通过获取手臂运动模型中手臂各关节的平移和旋转几何变换关系，建立得到手臂末端操作点相对于肩关节的运动方程，根据建立的运动方程计算手臂末端操作点的所有空间可达点。
本实施例中，手臂各关节的平移和旋转几何变换关系使用齐次坐标构建得到，建立得到手臂末端操作点相对于肩关节的运动方程包括：使用齐次坐标构建各关节转角的变换矩阵，根据各关节转角的变换矩阵分别计算肘关节相对于肩关节、腕关节相对于肘关节的以及手臂末端操作点相对于腕关节的总变换矩阵，由各总变换矩阵构建得到手臂末端操作点相对于肩关节的总变换矩阵，根据手臂末端操作点相对于肩关节的总变换矩阵得到手臂末端操作点相对于肩关节的运动方程。
齐次坐标可以有效的描述手臂各关节的平移和旋转几何变换，如图2所示为手臂的初始状态，其中点O、O1、O2分别代表肩关节、肘关节和腕关节，P点代表手掌操作点的末端，分别建立如图2所示的坐标系，其中下标“0”表示肩关节，“1”表示肘关节，“2”表示腕关节，“3”表示手臂末端操作点。
在具体应用实施例中，各关节转角的变换矩阵如下：
为平移变换矩阵，其中a、b、c分别表示关节点沿X轴、Y轴、Z轴的平移距离。
则肘关节相对于肩关节的总变换矩阵为：
腕关节相对于肘关节的总变换矩阵为：
手臂末端操作点P相对于腕关节总变换矩阵为：
可得手臂末端操作点P相对于肩关节的总变换矩阵为：
0G3＝0G1 1G2 2G3 (1)
则由上述式(1)可得手臂末端操作点P相对于肩关节的运动学方程。基于手臂末端操作点相对于肩关节的运动学方程，根据不同类型人体的手臂各部分的长度和各关节旋转角度范围，即可计算出手臂末端操作点P在肩关节坐标系O中所有空间可达点集合FA。
本实施例步骤S2中提取虚拟维修场景模型中所需维修部件的表面特征点包括：将虚拟维修场景模型中所需维修部件的三维模型使用网格模型进行表示，得到维修部件网格模型，对维修部件网格模型的表面进行特征点提取，得到维修模型表面特征点集合。通过将维修部件的三维模型转换为网格模型后，即可方便的提取模型的表面特征点。
本实施例中网格模型为三角网格模型，即使用一系列空间三角形逼近表示所需维修部件的三维模型，以使用三角网格模型来表达虚拟维修场景模型。三角网格模型是由空间三角型片通过边和顶点连接而成的分片线性曲面，记为M，三角形网格M＝(V,E,T)为空间的点、边、面三种几何元素的集合，V表示定义在Rk(k＝2,3)上的顶点集合；E＝{ei},e＝(vi,vj)表示由顶点vi、vj构成的三角形边；T＝{ti}表示由不在同一直线上的vi、vj，vk∈V构成的凸包称为三角形t＝(vi，vj,vk),t表示顶点vi、vj和vk的相邻三角形。
上述虚拟维修场景模型的三角网格模型基于边结构，一个三角网格用一个顶点数组和一个三角形数组来描述：
V：(double x,y,z)[m] (2)
T：(int v0,v1,v2)[n] (3)
其中，每个顶点都有x,y,z三个坐标分量，每个三角形由它的三个顶点确定，v0、v1、v2分别表示三角形的三个顶点在顶点数组V中的索引，m，n分别指顶点数和三角形数。每个顶点除了坐标以外，还可以包含顶点的法向、颜色、纹理坐标等。
本实施例中，进行表面特征点提取包括基于邻近点法矢的夹角进行特征点提取步骤S211，通过计算维修部件网格模型中各条边的邻近点法矢的夹角，基于邻近点法矢的夹角确定所需提取的特征点，得到初始特征点集合，法矢为曲面在一点上的法向量。
两个三角面片的夹角与其法矢夹角成互补关系，所以可以用法矢夹角大小来识别特征点，夹角越大则边越尖锐，对于虚拟维修场景模型的三角网格模型而言，尖锐边邻接的两三角面片所组成的夹角比较小，且随着尖锐特征减缓，其夹角也会逐渐增大，当夹角小于预设定的阈值时，可以将该边的两个端点作为特征点，本实施例通过对三角网格的每一边计算法矢夹角，可初步确定模型的边界点和部分特征点，基于法矢夹角进行特征点提取，实现简单且速度快，能够方便地确定边界点。
如图3所示，设e为三角网格中某一条边，为vi的单位法矢，设/>和/>的夹角为α，首先计算边e的邻接点法矢夹角α，设w(e)＝cosα，通过法向量的乘积计算可以求得w(e)：
设βi为任意两邻接顶点的法向量夹角，n为边的条数，则存在阈值ε：使得/>
当边e只有一个邻接点时，说明该边为边界线，则边e的两个端点均为特征点，当边e的邻接点法矢夹角的权重小于阈值时，说明该边的邻接点法矢夹角较大，则边e的两个端点均为特征点，由式(2)可得虚拟维修模型表面初步特征点集合F(e)。
如图4所示，本实施例中基于邻近点法矢的夹角进行特征提取步骤S211包括：
S2111.获取维修部件网格模型中的网格链表；
S2112.遍历网格链表中各条边，每次遍历时，判断当前边e是否只有一个邻接点，如果是转入执行步骤S2113，否则提取当前确定边e的两个端点为特征点，遍历完成后得到初始特征点集合；
S2113.计算当前边e的邻接点法矢的夹角α，并判断计算得到的邻接点法矢的夹角α是否在预设阈值范围内，如果是，提取当前确定边e的两个端点为特征点，否则提取当前不确定边e的两个端点为特征点。
通过上述方法即可基于邻接点法矢夹角大小精确提取得到维修部件三维模型的初始表面特征点集合。
上述基于法矢夹角大小的提取方法对虚拟维修模型表面平缓过渡等的情况无法识别处理，且该类特征点不明显，提取比较困难，导致无法全面准确提取可达性评价所需要的模型表面特征点，而对于维修可达性的评价，需要全面提取虚拟维修模型的边界点、拐点以及凸起点等具有几何显著特性的特征点。本实施例在上述基于邻接点法矢的夹角特征提取方法的基础上，进一步结合基于显著性顶点的特征点进行二次特征提取，即先通过基于邻接点法矢夹角的特征点提取，以初步提取维修部件的三维模型中的表面特征点，再提取虚拟模型表面平缓过渡曲面等特征点，最终得到完整的设备模型表面特征点集合FB。
上述通过结合基于邻接点法矢夹角的特征点提取和基于显著性顶点的特征点提取，可以充分结合基于邻接点法矢夹角的特征点提取方法可以精确确定边界点的特性，以及基于显著性定点的特征点提取方法可以准确提取表面平缓过渡等特征点的特性，从而实现维修评估所需的全面特征点，通过提取的特征点可以在几何外形轮廓上精确表达维修设备的三维模型，从而有效提高可达性评估的精度。
本实施例中，进行表面特征点还包括显著性顶点特征提取步骤S212，通过判断维修部件网格模型中各个顶点的凹凸程度，确定所需提取的顶点并作为特征点，得到显著性顶点特征点集合，由初始特征点集合以及显著性特征点集合构成维修模型表面特征点集合。三角网格模型顶点的显著性取决于其表面凹凸程度，如果某一顶点的凹凸程度比其邻域内的其他顶点的凹凸程度高，则该顶点的几何显著性也较高，本实施例通过判断虚拟模型中通过各个顶点的凹凸程度，可以有效提取到虚拟模型中表面平缓过渡曲面等特征点。
本实施例中，显著性顶点特征提取步骤S212包括：分别计算维修部件网格模型中各顶点与相邻顶点之间的高度差，根据各顶点与相邻顶点之间的高度差判定顶点的凹凸程度，并提取高度差在指定范围内的各顶点作为特征点。一个顶点与其一定邻域内其他顶点之间的高度差可以衡量三角网格模型顶点的凹凸程度，当某顶点与其一定邻域内其他顶点之间的高度差越大时，说明其凹凸程度越高，该点的显著性也越高，本实施例基于顶点之间的高度差可以方便的提取到所需的显著性特征点。
在具体应用实施例中，可以使用各顶点与相邻顶点之间的平均高度差来判定顶点的凹凸程度，各顶点的平均高度差计算具体流程为：
①依次以三角网格模型顶点集合V中的每个顶点v为中心，计算顶点v与其相邻顶点之间的高度差，首先计算各个顶点的法向量NV：
其中F(v)为顶点v所关联的面片集合，NF(f)为面片f的法向量，area(f)为面片f面积。
②计算各边的平均法向量NE(v，v')：
其中v，v'是该边的两个顶点。
③计算相邻顶点之间的高度差h(v,v')：
h(v,v′)＝||(v-v′)·NE(v,v′)|| (8)
即以两个顶点为端点的边在该边平均法向量上的投影高度。
④计算各顶点的平均高度差：
其中，V(v)为与顶点v相连的顶点集合，|V(v)|表示集合V(v)的大小。
本实施例中，提取高度差在指定范围内的各顶点作为特征点为：将维修部件网格模型中各顶点按照与相连顶点之间的高度差从大到小的顺序进行排序，得到排序后顶点集合，提取排序后顶点集合中前P％比例的顶点作为特征点，P为提取的特征点的比例值，如可取前10％的顶点将其标记为特征点。完成特征点提取后，还可以进一步进行剔除重复提取的特征点处理。本发明在具体应用实施例中对一维修部件网格模型进行特征点提取的结果如图5所示。
通过以上方法，可以快速、全面的提取出维修部件的三维模型的表面特征点可以在几何外形轮廓上准确表征维修部件虚拟模型的特性。
本实施例步骤S2中得到维修空间可达点集合时，还包括将维修空间可达点集合的空间包络区域划分为多个小立方体的空间剖分步骤。假设可达点集合E由N个可达点组成，记为E＝{ei|i＝1，2，…，N}，可达点集合E的空间包络区域为V，具体将区域V等分为n×n×n个小立方体，每个小立方体编号为qj,k,r，相应的小立方体记为V(qj,k,r)，通过空间剖分可以去除大量的重复可达点并提取可达点的空间分布特征，从而便于后续快速的实现维修部件可达性评估。
本实施例中，将维修空间可达点集合的空间包络区域V划分为多个小立方体时，还包括去除划分得到的各小立方体中的空立方体步骤，以减少不必要的特征点处理过程，进一步提高评估效率。
本实施例中，步骤S3具体包括：计算手臂空间可达点集合与维修模型表面特征点集合之间的特征点匹配比例，若特征点匹配比例大于预设阈值，则判定为可达性良好。由维修模型表面特征点是否在手臂空间可达点集合内，可以判断维修部件特征点是否位于手臂可达空间范围内，则由手臂空间可达点集合与维修模型表面特征点集合之间的特征点匹配比例，可以实现快速、有效的可达性评估，其中具体通过计算维修模型表面特征点集合中位于手臂空间可达点集合的某一个小立方体中的特征点的比例，得到特征点匹配比例。
按照上述方法得到手臂末端的维修空间可达点集合以及维修部件虚拟模型的表面特征点集合后将该两个集合进行比较，由于维修空间可达点集合是基于手臂运行模型得到，表面特征点集合是基于虚拟环境得到，维修空间可达点集合与表面特征点集合处于不同的坐标系中，具体可根据所需的维修站位将维修空间可达点集合、表面特征点集合进行转换，以使得可以在同一坐标系中进行比较。
在具体应用实施例中，完成模型特征点提取后，首先将手臂可达空间立方体用N*N*N个空间小立方体均匀剖分，得到一个空间小立方体集合V，提取手臂末端可达点的空间分布特征；再进行去除空立方体处理，初始化集合M为空集，对于手臂末端可达点集合FA，每次从集合中取出一个可达点，判断该点是否属于V中的某个小立方体，若属于，则将该小立方体存入集合M；再进行维修部件模型表面特征点判断，对于维修部件模型表面特征点集合FB，每次从集合中取出一个特征点，根据坐标依次判断集合FB中的每一个特征点是否位于集合M中某一个小立方体，若不属于任一个小立方体，则将该点存入集合N中，否则，存入集合Y中；分别计算集合Y和集合N中的特征点数量，如果集合Y:集合N大于第一预设阈值，则该维修部件可达性良好；如果集合Y：集合N小于预设第二预设阈值，则该维修部件的可达性设计差，无法进行维修操作，需要分析相关原因并给出改进措施；如果集合Y：集合N的比值在所述第一预设阈值与第二预设阈值之间，则该维修部件的可达性一般，维修操作比较费力，需要采取一定措施进行改进以减轻维修疲劳。具体集合Y与集合N之间的比例n可以根据评价对象实际情况进行确定，以合适控制误差大小。
本实施例还可以进一步采集模型数据以及虚拟人体模型数据等，基于采集的数据进行可达性评估，综合上述可达性评估结果来最终确定评估结果，以进一步提高评估精度，其中模型数据可以为维修部件的CAD模型数据和维修路径周边的环境部件模型数据以及维修工具模型的尺寸和姿态数据等，虚拟人体模型数据可以为虚拟人的空间位置数据、虚拟人关节位置数据、虚拟人的人体尺寸数据、虚拟人关节旋转角度数据等。
本发明在具体应用实施例中对某一轨道交通机车设备中某一维修部件进行可达性评估所得到的结果如图6～9所示，其中图6～图8分别对应为得到的手臂末端可达点在XY轴、XZ轴以及三维视图，图9为进行可达空间剖分后结果并去除其中的空立方体，其中手臂末端可达点集合E包含129752064个可达点，记为E＝{ei|i＝1，2，…，N}，可达点集合E的空间包络区域为边长为1600mm的立方体V，将区域V等分为100×100×100个小立方体，此时小立方体的边长为16mm，每个小立方体编号为qj,k,r，相应的小立方体记为V(qj,k,r)；通过判断可得该维修部件的所有模型表面特征点均位于可达点空间的小立方体内，则评估该维修部件可达性设计良好。
本实施例基于虚拟环境的设备维修可达性评估装置，包括：
模型构建模块，用于对待维修机车设备构建用于模拟维修场景的虚拟维修场景模型，以及用于模拟维修过程中维修人员手臂运动状态的手臂运动模型；
模型特征点提取模块，用于根据手臂运动模型计算手臂末端操作点的所有空间可达点，得到维修空间可达点集合，以及提取虚拟维修场景模型中所需维修部件的表面特征点，得到维修模型表面特征点集合；
可达性评估模块，用于判断手臂空间可达点集合与维修模型表面特征点集合之间的匹配关系，根据判断结果评估所需维修部件的可达性。
本实施例中，模型特征点提取模块包括用于提取虚拟维修场景模型中所需维修部件的表面特征点的第一特征提取子模块以及用于计算手臂末端操作点的所有空间可达点的第二特征提取子模块，第一特征提取子模块将虚拟维修场景模型中所需维修部件的三维模型使用网格模型进行表示，得到维修部件网格模型，对维修部件网格模型的表面进行特征点提取，得到维修模型表面特征点集合；第二特征提取子模块通过获取手臂运动模型中手臂各关节的平移和旋转几何变换关系，建立得到手臂末端操作点相对于肩关节的运动方程，根据建立的运动方程计算手臂末端操作点的所有空间可达点。
本实施例中，第一特征提取子模块包括模型表示单元以及表面特征提取单元，模型表示单元将虚拟维修场景模型中所需维修部件的三维模型使用网格模型进行表示，得到维修部件网格模型，输出给表面特征提取单元，表面特征提取单元对维修部件网格模型的表面进行特征点提取，得到维修模型表面特征点集合。
本实施例中，表面特征点提取单元包括用于基于邻近点法矢的夹角进行特征点提取的第一提取子单元、以及用于显著性顶点特征提取的第二提取子单元，第一提取子单元通过计算维修部件网格模型中各条边的邻近点法矢的夹角，基于邻近点法矢的夹角确定所需提取的特征点，得到初始特征点集合，法矢为曲面在一点上的法向量；第二提取子单元通过判断维修部件网格模型中各个顶点的凹凸程度，确定所需提取的顶点并作为特征点，得到显著性顶点特征点集合。
本实施例中，模型特征点提取模块还包括空间剖分子模块，用于将第一特征提取子模块得到的维修空间可达点集合、第二特征提取子模块得到的维修模型表面特征点集合进行空间剖分，以将维修空间可达点集合、维修模型表面特征点集合的空间包络区域划分为多个小立方体。
本实施例基于虚拟环境的设备维修可达性评估装置与上述基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法为一一对应，在此不再一一进行赘述。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (22)

1.一种基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法，其特征在于，步骤包括：
S1.模型构建：对待维修机车设备构建用于模拟维修场景的虚拟维修场景模型，以及用于模拟维修过程中维修人员手臂运动状态的手臂运动模型；
S2.模型特征点提取：根据所述手臂运动模型计算手臂末端操作点的所有空间可达点，得到维修空间可达点集合，以及提取所述虚拟维修场景模型中所需维修部件的表面特征点，得到维修模型表面特征点集合；
S3.可达性评估：判断所述手臂空间可达点集合与所述维修模型表面特征点集合之间的匹配关系，根据判断结果评估所需维修部件的可达性；
所述步骤S3包括：计算所述手臂空间可达点集合与所述维修模型表面特征点集合之间的特征点匹配比例，若所述特征点匹配比例大于预设阈值，则判定为可达性良好。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法，其特征在于，所述步骤S2中提取所述虚拟维修场景模型中所需维修部件的表面特征点包括：将所述虚拟维修场景模型中所需维修部件的三维模型使用网格模型进行表示，得到维修部件网格模型，对所述维修部件网格模型的表面进行特征点提取，得到维修模型表面特征点集合。
3.根据权利要求2所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法，其特征在于，所述网格模型为三角网格模型，即使用一系列空间三角形逼近表示所需维修部件的三维模型。
4.根据权利要求3所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法，其特征在于，所述进行表面特征点提取包括基于邻近点法矢的夹角进行特征点提取的步骤S211，所述步骤S211通过计算所述维修部件网格模型中各条边的邻近点法矢的夹角，基于所述邻近点法矢的夹角确定所需提取的特征点，得到初始特征点集合，所述法矢为曲面在一点上的法向量。
5.根据权利要求4所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法，其特征在于，所述基于邻近点法矢的夹角进行特征提取的步骤S211包括：
S2111.获取所述维修部件网格模型中的网格链表；
S2112.遍历所述网格链表中各条边，每次遍历时，判断当前边e是否只有一个邻接点，如果是转入执行步骤S2113，否则提取当前确定边e的两个端点为特征点，遍历完成后得到所述初始特征点集合；
S2113.计算当前边e的邻接点法矢的夹角α，并判断计算得到的所述邻接点法矢的夹角α是否在预设阈值范围内，如果是，提取当前确定边e的两个端点为特征点，否则提取当前不确定边e的两个端点为特征点。
6.根据权利要求4或5所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法，其特征在于，所述进行表面特征点还包括显著性顶点特征提取的步骤S212，所述步骤S212通过判断所述维修部件网格模型中各个顶点的凹凸程度，确定所需提取的顶点并作为特征点，得到显著性顶点特征点集合，由所述初始特征点集合以及所述显著性特征点集合构成所述维修模型表面特征点集合。
7.根据权利要求6所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法，其特征在于，所述显著性顶点特征提取的步骤S212包括：分别计算所述维修部件网格模型中各相邻顶点之间的高度差，根据各相邻顶点之间的高度差判定所述顶点的凹凸程度，并提取所述高度差在指定范围内的各顶点作为特征点。
8.根据权利要求7所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法，其特征在于，其特征在于：所述提取所述高度差在指定范围内的各顶点作为特征点为：将所述维修部件网格模型中各顶点按照与相连顶点之间的高度差从大到小的顺序进行排序，得到排序后顶点集合，提取所述排序后顶点集合中前P％比例的顶点作为特征点，P为提取的特征点的比例值。
9.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法，其特征在于，所述手臂运动模型为基于7个转动自由度的三连杆运动模型，所述转动自由度包括肩关节的径向平面内、在冠状面、绕肱骨的转动自由度，以及肘关节的绕肘关节屈伸转动自由度以及腕关节的外展、内收和绕尺骨的转动自由度。
10.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法，其特征在于，所述步骤S2中计算所述手臂末端操作点的所有空间可达点包括：通过获取所述手臂运动模型中手臂各关节的平移和旋转几何变换关系，建立得到手臂末端操作点相对于肩关节的运动方程，根据建立的所述运动方程计算所述手臂末端操作点的所有空间可达点。
11.根据权利要求10所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法，其特征在于：所述手臂各关节的平移和旋转几何变换关系使用齐次坐标构建得到。
12.根据权利要求11所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法，其特征在于，所述建立得到手臂末端操作点相对于肩关节的运动方程包括：使用齐次坐标构建各关节转角的变换矩阵，根据各关节转角的变换矩阵分别计算肘关节相对于肩关节、腕关节相对于肘关节的以及手臂末端操作点相对于腕关节的总变换矩阵，由各所述总变换矩阵构建得到手臂末端操作点相对于肩关节的总变换矩阵，根据所述手臂末端操作点相对于肩关节的总变换矩阵得到手臂末端操作点相对于肩关节的运动方程。
13.根据权利要求12所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法，其特征在于：基于所述手臂末端操作点相对于肩关节的运动学方程，根据不同类型人体的手臂各部分的长度和各关节旋转角度范围，计算出手臂末端操作点在肩关节坐标系中所有可达点集合。
14.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法，其特征在于：所述步骤S2中得到所述维修空间可达点集合时，还包括将所述维修空间可达点集合的空间包络区域划分为多个小立方体的空间剖分步骤。
15.根据权利要求14所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法，其特征在于：将所述维修空间可达点集合的空间包络区域划分为多个小立方体时，还包括去除划分得到的各小立方体中的空立方体步骤。
16.根据权利要求15所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法，其特征在于：所述步骤S2中还包括分别对得到的所述维修空间可达点集合进行空间剖分，将所述维修空间可达点集合划分为多个小立方体；所述步骤S3中，计算所述维修模型表面特征点集合中位于所述手臂空间可达点集合的某一个小立方体中的特征点的比例，得到所述特征点匹配比例。
17.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估方法，其特征在于，所述虚拟维修场景模型包括虚拟维修设备模型、虚拟人体模拟以及维修工具模型。
18.一种基于虚拟环境的设备维修可达性评估装置，其特征在于，包括：
模型构建模块，用于对待维修机车设备构建用于模拟维修场景的虚拟维修场景模型，以及用于模拟维修过程中维修人员手臂运动状态的手臂运动模型；
模型特征点提取模块，用于根据所述手臂运动模型计算手臂末端操作点的所有空间可达点，得到维修空间可达点集合，以及提取所述虚拟维修场景模型中所需维修部件的表面特征点，得到维修模型表面特征点集合；
可达性评估模块，用于判断所述手臂空间可达点集合与所述维修模型表面特征点集合之间的匹配关系，根据判断结果评估所需维修部件的可达性；
所述可达性评估模块中计算所述手臂空间可达点集合与所述维修模型表面特征点集合之间的特征点匹配比例，若所述特征点匹配比例大于预设阈值，则判定为可达性良好。
19.根据权利要求18所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估装置，其特征在于，所述模型特征点提取模块包括用于提取所述虚拟维修场景模型中所需维修部件的表面特征点的第一特征提取子模块以及用于计算所述手臂末端操作点的所有空间可达点的第二特征提取子模块，所述第一特征提取子模块将所述虚拟维修场景模型中所需维修部件的三维模型使用网格模型进行表示，得到维修部件网格模型，对所述维修部件网格模型的表面进行特征点提取，得到维修模型表面特征点集合；所述第二特征提取子模块通过获取所述手臂运动模型中手臂各关节的平移和旋转几何变换关系，建立得到手臂末端操作点相对于肩关节的运动方程，根据建立的所述运动方程计算所述手臂末端操作点的所有空间可达点。
20.根据权利要求19所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估装置，其特征在于，所述第一特征提取子模块包括模型表示单元以及表面特征提取单元，所述模型表示单元将所述虚拟维修场景模型中所需维修部件的三维模型使用网格模型进行表示，得到维修部件网格模型，输出给所述表面特征提取单元，所述表面特征提取单元对所述维修部件网格模型的表面进行特征点提取，得到维修模型表面特征点集合。
21.根据权利要求20所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估装置，其特征在于，所述表面特征点提取单元包括用于基于邻近点法矢的夹角进行特征点提取的第一提取子单元、以及用于显著性顶点特征提取的第二提取子单元，所述第一提取子单元通过计算所述维修部件网格模型中各条边的邻近点法矢的夹角，基于所述邻近点法矢的夹角确定所需提取的特征点，得到初始特征点集合，所述法矢为曲面在一点上的法向量；所述第二提取子单元通过判断所述维修部件网格模型中各个顶点的凹凸程度，确定所需提取的顶点并作为特征点，得到显著性顶点特征点集合。
22.根据权利要求20或21所述的基于虚拟环境的设备维修可达性评估装置，其特征在于，所述模型特征点提取模块还包括空间剖分子模块，用于将所述第一特征提取子模块得到的所述维修空间可达点集合的空间包络区域划分为多个小立方体。
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