CN111738603A - 一种基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法。该方法获取非沉浸式虚拟维修和沉浸式虚拟维修中的维修数据；对所述维修数据进行分类，得到时间维度数据和空间维度数据；根据所述空间维度数据，进行维修性定性因素分析；所述维修性定性因素分析包括可视性分析、可达性分析、碰撞检测分析、防差错设计分析、人机工效分析、标准化和互换性分析以及工具适用性分析；根据所述时间维度数据，进行维修性定量因素分析。本发明基于时空数据开展维修性因素分析，有效地避免主观因素在分析时的干扰和影响，极大提高了维修性虚拟分析的客观性、可信性和准确性。

Description

一种基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法

技术领域

本发明涉及虚拟维修领域，特别是涉及一种基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法。

背景技术

维修性是产品的质量特性之一，关乎产品的维修、保障过程是否经济、简便、快速，良好的维修性设计不仅能够让用户更好地使用产品，并且能够节省大量的费用和资源消耗。产品的维修性设计水平如何，是否能够满足定性和定量的维修性要求，需要对其进行客观地评价，维修性分析与评价正是实现这一目的的“标尺”，度量维修性设计的好坏，及时、及早地发现设计缺陷，便于产品的好修、快修、经济修。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法，获取虚拟维修过程中的客观数据，基于空间维度数据开展可视性、可达性、碰撞检测、防差错设计、人机工效、标准化和互换性、工具适用性七类维修性定性因素分析，基于时间维度数据开展维修性定量因素分析，有效地避免主观因素在分析时的干扰和影响，极大提高了维修性虚拟分析的客观性、可信性和准确性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法，所述方法包括：

获取非沉浸式虚拟维修和沉浸式虚拟维修中的维修数据；

对所述维修数据进行分类，得到时间维度数据和空间维度数据；

根据所述空间维度数据，进行维修性定性因素分析；所述维修性定性因素分析包括可视性分析、可达性分析、碰撞检测分析、防差错设计分析、人机工效分析、标准化和互换性分析以及工具适用性分析；

根据所述时间维度数据，进行维修性定量因素分析。

可选的，所述时间维度数据包括不同操作/不同阶段的持续时间以及虚拟物体的产品运动持续时间；

可选的，所述空间维度数据包括虚拟人/真实人的空间维度数据以及虚拟物体的空间维度数据；所述虚拟人/真实人的空间维度数据包括虚拟人/真实人的关节空间位置、关节运动约束范围以及人体重心世界坐标，所述虚拟物体的空间维度数据包括虚拟物体的几何特征数据、物理属性数据以及空间位置数据。

可选的，所述可视性分析具体包括：

根据所述虚拟人的空间维度数据确定可视空间；

判断目标操作点的空间位置数据是否在所述可视空间内；

若否，则确定所述目标操作点不可视；

若是，则判断所述目标操作点是否被遮挡；

若是，则确定所述目标操作点不可视；

若否，则确定所述目标操作点可视。

可选的，所述可达性分析具体包括：

根据虚拟人操作手的空间维度数据确定最大可能空间；

判断目标操作点的空间位置数据是否在所述最大可能空间内；

若否，则确定所述目标操作点不可达；

若是，则根据所述目标操作点的空间位置数据，以反向运动学原理依次反推出手腕关节、肘关节和肩关节的可能位置范围；

判断所述肩关节的可能位置范围是否处于生理学上肩关节的最大活动范围内；

若否，则确定所述目标操作点不可达；

若是，则判断所述目标操作点是否被遮挡；

若是，则确定所述目标操作点不可达；

若否，则确定所述目标操作点可达。

可选的，所述碰撞检测分析具体包括：

根据所述虚拟人的空间维度数据构建可达范围内的第一包围体；

根据目标操作点的空间维度数据构建可达范围内的第二包围体；

计算所述第一包围体和所述第二包围体之间的空间距离；

根据所述空间距离，判断所述第一包围体和所述第二包围体是否存在重叠；

若是，则确定所述目标操作点与所述虚拟人发生碰撞；

若否，则确定所述目标操作点与所述虚拟人未发生碰撞。

可选的，所述防差错设计分析具体包括：

根据目标对象的空间维度数据以及与所述目标对象位置相邻或功能相似的物件的空间维度数据，计算所述目标对象与所述物件的相似度；

判断所述相似度是否高于相似度阈值；

若是，则确定防差错设计欠佳；

若否，则确定防差错设计良好。

可选的，所述人机工效分析具体包括：

根据所述虚拟人的空间维度数据，利用快速上肢分析方法得到当前姿态舒适度等级；

根据所述当前姿态舒适度等级确定所述姿态最佳维持时间；

判断所述虚拟人的时间维度数据是否大于所述姿态最佳维持时间；

若是，则确定人机工效欠佳；

若否，则确定人机工效良好。

可选的，根据所述空间维度数据进行标准化和互换性分析具体包括：

判断目标对象的空间维度数据是否满足标准文件的要求；

若是，则确定标准化良好；

若否，则确定标准化欠佳；

判断多个目标对象的空间维度数据是否一致；

若是，则确定互换性良好；

若否，则确定互换性欠佳。

可选的，所述工具适用性分析具体包括：

判断选用工具的空间维度数据和操作对象的空间维度数据是否完全一致；

若是，则确定所述选用工具适用于所述操作对象；

若否，则确定所述选用工具不适用于所述操作对象。

可选的，所述定量分析具体包括：

根据所述时间维度数据，提取各维修单元的操作时间；

根据所述各维修单元的的操作时间和对应产品的故障率，计算系统平均维修时间。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明面向主要的维修性定量因素(维修时间)和定性因素(可视性、可达性、碰撞检测、防差错设计、人机工效、标准化和互换性、工具适用性)，基于获取的时空数据，分别建立这些因素的分析模型，实现对各个因素的分析。通过此客观地评价，度量维修性设计的好坏，及时、及早地发现设计缺陷，便于产品的好修、快修、经济修。基于虚拟维修中的原始数据进行维修性分析，有效避免了人员在分析时的主观干扰，极大提高了维修性虚拟分析的客观性、可信性和准确性。对于获取的虚拟维修数据，同样可以进一步应用于其他设计工作或分析工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法的流程图；

图2为本发明实施例基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法的原理框图；

图3为本发明实施例生理学上的最佳视锥空间示意图；

图4为本发明实施例右手最大触及范围示意图；

图5为本发明实施例非沉浸式仿真环境中的虚拟人和虚拟产品示意图；

图6为本发明实施例非沉浸式虚拟维修中的人员和物体数据类型示意图；

图7为本发明实施例非沉浸式虚拟维修中的数据获取方式示意图；

图8为本发明实施例将数据分为时间和空间维度示意图；

图9为本发明实施例可视性分析过程示意图；

图10为本发明实施例可达性分析过程示意图；

图11为本发明实施例碰撞检测分析过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法，基于虚拟维修中的原始数据进行维修性分析。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1、图2所示，一种基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法包括以下步骤：

步骤101：获取非沉浸式虚拟维修和沉浸式虚拟维修中的维修数据。

虚拟维修中的人员和物体数据是本发明技术的重要基础，获取沉浸式虚拟维修和非沉浸式虚拟维修中的维修数据，从而解决虚拟维修中数据“有什么”和“是什么”的问题。

非沉浸式虚拟维修主要在虚拟仿真平台中，通过动画的形式体现，这一过程中包含的均是虚拟人和虚拟物体的运动过程。其中，虚拟人的数据包括：虚拟人完成某一维修操作或某一维修过程的持续时间数据，即一个具体的时间段；虚拟人自身的骨骼和关节位置的空间数据(分别在以各骨骼、关节中心为原点的局部坐标系下)、参考人体工程学确定的虚拟人关节相对转动角度范围即关节运动约束范围(使虚拟人的运动与现实人相符以达到更好的仿真分析效果)、虚拟人在世界坐标系(以人体重心为原点)中的空间数据。虚拟物体的数据包括：虚拟物体的运动时间、虚拟物体的空间位置数据(局部坐标系下,其原点依情况而定)、几何特征数据(重心、尺寸、角度、间距、偏移、体积等)以及物理特征数据(密度、颜色等)。

沉浸式虚拟维修依赖于动作捕捉设备，通过真实人在实际空间下的维修动作来实现，这一过程中包含真实人完成某一维修操作或某一维修过程的持续时间数据，真实人的自身关节空间位置、关节运动约束范围、人体重心世界坐标。如果存在虚实同步，即真实人通过传感器及相关软硬件支持驱动软件中虚拟环境的镜像虚拟人运动，则沉浸式虚拟维修的数据还包括镜像虚拟人骨骼和关节位置在局部坐标系和世界坐标系中空间数据。

针对虚拟仿真平台的数据，借助于虚拟仿真平台自身的应用程序接口自带的控制函数，获取非沉浸式虚拟维修中的所有数据、沉浸式虚拟维修中以及镜像虚拟人骨骼和关节位置在局部坐标系和世界坐标系中的空间数据。

针对动作捕捉设备采集的数据，一般可以通过设备自身所提供的软件工具，设置合理的采集数据的采样频率和采样范围(根据分析所需动作精度及动作持续时间进行确定)，按照动作数据的通用格式，如C3D、BVH等格式，获取沉浸式虚拟维修中真实人的持续时间数据(镜像虚拟人时间数据与真实人时间数据一样)，以及真实人的自身关节空间位置、关节运动约束范围、人体重心世界坐标。

将获取的所有数据暂存至计算机数据库中，方便后续的数据分类工作。

步骤102：对所述维修数据进行分类，得到时间维度数据和空间维度数据。

时间维度上，考虑到维修性定量分析的目标是维修时间，所以将步骤101中获取的虚拟人、真实人员在操作时的维修时间数据，列为时间维度上的数据类型；

空间维度上，考虑到定性分析将基于这一类数据，所以将步骤101中获取的人(包括虚拟人和真实人)、物体在世界坐标系和局部坐标系中的空间数据，列为空间维度上的数据，同时，将虚拟物体的几何特征数据和物理特征数据同样归到空间维度中。

步骤103：根据所述空间维度数据，进行维修性定性因素分析；所述维修性定性因素分析包括可视性分析、可达性分析、碰撞检测分析、防差错设计分析、人机工效分析、标准化和互换性分析以及工具适用性分析。

(1)可视性分析

可视性分析旨在分析目标产品的操作点是否在维修人员的视场之内且不受遮挡。因此，以虚拟人眼睛的空间位置和朝向数据(空间维度数据)为原点，以生理学上的最佳可视范围(左15°、右15°、上15°、下10°组成的椎体空间)为可视空间，如图3所示，当目标操作点(如螺栓、开关等)的空间位置数据(空间维度数据)在可视空间内，且眼睛和目标操作点之间的连线上不存在其他产品、或产品其他部位的空间位置数据(空间维度数据)时，判断该目标操作点为可视。

(2)可达性分析

可达性分析旨在分析目标产品的操作点是否在维修人员手部的最大触及范围之内且有通道可接近目标产品。因此，当虚拟人处于某一姿态时，以操作手在各方向上的最大触及范围组成的范围为最大可能空间，如图4所示，当目标操作点(如螺栓、开关等)不在这个最大可能空间中时，判定该操作点一定不可达；当目标操作点(如螺栓、开关等)的空间位置数据在这个最大可能空间中时，以当目标操作点(如螺栓、开关等)的空间位置数据为基准，设定各关节每次转动的角度(即实现离散化处理)，考虑手掌手臂与周围两个遮挡物的碰撞检测，首先得到手腕的所有可能位置范围，再以手腕的位置范围为基准，设定关节每次转动的角度，从而得出肘关节的可能位置范围，最后以肘关节位置范围为基准推出肩关节的可能位置范围，即得到一系列肩关节的点的坐标，当肩关节的可能位置范围处于生理学上肩关节的最大活动范围内，则判定目标操作点可达。

(3)碰撞检测分析

碰撞检测旨在分析在维修时，身体部位和对象是否有干涉存在。因此，在维修过程中随意抽取任一时刻，当虚拟人处于当前时刻的某一姿态时，以身体部位的空间位置信息(自身关节空间位置及人体重心位置)为基准，构建可达范围内的第一包围体。以目标操作点的空间维度数据为基准，构建可达范围内的第二包围体。包围体的建立可参照比较成熟的球型、AABB型、OBB型、k-DOPs型、胶囊体型。在坐标系中，包围体由位置类参数(以几何中心为原点，如球的球心、长方体的形心)、范围类参数(如球的半径)及方向类参数(如长方体形心至一顶点的向量)组成。通过第一包围体和第二包围体的空间关系计算得出两者距离关系，判断两个包围体是否存在空间中的重叠，如果存在，则存在干涉，即发生碰撞。

(4)防差错设计分析

防差错分析旨在判断位置相邻或功能相似的连接件、进出口等是否存在操作相反的可能性，如进出口无颜色差别且尺寸相同时，很容易将与之连接的管路或线缆接反。因此，基于目标对象以及与其相邻或功能相似的连接件的几何特征数据(例如口径大小)和物理特征数据(例如颜色)，判断目标对象与连接件在特征数据上的相似度，并将该相似度与提前设定好的相似度阈值进行比较，当接口口径的相似度高于相似度阈值，或指示颜色相似度高于相似度阈值时，不便于实际区分，认为防差错设计欠佳，需要改进。

(5)人机工效分析

人机工效分析旨在判断虚拟人处于某一姿态进行操作时，其持续的时间能否在其工效学负荷所承受的范围之内。因此，这一过程将应用人体的所有关节空间数据(空间维度数据)，以及该操作所持续的时间数据(时间维度数据)。对于关节空间数据借助快速上肢分析方法分析虚拟人的姿势、用力情况和肌肉使用情况，得到当前姿态的舒适度等级，进而确定当前舒适度等级对应的姿态最佳维持时间。将虚拟人操作持续时间与姿态最佳维持时间进行比较，判断能否在该姿态下完成持续时长的操作。

(6)标准化和互换性分析

标准化和互换性分析旨在分析当前对象是否满足标准件要求以及能否在出现故障时被其他类似产品更换。因此，针对标准化，应用目标对象(例如螺栓、螺钉等)的几何特征数据(空间维度数据，例如直径)，判断是否满足国标、国军标、行标等标准文件中对于该对象的要求；针对互换性，同样应用目标对象的几何特征数据(空间维度数据，例如尺寸、体积、接口等)，判断待分析的两个或两个以上对象，是否在几何特征数据上的一致性，如果完全一致，则互换性良好。

(7)工具适用性分析

工具适用性分析，旨在分析选用的工具，能否满足维修操作的要求，例如扳手开口大小和螺栓外径的大小是否吻合。因此，应用选用工具的几何特征数据(空间维度数据，例如扳手开口口径)和操作对象的几何特征数据(空间维度数据，例如螺栓外径大小)，判断二者是否完全一致，如果一致，则说明选用的工具适用于这一维修要求。

步骤104：根据所述时间维度数据，进行维修性定量因素分析。

维修时间是维修性重要的，也是最为关注的定量因素，因此，在基于原始数据开展维修定量分析时，无论采用非沉浸式虚拟维修还是沉浸式虚拟维修哪一种方式，基于时间维度数据，结合实际维修流程，人工提取维修操作中各维修单元检测、隔离、分解、更换、组装、检验各自所需要的时间，然后借助于产品本身的故障率，采用加权平均的方法对系统平均维修时间进行计算。其中，所需故障率数据，根据系统的相关设计分析数据确定，故障率越高的单元对平均维修时间的影响越大。

计算系统的平均维修时间：

表中λ_i即对应产品的故障率，在案例中符合指数分布，因此为常数；M_cti即对应各维修单元的操作时间。

图5为非沉浸式仿真环境中的虚拟人和虚拟产品，以该待分析场景为例，进行维修性分析的具体实施方式如下：

分析图5虚拟环境中的维修操作所需要的人员和物体数据类型，如图6所示。基于数据类型，分别确定每一类数据的获取方法，通过二次开发来实现数据获取，从仿真软件中获取并导出对应数据的代码如图7所示。进一步地，将数据按照空间和时间的维度进行划分，如图8所示。

维修性定性分析以可视性分析、可达性分析、碰撞检测分析为例。

如图9所示，在虚拟环境中获取ABCD四个点，和眼睛的位置O组成一个锥形空间，将目标点位置转化到世界坐标系中，建立与人眼的连线，继而判断其是否位于代表人眼可视范围的锥形区域内。如空心圆代表的目标点，落在该区域中，而实心圆代表的目标点未在区域中，因此，空心圆为可视。

如图10所示，P₁、P₂、P₃分别代表手腕、肘和肩三个关节。以左侧右臂关节活动范围数据为基础，以目标操作点O数据为基准，设定各关节每次转动的角度(即实现离散化处理)，考虑手掌手臂与周围两个遮挡物的碰撞检测，首先得到P₁的所有可能位置，再以P₁的位置范围为基准，设定关节每次转动的角度，从而得出P₂的可能位置，最后以P₂位置范围为基准推出P₃的可能位置，即得到一系列P₃的点的坐标。当P₃点的可能位置范围处于生理学上肩关节的最大活动范围内，则判定目标操作点可达。

如图11所示，采用胶囊化的包围体处理办法，将物体胶囊化处理，设定2mm为碰撞最小接受范围，同时为方便计算，将体积较小物体简化为空间点，通过空间距离计算，实心圆在胶囊化的空间内，而空心圆在胶囊化的空间之外，为发生碰撞。

维修性定量分析如下。

表1.维修性定量分析数据记录表

计算系统的平均维修时间：

表中λ_i即对应产品的故障率，在案例中符合指数分布，因此为常数；M_cti即对应各维修单元的操作时间。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法，其特征在于，所述方法包括：

获取非沉浸式虚拟维修和沉浸式虚拟维修中的维修数据；

对所述维修数据进行分类，得到时间维度数据和空间维度数据；

根据所述空间维度数据，进行维修性定性因素分析；所述维修性定性因素分析包括可视性分析、可达性分析、碰撞检测分析、防差错设计分析、人机工效分析、标准化和互换性分析以及工具适用性分析；

根据所述时间维度数据，进行维修性定量因素分析。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法，其特征在于，

所述时间维度数据包括不同操作/不同阶段的持续时间以及虚拟物体的产品运动持续时间；

所述空间维度数据包括虚拟人/真实人的空间维度数据以及虚拟物体的空间维度数据；所述虚拟人/真实人的空间维度数据包括虚拟人/真实人的关节空间位置、关节运动约束范围以及人体重心世界坐标，所述虚拟物体的空间维度数据包括虚拟物体的几何特征数据、物理属性数据以及空间位置数据。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法，其特征在于，所述可视性分析具体包括：

根据所述虚拟人的空间维度数据确定可视空间；

判断目标操作点的空间位置数据是否在所述可视空间内；

若否，则确定所述目标操作点不可视；

若是，则判断所述目标操作点是否被遮挡；

若是，则确定所述目标操作点不可视；

若否，则确定所述目标操作点可视。

4.根据权利要求2所述的基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法，其特征在于，所述可达性分析具体包括：

根据虚拟人操作手的空间维度数据确定最大可能空间；

判断目标操作点的空间位置数据是否在所述最大可能空间内；

若否，则确定所述目标操作点不可达；

若是，则根据所述目标操作点的空间位置数据，以反向运动学原理依次反推出手腕关节、肘关节和肩关节的可能位置范围；

判断所述肩关节的可能位置范围是否处于生理学上肩关节的最大活动范围内；

若否，则确定所述目标操作点不可达；

若是，则判断所述目标操作点是否被遮挡；

若是，则确定所述目标操作点不可达；

若否，则确定所述目标操作点可达。

5.根据权利要求2所述的基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法，其特征在于，所述碰撞检测分析具体包括：

根据所述虚拟人的空间维度数据构建可达范围内的第一包围体；

根据目标操作点的空间维度数据构建可达范围内的第二包围体；

计算所述第一包围体和所述第二包围体之间的空间距离；

根据所述空间距离，判断所述第一包围体和所述第二包围体是否存在重叠；

若是，则确定所述目标操作点与所述虚拟人发生碰撞；

若否，则确定所述目标操作点与所述虚拟人未发生碰撞。

6.根据权利要求2所述的基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法，其特征在于，所述防差错设计分析具体包括：

根据目标对象的空间维度数据以及与所述目标对象位置相邻或功能相似的物件的空间维度数据，计算所述目标对象与所述物件的相似度；

判断所述相似度是否高于相似度阈值；

若是，则确定防差错设计欠佳；

若否，则确定防差错设计良好。

7.根据权利要求2所述的基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法，其特征在于，所述人机工效分析具体包括：

根据所述虚拟人的空间维度数据，利用快速上肢分析方法得到当前姿态舒适度等级；

根据所述当前姿态舒适度等级确定所述姿态最佳维持时间；

判断所述虚拟人的时间维度数据是否大于所述姿态最佳维持时间；

若是，则确定人机工效欠佳；

若否，则确定人机工效良好。

8.根据权利要求2所述的基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法，其特征在于，根据所述空间维度数据进行标准化和互换性分析具体包括：

判断目标对象的空间维度数据是否满足标准文件的要求；

若是，则确定标准化良好；

若否，则确定标准化欠佳；

判断多个目标对象的空间维度数据是否一致；

若是，则确定互换性良好；

若否，则确定互换性欠佳。

9.根据权利要求2所述的基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法，其特征在于，所述工具适用性分析具体包括：

判断选用工具的空间维度数据和操作对象的空间维度数据是否完全一致；

若是，则确定所述选用工具适用于所述操作对象；

若否，则确定所述选用工具不适用于所述操作对象。

10.根据权利要求2所述的基于虚拟维修原始数据支持的维修性分析方法，其特征在于，所述定量分析具体包括：

根据所述时间维度数据，提取各维修单元的操作时间；

根据所述各维修单元的的操作时间和对应产品的故障率，计算系统平均维修时间。

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