CN112305935B - 一种基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真方法 - Google Patents

一种基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真方法 Download PDF

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    • G05B17/02—Systems involving the use of models or simulators of said systems electric

Abstract

本发明公开了一种基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真方法，包括如下步骤：创建换刀仓的三维模型和换刀虚拟环境模型；构建盾构机换刀数字静态仿真环境；在半实物仿真平台上采集人体换刀数据，运用动作捕捉系统，采集人体换刀数据，进行半实物仿真实验；依据半实物仿真数据，进行虚拟人驱动过程，提取出动作捕捉系统采集的角度、应力以及加速度数据，将静态虚拟人按照相应数据进行动作驱动；创建数字动态仿真过程，通过作业层次分析及关键帧记录，对虚拟人创建换刀作业动态仿真。本发明解决了现阶段针对盾构机换刀操作人员作业姿势分析中存在的操作性、可行性差的问题，为评估换刀人员作业姿势提供了一种有效的方法。

Description

一种基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真方法
技术领域
本发明涉及仿真技术领域，具体涉及一种基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真方法。
背景技术
在盾构施工中，普遍会出现刀具磨损严重等现象，需要经常换刀。但是，在盾构机换刀过程中，作业人员的作业强度、负荷大；换刀时间长、作业舒适性差等原因导致换刀作业效率低，制约着盾构换刀技术的发展。而换刀作业在地下进行，空间狭窄，针对换刀人员作业姿势进行现场研究、拍摄视频或者作业照片，在研究分析过程中没有较高的可操作性。
半实物仿真与数字仿真能够模拟实体信号与行为，真实反映实体的静态与动态特性，并对实体进行系统的分析验证，对于减少研究成本，提高研究水平具有着重要的作用。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真方法与系统。以解决针对盾构机换刀作业姿势研究分析操作性，可行性差的问题。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
1.一种基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真系统，其特征在于，包括以下部分：
数字仿真环境创建平台，该平台根据盾构机实际尺寸，建立换刀的静动态数字仿真环境。
半实物仿真平台，半实物仿真平台上采集人体换刀数据，进行半实物仿真实验；依据半实物仿真数据，进行虚拟人驱动。
2.所述数字仿真环境创建平台，其特征在于，该平台主要包含换刀仓三维建模和换刀虚拟仿真环境构建两种功能。
3.所述半实物平台，其特征在于，该平台包括换刀实验台，动作捕捉系统，摄像机。所述换刀实验台为半实物实验提供场所支持；所述动作捕捉系统主要为采集、提取人体换刀数据提供支持；所述摄像机为拍摄实验过程提供支持。
4.一种基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、创建换刀仓的三维模型和换刀虚拟环境模型。
S2、构建盾构机换刀数字静态仿真环境。根据盾构机实际尺寸，整合换刀仓三维模型和换刀虚拟环境模型，构建盾构机换刀数字静态仿真环境。
S3、在半实物仿真平台上采集人体换刀数据。运用动作捕捉系统，采集人体换刀数据，进行半实物仿真实验。
S4依据半实物仿真数据，进行虚拟人驱动过程。提取出动作捕捉系统采集的角度、应力以及加速度数据，将静态虚拟人按照相应数据进行动作驱动。
S5、创建数字动态仿真过程。通过作业层次分析及关键帧记录，对虚拟人创建换刀作业动态仿真；所述作业层次分析为将换刀工艺流程分析分解整理为基本动素，所述关键帧为换刀动作发生变化的帧。
5.所述一种基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真方法，其特征在于，该方法的应用前提为必须充分了解盾构机换刀工艺流程。
6.所述一种基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真方法，其特征在于，所述S4中将动作捕捉系统采集数据先进行剔除异常数据处理，之后导出为Excel数据，以Excel数据进行驱动。
7.所述一种基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真方法，其特征在于，所述S5中作业层次分析为针对权利要求5所述换刀工艺流程分析分解整理为基本动素。
8.所述一种基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真方法，其特征在于，所述S5中关键帧为换刀动作发生变化的帧。
9.所述一种基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真方法，其特征在于，所述换刀作业动态仿真通过动作捕捉系统采集数据的关键帧技术，给虚拟换刀作业人员指派任务。
附图说明
图1为本发明的仿真系统图。
图2为本发明的仿真方法流程图。
图3为盾构机换刀工艺流程图。
图4为本发明的盾构机换刀数字静态仿真环境图。
图5为本发明中实例捕捉传感器连接成功结果图。
图6为本发明中实例作业层次分析的具体换刀作业层次图。
具体实施方式
1.以下结合图1说明本发明的一种基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真系统，包括以下部分：
数字仿真环境创建平台，该平台根据盾构机实际尺寸，建立换刀的静动态数字仿真环境。
半实物仿真平台，半实物仿真平台上采集人体换刀数据，进行半实物仿真实验；依据半实物仿真数据，进行虚拟人驱动。
2.以下说明本发明的一个优选实施例。本发明实施例提供了一种基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真方法，包括如下步骤：
步骤一、创建换刀仓的三维模型和换刀虚拟环境模型。
步骤二、构建盾构机换刀数字静态仿真环境。根据盾构机实际尺寸，整合换刀仓三维模型和换刀虚拟环境模型，构建盾构机换刀数字静态仿真环境。
步骤三、在半实物仿真平台上采集人体换刀数据。运用动作捕捉系统，采集人体换刀数据，进行半实物仿真实验。
步骤四、依据半实物仿真数据，进行虚拟人驱动过程。借助动作捕捉系统采集的角度、应力以及加速度等数据将静态虚拟人按照相应动作驱动。
步骤五、创建数字动态仿真过程。通过作业层次分析及关键帧记录，对虚拟人创建换刀作业动态仿真。
所述步骤三，本例中在换刀实验台，使用动作捕捉系统，在实验人员身上佩戴动作捕捉传感器，手动输入人员信息及静态尺寸；按图5所示，传感器通过无线信号与接收器相连接成功后，系统将自动记录实验人员动作采集人体换刀数据。
所述步骤四，本例中采集到换刀人员头部、躯干、骨盆、左上臂、右上臂、左前臂、右前臂、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿的偏离角、倾斜角、翻转角以及各个关节的受力、力矩、功率大小等数据，首先要剔除异常数据，然后提取导出为Excel数据，将静态虚拟人按照相应动作驱动。
所述步骤五，按图6所示进行作业层次分析分解。对换刀作业流程的分解以及动作分析记录，按照换刀流程的先后顺序，通过动作捕捉系统采集数据的关键帧技术，给虚拟换刀作业人员指派任务，完成对实际换刀作业工作过程的一系列动作仿真工作。
本发明的内容已经通过上述实施例进行了详细介绍，但是应当注意的是上述关于本发明的实施例描述不是对于本发明的限制。本领域研究与工作人员在阅读了上述内容后可以依据实际情况做出一定的调整。因此本发明的保护范围应当根据所附权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、创建换刀仓的三维模型和换刀虚拟环境模型；
S2、构建盾构机换刀数字静态仿真环境，根据盾构机实际尺寸，整合换刀仓三维模型和换刀虚拟环境模型，构建盾构机换刀数字静态仿真环境；
S3、在半实物仿真平台上采集人体换刀数据，运用动作捕捉系统，采集人体换刀数据，进行半实物仿真实验；
S4、依据半实物仿真数据，进行虚拟人驱动过程，提取出动作捕捉系统采集的角度、应力以及加速度数据，将静态虚拟人按照相应数据进行动作驱动；
S5、创建数字动态仿真过程，通过作业层次分析及关键帧记录，对虚拟人创建换刀作业动态仿真；所述作业层次分析为将换刀工艺流程分析分解整理为基本动素，所述关键帧为换刀动作发生变化的帧。
2.根据权利要求1所述的基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真方法，其特征在于，该方法的应用前提为充分了解盾构机换刀工艺流程。
3.根据权利要求1所述的基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真方法，其特征在于，所述S4中将动作捕捉系统采集数据先进行剔除异常数据处理，之后导出为Excel数据，以Excel数据进行驱动。
4.根据权利要求1所述的基于半实物仿真与数字仿真的盾构机换刀过程仿真方法，其特征在于，所述换刀作业动态仿真通过动作捕捉系统采集数据的关键帧技术，给虚拟换刀作业人员指派任务。
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