CN116386414A - 一种基于数字镜影的人机工效学调整线训练系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字镜影的人机工效学调整线训练系统及方法，包括多功能训练模块、评价模块和辅助模块，训练方法包括S1，构建汽车调整线模拟训练基础库，基础库包括工作场地、设备的三维模型库、训练任务库和虚拟人体模型库；S2，选择进行的训练任务，多功能训练模块调取需要的模型素材生成模拟训练场景；S3，用户穿戴动作捕捉传感器和VR眼镜后，在构建好的数字镜影场景里进行操作任务的训练，使用VR眼镜为用户实时提供虚拟场景的视觉变化，同时使用大屏幕显示整个操作流程，通过数据采集模块获取人体和助力机械手的实时动作数据并传到中央处理器中，用于控制虚拟训练中的运动；S4，训练任务完成后，评价模块对操作过程进行评价。
Description
技术领域
本发明属于数字镜影技术领域，具体涉及一种基于数字镜影的人机工效学调整线训练系统及方法。
背景技术
随着社会生产力和科学技术的不断发展，数字镜影技术和动作捕捉技术不断兴起。数字镜影技术是通过计算机生成一种模拟环境，并结合采集的图像信息实现交互式的三维视景和行为，从而使用户沉浸到模拟环境中，实现人与数字镜影环境的交互，达到身临其境的体验。
目前数字镜影技术在航天、医学、文娱等领域得到应用并带来诸多便利，并继续影响人们的生活。动作捕捉技术是在运动物体的关键部位设置跟踪器，经过计算机处理后得到三维空间坐标的数据，可实现在三维空间中物体运动的复现。动作捕捉技术在影视游戏，医疗康复等领域应用广泛，并且在数字镜影领域中，经过与VR设备的搭配，可以实现用户与虚拟环境进行交互。
随着数字化和自动化技术的发展，汽车制造业中对人的技能要求越来越高，因此在技能提高方面的训练显得尤为重要。现阶段汽车调整线的工人训练过程基本是在车间实装培训，由于车间环境复杂、训练时间不充分等问题，在技能提高方面的效果并不显著，同时还会占用公共资源，对企业生产会带来一定的成本损失。部分工作岗位存在一定的危险性，若操作不当不仅会给企业带来损失，同时还存在着较大的人身安全意外可能，所以实装培训成本高、经济性差，并具有一定的安全隐患。因此，需要一种不受时空限制、经济成本低、训练效率高并且安全可靠的具有评价功能的模拟训练系统。
发明内容
(一)解决的技术问题
为解决现有的技术不足，本发明的目的在于提供一种基于数字镜影的人机工效学调整线训练系统及方法，通过构建虚拟的模拟训练系统，使受训人员不受时间、空间限制进行汽车调整线的岗位技能培训与提高，同时设计专用虚拟训练助力机械手解决虚拟环境中操作在现实中没有反馈的问题，增加了训练的操作感，本发明不仅考虑用户操作方面的评价结果，还考虑了人机工效方面的评价，有利于减少工人由于作业姿态不当导致的职业类疾病的发生概率。
(二)技术方案
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种基于数字镜影的人机工效学调整线训练系统，包括：多功能训练模
块，多功能训练模块包括教学模块和训练模块，教学模块用于针对用户的经验水平提供教学，训练模块用于用户训练，训练模块有不同的训练模式和训练难度；
评价模块，评价模块用于对用户的操作过程进行人机工效学评价、综合评价和专家评价，使用户准确找到操作中的弱势部分；
辅助模块，辅助模块为多功能训练模块和评价模块提供支持，包括助力机械手模块、数据处理模块、显示模块和外部设备；
助力机械手模块包括真实助力机械手，真实助力机械手的多个旋转关节位置分别安装有用于采集和捕捉真实助力机械手姿态的位置传感器，位置传感器用于实时采集真实助力机械手的动作姿态并传递到中央处理器端，中央处理器用于驱动虚拟环境中的虚拟助力机械手，实现用户操作外部真实助力机械手时，虚拟环境中的虚拟助力机械手也进行对应的运动，
数据处理模块，用于数据的获取和数据处理分析；
数据处理模块包括数据采集模块、数据分析模块和记录回放模块，所述数据采集模块通过九轴传感器对用户操作过程中人体运动数据、训练任务完成情况数据进行采集，并传输到中央处理单元，所述数据分析模块用于将数据采集模块获取到的数据进行预处理，并按照规定好的评价标准进行计算判断，得出最终评价；所述记录回放模块用于将采集的数据和评价结果进行归纳记录和保存；
显示模块，用于显示播放学习、显示模拟训练场景、操作指令和显示评价结果；
外部设备包括中央处理器、数字镜影设备和动作捕捉设备。
更进一步而言，所述教学模块包括AR教学模块和视频教学模块，所述AR教学模块在用户佩戴AR眼镜并确认命令后，视野中出现虚拟的工人按照标准的操作进行演示；所述视频教学模块是通过大屏幕显示播放学习；
所述训练模块包括基础训练模块、单项训练模块和综合训练模块，所述单项训练模块用于对流程中的单个操作进行练习，所述综合训练模块是对整个流程进行练习。
更进一步而言，所述评价模块包括人机工效评价模块、综合评价模块、专家评价模块、评价结果输出展示模块以及评价结果保存模块；
人机工效评价模块用于对用户在整个操作过程中的人机工效进行实时评估，人体姿态数据由数据采集模块获取，评价标准由数据分析模块提供；
综合评价模块用于对用户整个操作过程进行评价；
专家评价模块，专家通过大屏幕旁观用户的整个操作流程，并对用户操作进行主观评价；
评价结果输出展示模块与人机工效评价模块、综合评价模块和专家评价模块相关联，并将评价结果通过大屏幕进行输出显示；
所述评价结果保存模块用于将同一用户的操作评价结果保存到同一位置进行归纳整理。
更进一步而言，助力机械手的承重部分与抓具部分使用快换盘进行连接，快换盘包括连接在助力机械手上的快换盘母盘和连接在抓具上的快换盘工具盘，抓具上设有操作手柄和第三传感器。
更进一步而言，显示模块包括大屏幕、VR眼镜和AR眼镜，所述大屏幕用于播放教学视频、训练者的整个操作流程、评价结果；VR眼镜为用户提供虚拟训练场景，同时VR眼镜也为训练人员显示他下一步的操作指令；AR眼镜用于教学时为用户提供教学方式和观察操作流程。
一种基于数字镜影的人机工效学调整线训练方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，构建汽车调整线模拟训练基础库，所述基础库包括工作场地、设备的三维模型库、训练任务库和虚拟人体模型库；
S2，选择将要进行的训练任务，多功能训练模块调取所需要的模型素材生成模拟训练场景；
S3，用户穿戴动作捕捉传感器和VR眼镜后，在构建好的数字镜影场景里进行操作任务的训练，使用VR眼镜为用户实时提供虚拟场景的视觉变化，同时使用大屏幕显示整个操作流程，通过数据采集模块获取人体和助力机械手的实时动作数据并传到中央处理器中，用于控制虚拟训练中的运动；
S4，训练任务完成后，评价模块对操作过程进行评价，用户根据提示将错误操作改正，重新完成训练任务。
更进一步而言，所述S3中数字镜影场景包括数字镜影设备、用户佩戴的VR眼镜和动作捕捉传感器、真实助力机械手、大屏幕以及与他们相连的中央处理器。
(三)有益效果
本发明的有益效果如下：
1、本发明首先在三维空间中对汽车调整线工位进行重构，设定操作标准和模拟流程，用户穿戴完整设备后根据自身水平选择对应的训练任务，中央处理单元实时获取各项数据，对用户进行人机工效分析和操作综合分析，简单直观的表征用户操作过程中的不当之处。该技术方案使用虚拟显示技术和动作捕捉技术，模拟各工位的任务，实时采集人体和助力机械手的操作，营造真实训练体验，同时设定不同难度的训练任务，持续提高用户操作技能。
2、本发明通过在三维空间中对汽车调整线重构，在构建好的数字镜影场景里进行操作任务的训练，通过传感器获取人体和助力机械手的实时动作数据，用于控制虚拟训练中的运动，使用VR设备为用户提供虚拟训练的视觉变化，同时使用大屏显示整个操作流程，使受训人员能够完全沉浸式地实现训练操作且不受时间和空间的限制，提高安全培训效率。
3、本发明解决了虚拟环境中完成动作在现实环境缺少反馈问题，在操作过程中，为用户设计专门用于训练的助力机械手，该机械手可以实时采集各关节数据信息并传到中央处理器中，以用于实时修改虚拟环境中的助力机械手的姿态，增加操作体验和沉浸感；另外设计抓具库，将所有工位的抓具归纳在内，并使用快换盘连接抓具与机构部分，可以减少助力机械手占用的空间和成本。
附图说明
图1为基于数字镜影的人机工效学调整线训练系统功能模块图；
图2为本发明的使用场景示意图；
图3为本发明的助力机械手结构图；
图4为图3中抓具的局部放大图；
图5为本发明的抓具库抓具示例图。
附图标记说明：
1、中央处理器；2、大屏幕；3、数字镜影设备；4、助力机械手；5、第一传感器；6、VR眼镜；7、动作捕捉传感器；8、第二传感器；9、第一旋转关节；10、第一刹车装置；11、第二旋转关节；12、第二刹车装置；13、快换盘母盘；14、快换盘工具盘；15、操作手柄；16、抓具；17、第三传感器；18、第三刹车装置；19、基座；20、立柱；21、第三旋转关节；22、配电箱；23、气缸；24、第一连杆；25、第二连杆。
具体实施方式
请参阅图1-5，一种基于数字镜影的人机工效学调整线训练系统，包括：
多功能训练模块，多功能训练模块包括教学模块和训练模块，教学模块用于针对用户的经验水平提供教学，训练模块用于用户训练；用户可以使用教学模块进行学习，然后使用训练模块进行训练，训练模块有不同的训练模式和训练难度，用户可以根据自身实际情况进行选择；
具体的：所述教学模块包括AR教学模块和视频教学模块，所述AR教学模块在用户佩戴AR眼镜并确认命令后，视野中出现虚拟的工人按照标准的操作进行演示，由于AR眼镜的使用，用户能够变换视角，从各个角度进行学习，便于观看视角盲区中的操作；所述视频教学模块是通过大屏幕2显示播放学习，大屏幕2显示播放学习的模式更加倾向于集体学习，通过大屏幕2播放提前录好的操作视频，集体学习的优点在于可进行探讨，在探讨过程中更加容易记住自己薄弱之处；
所述训练模块针对需求自主搭建训练场景，训练模块设置三种不同类别的训练，包括基础训练模块、单项训练模块和综合训练模块，所述基础训练模块用于对基础的操作进行训练，使用者主体是新员工，从操作中最基础的东西开始练习，为后续进阶训练打下坚实基础；所述单项训练模块用于对流程中的单个操作进行练习，单项训练模块中的任务同样设置为由易到难的模式；所述综合训练模块是对整个流程进行练习，考察用户操作能力的同时还能体现出用户的综合能力，综合训练模块中的任务模式由易到难进行；
评价模块，评价模块用于对用户的操作过程进行人机工效学评价、综合评价和专家评价，使用户准确找到操作中的弱势部分；
具体的，所述评价模块包括人机工效评价模块、综合评价模块、专家评价模块、评价结果输出展示模块以及评价结果保存模块；
人机工效评价模块用于对用户在整个操作过程中的人机工效进行实时评估，用来发现用户在操作时的不规范姿势，通过提前制定的人机工效学标准对用户各身体部位进行打分，当超过一定分数时表明是有害动作，系统给出提醒；人体姿态数据由数据采集模块获取，评价标准由数据分析模块提供；
综合评价模块用于对用户整个操作过程进行评价，综合评价模块采集训练模块中训练任务的状态即可获知该用户训练任务的完成情况，例如：通过对用户操作的完成时间、完成进度、装配准确率、完成合格率等因素的整体分析，针对不同的岗位可以提前设置考察因素及权重，针对多种因素综合分析用户本次训练任务的等级得出综合分数；
为保证评价结果的准确性，本发明还加入专家评价模块，专家通过大屏幕2旁观用户的整个操作流程，并对用户操作进行主观评价，本模块设有专家评价输入功能，用来保存专家评价；
评价结果输出展示模块与人机工效评价模块、综合评价模块和专家评价模块相关联，并将评价结果通过大屏幕2进行输出显示；所述评价结果保存模块用于将同一用户的操作评价结果保存到同一位置进行归纳整理。对每个用户建立对应的文件，将训练整个过程的数据进行保存，同时可以进行训练全程分析；
辅助模块，辅助模块为多功能训练模块和评价模块提供支持，包括助力机械手模块、数据处理模块、显示模块和外部设备；
针对目前单纯的数字镜影设备在虚拟训练系统中进行虚拟操作时没有力的反馈这一问题，同时为了适应虚拟和现实中真实助力机械手4动作同步，本发明对真实助力机械手进行了改进，如图2和3所示，在真实助力机械手4的多个旋转关节(如第一旋转关节9、第二旋转关节11、第三旋转关节21)位置分别安装有用于采集和捕捉真实助力机械手4姿态的位置传感器(如第一传感器5、第二传感器8、第三传感器17)，位置传感器用于实时采集真实助力机械手4的动作姿态并传递到中央处理器1端，中央处理器1用于驱动虚拟环境中的虚拟助力机械手4，实现用户操作外部真实助力机械手4时，虚拟环境中的虚拟助力机械手4也进行对应的运动，解决反馈的问题，同时，由于每个岗位的助力机械手4不同，若将所有的助力机械手4都放入该训练系统中需要很多的空间，为了解决这一问题，本发明改变抓具与机械臂的连接方式，将助力机械手4的承重部分与抓具部分使用快换盘进行连接。快换盘包括连接在助力机械手4上的快换盘母盘13和连接在抓具16上的快换盘工具盘14，抓具上设有操作手柄15和第三传感器17，如图4所示，将抓具进行归纳整合，创立抓具库，抓具库中的抓具如图5所示，就可以用一个机械臂连接所有的抓具，在训练时根据需要随时更换抓具以适应不同工位；
助力机械手4的具体结构如图3所示，包括基座19、立柱20、第三旋转关节21、配电箱22、气缸23、第一连杆24、第二连杆25，其第一旋转关节9、第二旋转关节11、和第三旋转关节21处分别具有第一刹车装置10、第二刹车装置12、第三刹车装置18，助力机械手4的结构及原理为现有技术中已知结构，再次不做过多阐述。
数据处理模块，用于数据的获取和数据处理分析；
具体的：数据处理模块包括数据采集模块、数据分析模块和记录回放模块，所述数据采集模块通过九轴传感器对用户操作过程中人体运动数据、训练任务完成情况数据进行采集，并传输到中央处理单元1，操作数据通过内部接口进行获取，本系统使用unity进行集成开发，各功能的实现与连接通过脚本文件完成；所述数据分析模块用于将数据采集模块获取到的数据进行预处理，并按照规定好的评价标准进行计算判断，得出最终评价；所述记录回放模块用于将采集的数据和评价结果进行归纳记录和保存；
显示模块，用于显示播放学习、显示模拟训练场景、操作指令和显示评价结果；
具体的：显示模块包括大屏幕2、VR眼镜和AR眼镜，所述大屏幕2用于播放教学视频、训练者的整个操作流程、评价结果；VR眼镜为用户提供虚拟训练场景，同时VR眼镜也为训练人员显示他下一步的操作指令；AR眼镜用于教学时为用户提供教学方式和观察操作流程；视频教学时仅使用大屏幕2，AR教学时AR眼镜进行展示的同时大屏幕2也同时播放，训练时同时使用VR眼镜和大屏幕2展示操作视角。显示模块都显示其相关UI界面，其中大屏幕2显示的UI界面为常用的二维界面，虚拟视角中的UI界面设为三维并可以收缩到固定位置。
外部设备包括中央处理器1、数字镜影设备3和动作捕捉设备，动作捕捉设备指动作捕捉传感器7。
本发明还提供了一种基于数字镜影的人机工效学调整线训练方法，包括如下步骤：
S1，构建汽车调整线模拟训练基础库，所述基础库包括工作场地、设备的三维模型库、训练任务库和虚拟人体模型库；
S2，选择将要进行的训练任务，多功能训练模块调取所需要的模型素材生成模拟训练场景；
S3，用户穿戴动作捕捉传感器7和VR眼镜6后，在构建好的数字镜影场景里进行操作任务的训练，使用VR眼镜6为用户实时提供虚拟场景的视觉变化，同时使用大屏幕2显示整个操作流程，通过数据采集模块获取人体和助力机械手4的实时动作数据并传到中央处理器1中，用于控制虚拟训练中的运动；
S4，训练任务完成后，评价模块对操作过程进行评价，用户根据提示将错误操作改正，重新完成训练任务；
S5，训练任务设置不同难度，用户综合成绩合格后方可进行后面操作任务或进行实际操作。
所述S3中数字镜影场景包括数字镜影设备3、用户佩戴的VR眼镜6和动作捕捉传感器7、真实助力机械手4、大屏幕2以及与他们相连的中央处理器1。
Claims (7)
1.一种基于数字镜影的人机工效学调整线训练系统，其特征在于：包括：
多功能训练模块，多功能训练模块包括教学模块和训练模块，教学模块用于针对用户的经验水平提供教学，训练模块用于用户训练，训练模块有不同的训练模式和训练难度；
评价模块，评价模块用于对用户的操作过程进行人机工效学评价、综合评价和专家评价，使用户准确找到操作中的弱势部分；
辅助模块，辅助模块为多功能训练模块和评价模块提供支持，包括助力机械手模块、数据处理模块、显示模块和外部设备；
助力机械手模块包括真实助力机械手，真实助力机械手的多个旋转关节位置分别安装有用于采集和捕捉真实助力机械手姿态的位置传感器，位置传感器用于实时采集真实助力机械手的动作姿态并传递到中央处理器端，中央处理器用于驱动虚拟环境中的虚拟助力机械手，实现用户操作外部真实助力机械手时，虚拟环境中的虚拟助力机械手也进行对应的运动，
数据处理模块，用于数据的获取和数据处理分析；
数据处理模块包括数据采集模块、数据分析模块和记录回放模块，所述数据采集模块通过九轴传感器对用户操作过程中人体运动数据、训练任务完成情况数据进行采集，并传输到中央处理单元，所述数据分析模块用于将数据采集模块获取到的数据进行预处理，并按照规定好的评价标准进行计算判断，得出最终评价；所述记录回放模块用于将采集的数据和评价结果进行归纳记录和保存；
显示模块，用于显示播放学习、显示模拟训练场景、操作指令和显示评价结果；
外部设备包括中央处理器、数字镜影设备和动作捕捉设备。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字镜影的人机工效学调整线训练系统，其特征在于：所述教学模块包括AR教学模块和视频教学模块，所述AR教学模块在用户佩戴AR眼镜并确认命令后，视野中出现虚拟的工人按照标准的操作进行演示；所述视频教学模块是通过大屏幕显示播放学习；
所述训练模块包括基础训练模块、单项训练模块和综合训练模块，所述单项训练模块用于对流程中的单个操作进行练习，所述综合训练模块是对整个流程进行练习。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字镜影的人机工效学调整线训练系统，其特征在于：所述评价模块包括人机工效评价模块、综合评价模块、专家评价模块、评价结果输出展示模块以及评价结果保存模块；
人机工效评价模块用于对用户在整个操作过程中的人机工效进行实时评估，人体姿态数据由数据采集模块获取，评价标准由数据分析模块提供；
综合评价模块用于对用户整个操作过程进行评价；
专家评价模块，专家通过大屏幕旁观用户的整个操作流程，并对用户操作进行主观评价；
评价结果输出展示模块与人机工效评价模块、综合评价模块和专家评价模块相关联，并将评价结果通过大屏幕进行输出显示；
所述评价结果保存模块用于将同一用户的操作评价结果保存到同一位置进行归纳整理。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字镜影的人机工效学调整线训练系统，其特征在于：助力机械手的承重部分与抓具部分使用快换盘进行连接，快换盘包括连接在助力机械手上的快换盘母盘和连接在抓具上的快换盘工具盘，抓具上设有操作手柄和第三传感器。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字镜影的人机工效学调整线训练系统，其特征在于：显示模块包括大屏幕、VR眼镜和AR眼镜，所述大屏幕用于播放教学视频、训练者的整个操作流程、评价结果；VR眼镜为用户提供虚拟训练场景，同时VR眼镜也为训练人员显示他下一步的操作指令；AR眼镜用于教学时为用户提供教学方式和观察操作流程。
6.一种基于数字镜影的人机工效学调整线训练方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，构建汽车调整线模拟训练基础库，所述基础库包括工作场地、设备的三维模型库、训练任务库和虚拟人体模型库；
S2，选择将要进行的训练任务，多功能训练模块调取所需要的模型素材生成模拟训练场景；
S3，用户穿戴动作捕捉传感器和VR眼镜后，在构建好的数字镜影场景里进行操作任务的训练，使用VR眼镜为用户实时提供虚拟场景的视觉变化，同时使用大屏幕显示整个操作流程，通过数据采集模块获取人体和助力机械手的实时动作数据并传到中央处理器中，用于控制虚拟训练中的运动；
S4，训练任务完成后，评价模块对操作过程进行评价，用户根据提示将错误操作改正，重新完成训练任务。
7.根据权利要求6所述的一种基于数字镜影的人机工效学调整线训练方法，其特征在于：所述S3中数字镜影场景包括数字镜影设备、用户佩戴的VR眼镜和动作捕捉传感器、真实助力机械手、大屏幕以及与他们相连的中央处理器。
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| CN202310382521.7A Pending CN116386414A (zh) | 2023-04-11 | 2023-04-11 | 一种基于数字镜影的人机工效学调整线训练系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116386414A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117160029A (zh) * | 2023-08-31 | 2023-12-05 | 江西格如灵科技股份有限公司 | 一种vr手柄检测方法及系统 |
| CN117747055A (zh) * | 2024-02-21 | 2024-03-22 | 北京万物成理科技有限公司 | 训练任务难度确定方法、装置、电子设备和存储介质 |
-
2023
- 2023-04-11 CN CN202310382521.7A patent/CN116386414A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117160029A (zh) * | 2023-08-31 | 2023-12-05 | 江西格如灵科技股份有限公司 | 一种vr手柄检测方法及系统 |
| CN117747055A (zh) * | 2024-02-21 | 2024-03-22 | 北京万物成理科技有限公司 | 训练任务难度确定方法、装置、电子设备和存储介质 |
| CN117747055B (zh) * | 2024-02-21 | 2024-05-28 | 北京万物成理科技有限公司 | 训练任务难度确定方法、装置、电子设备和存储介质 |
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