張中波

ZHANG Zhong-bo

(中國(guó)民航飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，廣漢 618307)

0 引言

虛擬維修仿真是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仿真產(chǎn)品實(shí)際維修過(guò)程中的拆裝、更換零部件等活動(dòng)，它是一種人機(jī)交互的過(guò)程仿真。虛擬人的維修動(dòng)作仿真是維修過(guò)程仿真的基礎(chǔ)，如何方便、高效率地模擬維修動(dòng)作，成為虛擬維修的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。

在維修工程中，產(chǎn)品維修常被分為四個(gè)層次：維修、維修事件、維修作業(yè)和基本維修作業(yè)[1]。基本維修作業(yè)是指一項(xiàng)維修活動(dòng)可以分解成的工作單元，它是維修分解的最低層次。

目前大多數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件都提供了虛擬人動(dòng)作仿真功能，但是這些軟件提供的都是低層的人體運(yùn)動(dòng)控制，即通過(guò)對(duì)人體關(guān)節(jié)或運(yùn)動(dòng)鏈的控制來(lái)完成人體動(dòng)作仿真。相比較而言，上述的基本維修作業(yè)描述則太過(guò)于概括，劃分比較粗糙，并不適合直接刻畫維修仿真過(guò)程，無(wú)法達(dá)到虛擬維修仿真軟件所支持的動(dòng)作細(xì)化程度。本文針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，自頂向下建立各層次虛擬維修動(dòng)作流程，將維修動(dòng)作細(xì)分至虛擬維修軟件可以支持的程度(動(dòng)素級(jí))，然后將動(dòng)素過(guò)程流映射至Petri網(wǎng)，建立虛擬維修動(dòng)作流程Petri網(wǎng)模型，最后封裝虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的基本動(dòng)作函數(shù)為動(dòng)素單元，利用Tcl/Tk和Python語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)Petri模型實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)素單元的重復(fù)調(diào)度使用，快速逼真地實(shí)現(xiàn)虛擬維修動(dòng)作流程仿真。

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究

愛(ài)荷華大學(xué)CAD中心的Ranko Vujoservic[2]提出了維修作業(yè)的分解層次結(jié)構(gòu)模型，將維修作業(yè)分為四層，從上到下依次是：維修作業(yè)層、拆裝順序?qū)?、拆裝步驟層和宏運(yùn)動(dòng)層。其中，宏運(yùn)動(dòng)是由一列有序微運(yùn)動(dòng)組成的復(fù)雜的人的運(yùn)動(dòng)，如姿勢(shì)改變或行走。微運(yùn)動(dòng)則是指身體部位的基本運(yùn)動(dòng)，如手指彎曲、轉(zhuǎn)動(dòng)頭等。作為一種適合描述離散并發(fā)現(xiàn)象的系統(tǒng)模型，用Petri網(wǎng)控制虛擬人的運(yùn)動(dòng)是虛擬人運(yùn)動(dòng)控制的研究方向之一。賓夕法尼亞大學(xué)的Badler等[3]人提出用有限自動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)多關(guān)節(jié)的并發(fā)控制，其所領(lǐng)導(dǎo)的人體建模與仿真中心則將這一思想應(yīng)用于高層任務(wù)決策和人體運(yùn)動(dòng)仿真。為了能夠便于在虛擬樣機(jī)的過(guò)程模型中對(duì)拆卸過(guò)程進(jìn)行描述，喬治亞工學(xué)院的SRL實(shí)驗(yàn)室將基本的動(dòng)作稱為“操作”，并將操作具體分為：抓取、移物、徒手操作和利用工具操作[4]。

軍械工程學(xué)院的李星新等[5]提出了一種包含維修、維修事件、維修作業(yè)、維修作業(yè)單元、維修動(dòng)素的分解層次結(jié)構(gòu)，提出了維修動(dòng)素的概念，定義了兩類共十個(gè)維修動(dòng)素。海軍大連艦艇學(xué)院的常高祥等[6]提出了一種基于維修任務(wù)分解的虛擬人動(dòng)作模型設(shè)計(jì)方法，將虛擬維修任務(wù)分解為三個(gè)過(guò)程，建立了三個(gè)相應(yīng)的維修動(dòng)作層次化模型。上述的研究主要是從不同的層面上對(duì)維修動(dòng)作進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，其層次化建模思想值得學(xué)習(xí)。但對(duì)于分解后的動(dòng)素如何組裝，相同動(dòng)素的重復(fù)調(diào)度使用，如何高效逼真地實(shí)現(xiàn)一個(gè)維修動(dòng)作流程考慮較少。

國(guó)防科技大學(xué)的盧曉軍等[7]和海軍工程大學(xué)王政等[8]分別提出了基于Petri網(wǎng)的虛擬人行走動(dòng)作模型和虛擬手部動(dòng)素模型，他們完成了一個(gè)獨(dú)立維修動(dòng)作的Petri網(wǎng)模型，但未從任務(wù)級(jí)層面考慮一個(gè)維修動(dòng)作流程的建模。

2 維修動(dòng)作流程的Petri網(wǎng)建模

2.1 維修動(dòng)作流程的層次化分解

描述一項(xiàng)維修作業(yè)，一般將其視為一個(gè)維修動(dòng)作流程，然后將維修動(dòng)作流程分解成若干的基本維修動(dòng)作并描述，只要描述出每個(gè)基本維修動(dòng)作就可以完成整個(gè)維修過(guò)程的仿真，對(duì)維修動(dòng)作流程進(jìn)行層次化分解是維修仿真的前提。

目前人機(jī)功效分析中對(duì)維修動(dòng)作的分解，主要采用的是美國(guó)工程師吉爾布雷斯所創(chuàng)立的動(dòng)素分析理論，他認(rèn)為人所進(jìn)行的作業(yè)是由某些基本動(dòng)作要素(簡(jiǎn)稱動(dòng)素或基本動(dòng)素)按不同方式、不同順序組合而成的[9]。吉爾布雷斯提出了17個(gè)動(dòng)素，包括：伸手、移物、握取、裝配和拆卸等，后來(lái)美機(jī)械工程師學(xué)會(huì)增加了“發(fā)現(xiàn)”這個(gè)動(dòng)素，這樣組成人的動(dòng)作的最基本單元就是18個(gè)動(dòng)素。

產(chǎn)品的維修是由多個(gè)相對(duì)獨(dú)立維修事件組成，因此本文自維修事件層向下對(duì)維修動(dòng)作流程進(jìn)行層次化分解，按照動(dòng)作的復(fù)雜性和任務(wù)相關(guān)語(yǔ)義的抽象程度，可以將動(dòng)作流程分為維修作業(yè)層、基本維修作業(yè)層和動(dòng)素層。進(jìn)行層次化分解的思想是：為了仿真虛擬人的運(yùn)動(dòng)，首先將人機(jī)工程分析中的18個(gè)基本動(dòng)素進(jìn)行擴(kuò)展，增加行走和攀爬兩類人體移動(dòng)動(dòng)素；然后將維修事件分解為維修作業(yè)流程，再將維修作業(yè)流程細(xì)分為基本維修作業(yè)流程，最后基本維修作業(yè)流程分解為動(dòng)素的組合。這些動(dòng)素可以由虛擬現(xiàn)實(shí)軟件提供的基本動(dòng)作函數(shù)封裝完成，如伸手動(dòng)素可以由肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)函數(shù)、肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)函數(shù)、腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)函數(shù)和軀干協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)函數(shù)封裝完成。圖1所示的是某型叉車更換油濾動(dòng)作流程層次分解圖。

2.2 動(dòng)素流程的Petri網(wǎng)映射模型

圖1 某型叉車更換油濾動(dòng)作流程層次分解圖

Petri網(wǎng)能夠以圖形方式形象、深刻地描述離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的過(guò)程，精確地描述事件順序、并發(fā)和沖突關(guān)系。為了把 Petri 網(wǎng)應(yīng)用到虛擬維修領(lǐng)域，必須把庫(kù)所和變遷賦予特有的涵義。在這里，庫(kù)所代表維修動(dòng)作進(jìn)行時(shí)設(shè)備和虛擬人等的狀態(tài)，變遷則表示維修動(dòng)作的進(jìn)行，各個(gè)維修動(dòng)作或維修狀態(tài)之間的關(guān)系由庫(kù)所與變遷之間的有向弧表達(dá)。

從上面的層次分解圖可以看出，伸手、握取、移物、放手等動(dòng)素的使用頻率最高。因此，可以封裝虛擬現(xiàn)實(shí)軟件提供的基本動(dòng)作函數(shù)形成動(dòng)素單元，重復(fù)調(diào)度使用。如圖2所示，將拆卸油濾基本作業(yè)的動(dòng)素流程設(shè)計(jì)為一個(gè)Petri網(wǎng)，通過(guò)一個(gè)仿真循環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)伸手、握取、移物等動(dòng)素單元的多次調(diào)度。在進(jìn)行拆卸螺釘時(shí)，需要左右手配合進(jìn)行，圖2所示的是右手的動(dòng)作流程，左手與右手類似。

圖2 拆卸油濾的動(dòng)素流程Petri網(wǎng)模型

模型中各個(gè)庫(kù)所和變遷的含義如表1所示。

表1 庫(kù)所和變遷的含義說(shuō)明

從圖2中可以看出，此Petri網(wǎng)模型清晰地反映出維修動(dòng)作的流程、各維修動(dòng)作間的關(guān)系，以及維修動(dòng)作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換情況。

3 基于JACK的模型驗(yàn)證

驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Jack 4.0，在Intel(R) Core(TM) i32.53GHz CPU，ATI HD 545V顯卡，Windows XP操作系統(tǒng)的環(huán)境下，以Tcl/Tk和Python語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)完成。

圖3 更換油濾的虛擬動(dòng)作流程仿真視頻截圖

Tcl/Tk和Python語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)Petri模型實(shí)現(xiàn)分為兩個(gè)階段完成。首先封裝Jack的基本動(dòng)作函數(shù)形成動(dòng)素單元，然后利用Tcl/Tk和Python設(shè)計(jì)上面建立的動(dòng)作流程Pertri網(wǎng)模型，在Pertri網(wǎng)模型中反復(fù)調(diào)用前面的動(dòng)素單元。圖3所示的是虛擬人更換某型叉車油濾動(dòng)作流程仿真的視頻截圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)維修工程中基本維修作業(yè)描述過(guò)于概括，劃分比較粗糙，在虛擬維修仿真軟件中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，提出將維修事件的維修動(dòng)作流程自頂向下進(jìn)行層次化分解，并建立了各層次動(dòng)作流程，維修動(dòng)作細(xì)分至動(dòng)素級(jí)，封裝虛擬現(xiàn)實(shí)軟件提供的基本動(dòng)作函數(shù)形成動(dòng)素單元。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)虛擬人的移動(dòng)仿真，擴(kuò)展了人機(jī)功效的動(dòng)素，增加了行走和攀爬行走和攀爬兩類人體移動(dòng)動(dòng)素。

由于Petri網(wǎng)能夠以圖形方式形象、深刻地描述離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的過(guò)程，精確地描述事件順序、并發(fā)和沖突關(guān)系，將動(dòng)素動(dòng)作流程映射為Petri網(wǎng)模型。通過(guò)對(duì)更換某型叉車油濾的動(dòng)作流程仿真說(shuō)明，利用Tcl/Tk和Python設(shè)計(jì)動(dòng)作流程Pertri網(wǎng)模型，在Pertri網(wǎng)模型中反復(fù)調(diào)用已封裝好的動(dòng)素單元，可快速逼真地實(shí)現(xiàn)虛擬維修動(dòng)作流程仿真，也驗(yàn)證了該模型的有效性和可行性。

[1]可靠性維修性保障性術(shù)語(yǔ)集編寫組. 可靠性維修性保障性術(shù)語(yǔ)集[M],北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2002.

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