文摘
为了再现现实的人类运动在一个虚拟环境,虚拟人运动控制的研究提出了基于计算机辅助人机工程学仿真。首先,我们建立所需的人体,工件,和生产线仿真环境,并在此基础上,我们利用owa BSHA,和其他分析工具进行人体工程学仿真的虚拟人运动仿真研究,寻求解决人机问题,并提供一个新的、高效,对于生产线规划和定量评价方法。仿真结果表明,虚拟人1的操作期间,比实际的负载极限载荷的左和右的手已经达到了70%。因此,有必要修改生产计划,并通过分析,得出不良姿势的原因是由于低高度的存储和机床。我们相信,随着不断发展,ProcessSimulate ProcessDesigner将发挥更大的作用在企业数字化。
1。介绍
人体工程学也被称为人体工程学(HumanEngineering)和人因工程学(HumanFactors)。它是使用在人体测量学等学科的研究方法,生理学,心理学,生物力学,工程,一个新兴的边缘学科,全面进行研究人体结构功能、心理、力学[1]。自1960年代以来,科学技术的迅速发展和计算机技术的应用新的活力注入人体工程学的研究与应用2]。在过去的二十年里,计算机技术和网络技术的不断发展,虚拟现实技术突飞猛进地发展,这是一个巨大的成功。虚拟现实技术是抽象和复杂的计算机数据空间直观和为用户熟悉的东西。虚拟环境在过去主要是风景,建筑,等等,很少涉及。然而,随着虚拟现实技术的深入发展,社会需求的范围虚拟现实需求也在增加,并且有一个虚拟的人3]。
虚拟人几何和行为特征的表示是一个人类在计算机生成的空间。这是一个图形实体,是完全由电脑和看起来像一个真正的人4]。虚拟人类作为一个新兴的边缘学科,涉及到虚拟人建模、动画设计、计算机图形学中,生理学,心理学,和许多研究领域如生物力学、力学、数学、动力学、机器人、人工智能;理论基础需要高度复杂的算法,实际应用是强大的。因此,虚拟人的研究是一个基本的应用程序主题的理论意义和实用价值。人机表示,忠诚与虚拟人在虚拟环境的沉浸效果确定(5]。与虚拟人技术的日益进步,虚拟人已经广泛应用于工程、虚拟会议、互动、监控、虚拟环境、游戏、训练、教育、军事训练、产品设计、维护,等。通过这种方式,虚拟人的研究已逐渐成为计算机科学的一个非常重要的研究领域。虚拟人的运动控制研究是虚拟人的研究中的一个非常重要的内容,它在实现沉浸中发挥着极其重要的作用,现实主义和仿真系统的交互性。陈等人提出了改善人机合作的车道偏离援助(LDA)系统。一个人机共享控制策略提出了基于混合动力系统理论。通过考虑离散和连续状态和时变纵向速度的车辆,混合系统正式作为一个混合的自动化和建立一个共享的控制策略来管理人机交互。强大的增益调度energy-peak方法用于设计辅助系统控制器。通过求解线性矩阵不等式(LMI)方法,系统的稳定性和保障也进行了研究。通过Carim /仿真软件的常见模式和循环(边境)实验,我们可以评估拟议中的人机共享控制方法。结果表明,该方法可以有效地保持车辆在车道和证明了良好的人机协调(6]。
基于这项研究,首先介绍了现有的主流工效学分析方法,然后简要介绍仿真分析软件ProcessSimulate ProcessDesigner提供,一个实际生产线的公司作为一个例子来说明ProcessSimulate和ProcessDesigner人体工程学的应用程序的实现过程,最后,生产线修改根据获得的分析报告给优化结果。
2。研究方法
2.1。基于运动学的虚拟人运动模型
运动学是描述人体运动的主题。它只讨论运动本身的细节和不涉及运动的原因(内部和外部的力量)7]。所谓kinematics-based模型意味着独立于对象的运动力产生的运动,和它的参数包括位置、速度和加速度的对象。例如,在H-Anim标准,三种类型的节点(节点)被用来代表一个虚拟人模型:他们是人体的重心,人体的关节,和人体的骨段,把整个人分成1人的重心,77个关节,47个骨段。在kinematics-based模型中,任何人类的骨骼部分的完整运动参数需要总共15个参数随时间变化;这些运动参数主要包括人类骨骼的身体核心的位置,身体核心人类骨段的速度,人类的身体核心加速骨段,人类骨段的角度,人类骨段的角速度,角加速度的人类骨段,等。因此,人体的运动参数是非常复杂的。为了减少研究的复杂性,通常,当描述特定的运动,合理简化,就这样,只有一小部分的许多运动参数可以用来完成这个运动的描述(8]。目前,虚拟人的运动模式在许多类型的软件是基于运动学;的过程中使用这些类型的软件来实现虚拟人动画,它需要用户交互式地设置一些关键参数和插入这些关键参数来生成和控制对象的运动;这些参数的变化只与在每个时刻每个参数值的大小和变化的速度。
2.2。人体工程学分析理论
目前,人体工程学的研究理论的数量增加。根据统计分析的结果,超过60工效学方法已经被使用,包括静力分析、腰力分析、工作姿势分析,视野分析,疲劳分析复苏,舒适度分析,NIOSH分析,RULA态势分析,owa分析。两个人体工程学分析介绍了以下理论有更多的应用程序。
2.2.1。owa分析理论基于人类操作姿势
owa (ovako工作姿势分析系统)是用来区分人的身体姿势,年级根据肌肉骨骼损伤的程度,可能造成的姿势,并为研究者提供一个参考改善工地(9]。在日常工作空间设计分析,owa被认为是一种有效和易于实现的人机分析方法无数操作姿势在不同工作场景;因此,它广泛应用于工业领域。
owa主要分析人体姿势的元素的背部,胳膊,腿,头,和1 -重要的元素,然后根据上述5项的编码方法,它是根据显示特定的排列组合。通过分析五个元素之间的交互,疲劳程度的人体姿态评估。owa划分工作姿势得到改善的紧迫性和疲劳的工作姿势水平1∼4。见表1的等级分类。
2.2.2。BSHA分析理论的基础上,单手举起的人体
BSHA (Burandt-Schultetushand-Arman分析)获得的最大允许负载系统通过分析人体能承受的单手抢工作,并将它与实际负载达到单手操作是否合格的结论是安全的。其中,有四个主要因素影响BSHA分析的结果,也就是说,人类因素,与工作相关的参数,与负载有关参数和实际负载大小(10]:(1)人为因素包括工人的性别、年龄、和训练水平,他们决定系数(男= 1.0,女性或男性和女性=−0.65),(25∼65岁的系数是0.80∼0.65),和(平均水平= 1.0,= 1.2,= 1.4)。(2)与工作相关的参数包括:工作类型(动态或静态),4个方面的工作频率和时间,和手臂的位置。这些因素决定了静态工作因素和手臂的质量 。(3)与负载有关参数包括加载方向、提升高度,前臂的姿势,上臂和前臂,之间的角度和手的位置相对于身体。有5个项目,和在一起,它们决定的理论价值的最大负载。
结合上述影响因素,工人工作用一只手可以承受的最大载荷比 。该文系统能承受的静载荷显示如下:
动态负载,可以抵挡显示如下:
当操作的实际负载大于 ,它表明,这个任务将对人体造成损害,需要采取相应的改进措施。BSHA工具可以有效地消除隐患工作时用一只手。
2.3。人体工程学分析的例子
我们举一个例子来说明ProcessSimulate的实现过程和ProcessDesigner工效学分析(11]。在生产线上使用虚拟人设计的一个公司作为分析和研究的对象,我们使用ProcessDesigner组织和管理流程生产线和ProcessSimulate资源的人工模块模型,模拟和优化它。
2.3.1。系统规范
该生产线没有完全自动化的制造能力,和许多站需要手动操作。车站的组成研究5运营商和5站。虚拟人需要从存储工件点1以前的产品生产线站1和工件安装到夹具的加工;同时,完成的工件需要卸载站1从夹具和运输到缓冲点进行处理。虚拟人的工作内容2∼5类似于虚拟人1,所以我们将不进入细节。加载、卸载和每个站的处理时间如表所示2。
2.4。虚拟人运动控制和仿真
在虚拟空间,虚拟人必须调整和控制,如工作姿势和运动,执行特定的任务。事实上,也有很多人体工学3 d CAD软件,如任何人,回潮,Apolin, Boeman, Cyberman, CAAA, Com-biman, CrewChief,天津四/因此,Ergoman, Ergo-Space,杰克,Tadaps, safewor [12,13]。这些软件类型提供了非常现实的三维人体模型,但是有些只提供简单的人体轮廓。目前,在人机工程、虚拟人运动控制的常用方法和仿真主要包括以下。
2.4.1。直接控制
直接控制允许用户以交互方式控制几何对象的位置和姿态,在环境中通过输入设备,例如,平移和旋转,以了解实时操作的结果。为铰接在一起,人体的运动组件会影响其他部分;因此,约束通常用来定义它们之间的关系,和约束的满意度是通过逆运动学算法。
2.4.2。关键帧技术
关键帧技术是一个简单和直接的运动控制技术,它依赖于操作者的经验手动确定主画面(关键帧);让软件使用插值技术插入图片,即自动生成帧之间的主要构成。的生成中间帧由计算机来完成完成插值,和所有的参数影响屏幕图像可以成为关键帧的参数,如位置、旋转角度和结构参数。因为关键帧插值不考虑人体的物理性质和参数之间的关系,获得运动不一定满足评价要求(14,15]。在人体工程学的模拟中,位置插值和方向插值通常介绍了。位置由spline-driven插值插值实现,速度曲线插值。Spline-driven动画是指首先设置对象的运动轨迹或路径,然后指定对象沿着修改后的轨迹。通过调整路径的形状和位置,人体的运动过程可以改变(16]。
2.4.3。运动的方法
运动学包括正运动学和逆运动学。积极的运动学方法允许用户实时调整关节角;逆向运动学方法需要用户指定的位置和方向的关节,和计算机自动计算每个中间接头的角(16- - - - - -18]。由于运动学方法只考虑物体的运动学特征,不考虑对象的动态特性和使用用户交互来确定一些关键帧生成运动,这种运动不能完全反映真实的运动对象的,很难实现真正的工效学评价。因此,有必要给移动对象动态特性。
3所示。结果分析
3.1。解决方案
计划使用在西门子ProcessDesigner Tecnomatix套件,ProcessSimulate进行人体工程学研究的生产线。SiemensPLMSoftware Tecnomatix套件提供了数字制造解决方案,通过链接制造规划包括流程布局规划和设计、过程模拟、制造执行和产品设计和验证,实现使用数字手段的可行性验证产品的制造过程(19]。ProcessDesigner和ProcessSimulate被用来完成生产部门的工效学研究。ProcessSimulate和ProcessDesigner Tecnomatix套件的组件。ProcessSimulate提供设计、分析、模拟和优化能力从工厂生产线和工作站。ProcessDesigner侧重于资源和流程的管理和仿真:(1)建立一个模型。所需的3 d模型格式Tecnomatix cojt或公司文件,和一个3 d模型可以通过Catia建立和其他3 d建模软件,然后可以被转换成cojt或公司文件(20.]。(2)建立一个图书馆资源。制造系统通常是一个非线性离散系统,研究,有必要建立产品模型、资源模型(生产设备、原材料等)在ProcessDesigner,流程模型(流程规则,生产路线等),和生产管理模式(系统限制和约束关系)。(3)建立一个产品树和图书馆。根据设计部门提供的物料清单,进入ProcessDesigner根据一定的层次结构和产品库中的部分拖拉到相应的产品树。(4)仿真运行之前,所有的数字和模拟组件必须放置在理想的位置,和数字和模拟的精确定位组件可以完成迁移命令ProcessSimulate [21]。(5)人类抓取操作可以完成“汽车把握”和“掌握向导。”(6)建立一个路径可以实现自动行走的虚拟人。通过路径编辑完成行走方向和走路的姿势。(7)ProcessSimulate模拟人体工程学提供了一个广阔的平台;然而,由于实际操作的复杂性,许多手工操作姿势相当复杂;因此,当使用ProcessSimulate时,有必要正确姿势的人体很多次适应实际情况。完成人类的姿势的调整通过HumanPostures >联合慢跑(17]。(8)完成对象的位置通过对象的地方。(9)设计仿真操作时,你可以通过操作工具栏进行试验,确认后操作仿真符合实际生产,节省的时间并记录相应的参数供后续使用。(10)在完成模拟操作,每个操作单元的时间需要调整。甘特图可以直观地理解每一个虚拟人的机智工作时间在每个工作站(22]。(11)选择符合人体工程学的分析选择,并设置参数。选择人类>人体工程学>分析设置,检查owa和BSHA选项,运行仿真程序,并得到相应的报告18]。由于类似的虚拟人的工作内容,只有虚拟的人体工程学分析人类1是分开进行的,和BSHA owa报告如图1。
(一)
(b)
3.2。结果分析和优化
从上面的owa报告,众所周知,虚拟人的姿势水平1 = 3捡工件时,解释说,他的身体是濒临灭绝;根据BSHA报告,在虚拟人1的操作,比实际的负载的左手和右手其极限载荷达到最大值70%。因此,有必要修改生产线计划。通过分析,发现不良姿势的原因是由于低储存点的高度和机床(23,24]。考虑到实际生产情况下,物理的存储点和车站1可以增加了50厘米,owa报告和BSHA报告如图2可以获得。
(一)
(b)
从上面的分析报告,我们可以知道,虚拟人的姿势1是大大提高了。只有参与虚拟工作站和操作人1已经相应地修正。在实践中,集中分析将基于工效学分析报告进行了5虚拟人,和生产线规划将被评估,并相应地修改为每个数据25]。
4所示。结论
研究和分析基于人体工程学的虚拟人运动控制仿真进行了某发动机周围加工生产线,指导生产线规划。可以从实际情况,基于过程的动态虚拟仿真模拟和流程设计人员不仅可以动态模拟的整个过程也执行各种站内操作,人机工程学分析实时操作姿势。在发现潜在的危险,可以调整准确模拟环境和人体工程学可以及时、准确地改进。动态虚拟仿真基于ProcessSimulate和ProcessDesigner代表目前人体工程学领域的国际领先水平;它提供了一种全新的评价方法,为企业计划他们的生产线。的基础上本文未来的研究和改进可以在许多方面。首先,现有的虚拟人体模型可以进一步改善。一方面,骨骼和关节的头、手和脚可以添加以及相关的约束条件,进一步丰富了虚拟人体模型。另一方面,肌肉层,皮肤层、和服装层上可以添加骨骼层,改善视觉效果,为进一步的人机评估。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。