王玉泉，韓朝帥

WANG Yu-quan，HAN Chao-shuai

(裝甲兵工程學(xué)院 技術(shù)保障工程系，北京 100072)

0 引言

虛擬維修仿真[1]是指利用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在虛擬環(huán)境中對產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行維修拆卸、零部件更換和安裝等仿真試驗。虛擬仿真技術(shù)[2]的廣泛應(yīng)用將傳統(tǒng)的“設(shè)計—試驗—分析—改進(jìn)”模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤案麟A段同時進(jìn)行”的模式，基本實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計研制和維修性驗證評價工作的并行開展，使得在對產(chǎn)品設(shè)計提出了更改建議的同時避免了物理樣機(jī)造成的時間和資源的浪費，是產(chǎn)品維修性的研究熱點之一。

虛擬仿真時間可信度是仿真可信度的重要指標(biāo)之一，尤其在產(chǎn)品的一些定量指標(biāo)上體現(xiàn)的更為明顯。另外，由文獻(xiàn)[3-6]可知，無論美國還是我國，目前虛擬維修仿真多側(cè)重于對提高產(chǎn)品維修過程精度的仿真研究，在提高產(chǎn)品維修時間精度的建模和仿真方面缺乏深入的研究。本文在“維修動素”的概念基礎(chǔ)上，提出“維修動素標(biāo)準(zhǔn)時間”這一新的概念，開發(fā)出適用于Jack軟件的維修時間輔助系統(tǒng)，提高了虛擬維修時間的仿真精度，對研究虛擬維修仿真具有十分重要的參考意義。

1 虛擬維修時間建模研究

1.1 維修時間分解模型

圖1 M型主離合器維修時間基本層次結(jié)構(gòu)

在維修性工程的基礎(chǔ)上，按照維修層次的不同，將產(chǎn)品維修時間分解為：產(chǎn)品維修時間、維修事件時間、維修作業(yè)時間、維修基本作業(yè)單元時間和維修動素標(biāo)準(zhǔn)時間。產(chǎn)品維修時間是指為保持或恢復(fù)產(chǎn)品到規(guī)定功能狀態(tài)而進(jìn)行維修活動所消耗的時間；維修事件時間是指按規(guī)定的維修計劃進(jìn)行的維修活動所消耗的時間，產(chǎn)品維修可以由若干個維修事件組成；維修作業(yè)時間是指完成規(guī)定的維修作業(yè)所消耗的時間，如故障檢測時間、定位時間和隔離時間等，每個維修事件都是由若干個維修作業(yè)組成的；維修基本作業(yè)單元是最基本的維修活動，如擰螺栓、焊接等；每一個維修基本作業(yè)單元都可以由若干個維修基本動素組合而成，如擰螺釘?shù)臅r間由左手食指和大拇指抓住螺釘，右手抓握螺絲刀工具，定位至螺釘旋轉(zhuǎn)點，旋轉(zhuǎn)螺絲刀（n圈），擰下后釋放螺絲刀這5個基本動素所消耗的時間組成。圖1為M型主離合器維修時間層次結(jié)構(gòu)圖。

1.2 維修動作模型

人的維修動作由人所操縱的對象決定[6]。對機(jī)械產(chǎn)品而言，人的維修動作對象主要分為以下四類：一般零部件、緊固件、操縱器和工具。一般零部件是指軸、蓋板、銷子和卡鎖等常規(guī)零部件，特點是受機(jī)體的一定約束，即人體操作零部件的時候也會有一定的約束；緊固件是指可以用手快速解脫的緊固件，特點是多為旋轉(zhuǎn)或拉動；操縱器根據(jù)運動特點分為轉(zhuǎn)動式、平動式和腳操縱器；實際維修，中大部分的維修作業(yè)都需要工具來支持，因為操作工具所涉及到的人體運動是相當(dāng)復(fù)雜的，所以合理規(guī)劃虛擬人按照規(guī)定的方式進(jìn)行工具的使用，建立合適的工具操作運動模型。因此，將人體維修動作根據(jù)對象分為四大類：一般零部件維修動作、緊固件操作動作、操縱器操縱動作和工具使用動作。通過對這四類操作的常見動作進(jìn)行分析，構(gòu)成適合于裝甲裝備的人體維修動作模型，如圖2所示。

1.3 維修動素標(biāo)準(zhǔn)時間模型

從維修動作到維修動素，可以看出，每一種維修動作實際上是若干個維修動素組合而成的，維修動作的設(shè)計實現(xiàn)，就是將相關(guān)的維修動素適當(dāng)?shù)慕M合在一起，使虛擬人完成相應(yīng)維修動作的模型。因此，在維修動作模型的基礎(chǔ)上，分類歸納得出能夠滿足維修仿真需求的人體維修動素集。通過C++語言對各維修動素類進(jìn)行定義，實現(xiàn)各動素類中函數(shù)的設(shè)計，并在實際環(huán)境中對各動素時間函數(shù)進(jìn)行維修時間樣本獲取，進(jìn)而開發(fā)出維修時間輔助系統(tǒng)，實現(xiàn)對維修動素標(biāo)準(zhǔn)時間函數(shù)的封裝和調(diào)用。

圖2 裝甲兵維修動作模擬圖

1.3.1 維修動素類的定義

根據(jù)圖2裝甲兵維修動作模型，總結(jié)歸納得出適合裝甲裝備虛擬維修仿真的維修動素集。表1為適用于Jack軟件的10種虛擬人維修動素及其類的概念。

表1 虛擬人維修動素及其類的概念

由表1可知，維修時間輔助系統(tǒng)包括10個動素類，每個動素類都包含其相應(yīng)的若干個函數(shù)。例如：Control類包括旋轉(zhuǎn)(revolve)、推(push)、拉(pull)、抽(draw)、提(boost)、舉(lift)、搬(carry)和按(press)8個方法；SpaceMove類包括走(walk)、彎腰走(bendWalk)、側(cè)身走(sidle)、跨步(stride)、攀爬(climb)、跑(run)、匍匐前進(jìn)(crawl)、倒行(down)及跳躍(jump)9個函數(shù)。

1.3.2 維修動素標(biāo)準(zhǔn)時間建模

確定維修動素類的時間函數(shù)后，必須在類中對函數(shù)進(jìn)行定義和封裝，進(jìn)而實現(xiàn)在Jack軟件中對時間函數(shù)的調(diào)用。以時間函數(shù)“走(walk)”為例，對其設(shè)計進(jìn)行描述，如圖3所示。其他時間函數(shù)照此法進(jìn)行。

圖3 時間函數(shù)“walk”設(shè)計流程圖

由圖3可知，“walk”函數(shù)設(shè)計時，首先，應(yīng)確認(rèn)個體的年齡屬性（中年/青年/未成年、男/女）；其次，確定個體是否徒手作業(yè)，若否，則確認(rèn)攜帶物體重量，通過公式（1）得到虛擬人行走速度；最后，對該時間函數(shù)進(jìn)行計算機(jī)語言定義。

其中，v′為虛擬人攜帶物品行走速度；

v 為虛擬人徒手行走速度；

m為虛擬人自身質(zhì)量；

m′為攜帶物體質(zhì)量。

動素時間函數(shù)“walk”的定義函數(shù)為：

對某些附有隨機(jī)變量的維修動素時間函數(shù)，可以根據(jù)其實際情況進(jìn)行函數(shù)輸出值的微調(diào)；另外，定義時間函數(shù)時必須考慮維修動素標(biāo)準(zhǔn)時間的不確定性，以盡可能的提高仿真可信度。

1.4 維修時間輔助系統(tǒng)

綜合維修動素類及其時間函數(shù)的定義、封裝和調(diào)用，開發(fā)出輔助Jack軟件進(jìn)行虛擬維修仿真時的時間獲取系統(tǒng)，即維修時間輔助系統(tǒng)。正確設(shè)置該系統(tǒng)和Jack軟件的接口，實現(xiàn)在Jack仿真中對動素時間函數(shù)的調(diào)用，進(jìn)而保證仿真的時間準(zhǔn)確性。

2 實例仿真分析

Jack 6.1仿真軟件中，以“取下輪盤氈墊”為例，進(jìn)行實例仿真，并通過實際環(huán)境試驗進(jìn)行對比驗證。

2.1 維修時間分解

按照維修過程時間分解模型（圖1），對“取下輪盤氈墊”這一基本維修作業(yè)單元進(jìn)行分解，分解如圖4所示。

圖4 “取下輪盤氈墊”動素流程圖

2.2 虛擬維修仿真

在Jack軟件中構(gòu)建裝甲車乘員艙虛擬環(huán)境，導(dǎo)入主離合器樣機(jī)，調(diào)用維修動素時間輔助系統(tǒng)，操控特征為中國青年男士的虛擬人體模型進(jìn)行圖4所示動素流程。表2為10次試驗后的統(tǒng)計結(jié)果。

統(tǒng)計得到維修動作“取下輪盤氈墊”的仿真時間，如表3所示。

由表3可知，統(tǒng)計10次維修動作“取下輪盤氈墊”的仿真數(shù)據(jù)，得到該維修動作仿真時間平均值為4.85s。在實際環(huán)境中對該維修動作進(jìn)行10次試驗，統(tǒng)計得到其試驗時間數(shù)據(jù)，如表4所示。

由表4可知，通過實際環(huán)境試驗，得到維修動作“取下輪盤氈墊”的試驗時間平均值為4.93s，方差為0.43s。綜上可得，通過Jack軟件進(jìn)行維修動作“取下輪盤氈墊”的仿真時間與實際環(huán)境中的試驗時間基本一致，即通過該維修時間輔助系統(tǒng)進(jìn)行虛擬維修仿真統(tǒng)計得到的時間數(shù)據(jù)與實際環(huán)境試驗比較貼近。

表2 “取下輪盤氈墊”動素仿真時間

表3 “取下輪盤氈墊”動作仿真時間

表4 “取下輪盤氈墊”試驗時間

3 結(jié)束語

本文針對虛擬維修仿真中缺少對維修時間的仿真這一現(xiàn)狀，提出虛擬人維修動素標(biāo)準(zhǔn)時間這一概念，并通過實際環(huán)境統(tǒng)計試驗和數(shù)學(xué)建模方法開發(fā)出基于Jack的維修時間輔助系統(tǒng)，實現(xiàn)了Jack軟件中對維修時間的仿真，對解決產(chǎn)品全壽命階段進(jìn)行虛擬維修仿真時的仿真時間可信度問題提供了重要的參考價值。

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