维修仿真中虚拟人动作建模与行为控制技术研究

论文摘要

随着计算机仿真、人工智能与机器人技术的发展,基于虚拟人的维修仿真逐渐成为一种可行方法。常用的方法是用虚拟样机取代物理样机,用虚拟人取代实际维修人员,形成维修的虚拟场景,从而实现人对装备进行维修的可视化模拟。引入虚拟人的方式有两种:“人在回路”方式和“全虚拟”方式。现有的虚拟现实硬件设备,如数据手套、数据衣等,在精度等方面还很难满足人机交互的实际要求,从而极大妨碍了“人在回路”方式的推广。为了保证维修仿真效果,我们将研究重点放在如何构建一个由计算机表示和控制的虚拟人。本文研制了一个基于虚拟人技术的虚拟人动作数据库（VHAD）,并对维修任务分解与维修动作分类、维修动作的参数化建模与封装、捕获数据的关键帧提取,以及虚拟人的平面移动规划等相关问题进行了研究。本文完成的成果和创新点为:1:提出了一种新的维修任务分解模型,从上到下将维修任务分解为作业单元、动作单元和动作元素;基于人体运动学模型设计了一种动作分类标准,能够更好地支持维修仿真;基于维修动作的参数化建模与封装,构造了一个层次化的虚拟人动作数据库（VHAD）;针对捕获数据难于重用的问题,设计了一种基于路径变换的运动重定向方法以实现数据重用,实现了几种典型的周期性平面移动动作。2:针对运动数据的压缩问题,提出了一个基于核聚类的运动数据关键帧提取算法,利用Mercer核函数将输入空间的样本映射到高维特征空间,在特征空间实现更有效地聚类。3:提出了一种基于Petri网的移动规划模型,实现了动态环境下的虚拟人移动规划与行走控制。首先用自由空间法规划出一条初始优化路径;在向目标点运动的过程中,基于实时碰撞检测不断更新虚拟人的局部避障运动方向。Petri网负责实现两者之间协调,控制虚拟人从起始位置无碰撞地运动到目标位置。4:为了加快维修动画的创建,设计并实现了一个基于虚拟人动作库（VHAD）的虚拟维修仿真系统（VMSS）。为了实现自动化的代谢能耗计算和疲劳程度判定,设计了一种基于维修动作仿真的人体疲劳度分析评价方法。在上述工作的基础上,设计并实现了一个空间站电池箱更换的演示实例。实验结果表明VMSS系统能够加快维修动画的创建,改善人机界面的交互性能,提高虚拟人的智能程度,使用户的工作效率提高5-7倍。该系统已经成功应用于某型样机设计过程中的维修仿真与人素分析,并将为进一步的虚拟人仿真平台的开发奠定坚实基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 基于虚拟人的维修仿真技术概述
• 1.2 虚拟人技术的研究现状与分析
• 1.2.1 人体的模型结构与几何造型技术
• 1.2.2 人体的运动建模技术
• 1.2.3 人体的行为控制技术
• 1.2.4 国内外相关研究机构
• 1.3 基于虚拟人的维修仿真技术的研究现状与分析
• 1.3.1 国内外研究现状
• 1.3.2 存在的主要问题
• 1.4 论文的研究内容、组织结构和贡献
• 1.4.1 论文研究的主要内容
• 1.4.2 论文的组织结构
• 1.4.3 论文的主要成果与创新点
• 第二章 基于维修任务分解的虚拟人动作库结构设计
• 2.1 基于分段仿真与分层设计思想的维修任务分解模型
• 2.2 维修动作分类与虚拟人动作库结构设计
• 2.2.1 现有动作分类方法的分析
• 2.2.2 基于人体运动学模型的维修动作分类方法
• 2.2.3 层次化的虚拟人动作库结构设计
• 2.3 基于有限状态自动机的动作仿真框架
• 2.4 基于OOP 技术的维修动作封装
• 2.5 维修动作的参数化命令接口
• 2.6 小结
• 第三章 维修动作的建模及其仿真
• 3.1 面向工业分析领域的本土化人体建模
• 3.2 面向维修仿真的人体运动建模概述
• 3.3 基于关键帧插值的维修动作建模及其在抓握动作中的应用
• 3.3.1 关节化手掌模型
• 3.3.2 参数化的插值计算
• 3.3.3 手势变换动作的OOP 实现及其测试效果
• 3.3.4 小结
• 3.4 基于逆向运动学的维修动作建模及其在工具操作动作中的应用
• 3.4.1 基于逆向运动学解算的动作建模思路
• 3.4.2 关节化手臂模型
• 3.4.3 基于“变化最小”准则的解析法解算
• 3.4.4 工具操作动作的OOP 实现及其测试效果
• 3.4.5 小结
• 3.5 基于运动重定向的维修动作建模及其在平面移动动作中的应用
• 3.5.1 基于运动重定向的动作建模思路
• 3.5.2 原始捕获数据的归一化
• 3.5.3 时空特征参数计算
• 3.5.4 基于路径变换的运动重定向
• 3.5.5 平面移动动作的OOP 实现及其测试效果
• 3.5.6 小结
• 3.6 维修动作建模方法的分析与评价
• 第四章 基于核聚类的关键帧提取研究
• 4.1 关键帧提取技术综述
• 4.2 捕获数据的层次化运动描述
• 4.3 基于核聚类的关键帧提取算法
• 4.3.1 原始数据的归一化和加权处理
• 4.3.2 特征空间的核聚类算法
• 4.4 算法的评判准则
• 4.5 算法测试与结果分析
• 4.6 小结
• 第五章 动态环境下的虚拟人移动规划与控制
• 5.1 基于混合结构的虚拟人行为控制模型
• 5.2 移动规划问题的描述与解决方案
• 5.3 基于Petri 网的虚拟人移动规划网络
• 5.4 基于自由空间法的全局路径规划
• 5.4.1 虚拟环境的离散化
• 5.4.2 优化安全路径的启发式搜索
• 5.5 基于SCA 模型的局部路径规划
• 5.5.1 移动规划中的SCA 循环控制
• 5.5.2 距离计算与碰撞检测
• 5.5.3 路径节点的跟踪与更新
• 5.5.4 避障运动方向的计算
• 5.5.5 动作的参数化调用与执行
• 5.6 演示实例与结果分析
• 5.6.1 静态环境下的移动规划实验
• 5.6.2 动态环境下的移动规划实验
• 5.6.3 多人环境下的移动规划实验
• 5.7 与Jack 软件类似功能的比较
• 5.8 小结
• 第六章 基于维修动作仿真的人体疲劳度分析与评价
• 6.1 基于虚拟人动作库的虚拟维修仿真系统VMSS
• 6.2 现有方法的不足
• 6.3 代谢能耗计算与疲劳程度判定
• 6.3.1 数据转换接口
• 6.3.2 人体代谢能耗计算
• 6.3.3 代谢能耗上限计算
• 6.3.4 人体疲劳程度判定
• 6.4 基于空间站电池箱维护的实例验证与结果分析
• 6.5 小结
• 结束语
• 7.1 工作总结
• 7.2 进一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果