[發明專利]一種虛擬裝配中疲勞度監測方法有效
| 申請號： | 201810181618.0 | 申請日： | 2018-03-06 |
| 公開（公告）號： | CN108363984B | 公開（公告）日： | 2018-11-16 |
| 發明（設計）人： | 姜盛乾;劉鵬;陳雪純;黃卓;張昕瑩;徐楊;高大偉;張開淦;曹明鈺 | 申請（專利權）人： | 吉林大學 |
| 主分類號： | G06K9/00 | 分類號： | G06K9/00 |
| 代理公司： | 長春吉大專利代理有限責任公司 22201 | 代理人： | 崔斌 |
| 地址： | 130012 吉*** | 國省代碼： | 吉林;22 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 虛擬裝配 波動曲線 操作軌跡 疲勞 疲勞度 構建 監測 運動軌跡線 比較操作 等級判定 范圍幅度 骨骼數據 具體零件 人體骨骼 時間判定 雙手操作 虛擬環境 圓弧軌跡 姿勢識別 波幅 脫離 判定 捕捉 采集 繪制 檢測 | ||
1.一種虛擬裝配中疲勞度監測方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
步驟一、啟動Kinect V2，并采集操作人骨骼數據；
步驟二、構建虛擬裝配的操作軌跡；
步驟三、監測參與虛擬裝配人員的操作情況，根據雙手操作位置與運動軌跡線的距離繪制波動曲線；
步驟四、根據波動曲線的波幅和時間判定疲勞等級，并依照疲勞等級判定是否繼續檢測；
所述的步驟一的具體方法如下：
啟動Kinect V2，并采集操作人直立時25個骨骼點的模板數據；其中25個部位骨骼點包括頭、頸、肩中心、左拇指、右拇指、左指尖、右指尖、左手、右手、左手腕、右手腕、左肘、右肘、左肩膀、右肩膀、脊柱、髖關節中心、左臀、左膝蓋、左腳踝、左腳、右臀、右膝蓋、右腳踝、右腳；
所述的步驟二的具體方法如下：
構建虛擬裝配的操作軌跡，軌跡由直線和圓弧線構成，其中直線軌跡是通過連接三維坐標系中的兩個空間點A1(x1,y1,z1)和A2(x2,y2,z2)構成的；圓弧軌跡在平移后的X-Y平面C1、X-Z平面C2和Y-Z平面C3內構建，平移后的X-Y平面C1構建圓弧軌跡的具體方法如下，平面C1的平移距離為上一直線軌跡終點A2(x2,y2,z2)的Z坐標數值，取平面C1的一點作為圓中心點Bx1(xx1,yx1,zx1)，取半徑為相切于上一直線軌跡終點，從而構建圓弧軌跡，在圓弧軌跡中選取一點A3(x3,y3,z3)作為下一直線軌跡的起始點；根據具體的虛擬裝配環境，將預定裝配路徑設計成直線軌跡和圓弧軌跡構成的連接線；
所述的步驟三的具體方法如下：
監測參與虛擬裝配人員的操作情況，根據雙手操作位置與運動軌跡線的距離繪制波動曲線；
首先需要利用Kinect V2采集左手坐標D1(X1,Y1,Z1)，右手坐標D2(X2,Y2,Z2)；繪制左手波動曲線的具體方法如下，波動曲線橫軸為時間，縱軸為左手坐標距離軌跡線的最短距離；在直線軌跡中為求得距離l1，需要先判定左手坐標是否在直線軌跡的范圍之內，然后計算點到直線的距離；
具體需要在兩個空間點A1(x1,y1,z1)和A2(x2,y2,z2)分別做出垂直于直線軌跡的平面，作法向量n＝(x1-x2,y1-y2,z1-z2)＝(f1,f2,f3)，平面C2方程即為f1(x-x1)+f2(y-y1)+f3(z-z1)＝0，化簡可得f1x+f2y+f3z＝f1x1+f2y1+f3z1；
設f1x1+f2y1+f3z1為E1，方程即可表示為f1x+f2y+f3z＝E1；同理可求得平面C3方程即為f1x+f2y+f3z＝E2，E2＝f1x2+f2y2+f3z2；
此時計算左手是否在平面C2，C3內操作，其中距離平面C2距離為距離平面C3的距離為當d1和d2均小于時，認為左手在直線軌跡內活動，此時距離
當時d1>d2,且d1>d3時，認為操作離開直線軌跡，進入圓弧軌跡運動范圍，此時的距離l1需要先將左手點的坐標投影至平面C1，求得平面中直線G1Bx1與圓弧線的交點G2，然后通過G1D1和G1G2求得左手坐標與圓弧線的距離，具體計算過程如下；
假設平移后的X-Y平面C1構建圓弧軌跡，此時平面中的各點轉化成二維坐標，各點坐標為A2(x2,y2)、A3(x3,y3)、Bx1(xx1,yx1)、G1(X1,Y1)，
求得直線G1Bx1方程：(x-xx1)(X1-xx1)＝(y-yx1)(Y1-yx1)；圓的方程：(x-xx1)2+(y-yx1)2＝r2；此時x的取值范圍為[x2,x3]，聯立可求得交點G2(X3,Y3)；此時可求得
假設平移后的X-Z平面構建的圓弧軌跡，各點坐標為各點坐標為A2(x2,z2)、Bx1(xx1,zx1)、G1(X1,Z1)，
求得直線G1Bx1方程：(x-xx1)(X1-xx1)＝(z-zx1)(Z1-zx1)；圓的方程：(x-xx1)2+(z-zx1)2＝r2；此時x的取值范圍為[x2,x3]，聯立可求得交點G2(X3,Z3)；此時可求得
假設平移后的Y-Z平面構建的圓弧軌跡，各點坐標為各點坐標為A2(y2,z2)、Bx1(yx1,zx1)、G1(Y1,Z1)，
求得直線G1Bx1方程：(y-yx1)(Y1-yx1)＝(z-zx1)(Z1-zx1)；圓的方程：(y-yx1)2+(z-zx1)2＝r2；此時y的取值范圍為[y2,y3]，聯立可求得交點G2(Y3,Z3)；此時可求得將直線軌跡和圓弧軌跡中得到的l1作為y軸數值，時間t作為x軸數值繪制出波動曲線。
2.根據權利要求1所述的一種虛擬裝配中疲勞度監測方法，其特征在于，所述的步驟四的具體方法如下：
預設l等于5cm作為標準操作波動現象，記錄當波動幅度l1在(0cm,5cm]之內抖動，認為1級；波動幅度在(5cm,5.5cm]抖動，且持續時間超過3s，認為2級；波動幅度在(5.5cm,6.0cm]抖動，且持續時間超過3s，認為3級；波動幅度在(6.0cm,6.5cm]抖動，且持續時間超過3s，認為4級；波動幅度在(6.5cm,∞]抖動，且持續時間超過3s，認為5級；
預設標準操作時間t1，當操作人員完成所有規定的操作動作后會記錄最終操作時間t2，計算最終操作時間與標準時間的比值當o∈(0,1.05]，認為1級；當o∈(1.05-1.10]，認為2級；當o∈(1.10-1.15]，認為3級；當o∈(1.15-1.20]，認為4級；當o∈(1.20-1.25]，認為5級；
波動幅度和操作時間比值級別分別占0.5,0.5的權重，之前的分級數值乘上權重得出結果在(0-1]之間疲勞度為1級，(1-2]之間疲勞度為2級，(2-3]之間疲勞度為3級，(3-4]之間疲勞度為4級，(4-5]之間疲勞度為5級；
等級1代表可忽略的疲勞，等級2代表輕微的疲勞，等級3代表中等程度的疲勞，等級4代表嚴重的疲勞，等級5代表災難性的疲勞；測出疲勞值后，系統提供適當的聲音提醒，當疲勞程度達到5級時，停止監測，中斷工位電路，迫使員工休息。
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