[發(fā)明專利]一種虛擬場景下基于舒適性的可達性評價方法及系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2021-05-25
• 公開（公告）號: CN113393091B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發(fā)明（設計）人: 周棟;仵宏鐸;周啟迪;郭子玥;梁宇寧;王妍;陳承璋
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06Q10/06
• 分類號: G06Q10/06;G06Q10/00;G06F30/10;G06F111/18;G06F111/04
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 杜陽陽

1.一種虛擬場景下基于舒適性的可達性評價方法，其特征在于，所述方法包括：

構(gòu)建肢體運動學模型；

所述構(gòu)建肢體運動學模型，具體包括：

確定影響人體可達性的五個活動關節(jié)及十個自由度；所述活動關節(jié)包括：腰部、頸椎和脊椎連接處、肩部、肘部以及手腕；所述自由度包括：腰部的3個自由度：人體上身從腰部向前或向后的傾角、人體上身從腰部向左或向右的傾角和人體上身從腰部的旋轉(zhuǎn)角度；肩部的3個自由度：大臂外撇或內(nèi)合的角度、大臂上抬或下放的角度和以大臂為軸，肩關節(jié)旋轉(zhuǎn)角度；肘部的2個自由度：大小臂與肘部的夾角和以小臂為軸，肘關節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度；手腕的2個自由度：腕關節(jié)處，手掌向側(cè)面彎曲的角度和腕關節(jié)處和手掌向正反面彎曲的角度；

以連桿模型為基礎，建立從腰部到手指尖的6節(jié)點5連桿肢體運動學模型，連桿模型原理是對每個自由度分別建立坐標系，以坐標系與坐標系之間的變化矩陣來刻畫關節(jié)之間的相對運動關系以及控制活動角度和范圍，坐標系i相對于坐標系i-1的變化轉(zhuǎn)移矩陣如公式(1)所示：

其中，a_i為桿長，表示相連兩個關節(jié)軸線之間的距離；α_i為轉(zhuǎn)角，表示坐標系i上x_i軸從z_i-1軸按照右手法則旋轉(zhuǎn)至z_i軸的角度；d_i為平移量，代表相鄰連桿在關節(jié)軸線的距離之差，z_i-1軸的正向為其正方向；θ_i為旋轉(zhuǎn)量，表示z軸按照右手法則從x_i-1軸旋轉(zhuǎn)至x_i軸的角度；自由度設為N_i-1，i＝1,2,…10；

根據(jù)人體工程學、國標以及實驗確定連桿模型參數(shù)，包括每個自由度活動角度和每個關節(jié)之間的長度；其中人體上身從腰部向前或向后的傾角θ₁的范圍為-10°～37°，人體上身從腰部向左或向右的傾角θ₂的范圍為-8°～8°，人體上身從腰部的旋轉(zhuǎn)角度θ₃的范圍為-10°～10°；以小臂為軸，肘關節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度θ₈的范圍為-70°～80°；

根據(jù)每個自由度的活動角度和每個關節(jié)之間的肢體長度確定相鄰自由度間相對位置變化約束關系；

根據(jù)相鄰自由度間相對位置變化約束關系確定手指相對腰部的相對位置變化約束關系；

根據(jù)肢體運動學模型確定基于舒適性的可達性評價體系；

所述根據(jù)肢體運動學模型確定基于舒適性的可達性評價體系，具體包括：

從肢體運動學模型中選取影響舒適性的六個自由度；

通過快速上肢評估法對所述六個自由度的活動范圍分別進行舒適性評分；

根據(jù)六個自由度活動范圍的舒適性評分確定手臂舒適性評分和軀干舒適性評分；其中大臂外撇或內(nèi)合的角度為θ₅，θ₅＝0°時，得分為0；0°≤θ₅＜90°或-45°＜θ₅≤0°時，得分為1；大臂上抬或下放的角度為θ₄，-20°≤θ₄≤20°時，得分為1；-40°≤θ₄＜-20°或20°＜θ₄≤45°時，得分為2；45°＜θ₄≤90°時，得分為3；90°＜θ₄≤120°時，得分為4；大小臂與肘部的夾角為θ₇，60°≤θ₇≤100°時，得分為0；0°≤θ₇＜60°或100°＜θ₇≤130°時，得分為1；人體上身從腰部向前或向后的傾角為θ₁，θ₁＝0°時，得分為1；0°≤θ₁＜20°或-10°＜θ₁≤0°時，得分為2；20°≤θ₁＜37°時，得分為3；人體上身從腰部向左或向右的傾角為θ₂，θ₂＝0°時，得分為0；-8°≤θ₂＜0°或0°＜θ₂≤8°時，得分為1；人體上身從腰部的旋轉(zhuǎn)角度為θ₃，θ₃＝0°時，得分為0；-10°≤θ₃＜0°或0°＜θ₃≤10°時，得分為1；

根據(jù)手臂舒適性評分和軀干舒適性評分確定基于舒適性的可達性評價體系；通過模糊綜合評價法對每一種情況進行舒適性評價從而確定得分，評分為2-8分，8分代表維修目標位置存在于最舒服的可達區(qū)域；評價因素論域為手臂舒適性和軀干舒適性，權(quán)重相同，各為0.5；評價等級論域由2到8分，共7個等級組成；模糊評價向量合成算子為矩陣乘法；評分的確定采用隸屬度最大原則；

根據(jù)基于舒適性的可達性評價體系，對肢體運動學模型進行蒙特卡洛仿真，生成不同等級下的雙手可達包絡面；

所述根據(jù)基于舒適性的可達性評價體系，對肢體運動學模型進行蒙特卡洛仿真，生成不同等級下的雙手可達包絡面，具體包括：

步驟S31：確定腰部位置；

步驟S32：根據(jù)腰部位置和所述基于舒適性的可達性評價體系中的一個等級，對肢體運動學模型進行蒙特卡洛仿真，確定一只手能夠達到的所有位置點；

步驟S33：對所有位置點進行曲面平滑處理，生成凸包曲面；

步驟S34：根據(jù)凸包曲面構(gòu)建單手可達包絡面；

步驟S35：根據(jù)單手可達包絡面，利用軸對稱構(gòu)建雙手可達包絡面；

步驟S36：重復步驟S32至步驟S35，確定基于舒適性的可達性評價體系中的每個等級下的雙手可達包絡面；

將數(shù)字樣機和虛擬人導入虛擬環(huán)境，構(gòu)建虛擬維修場景；

將不同等級下的雙手可達包絡面導入所述虛擬維修場景，生成可達性評分；首先確定產(chǎn)品中的待評價維修目標點，通過可達性參數(shù)化評價工具交互界面，向所構(gòu)建的虛擬維修場景中依次導入范圍由大到小、等級由低到高的雙手可達包絡面，并根據(jù)虛擬人位置校準雙手可達包絡面位置；若某一評分k下的雙手可達包絡面完全覆蓋可達目標點而評分k+1的雙手可達包絡面無法完全覆蓋目標點，則核查點的可達性評分為k；舉例說明，將基于舒適性的可達性評價體系中的2等級下的雙手可達包絡面導入虛擬維修場景中，如果沒有覆蓋目標點，則不可達，生成可達性評分為1；如果覆蓋目標點，則繼續(xù)導入3等級下的雙手可達包絡面，以此類推，直到k+1等級下的雙手可達包絡面無法完全覆蓋目標點，則生成可達性評分為k；維修人員能夠根據(jù)可達性評分進行確定是否可達以及維修位置。