CN113269448A - 虚拟现实环境中人机工效的可装配性评价***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开虚拟现实环境中人机工效的可装配性评价***及方法，本发明提供的***包括：运动捕捉装置，图形工作站；所述图形工作站与运动捕捉装置连接；所述运动捕捉装置用于采集真实运动数据；所述图形工作站用于获取所述真实运动数据，基于所述真实运动数据，控制虚拟测试场景中的虚拟测试人体，基于所述虚拟测试人体，获取可装配性评价结果。本发明提供的***可以准确获取可装配性评价结果，同时不需要人工进行采集及逐帧抓取，极大的减少了时间。

Description

虚拟现实环境中人机工效的可装配性评价***及方法
技术领域
本发明涉及人工机效评价技术领域，特别涉及虚拟现实环境中人机工效的可装配性评价***及方法。
背景技术
可装配性评价考虑了装配中的人机工效、产品几何公差、装配复杂性和装配质量，可用于人工装配基本复杂性的主动识别和评估，帮助设计师在装配过程中防止代价高昂的错误，并在新产品设计的早期阶段创造良好的基本装配条件，大大提高产品质量。但是在现有的装配复杂度评价方法评价中，需要设计师对虚拟场景中的装配姿态进行逐帧抓取，由于需要进行人工抓取，所抓取的姿态可能并不属于可装配性评价下的最优数据，导致可装配性评价并不准确，同时人工抓取会浪费大量的时间和人力资源。
发明内容
为解决上述现有技术中所存在的可装配性评价不准确，耗时耗力的问题，本发明提供一种虚拟现实环境中人机工效的可装配性评价***，包括：运动捕捉装置，图形工作站；
所述图形工作站与运动捕捉装置连接；
所述运动捕捉装置用于采集真实运动数据；
所述图形工作站用于获取所述真实运动数据，基于所述真实运动数据，控制虚拟测试场景中的虚拟测试人体，获取所述虚拟测试人体的虚拟姿态数据，基于所述虚拟姿态数据，获取可装配性评价结果；
所述图形工作站中设有场景单元，数据采集单元，RULA单元，分值处理单元；
所述场景单元、数据采集单元、RULA单元、分值处理单元依次连接；
所述场景单元用于搭建虚拟测试场景，并获取所述真实运动数据，基于所述真实运动数据对所述虚拟测试人体进行控制；
所述数据采集单元基于所述虚拟测试人体，采集场景单元中所述虚拟人体中的虚拟姿态数据；
所述RULA单元基于所述虚拟姿态数据获取RULA分值；
所述分值处理单元基于所述RULA分值获取可装配性评价结果。
优选的，所述运动捕捉装置包括：第一运动捕捉装置、第二运动捕捉装置；
所述第一运动捕捉装置、第二运动捕捉装置均与所述图形工作站连接；
所述第一运动捕捉装置用于显示所述虚拟测试场景，并采集第一真实运动数据；
所述第二运动捕捉装置用于采集第二真实运动数据；
所述第一真实运动数据包括头部运动数据及手部运动数据；
所述第二真实运动数据包括头部及手部之外身体运动数据。
优选的，所述第一运动捕捉装置采用手势捕捉装置及头显装置，
所述手势捕捉装置与头显装置连接，
所述手势捕捉装置用于实时采集手部真实运动数据；
所述头显装置用于实时采集头部真实运动数据，并显示虚拟测试场景。
优选的，所述图形工作站还包括驱动模块；
所述驱动模块与运动捕捉装置连接；
所述驱动模块用于实时驱动运动捕捉装置进行真实运动数据采集。
本发明还提供了一种虚拟现实环境中人机工效的可装配性评价方法，包括，
搭建虚拟测试场景，所述虚拟测试场景中设有虚拟测试人体及虚拟测试部件；
实时采集真实运动数据，基于所述真实运动数据，通过控制所述虚拟测试人体，调整所述虚拟测试部件，实时获取所述虚拟测试人体的虚拟姿态数据；
基于所述虚拟姿态数据及所述虚拟测试场景，通过RULA工作表，获取姿态RULA分值；
基于所述姿态RULA分值，获取RULA分值曲线，基于所述RULA分值曲线，获取可装配性评价结果。
优选的，所述获取虚拟测试人体的姿态数据具体步骤包括：
通过控制虚拟测试人体完成装载任务，实时获取装载任务完成过程中所述虚拟测试人体的虚拟姿态数据；
其中，所述装载任务基于虚拟测试部件进行创建。
优选的，所述虚拟姿态数据包括但不限于，头部位置、颈部位置、躯干位置、前臂位置、上臂位置、手部位置、腿部位置。
优选的，基于所述RULA分值曲线获取所述可装配性实验评价的具体过程包括：
基于所述RULA分值曲线，获取RULA最大值和RULA均值，根据RULA最大值，获取最大的受伤风险；根据RULA均值，获取疲劳程度。
本发明具有如下效果：
本发明提供的***及方法通过分析实时RULA分值曲线获取可装配性评价结果，其中，根据实时RULA分值曲线得到的RULA最大值，可定位装配过程中的最差姿势，在该姿势下操作人员有最大的受伤风险；RULA均值表示该任务RULA分值平均水平，可反映操作人员对该任务的疲劳程度。本发明在虚拟环境中对产品装配的可装配性评价进行高精度虚拟仿真，可以准确获取可装配性评价结果，同时不需要人工进行采集及逐帧抓取，极大的减少了时间及人力资源，同时基于可装配性评价结果，可准确评价实际生产装配人机工效条件，降低对操作人员产生有害影响的风险，提高产品质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的***示意图；
图2为本发明实施例提供的方法流程示意图；
图3为本发明实时例提供的实时获取的RULA分值曲线图；
图4为本发明实施例提供的JACK***RULA分值图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决在现有技术中存在盲目性高、成本高、效率低等问题，本发明提供了如下方案：
如图1所述，本发明提供了一种虚拟现实环境中人机工效的可装配性评价***，包括：运动捕捉装置，图形工作站；
所述图形工作站与运动捕捉装置连接；
所述运动捕捉装置用于采集真实运动数据；
所述运动捕捉装置包括：第一运动捕捉装置、第二运动捕捉装置；
所述第一运动捕捉装置、第二运动捕捉装置均与所述图形工作站连接；
所述第一运动捕捉装置用于显示所述虚拟测试场景，并采集第一真实运动数据；
所述第二运动捕捉装置用于采集第二真实运动数据；
所述第一真实运动数据包括头部运动数据及手部运动数据；
所述第二真实运动数据包括头部及手部之外身体运动数据。
所述第一运动捕捉装置采用手势捕捉装置及头显装置，
所述手势捕捉装置与头显装置连接，
所述手势捕捉装置用于实时采集手部真实运动数据；
所述头显装置用于实时采集头部真实运动数据，并显示虚拟测试场景。
进一步的，头显装置采用HTC Vive头显，所述HTC Vive头显的单眼分辨率1080x1200像素，其刷新率90Hz，视场角110°。将沉浸式虚拟现实环境呈现给测试者和追踪测试者的头部运动。手势捕捉装置采用LeapMotion体感控制器，LeapMotion手势捕捉装置与HTC Vive头显进行连接，装配为一体，基于LeapMotion SDK，获取手部运动数据，以及开发所有基于手持式控制器开发的手部交互功能，如抓取虚拟环境中的物体。LeapMotion体感控制器采用立体视觉原理，通过测量光线的往返时间来判定距离，以及定位空间物体的坐标，可对双手姿态和位置进行捕捉，用人手操作取代了传统的手柄操作，真正意义上实现了对实际产品装配过程的模拟。
进一步的，第二运动捕捉装置采用Kinect v2传感器，Kinect v2传感器安装在支架上，摆放在测试者面前，基于Kinect v2 SDK，开发全身运动捕捉功能，实现虚拟测试人体除头部及手部之外发的全身实时控制。
所述图形工作站中设有场景单元，数据采集单元，RULA单元，分值处理单元；
所述场景单元、数据采集单元、RULA单元、分值处理单元依次连接；
所述场景单元用于搭建虚拟测试场景，并获取所述真实运动数据，基于所述真实运动数据对所述虚拟测试人体进行控制；
所述数据采集单元基于所述虚拟测试人体，采集场景单元中所述虚拟人体中的虚拟姿态数据；
所述RULA单元基于所述虚拟姿态数据获取RULA分值；
所述分值处理单元基于所述RULA分值获取可装配性评价结果。
所述图形工作站还包括驱动模块；
所述驱动模块与运动捕捉装置连接；
所述驱动模块用于实时驱动运动捕捉装置进行真实运动数据采集。
进一步的，图形工作站采用Intel Xeon Gold 6128CPU驱动头显装置显示虚拟场景。头显装置通过DP端口和USB 3.0端口与图形工作站连接，第二运动捕捉装置和手势捕捉装置采集的真实运动数据通过USB 3.0端口传输到图形工作站，通过上述端口对运动捕捉装置进行驱动。
如图2所示，基于本发明所提供的***，本发明还提供了一种虚拟现实环境中人机工效的可装配性评价方法，
包括，搭建虚拟测试场景，所述虚拟测试场景中设有虚拟测试人体及虚拟测试部件；
所述搭建虚拟测试场景的具体步骤包括：在虚拟测试场景内摆放虚拟前传动箱，所述虚拟前传动箱右侧放置虚拟工作台，所述虚拟工作台上摆放待装配的虚拟惰轮齿轮和虚拟惰轮轴。本发明所述虚拟场景在场景单元中进行搭建，同时由头显装置对测试者进行显示，测试者通过佩戴运动捕捉装置对虚拟测试人体进行控制。
实时采集真实运动数据，基于所述真实运动数据，通过控制所述虚拟测试人体，调整所述虚拟测试部件，实时获取所述虚拟测试人体的姿态数据。
所述获取虚拟测试人体的姿态数据具体步骤包括：通过控制虚拟测试人体完成装载任务，实时获取装载任务完成过程中所述虚拟测试人体的虚拟姿态数据；其中，所述装载任务基于虚拟测试部件进行创建。
进一步的，创建的装载任务测试分别包括抓取惰轮齿轮、装配惰轮齿轮、抓取惰轮轴、装配惰轮轴任务，具体步骤如下：
(1)虚拟测试人体从初始位置出发走向工作台，从工作台上抓取惰轮齿轮；(2)虚拟测试人体拿着惰轮齿轮走向前传动箱，将惰轮齿轮装配至指定位置；(3)虚拟测试人体起身走向工作台，从工作台上抓取惰轮轴；(4)虚拟测试人体拿着惰轮轴走向前传动箱，将惰轮轴装配至指定位置；(5)虚拟测试人体返回初始位置。
其中，所述虚拟姿态数据包括但不限于，头部位置、颈部位置、躯干位置、前臂位置、上臂位置、手部位置、腿部位置。
进一步的，实时获取装载任务测试过程中的虚拟测试人体的虚拟姿态数据，所述虚拟姿态数据包括虚拟测试人体的各肢体的位置。
基于所述虚拟测试人体的姿态数据及所述虚拟测试场景，通过RULA工作表，获取姿态RULA分值，
进一步的，获取所述姿态RULA分值具体步骤包括：基于虚拟测试场景，构建虚拟坐标系，基于所述虚拟姿态数据及虚拟坐标系，获取辅助面，基于辅助面，通过对所述虚拟姿态数据进行处理，获取工作表姿态数据，通过RULA工作表对所述工作表姿态数据进行分值匹配，获取姿态RULA分值。在虚拟测试场景中构建虚拟坐标系，所述坐标系以虚拟测试场景中的竖直方向为y轴方向，横向平面内做x轴与z轴，同时z轴方向为初始虚拟测试人体的横向朝向方向。
基于虚拟坐标系及虚拟姿态数据，构建辅助面，同时将虚拟姿态数据中各肢体的位置基于虚拟坐标系进行坐标的匹配，将各肢体的位置转换为坐标系中的肢体向量，将所述肢体向量投影到辅助面中，获取辅助面中每个所述肢体向量的辅助投影向量，通过获取相应的辅助投影向量之间的角度，将相应的辅助投影向量之间的角度设置为辅助角度，通过RULA工作表对辅助角度进行分值匹配，即选取RULA工作表中对应辅助角度之间的RULA分值，获取姿态RULA分值。
基于所述姿态RULA分值，获取RULA分值曲线，基于所述RULA分值曲线，获取可装配性评价结果。
基于所述RULA分值曲线获取所述可装配性实验评价的具体过程包括：基于所述RULA分值曲线，获取RULA最大值和RULA均值，根据RULA最大值，获取最大的受伤风险；根据RULA均值，获取疲劳程度。
进一步的，根据实时RULA分值曲线，可以得到该装配任务的RULA最大值和RULA均值，RULA最大值为某时刻或时间区间，RULA均值可以通过积分计算得到，根据实时RULA分值曲线得到的RULA最大值，可定位装配过程中的最差姿势，在该姿势下操作人员有最大的受伤风险；RULA均值表示该任务RULA分值平均水平，可反映操作人员对该任务的疲劳程度。
可装配性评价根据RULA分值，将姿势分为四个等级，分值越高，表示操作者在该姿势下的人机工效越差，该姿势对操作者带来有害影响的风险越大，如表1所示
表1
Figure BDA0003093097090000101
如图3所示的抓取惰轮齿轮任务，从RULA实时曲线图中可以看出，在0.82-1s和1.22-1.58s过程中，***的RULA最大值保持在5分，处于RULA等级的3级，说明在该时间段内用户的姿势最差，在该姿势下操作人员有较大的受伤风险。图3所示任务的RULA均值为4分，处于RULA等级的2级，表示该任务每帧RULA分值相对较多的中心位置，即该任务RULA分值平均水平，反映操作人员对该任务的疲劳程度，疲劳程度较小。
本发明所述***可以得到测试者完成任务整个过程的如图3所示的实时RULA分值曲线，而JACK只能得到如图4所示静态姿势的RULA分值，因此本发明所述***可对完成任务整个过程姿势进行分析。根据RULA实时分值曲线的峰值，同时回放进行任务时录制的视频，定位到整个任务过程中的最差姿势，在该姿势下操作人员有最大的受伤风险，将该信息反馈给设计人员以辅助可装配性设计。而JACK中评价的静态姿势是操作者手动调节关键帧得到，具有一定的主观性，反馈的不一定是整个任务过程中的最差姿势。
本发明提供的***及方法通过分析实时RULA分值曲线获取可装配性评价结果，其中，根据实时RULA分值曲线得到的RULA最大值，可定位装配过程中的最差姿势，在该姿势下操作人员有最大的受伤风险；RULA均值表示该任务RULA分值平均水平，可反映操作人员对该任务的疲劳程度。本发明在虚拟环境中对产品装配的可装配性评价进行高精度虚拟仿真，可以准确获取可装配性评价结果，同时不需要人工进行采集及逐帧抓取，极大的减少了时间及人工资源，同时基于可装配性评价结果，可为准确评价实际生产装配人机工效条件，降低对操作人员产生有害影响的风险，提高产品质量。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.虚拟现实环境中人机工效的可装配性评价***，其特征在于，包括：运动捕捉装置，图形工作站；
所述图形工作站与运动捕捉装置连接；
所述运动捕捉装置用于采集真实运动数据；
所述图形工作站用于获取所述真实运动数据，基于所述真实运动数据，控制虚拟测试场景中的虚拟测试人体，获取所述虚拟测试人体的虚拟姿态数据，基于所述虚拟姿态数据，获取可装配性评价结果；
所述图形工作站中设有场景单元，数据采集单元，RULA单元，分值处理单元；
所述场景单元、数据采集单元、RULA单元、分值处理单元依次连接；
所述场景单元用于搭建虚拟测试场景，并获取所述真实运动数据，基于所述真实运动数据对所述虚拟测试人体进行控制；
所述数据采集单元基于所述虚拟测试人体，采集场景单元中所述虚拟人体中的虚拟姿态数据；
所述RULA单元基于所述虚拟姿态数据获取RULA分值；
所述分值处理单元基于所述RULA分值获取可装配性评价结果。
2.根据权利要求1所述虚拟现实环境中人机工效的可装配性评价***，其特征在于：
所述运动捕捉装置包括：第一运动捕捉装置、第二运动捕捉装置；
所述第一运动捕捉装置、第二运动捕捉装置均与所述图形工作站连接；
所述第一运动捕捉装置用于显示所述虚拟测试场景，并采集第一真实运动数据；
所述第二运动捕捉装置用于采集第二真实运动数据；
所述第一真实运动数据包括头部运动数据及手部运动数据；
所述第二真实运动数据包括头部及手部之外身体运动数据。
3.根据权利要求2所述虚拟现实环境中人机工效的可装配性评价***，其特征在于：
所述第一运动捕捉装置采用手势捕捉装置及头显装置，
所述手势捕捉装置与头显装置连接，
所述手势捕捉装置用于实时采集手部真实运动数据；
所述头显装置用于实时采集头部真实运动数据，并显示虚拟测试场景。
4.根据权利要求1所述虚拟现实环境中人机工效的可装配性评价***，其特征在于：
所述图形工作站还包括驱动模块；
所述驱动模块与运动捕捉装置连接；
所述驱动模块用于实时驱动运动捕捉装置进行真实运动数据采集。
5.一种虚拟现实环境中人机工效的可装配性评价方法，其特征在于：包括，
搭建虚拟测试场景，所述虚拟测试场景中设有虚拟测试人体及虚拟测试部件；
实时采集真实运动数据，基于所述真实运动数据，通过控制所述虚拟测试人体，调整所述虚拟测试部件，实时获取所述虚拟测试人体的虚拟姿态数据；
基于所述虚拟姿态数据及所述虚拟测试场景，通过RULA工作表，获取姿态RULA分值；
基于所述姿态RULA分值，获取RULA分值曲线，基于所述RULA分值曲线，获取可装配性评价结果。
6.根据权利要求5所述虚拟现实环境中人机工效的可装配性评价方法，其特征在于：
所述获取虚拟测试人体的姿态数据具体步骤包括：
通过控制虚拟测试人体完成装载任务，实时获取装载任务完成过程中所述虚拟测试人体的虚拟姿态数据；
其中，所述装载任务基于虚拟测试部件进行创建。
7.根据权利要求5所述虚拟现实环境中人机工效的可装配性评价方法，其特征在于：
所述虚拟姿态数据包括但不限于，头部位置、颈部位置、躯干位置、前臂位置、上臂位置、手部位置、腿部位置。
8.根据权利要求5所述虚拟现实环境中人机工效的可装配性评价方法，其特征在于：
基于所述RULA分值曲线获取所述可装配性实验评价的具体过程包括：
基于所述RULA分值曲线，获取RULA最大值和RULA均值，根据RULA最大值，获取最大的受伤风险；根据RULA均值，获取疲劳程度。
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