王玉泉，韩朝帅

WANG Yu-quan，HAN Chao-shuai

(装甲兵工程学院 技术保障工程系，北京 100072)

0 引言

虚拟维修仿真[1]是指利用先进的虚拟现实技术，在虚拟环境中对产品数字样机进行维修拆卸、零部件更换和安装等仿真试验。虚拟仿真技术[2]的广泛应用将传统的“设计—试验—分析—改进”模式逐渐转变为“各阶段同时进行”的模式，基本实现了产品设计研制和维修性验证评价工作的并行开展，使得在对产品设计提出了更改建议的同时避免了物理样机造成的时间和资源的浪费，是产品维修性的研究热点之一。

虚拟仿真时间可信度是仿真可信度的重要指标之一，尤其在产品的一些定量指标上体现的更为明显。另外，由文献[3-6]可知，无论美国还是我国，目前虚拟维修仿真多侧重于对提高产品维修过程精度的仿真研究，在提高产品维修时间精度的建模和仿真方面缺乏深入的研究。本文在“维修动素”的概念基础上，提出“维修动素标准时间”这一新的概念，开发出适用于Jack软件的维修时间辅助系统，提高了虚拟维修时间的仿真精度，对研究虚拟维修仿真具有十分重要的参考意义。

1 虚拟维修时间建模研究

1.1 维修时间分解模型

图1 M型主离合器维修时间基本层次结构

在维修性工程的基础上，按照维修层次的不同，将产品维修时间分解为：产品维修时间、维修事件时间、维修作业时间、维修基本作业单元时间和维修动素标准时间。产品维修时间是指为保持或恢复产品到规定功能状态而进行维修活动所消耗的时间；维修事件时间是指按规定的维修计划进行的维修活动所消耗的时间，产品维修可以由若干个维修事件组成；维修作业时间是指完成规定的维修作业所消耗的时间，如故障检测时间、定位时间和隔离时间等，每个维修事件都是由若干个维修作业组成的；维修基本作业单元是最基本的维修活动，如拧螺栓、焊接等；每一个维修基本作业单元都可以由若干个维修基本动素组合而成，如拧螺钉的时间由左手食指和大拇指抓住螺钉，右手抓握螺丝刀工具，定位至螺钉旋转点，旋转螺丝刀（n圈），拧下后释放螺丝刀这5个基本动素所消耗的时间组成。图1为M型主离合器维修时间层次结构图。

1.2 维修动作模型

人的维修动作由人所操纵的对象决定[6]。对机械产品而言，人的维修动作对象主要分为以下四类：一般零部件、紧固件、操纵器和工具。一般零部件是指轴、盖板、销子和卡锁等常规零部件，特点是受机体的一定约束，即人体操作零部件的时候也会有一定的约束；紧固件是指可以用手快速解脱的紧固件，特点是多为旋转或拉动；操纵器根据运动特点分为转动式、平动式和脚操纵器；实际维修，中大部分的维修作业都需要工具来支持，因为操作工具所涉及到的人体运动是相当复杂的，所以合理规划虚拟人按照规定的方式进行工具的使用，建立合适的工具操作运动模型。因此，将人体维修动作根据对象分为四大类：一般零部件维修动作、紧固件操作动作、操纵器操纵动作和工具使用动作。通过对这四类操作的常见动作进行分析，构成适合于装甲装备的人体维修动作模型，如图2所示。

1.3 维修动素标准时间模型

从维修动作到维修动素，可以看出，每一种维修动作实际上是若干个维修动素组合而成的，维修动作的设计实现，就是将相关的维修动素适当的组合在一起，使虚拟人完成相应维修动作的模型。因此，在维修动作模型的基础上，分类归纳得出能够满足维修仿真需求的人体维修动素集。通过C++语言对各维修动素类进行定义，实现各动素类中函数的设计，并在实际环境中对各动素时间函数进行维修时间样本获取，进而开发出维修时间辅助系统，实现对维修动素标准时间函数的封装和调用。

图2 装甲兵维修动作模拟图

1.3.1 维修动素类的定义

根据图2装甲兵维修动作模型，总结归纳得出适合装甲装备虚拟维修仿真的维修动素集。表1为适用于Jack软件的10种虚拟人维修动素及其类的概念。

表1 虚拟人维修动素及其类的概念

由表1可知，维修时间辅助系统包括10个动素类，每个动素类都包含其相应的若干个函数。例如：Control类包括旋转(revolve)、推(push)、拉(pull)、抽(draw)、提(boost)、举(lift)、搬(carry)和按(press)8个方法；SpaceMove类包括走(walk)、弯腰走(bendWalk)、侧身走(sidle)、跨步(stride)、攀爬(climb)、跑(run)、匍匐前进(crawl)、倒行(down)及跳跃(jump)9个函数。

1.3.2 维修动素标准时间建模

确定维修动素类的时间函数后，必须在类中对函数进行定义和封装，进而实现在Jack软件中对时间函数的调用。以时间函数“走(walk)”为例，对其设计进行描述，如图3所示。其他时间函数照此法进行。

图3 时间函数“walk”设计流程图

由图3可知，“walk”函数设计时，首先，应确认个体的年龄属性（中年/青年/未成年、男/女）；其次，确定个体是否徒手作业，若否，则确认携带物体重量，通过公式（1）得到虚拟人行走速度；最后，对该时间函数进行计算机语言定义。

其中，v′为虚拟人携带物品行走速度；

v 为虚拟人徒手行走速度；

m为虚拟人自身质量；

m′为携带物体质量。

动素时间函数“walk”的定义函数为：

对某些附有随机变量的维修动素时间函数，可以根据其实际情况进行函数输出值的微调；另外，定义时间函数时必须考虑维修动素标准时间的不确定性，以尽可能的提高仿真可信度。

1.4 维修时间辅助系统

综合维修动素类及其时间函数的定义、封装和调用，开发出辅助Jack软件进行虚拟维修仿真时的时间获取系统，即维修时间辅助系统。正确设置该系统和Jack软件的接口，实现在Jack仿真中对动素时间函数的调用，进而保证仿真的时间准确性。

2 实例仿真分析

Jack 6.1仿真软件中，以“取下轮盘毡垫”为例，进行实例仿真，并通过实际环境试验进行对比验证。

2.1 维修时间分解

按照维修过程时间分解模型（图1），对“取下轮盘毡垫”这一基本维修作业单元进行分解，分解如图4所示。

图4 “取下轮盘毡垫”动素流程图

2.2 虚拟维修仿真

在Jack软件中构建装甲车乘员舱虚拟环境，导入主离合器样机，调用维修动素时间辅助系统，操控特征为中国青年男士的虚拟人体模型进行图4所示动素流程。表2为10次试验后的统计结果。

统计得到维修动作“取下轮盘毡垫”的仿真时间，如表3所示。

由表3可知，统计10次维修动作“取下轮盘毡垫”的仿真数据，得到该维修动作仿真时间平均值为4.85s。在实际环境中对该维修动作进行10次试验，统计得到其试验时间数据，如表4所示。

由表4可知，通过实际环境试验，得到维修动作“取下轮盘毡垫”的试验时间平均值为4.93s，方差为0.43s。综上可得，通过Jack软件进行维修动作“取下轮盘毡垫”的仿真时间与实际环境中的试验时间基本一致，即通过该维修时间辅助系统进行虚拟维修仿真统计得到的时间数据与实际环境试验比较贴近。

表2 “取下轮盘毡垫”动素仿真时间

表3 “取下轮盘毡垫”动作仿真时间

表4 “取下轮盘毡垫”试验时间

3 结束语

本文针对虚拟维修仿真中缺少对维修时间的仿真这一现状，提出虚拟人维修动素标准时间这一概念，并通过实际环境统计试验和数学建模方法开发出基于Jack的维修时间辅助系统，实现了Jack软件中对维修时间的仿真，对解决产品全寿命阶段进行虚拟维修仿真时的仿真时间可信度问题提供了重要的参考价值。

[1]甘茂治,等.维修性设计与验证[M].北京:国防工业出版社,1995.

[2]甘茂治,等.维修性工程[M].北京:国防工业出版社,1991.

[3]Fleishman E.A.,Quaintance M.K.Taxonomies of Human Performance:The Description of Human Tasks[M].Academic Press,1984.

[4]Matthew D,Bauer,Zahed Siddique,David W.Rosen.A Virtual Prototyping System for Design for Assembly,Disassembly and Service[C].Proceedings of DETC 98:1998 ASME Design Engineering Technical Conferences September 13-16:1998,Atlanta,Georgia.

[5]Ranko Vujosevic.Maintainability Analysis in Concurrent Engineering of Mechanical System[J].Concurrent Engineering:Research and Applications,Vol 3,No1,March 1995.

[6]李星新,郝建平,柳辉.虚拟维修仿真中维修动素的设计与实现[J].中国机械工程,2005,16(2):155-160.

[7]徐达,王宝琦,吴溪.基于虚拟仿真的维修性定量指标验证方法[J].航天控制,2013,01:86-90.

[8]常高祥,徐晓刚,张雷.虚拟维修中虚拟人的动作模型设计[J].工程图学学报,2011,01:99-102.

[9]张中波.基于Petri网的虚拟维修动作流程层次化建模研究[J].制造业自动化,2012,34(3):57-59.