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摘要：针对虚拟维修技术在民机维修性设计中的需求，研究了虚拟维修中的关键要素虚拟人。首先分析了虚拟人的建模要求，然后阐述了虚拟人资源库的创建方法，最后分析了基于虚拟人在维修性仿真过程中的应用。
关键词：维修性；虚拟人；建模；可达性；人素工程
将维修性纳入民机设计过程，通过设计、分析与验证实现民机维修性要求，既提高了设计与维修效率，降低了成本，又是提高民机质量水平的客观需要[1]。虚拟维修利用现有的数字样机和相关维修信息，创建虚拟维修环境，在虚拟环境中仿真维修过程，从而在民机设计早期对其维修性进行分析评价，达到为系统设计提供帮助的目的[2]。
人是维修操作的实施者，民机维修性仿真分析效果很大程度取决于虚拟人的真实感。虚拟人作为虚拟维修的关键要素，是对虚拟环境中人体运动控制和人体行为控制研究的基础。文章在虚拟维修相关技术的基础上，对虚拟人技术进行了研究。
1.虚拟人建模
虚拟人是真实人在虚拟环境中映射，有自身的物理模型，同时具备虚拟环境中的几何、时间属性，可以与虚拟环境进行交互，影响周围的环境。虚拟人建模是解决人的几何特性问题，基本工作是建立逼真的虚拟人体模型，也是对虚拟人展开应用研究的基础。在建立虚拟人时，需考虑以下三个方面：用虚拟人做什么、需要的虚拟人看上去应该是什么样子、虚拟人在预期的应用领域应具备什么典型特征[3]。
根据描述、存储信息的差异，人体几何模型有棒几何模型、实体几何模型、表面几何模型[4]。表面几何模型存储了人体框架線段信息和人体各表面的几何描述信息，该方法是利用一系列的多边形或者曲面片，将由基本关节确定的人体骨架包围起来，形成人体外形，可进行人体曲面外形显示。该方法能很好表示空间接触与遮挡、扭转、人体局部变化，具备一定的关节运动特性，逼真度高。因此，民机维修性仿真分析宜采用表面几何模型。
依据合理的人体指标，才能设计出适用的虚拟人。与维修对象和维修工具的建模不同。虚拟人的建模需要考虑具体的维修对象，不同的维修活动对维修人员的要求不一。建模过程中还要调查不同人群的人体尺寸指标，如身高、臂长的尺寸，主要活动部位的尺寸比例。不同的国家和地区，人体的各个指标不同，在我国可参考GB10000-88《中国成年人人体尺寸》。
2.虚拟人仿真资源库
虚拟人的动作姿态调整是仿真工作的重点，建立完善的虚拟人姿态库和动作库，有利于提高仿真效率。本文将初步研究仿真过程中虚拟人手部姿态库创建、躯干姿态库创建和躯干动作库创建。
2.1创建手部姿态库
在民机维护过程中，几乎所有的维修操作是由人手完成的，每只手有20个自由度，通过改变各个关节的关节角，手可以实现多种抓握姿态，手在躯干的牵引下，实现各种操作。因此在具体动作姿态库的建立过程中，手是重要的研究对象，以“手”为主要对象研究局部姿态库的创建。
2.2创建躯干姿态库
人体躯干姿态库是针对维修过程中，人体常见的躯干姿态建立的。人体躯干包括头部及四肢。针对人体躯干研究躯干姿态库的创建，面向民机维修的人体躯干基本姿态主要有：站姿、跪姿、躺姿、蹲姿等。且每种姿态又包含多个种类，例如跪姿包括双膝跪地、单左膝跪地、单右膝跪地。
人体躯干姿态库存储人体整个躯干的常用姿态。与人手姿态库不同，躯干姿态库存储了人体的全部信息。在进行躯干姿态库重用时，人体的整个姿态被调整。为了保证仿真的逼真性和合理性，躯干姿态库仅适合小范围身体姿态变化，且多数情况下仍需要设计人员进一步调整才能满足要求。
2.3创建躯干动作库
对于大范围的身体姿态调整，则需要使用躯干动作库。与躯干姿态库相比，躯干动作库不仅是针对整体身体姿态调整，而且记录了虚拟人身体调整前后两个姿态之间的过程信息，它包含了多个渐变的身体姿态。从标准站姿到双膝跪地，通过调用躯干动作库，将直接生成从站姿到双膝跪地的一段过程仿真片段。
3.维修性仿真过程中的应用
在民机维修性设计中，利用虚拟维修技术对分析对象的维修过程进行仿真，验证分析对象的维修实体可达性、可视性、维修空间、人体舒适度等。
1）基于虚拟人人体包络球方法，在虚拟环境中遍历虚拟人的姿态，验证维修对象的实体可达性；
2）基于虚拟人人体视锥方法，在虚拟环境中遍历虚拟人的姿态，验证维修对象的可视性；
3）基于碰撞检测方法，分析仿真过程中虚拟人、维修工具、维修对象间是否发生碰撞，验证分析对象的维修操作空间；
4）基于快速上肢分析方法，分析虚拟人在某个姿态、动作下的舒适程度，分析维修人员是否易疲劳。
在民机维修性仿真分析中，利用虚拟人模拟自然人完成各种维修操作，实现过程仿真，验证民机的维修性符合程度。仿真中虚拟人的行为基本表示了真实维修中维修人员的行为，进行仿真操作时，能及时发现飞机设计中的缺陷以及维修手册中关于维修规划的错误，可以及时将信息反馈给设计部门，指导设计人员进行设计优化。
参考文献：
[1]甘茂治，吴真真，田仲，等.维修性设计与验证.北京：国防工业出版社，1995
[2]李澍.虚拟人运动建模与仿真方法及其飞机维修性设计中的应用：[博士学位论文].上海：同济大学，2011
[3]郝建平.虚拟维修仿真理论与技术. 北京：国防工业出版社，2008
[4]贺少华，吴新跃.桌面式虚拟现实维修训练系统的研究与应用. 计算机工程，2008
关键词：维修性；虚拟人；建模；可达性；人素工程
将维修性纳入民机设计过程，通过设计、分析与验证实现民机维修性要求，既提高了设计与维修效率，降低了成本，又是提高民机质量水平的客观需要[1]。虚拟维修利用现有的数字样机和相关维修信息，创建虚拟维修环境，在虚拟环境中仿真维修过程，从而在民机设计早期对其维修性进行分析评价，达到为系统设计提供帮助的目的[2]。
人是维修操作的实施者，民机维修性仿真分析效果很大程度取决于虚拟人的真实感。虚拟人作为虚拟维修的关键要素，是对虚拟环境中人体运动控制和人体行为控制研究的基础。文章在虚拟维修相关技术的基础上，对虚拟人技术进行了研究。
1.虚拟人建模
虚拟人是真实人在虚拟环境中映射，有自身的物理模型，同时具备虚拟环境中的几何、时间属性，可以与虚拟环境进行交互，影响周围的环境。虚拟人建模是解决人的几何特性问题，基本工作是建立逼真的虚拟人体模型，也是对虚拟人展开应用研究的基础。在建立虚拟人时，需考虑以下三个方面：用虚拟人做什么、需要的虚拟人看上去应该是什么样子、虚拟人在预期的应用领域应具备什么典型特征[3]。
根据描述、存储信息的差异，人体几何模型有棒几何模型、实体几何模型、表面几何模型[4]。表面几何模型存储了人体框架線段信息和人体各表面的几何描述信息，该方法是利用一系列的多边形或者曲面片，将由基本关节确定的人体骨架包围起来，形成人体外形，可进行人体曲面外形显示。该方法能很好表示空间接触与遮挡、扭转、人体局部变化，具备一定的关节运动特性，逼真度高。因此，民机维修性仿真分析宜采用表面几何模型。
依据合理的人体指标，才能设计出适用的虚拟人。与维修对象和维修工具的建模不同。虚拟人的建模需要考虑具体的维修对象，不同的维修活动对维修人员的要求不一。建模过程中还要调查不同人群的人体尺寸指标，如身高、臂长的尺寸，主要活动部位的尺寸比例。不同的国家和地区，人体的各个指标不同，在我国可参考GB10000-88《中国成年人人体尺寸》。
2.虚拟人仿真资源库
虚拟人的动作姿态调整是仿真工作的重点，建立完善的虚拟人姿态库和动作库，有利于提高仿真效率。本文将初步研究仿真过程中虚拟人手部姿态库创建、躯干姿态库创建和躯干动作库创建。
2.1创建手部姿态库
在民机维护过程中，几乎所有的维修操作是由人手完成的，每只手有20个自由度，通过改变各个关节的关节角，手可以实现多种抓握姿态，手在躯干的牵引下，实现各种操作。因此在具体动作姿态库的建立过程中，手是重要的研究对象，以“手”为主要对象研究局部姿态库的创建。
2.2创建躯干姿态库
人体躯干姿态库是针对维修过程中，人体常见的躯干姿态建立的。人体躯干包括头部及四肢。针对人体躯干研究躯干姿态库的创建，面向民机维修的人体躯干基本姿态主要有：站姿、跪姿、躺姿、蹲姿等。且每种姿态又包含多个种类，例如跪姿包括双膝跪地、单左膝跪地、单右膝跪地。
人体躯干姿态库存储人体整个躯干的常用姿态。与人手姿态库不同，躯干姿态库存储了人体的全部信息。在进行躯干姿态库重用时，人体的整个姿态被调整。为了保证仿真的逼真性和合理性，躯干姿态库仅适合小范围身体姿态变化，且多数情况下仍需要设计人员进一步调整才能满足要求。
2.3创建躯干动作库
对于大范围的身体姿态调整，则需要使用躯干动作库。与躯干姿态库相比，躯干动作库不仅是针对整体身体姿态调整，而且记录了虚拟人身体调整前后两个姿态之间的过程信息，它包含了多个渐变的身体姿态。从标准站姿到双膝跪地，通过调用躯干动作库，将直接生成从站姿到双膝跪地的一段过程仿真片段。
3.维修性仿真过程中的应用
在民机维修性设计中，利用虚拟维修技术对分析对象的维修过程进行仿真，验证分析对象的维修实体可达性、可视性、维修空间、人体舒适度等。
1）基于虚拟人人体包络球方法，在虚拟环境中遍历虚拟人的姿态，验证维修对象的实体可达性；
2）基于虚拟人人体视锥方法，在虚拟环境中遍历虚拟人的姿态，验证维修对象的可视性；
3）基于碰撞检测方法，分析仿真过程中虚拟人、维修工具、维修对象间是否发生碰撞，验证分析对象的维修操作空间；
4）基于快速上肢分析方法，分析虚拟人在某个姿态、动作下的舒适程度，分析维修人员是否易疲劳。
在民机维修性仿真分析中，利用虚拟人模拟自然人完成各种维修操作，实现过程仿真，验证民机的维修性符合程度。仿真中虚拟人的行为基本表示了真实维修中维修人员的行为，进行仿真操作时，能及时发现飞机设计中的缺陷以及维修手册中关于维修规划的错误，可以及时将信息反馈给设计部门，指导设计人员进行设计优化。
参考文献：
[1]甘茂治，吴真真，田仲，等.维修性设计与验证.北京：国防工业出版社，1995
[2]李澍.虚拟人运动建模与仿真方法及其飞机维修性设计中的应用：[博士学位论文].上海：同济大学，2011
[3]郝建平.虚拟维修仿真理论与技术. 北京：国防工业出版社，2008
[4]贺少华，吴新跃.桌面式虚拟现实维修训练系统的研究与应用. 计算机工程，2008