[发明专利]一种基于人因势场的设备维修性布局设计方法

权利要求书

1.一种基于人因势场的设备维修性布局设计方法，其特征在于包括以下步骤：

一、建立可视性人因势场模型

根据视野视角和视距对维修性的影响，定义视野影响函数C_θ和视距影响函数C_l，构建可视性势能函数；

（1）C_θ(X_P)为视野影响函数，由垂直视野函数和水平视野函数构成；

定义垂直视野函数为：

式（1）中，θ_y为垂直视线角:θ_y1min，θ_y1max分别为最佳视野的最小垂直视线角和最大垂直视线角，θ_y0min，θ_y0max分别为最大视野的最小垂直视线角和最大垂直视线角；

定义水平视野函数表达式为：

Cθx=1θx=00|θx|>θx0max-0.1·|θx|θx1max+10<|θx|≤θx1max0.9·|θx|-θx0maxθx1max-θx0maxθx1max<|θx|≤θx0max---(2)]]>

式（2）中，θ_x为水平视线角：θ_x1max为最佳视野内最大水平视线角，θ_x0max为最大视野内最大水平视线角；

按照人眼可视锥机能，视野影响函数定义为水平视野函数和垂直视野函数的泛函为：

Cθ=C(Cθy,Cθx)Cθyy2x2+y2+Cθxx2x2+y2---(3)]]>

（2）视距影响函数C_l定义为：

Cl=1l=l10.2·l-l1l1-l1min1+1l1min≤l≤l1-0.2·l-l1maxl1-l1max+1l1≤l≤l1max0.8·ll1min0<l≤lmin0.8·l-l0maxlmax-l0maxl1max<l≤l0max0l>l0max---(4)]]>

式（4）中，l₁为最优视距，l_1min和l_1max分别为正常作业视距的最小值和最大值，l_0max表示最大作业视距；

（3）综合视野影响函数和视距影响函数，定义人眼对空间一点P的可视性势能函数为：

f_P(X_P)＝1-C_θ(X_P)·C_l(X_P)   （5）

利用公式（1）-公式（5），采用Matlab软件对可视性人因势场进行建模并进行可视化仿真，建立可视性人因势场模型；

二、基于人体的单手臂模型，建立可达性人因势场模型：

（1）以单手臂为研究对象，将人体手臂简化为考虑肩关节三个自由度、肘关节一个自由度和腕关节三个自由度的七自由度杆件机构，采用基于齐次坐标变换的D-H法建立手臂的运动学方程，根据各个关节角度的变化范围求出三维空间中人手臂的可达域，将其确定为场函数的域；

（2）对于可达域中的某一点X_P，与之相对应的关节角度为q_i，其中i＝1,2,…,DOF，DOF为各关节的自由度数；

采用关节角度偏离其中心位置的程度表示关节舒适度，并根据关节的重要程度加权得到手臂的舒适度，并以人体手臂舒适度表征人体手臂的空间可达性，则可达性势能函数表示为：

每个关节角度约束在其极限范围内即为每个关节自由度的中间位置，代表相对舒适的位置，从中间位置的位移变化为采用权重因子ω_i表示不同关节角度的重要程度，即其角度偏移量对手臂舒适度影响的重要性；

采用Matlab软件对可达性人因势场进行建模并进行可视化仿真，建立可达性人因势场模型；

三、进行人因势场的复合并生成势场分布图：

根据以上建立的可视性势能函数和可达性势能函数，定义复合人因势能函数为：

UF=[1-Cθ(XP)·Cl(XP)]·Σi=1DOFωi(qi-qiNqiU-qiN)2qiU≥qi≥qiN[1-Cθ(XP)·Cl(XP)]·Σi=1DOFωi(qi-qiNqiL-qiN)2qiN≥qi≥qiL---(7)]]>

其中：C_θ(X_P)为视野影响函数、C_l(X_P)为视距影响函数，q_i为从腰部到眼部和手部的各关节角度，为中心角度，q_imax为对应的最大活动范围，q_imin为对应的最小活动范围；ω_i为各关节舒适度的权值，满足DOF为各关节自由度之和；

采用Matlab软件进行可视化仿真，在三维设计空间中，先确定人修理时肩部的位置，然后生成U_F在三维设计空间中的人因势场分布图，通过颜色变化或者密级度表证人因势场的大小，得到复合后的人因势场分布图；

四、依据人因势场进行设备布局:

根据人因势场分布图中设备上的维修操作点与人因势场分布的相对关系，确定设备的位置布局，在设备不与周边物体发生碰撞的前提下，调整设备的空间位置，将各个操作点置于复合人因势能值较低的区域，从而保证良好的可视性和可达性。