[发明专利]一种虚拟场景下基于舒适性的可达性评价方法及系统

权利要求书

1.一种虚拟场景下基于舒适性的可达性评价方法，其特征在于，所述方法包括：

构建肢体运动学模型；

所述构建肢体运动学模型，具体包括：

确定影响人体可达性的五个活动关节及十个自由度；所述活动关节包括：腰部、颈椎和脊椎连接处、肩部、肘部以及手腕；所述自由度包括：腰部的3个自由度：人体上身从腰部向前或向后的倾角、人体上身从腰部向左或向右的倾角和人体上身从腰部的旋转角度；肩部的3个自由度：大臂外撇或内合的角度、大臂上抬或下放的角度和以大臂为轴，肩关节旋转角度；肘部的2个自由度：大小臂与肘部的夹角和以小臂为轴，肘关节旋转的角度；手腕的2个自由度：腕关节处，手掌向侧面弯曲的角度和腕关节处和手掌向正反面弯曲的角度；

以连杆模型为基础，建立从腰部到手指尖的6节点5连杆肢体运动学模型，连杆模型原理是对每个自由度分别建立坐标系，以坐标系与坐标系之间的变化矩阵来刻画关节之间的相对运动关系以及控制活动角度和范围，坐标系i相对于坐标系i-1的变化转移矩阵如公式(1)所示：

其中，a_i为杆长，表示相连两个关节轴线之间的距离；α_i为转角，表示坐标系i上x_i轴从z_i-1轴按照右手法则旋转至z_i轴的角度；d_i为平移量，代表相邻连杆在关节轴线的距离之差，z_i-1轴的正向为其正方向；θ_i为旋转量，表示z轴按照右手法则从x_i-1轴旋转至x_i轴的角度；自由度设为N_i-1，i＝1,2,…10；

根据人体工程学、国标以及实验确定连杆模型参数，包括每个自由度活动角度和每个关节之间的长度；其中人体上身从腰部向前或向后的倾角θ₁的范围为-10°～37°，人体上身从腰部向左或向右的倾角θ₂的范围为-8°～8°，人体上身从腰部的旋转角度θ₃的范围为-10°～10°；以小臂为轴，肘关节旋转的角度θ₈的范围为-70°～80°；

根据每个自由度的活动角度和每个关节之间的肢体长度确定相邻自由度间相对位置变化约束关系；

根据相邻自由度间相对位置变化约束关系确定手指相对腰部的相对位置变化约束关系；

根据肢体运动学模型确定基于舒适性的可达性评价体系；

所述根据肢体运动学模型确定基于舒适性的可达性评价体系，具体包括：

从肢体运动学模型中选取影响舒适性的六个自由度；

通过快速上肢评估法对所述六个自由度的活动范围分别进行舒适性评分；

根据六个自由度活动范围的舒适性评分确定手臂舒适性评分和躯干舒适性评分；其中大臂外撇或内合的角度为θ₅，θ₅＝0°时，得分为0；0°≤θ₅＜90°或-45°＜θ₅≤0°时，得分为1；大臂上抬或下放的角度为θ₄，-20°≤θ₄≤20°时，得分为1；-40°≤θ₄＜-20°或20°＜θ₄≤45°时，得分为2；45°＜θ₄≤90°时，得分为3；90°＜θ₄≤120°时，得分为4；大小臂与肘部的夹角为θ₇，60°≤θ₇≤100°时，得分为0；0°≤θ₇＜60°或100°＜θ₇≤130°时，得分为1；人体上身从腰部向前或向后的倾角为θ₁，θ₁＝0°时，得分为1；0°≤θ₁＜20°或-10°＜θ₁≤0°时，得分为2；20°≤θ₁＜37°时，得分为3；人体上身从腰部向左或向右的倾角为θ₂，θ₂＝0°时，得分为0；-8°≤θ₂＜0°或0°＜θ₂≤8°时，得分为1；人体上身从腰部的旋转角度为θ₃，θ₃＝0°时，得分为0；-10°≤θ₃＜0°或0°＜θ₃≤10°时，得分为1；

根据手臂舒适性评分和躯干舒适性评分确定基于舒适性的可达性评价体系；通过模糊综合评价法对每一种情况进行舒适性评价从而确定得分，评分为2-8分，8分代表维修目标位置存在于最舒服的可达区域；评价因素论域为手臂舒适性和躯干舒适性，权重相同，各为0.5；评价等级论域由2到8分，共7个等级组成；模糊评价向量合成算子为矩阵乘法；评分的确定采用隶属度最大原则；

根据基于舒适性的可达性评价体系，对肢体运动学模型进行蒙特卡洛仿真，生成不同等级下的双手可达包络面；

所述根据基于舒适性的可达性评价体系，对肢体运动学模型进行蒙特卡洛仿真，生成不同等级下的双手可达包络面，具体包括：

步骤S31：确定腰部位置；

步骤S32：根据腰部位置和所述基于舒适性的可达性评价体系中的一个等级，对肢体运动学模型进行蒙特卡洛仿真，确定一只手能够达到的所有位置点；

步骤S33：对所有位置点进行曲面平滑处理，生成凸包曲面；

步骤S34：根据凸包曲面构建单手可达包络面；

步骤S35：根据单手可达包络面，利用轴对称构建双手可达包络面；

步骤S36：重复步骤S32至步骤S35，确定基于舒适性的可达性评价体系中的每个等级下的双手可达包络面；

将数字样机和虚拟人导入虚拟环境，构建虚拟维修场景；

将不同等级下的双手可达包络面导入所述虚拟维修场景，生成可达性评分；首先确定产品中的待评价维修目标点，通过可达性参数化评价工具交互界面，向所构建的虚拟维修场景中依次导入范围由大到小、等级由低到高的双手可达包络面，并根据虚拟人位置校准双手可达包络面位置；若某一评分k下的双手可达包络面完全覆盖可达目标点而评分k+1的双手可达包络面无法完全覆盖目标点，则核查点的可达性评分为k；举例说明，将基于舒适性的可达性评价体系中的2等级下的双手可达包络面导入虚拟维修场景中，如果没有覆盖目标点，则不可达，生成可达性评分为1；如果覆盖目标点，则继续导入3等级下的双手可达包络面，以此类推，直到k+1等级下的双手可达包络面无法完全覆盖目标点，则生成可达性评分为k；维修人员能够根据可达性评分进行确定是否可达以及维修位置。