● 摘要
工艺人机环境问题是复杂产品工艺设计过程中常见的综合性问题，不仅直接影响产品制造工艺设计质量，降低生产效率，而且还可能增加工人的劳动负荷，甚至存在生产安全等风险。目前的工艺设计方法仍难以避免此类问题的出现，唯有将人机仿真及评价技术引入到工艺设计环节中，才是尽早发现和解决此类问题的有效途径。为此，本文以飞机装配工艺人机环境设计评价方法研究为背景，以构建人机交互任务仿真自动生成系统为目标，在国家自然科学基金项目“飞机装配工艺姿态自适应计算及工效数值评估模型研究”（项目批准号：60873157）支持下，提出并开展适用于工艺人机环境设计评价的虚拟人建模、姿态计算、行为建模和任务规划等人机仿真关键技术的研究，为有效解决复杂产品工艺人机环境设计中所存在的问题提供理论、技术和方法支持。论文主要内容包括： 1）研究刚柔混合的人体几何建模技术。在拓宽传统代数旋转曲面概念的基础上，引入广义代数旋转曲面概念，提出并采用广义代数旋转曲面对人体肢体表面进行几何统一表示以及进行刚柔混合人体几何建模的方法。所建立的人体数字化定义为人机工程仿真及分析评价应用系统提供了一种较为生动和逼真的虚拟人模型。2）研究和建立虚拟人姿态计算方法。首先，以典型姿态分组数据库为基础，定义整体姿态选取规则及流程，并建立在给定姿态生成条件下的虚拟人整体姿态近似计算方法；然后，引入人工势场概念，给出运动链末端路径规划理论模型，并建立具有避障能力的虚拟人局部姿态优化精确计算算法；最后，综合运用整体姿态近似计算和局部姿态精确计算方法，构造满足约束条件的虚拟人整体姿态计算方法，同时给出姿态拟人度概念，以评价虚拟人姿态计算结果的合理性和优劣性。上述方法可以解决虚拟人多自由度和多冗余度等姿态计算问题，并为复杂环境下虚拟人动画和人机工程仿真提供一种有效的运动控制方法。3）研究和构建虚拟人基本行为建模方法。在借鉴和改进智能对象的基础上，提出高级智能对象概念，并给出对象交互特征的分类及其建模方法、虚拟人的4类基本动作定义及其建模方法，以及基于交互元素的虚拟人交互位姿等计算方法。高级智能对象为人机仿真提供智能环境模型，并为自动生成人机任务仿真提供了关键技术。4）研究和建立人机任务规划及其仿真自动生成技术。通过人机交互任务在细节层次上的语义描述及分解，以基本执行动作为最小表示单元，提出采用任务路径、任务轨迹和任务进程来表示人机任务过程以及利用图形化方法来开展任务过程规划的技术方法，并在基本执行动作仿真自动生成方法基础上，设计整个人机交互任务过程仿真的自动生成算法。应用这些概念和方法，避免了制作人机交互任务仿真时大量的人工交互操作，同时使任务仿真具有很好的重用性。5）探索和建立虚拟人作业效率定量化计算及评价方法。根据虚拟人作业姿态及其效率的经验数据，采用基于径向基函数的人工神经网络，构造作业姿态与作业效率之间的非线性映射函数，应用此函数进行同一形式作业姿态下作业效率的定量化计算，并根据计算结果，将虚拟人的作业姿态评价分为3个等级，为进一步开展工艺人机环境评价奠定理论基础。6）开发“人机仿真自动生成原型系统”。其中包括构建人机仿真自动生成系统的总体框架，给出各个模块的具体组成及其之间的关系，并在此基础上开发人机仿真自动生成原型系统。通过原型系统的初步应用，来验证本文所提出的各项理论、技术及算法的可行性和正确性。