DELMIA人机工程在飞机虚拟维修中的应用

摘要：本文以目前航空部门普遍采用的DELMIA软件为平台，介绍了虚拟维修技术在飞机维修性设计中的作用，阐述了甚于DELMIA软件的交互式虚拟维修流程，以及其中的虚拟场景构建、维修仿真过程和维修性分析、评价技术。

引言

飞机的维修性是由产品设计赋予的使之维修简便、迅速、经济的重要质量特性，其好坏重点在于产品的研制过程，在于产品的分析与验证。传统的维修性设计分析与验证通常是在物理样机或全尺寸模型上进行，通过手工或实验来完成，远远落后于其它工程技术的自动化程度，既费时，又费力，且评价滞后，受到场地、时间以及物理样机等各种条件限制，很多维修性评估验证工作无法开展。然而，要对这种定型产品进行维修性再设计，就必然会改变原来的结构强度、部件布局、结构等，因此维修性设计不仅仅是维修性的再设计，而是整个飞机的再设计。显然，要对定型后的飞机进行维修性再设计是不现实的，也是不可能的。因此，探讨如何在飞机设计同时并行考虑维修性问题是很迫切和重要的。

DELMIA是法国Dassault公司推出的一款虚拟维修软件，利用DELMIA进行维修性并行设计已成为有效的设计手段，通过观察虚拟人在虚拟环境中对特定的维修活动进行仿真，发现可能存在的维修性设计缺陷，提出改进建议，进而可以在装备设计阶段就对原始设计方案进行修改。此外，使用虚拟维修还具有辅助维修保障资源的配置决策、辅助制定维修规程以及提供维修训练等功能。

1 DELMIA维修仿真一般流程

DELMIA(Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application，数字企业精益制造交互式应用)分为3个部分，分别为DPE(DELMIA Process Engineer，工艺工程师)、DPM(Digital Process of Manufacturing，数字化制造工艺)和DELMIA/QUEST(Queuing Event Simulation Tool，数字化工厂及离散事件仿真工具)。这三个相对独立的部分可以通过DELMIA的结构核心PPR(Process-Product-Resource)Hub连接到一起，一般常规操作是通过DPE来制定制造工艺和资源规划，通过DPM和DELMIA/QUEST进行仿真，数据传输通过PPR Hub来完成。目前国内主要的飞机设计和制造单位电子样机的设计都使用了达索公司CATIA软件，DELMIA与CATIA是同一产品内核，这样就可以在这两个软件之间实现电子样机的无缝连接，简化了数据转化的工作，也不会丢失信息。

DELMIA的维修仿真流程，以维修任务为仿真对象，在建立虚拟样机、维修人员人体模型的基础上，用户与系统采用交互的方式，将整个维修过程形象、逼真、直观的再现出来，同时将仿真过程中获取到的各种数据提供给维修性分析评价人员，进行相关的维修性分析与评价，并提出设计修改建议。其维修仿真一般流程如图1所示。

图1 虚拟维修流程图

1.1 虚拟场景构建

虚拟场景构建是为维修过程仿真及维修性分析与验证建立的一个近似现实的虚拟空间，它应以真实的维修现场为参考，并满足逼真性、交互性等基本要求。虚拟维修场景主要由数字样机、工具模型、虚拟人员和环境模型等组成，建立的某型飞机的虚拟维修场景，如图2所示。

图2 某型飞机的虚拟维修场景

采用数字样机技术，可以在早于制造物理样机的阶段就能够获得形象的产品外观与结构特性表达，便于设计人员把握产品的维修特性；另外，结合产品的数字样机以及人体模型技术，能够实现一种“虚拟人修理虚拟产品”的维修过程仿真，从而为维修性与维修工作的研究提供了强大的辅助工具。

虚拟维修人员模型可以利用CATIA或DELMIA的Human Builder模块创建，其中虚拟人复杂的人体结构包括68个铰接点和6对耦合点（某点移动范围取决于相邻节点位置）。另外，虚拟人模型具有完全铰接的手、胸、腰、肩和颈模型来准确的产生各种自然动作。DELMIA为用户提供了一个叫做反转运动JK(Inverse Kinematics)的功能，该功能能够改变人体模型的现有姿势，通过人体模型某个部位的转动实现用户需要的人体模型姿势。换句话说，这项操作将定义肢体的动作行为。

1.2 维修仿真过程

维修仿真过程主要应用了DELMIA中的Human Task Simulation模块，主要由电子样机和虚拟人的行为来实现维修有关活动或过程的模拟，是维修活动在虚拟环境下的再现，是一个动态环境。

虚拟人自身运动：DELMfA的人体的运动仿真模块提供了基本的人体动作，如抓取、放置、走路、爬楼梯、移动到目标姿态等，在对实际维修过程进行仿真时，通过这些动作的组合，几乎可以完成所有的维修动作。也可以用Posture Editor或Human Posture来编辑人体的各种姿态，调整头、颈、肩膀、手臂等约30个部位的自由度，创建工人工作中的各种姿态，通过关键帧融合技术，把每帧Posture像放电影那样连贯起来实现人体的各种动作。

虚拟人驱动物体运动：其基本思想是用物体的运动来带动人体随动，例如打开箱子盖的动作，其制作流程如图3所示。

图3 开箱盖制作流程图

虚拟人驱动机构运动：在建立机构三维模型的基础上，把机构设置成为Device，然后当机构运动时让人产生随动，例如人使用千斤顶顶起飞机的制作流程如图4所示。

图4 千斤顶制作流程图

多人协调动作：多人协调任务动作可以通过PERT图来进行设计和调整，PERT图把仿真过程中每一个虚拟人的动作和物体的动作用流程图的方式进行可视化，每个图标框代表一个动作，在图标框之间用箭头代表动作的次序信息，通过调整箭头和图标框的位置就可以设计出各种需合作完成的任务，例如飞机除冰过程中一个虚拟人进行地面指挥，另一个虚拟人完成相应的除冰动作，其PERT图如图5所示。

图5 除冰过程中指挥人和除冰人同步动作

1.3 维修性分析、评价

1997年美国军用手册MIL-HDBK-470A中明确地提出：“使用VR(Virtual Reality)技术，维修性工程师可以进入到虚拟环境中，对虚拟产品进行维修。这样，部件的可达性、部件分配空间的合理性以及完成特定维修任务所需的大概时间等信息均可以借助VR技术来进行评估。”

(1)可达性分析：可达性是维修产品时，接近维修部位的难易程度。包括实体可达（比如身体某一部位或借助工具能够接触到维修部位），还要有足够的操作空间。如图6所示，改进通道口来实现注油部位的可达。

图6 可达性分析

为了定量地评估可达特性采用基本动作估算法，其估算值也可用于评估易更换性。可达性定量分析由可达系数Kπ衡量

式中：no为维修工作的基本作业（基本作业指在工作过程中最简单的动作，如拆卸螺栓）数；nπ为附加工作的基本作业（如拆卸干扰部件）数。Kπ的取值范围为[0，1]，Kπ值在0.75以上可以认为具有较好的可达性。所以，为进一步提高维修对象的可达性，尽可能做到在维修任一部分时，不拆卸、不移动其他部分。

(2)可视性分析：虚拟人在仿真中能得到人眼的视觉窗口，我们能直观地看到人在不同位置，不同姿态的视觉范围。例如维修时，一般应能看见内部的操作，其通道除了能容纳维修人员的手和臂外，还应留有适当的间隙以供观察，图7是维修中为保证目视到内部的操作而开的一个观察窗孔。

图7 保证目视的窗孔和通道口

(3)工作空间分析

碰撞干涉分析：主要内容是检验维修人员在维修过程中是否与维修对象发生干涉。碰撞和干涉的定性评估可通过虚拟维修过程仿真直接判断，定量分析则用作业空间比r来评估

式中：V为作业空间；Vmin为最小作业空间，当操作部位和维修工具确定时，Vmin为定值。

图8 (a)中虚线所围成的空间即为该作业的作业空间，在虚拟环境中对其测量，计算出作业空间大小。以人的肢体和套筒工具所涉及的最小矩形体空间作为拆卸螺杆最小作业空间，见图8(b)。根据测量数据，计算出作业空间比r，如果r＞1.5，则该维修部位作业空间比较好，维修过程中一般不会发生碰撞和干涉。如果考虑合理布局和充分利用空间的情况，作业空间比也不宜过大，可对作业空间根据具体情况进行调整。

图8 作业空间测量

余隙分析：在虚拟人与产品之间定义一个最小活动空间范围，用可视化颜色显示人与产品之间余隙是否满足设计要求。如图9所示，虚拟人离开驾驶室时头部与顶棚之间的余隙分析。

图9 人离开驾驶室时头部余隙分析

(4)拆装时间估算

通过观察整个仿真演示过程所消耗的时间，或查看维修过程仿真属性中的“仿真周期时间”，或查看仿真过程Gantt图这三种方式都可以估算本例中的拆装时间。例如图5除冰过程中每个动作所消耗的时间，其Gantt图如图10所示。

图10 Gantt图中每个动作所消耗的时间

(5)作业姿态分析

工作姿态分析的内容是判断维修人员是否能够处于最佳作业姿势，并运用最佳作业动作进行维修作业，维修作业是否会引起维修人员工作效率下降和疲劳。此项工作可以利用CATIA或DELMIA中的姿态评分分析功能来完成，通过建立最优人体作业姿态库，评价作业姿态接近最优姿态的程度，以判断工作姿态是否合理。图11给出了图5中除冰工人右臂姿态的分析结果以及总的分析结果。通过分析，可以对分值较低的自由度进行优化，以达到较好的舒适性。

图11 姿态分析结果

DELMIA也可以通过RULA标准对虚拟人肢体位置进行快速、直观的分析，RULA即为快速的上肢评估方法(Rapid Upper Limb Assessment)，RULA是针对作业姿势评估与上肢伤害有关的工作危险因子，依据各部位的最大工作角度给予评分，再加上肌肉施力状态和施力大小以作为最后评估行动水平的依据。它朋不同的颜色代表每个姿势得分情况，图12是两个虚拟维修人员进行飞机蒙皮拆卸工作时该姿势的RULA分析情况。

图12 维修中的虚拟人姿势RULA分析结果

(6)维修动作体力分析

主要是判断维修操作中的举起、推拉、提起及转动等作业能否控制在人的体力限度以内。

图5中，通过虚拟人右手作用在除冰枪上的负荷，利用CATIA或DELMIA软件中生物力学分析功能对该负荷下的虚拟人进行分析评价，图13给出了除冰工人综合生物力学信息。从中可以看出虚拟人在该姿势下身体所受压力和关节所受力矩是否在体力限度以内。

图13 体力分析结果

2 结论

维修性并行设计是在并行设计框架下集成与维修性相关的各种信息并进行优化利用的活动。DELMIA虚拟维修技术为工程人员提供了独特的维修性并行分析手段，在虚拟维修环境中模拟维修任务，其应用可以降低生产、更新和维护金属模型非常昂贵的费用，节约研制时间，发现设计缺陷。同时，图像和动画也可以集成到多媒体的培训和技术手册中，还可以根据虚拟维修保障任务确定必须的工具和保障装备，生成保障装备数据库。总之，基于DELMIA的虚拟维修是一项有广阔应用前景的研究领域。