一种基于人因势场的设备维修性布局设计方法

摘要

本发明公开了一种基于人因势场的设备维修性布局设计方法，包括以下步骤：一、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；三、进行人因势场的复合并生成势场分布；四、依据人因势场进行设备布局，为复杂产品内部设备的布置设计提供指导方法。本发明的优点：一是物理意义明确；二是计算过程易于实现；三是能够方便地应用于可视化的设备维修性布局设计。

说明书

技术领域

本发明属于维修性设计技术领域，具体涉及一种基于人因势场的设备维修 性布局设计方法。

背景技术

维修性是表征产品维修简便、迅速和经济程度的固有质量特性，通过改善 产品的维修性可使得产品检查维修方便，降低维修工时和费用。与一般意义上 的机械设计本质上不同的是，维修性设计必须重点考虑人的因素，以人为中心 进行设计使得各项维修操作特征满足人体工效学要求。在这方面，目前的主要 途径是先基于传统的机械设计理念完成产品的详细设计，然后采用人因分析模 块或软件如DELMIA、JACK等进行基于数字虚拟人的维修工效学评价，再根 据结果进行设计修正。这种方法在很多场合收获了较好的效果，但存在的缺点 是设计和分析过程相割裂，设计效率较低，且不能指导产品的自动化设计。

人们为了研究问题的方便，构建了人工虚拟势场来描述外在环境对主体的 客观影响。而人因势场则是来描述维修主体对于产品维修性影响的一种人工场， 反映了人体和产品维修性特征之间的相互作用机制，势场中蕴含了物质的运动 能量，形成从高势能区域越向低势能区域的运动态势。它包括了人体可视性、 可达性和舒适性等独立势场和以及相互之间的复合场。在人因势场的作用下， 结构体的每一个设计单元将具备一定的人因势能，人因势能较大的区域对单元 产生引力，而属于不同结构体的单元之间产生斥力，因而可驱动产品结构和布 局的动态变化，由此寻找设计单元的动态位置，最终达到“维修性引力”的最 大化。

以人因势场为基础，可以为构建面向机械产品维修性设计的数字化设计环 境。传统布局设计方法以功能和性能的实现为主，没有考虑到维修性的影响， 难以在设计过程中开展维修性方面的设计和分析，而如果在设计环境中嵌入人 因势场的空间分布，就可以实时根据势场的变化来辅助形状、位置等方面的维 修性设计。目前，如何生成人因势场分布并应用于设备布局尚缺乏相应的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于人因势场的设备维修性布局设计 方法，使得在功能和性能实现的同时，具备良好的维修性水平。

为了解决上述技术问题，本发明采用下述的技术方案：

一种基于人因势场的设备维修性布局设计方法，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；在垂 直平面内，正常视线的上下15°是人的最佳垂直视野范围，正常视线上方40°至 下方20°是人的最大垂直视野范围。在水平面内，中心线左右各15°是人眼的 最佳水平视野角度范围，中心线左右各35°是人眼在水平方向上的最大视野范 围。

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：

$C_{{\theta }_x}=\left(\begin{array}{cc}1& {\theta }_x=0\\ 0& \left|{\theta }_x\right|>{\theta }_{x0\max }\\ -0.1·\frac{\left|{\theta }_x\right|}{{\theta }_{x1\max }}+1& 0<\left|{\theta }_x\right|\le {\theta }_{x1\max }\\ 0.9·\frac{\left|{\theta }_x\right|-{\theta }_{x0\max }}{{\theta }_{x1\max }-{\theta }_{x0\max }}& {\theta }_{x1\max }<\left|{\theta }_x\right|\le {\theta }_{x0\max }\end{array}\right)---\left(2\right)$

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：

$C_{\theta }=C(C_{\mathrm{\theta y}},C_{\mathrm{\theta x}})C_{\mathrm{\theta y}}\frac{y^2}{x^2+y^2}+C_{\mathrm{\theta x}}\frac{x^2}{x^2+y^2}---\left(3\right)$

（2）视距影响函数C_l定义为：

$C_l=\left(\begin{array}{cc}1& l=l_1\\ 0.2·\frac{l-l_1}{l_1-l_{1\min 1}}+1& l_{1\min }\le l\le l_1\\ -0.2·\frac{l-l_{1\max }}{l_1-l_{1\max }}+1& l_1\le l\le l_{1\max }\\ 0.8·\frac{l}{l_{1\min }}& 0<l\le l_{\min }\\ 0.8·\frac{l-l_{0\max }}{l_{\max }-l_{0\max }}& l_{1\max }<l\le l_{0\max }\\ 0& l>l_{0\max }\end{array}\right)---\left(4\right)$

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的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。

由可达性势能函数可以看出：（1）可达性势能大小在0-1范围之内；（2） 角度偏离中心角度越大，越不舒适，可达性势能越大。

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：

$U_F=\left(\begin{array}{cc}[1-C_{\theta }\left(X_P\right)·C_l\left(X_P\right)]·\underset{i=1}{\overset{\mathrm{DOF}}{\Sigma }}{\omega }_i{\left(\frac{q_i-q_i^N}{q_i^U-q_i^N}\right)}^2& q_i^U\ge q_i\ge q_i^N\\ [1-C_{\theta }\left(X_P\right)·C_l\left(X_P\right)]·\underset{i=1}{\overset{\mathrm{DOF}}{\Sigma }}{\omega }_i{\left(\frac{q_i-q_i^N}{q_i^L-q_i^N}\right)}^2& q_i^N\ge q_i\ge q_i^L\end{array}\right)---\left(7\right)$

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。

从以上复合人因势能函数可以看出：

1复合人因势能函数受与手部以及人眼相关各关节角度q_i的影响，人体越舒 适，q_i越接近于U_F越接近于0。

2对于不可达、不可视的区域，所对应的区域会使得C_θ(X_P)、C_l(X_P)等参数 靠近1，同时q_i偏离也很大，使得U_F趋向更大。

3可视性、可达性越好，同样意味着C_θ(X_P)、C_l(X_P)等参数靠近1，q_i越接 近于复合势能U_F越接近于0，人因性能越好。

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，尽可能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。

本发明方法的特点是通过可视性势能函数和可达性势能函数来描述维修过 程中空间点的可视性和可达性水平，进而用复合势能函数生成各点的维修性主 要性能指标，由此可以形成在三维设计空间中的分布，为机械产品内部设备的 维修性布置设计提供了技术指导。

本发明的优点：一是物理意义明确；二是计算过程易于实现；三是能够方 便地应用于可视化的设备维修性布局设计。

附图说明

图1是基于人因势场的设备维修性布局总框架。

图2是某型船舶动力装置的设备初始布置示意图。

图3是可视性人因势场分布示意图。

图4是可达性人因势场分布示意图。

图5是初始的复合人因势场二维分布示意图。

图6是本发明设备布置后得到的人因势场二维分布示意图。

图7是利用本发明得到的设备布置示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说 明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定 本发明。

基于人因势场的设备维修性布局总框架如图1所示。下面以某型船舶动力 装置为例，介绍其基于人因势场的设备维修性布局设计方法。

某型船舶动力装置部分设备的参数如表1所示，海水泵23、减摇冷却海水 泵24、海水压力柜35之间的相对关系如图2所示。本实施例是对减摇冷却海水 泵24进行易于维修的布置，它内部共有3个维修操作点，A为进水阀、B为液 压马达、C为机械密封，需要开展预防性维修操作。受制于功能使用和重心等方 面的约束，减摇冷却海水泵24必须在矩形方框W所示的空间内进行布置。人 的位置位于T处。

表1某船舶动力装置部分设备参数

依据以上参数，利用本发明提供的基于人因势场的设备维修性布局设计方 法进行维修性布局设计的步骤为：

（I）在人眼位置确定的情况下，首先计算空间各个位置点的视野影响函数 值和视距影响函数值。视野影响函数值计算为：

$C_{\theta }=C(C_{\mathrm{\theta y}},C_{\mathrm{\theta x}})C_{\mathrm{\theta y}}\frac{y^2}{x^2+y^2}+C_{\mathrm{\theta x}}\frac{x^2}{x^2+y^2}---\left(8\right)$

其中，水平视野函数和垂直视野函数由公式（1）和公式（2）分别计算。

视距影响函数值C_l可计算为：

$C_l=\left(\begin{array}{cc}1& l=l_1\\ 0.2·\frac{l-l_1}{l_1-l_{1\min 1}}+1& l_{1\min }\le l\le l_1\\ -0.2·\frac{l-l_{1\max }}{l_1-l_{1\max }}+1& l_1\le l\le l_{1\max }\\ 0.8·\frac{l}{l_{1\min }}& 0<l\le l_{\min }\\ 0.8·\frac{l-l_{0\max }}{l_{\max }-l_{0\max }}& l_{1\max }<l\le l_{0\max }\\ 0& l>l_{0\max }\end{array}\right)---\left(9\right)$

其中，l₁为最优视距，取为56cm；l_1min和l_1max为正常作业视距的最小值，取为38cm； l_1max分别为正常作业视距的最大值，取为76cm；l_0max表示最大作业视距，取为 150cm；

综合视野影响函数值和视距影响函数值，可得到空间各位置点的可视性势 能值为：

f_P(X_P)＝1-C_θ(X_P)·C_l(X_P)   （10）

在空间各点可视性势能的基础上，采用Matlab软件进行可视化仿真，建立 可视性人因势场模型，建立的可视性人因势场模型如图3所示。

（II）人手臂位置位于T处，基于人体的单手臂的七自由度杆件机构简化模 型，根据关节角度变化计算空间各点的可达性势能函数值：

$U_{\mathrm{Datt}}=\underset{i=1}{\overset{7}{\Sigma }}{\omega }_i{\left(\frac{q_i-q_i^N}{q^U-q^L}\right)}^2---\left(11\right)$

其中权重ω_i均取为1/7。和分别为每个关节角度约束的上限和下限值， 取值如表2所示。

表2各关节运动角度的上限和下限

对于空间一点具有多个势能函数值的情况，取最小函数值作为该点的可达 性势能。根据各点势能值采用Matlab软件对可达性人因势场进行可视化仿真， 建立可达性人因势场模型，如图4所示。

（III）根据空间各点可视性势能值和可达性势能值，计算空间各点复合人 因势能值：

$U_F=\left(\begin{array}{cc}[1-C_{\theta }\left(X_P\right)·C_l\left(X_P\right)]·\underset{i=1}{\overset{7}{\Sigma }}{\omega }_i{\left(\frac{q_i-q_i^N}{q_i^U-q_i^N}\right)}^2& q_i^U\ge q_i\ge q_i^N\\ [1-C_{\theta }\left(X_P\right)·C_l\left(X_P\right)]·\underset{i=1}{\overset{7}{\Sigma }}{\omega }_i{\left(\frac{q_i-q_i^N}{q_i^L-q_i^N}\right)}^2& q_i^N\ge q_i\ge q_i^L\end{array}\right)---\left(12\right)$

在空间各点复合人因势能的基础上，采用Matlab软件对复合人因势场进行 可视化仿真，得到复合后的人因势场分布图，如图5所示。

（IV）根据人因势场分布图（即图5）就可以很方便地进行减摇冷却海水泵 24的布置，调整减摇冷却海水泵24在矩形范围W中的位置，使得三个维修操 作点位于颜色较浅的区域，即人因势能值较低的区域，这样可以保证设备具备 良好的维修性综合水平。

本发明效果可通过以下实验加以说明。

在减摇冷却海水泵24的初始位置S₀处，减摇冷却海水泵24的三个维修操 作点所对应的人因势能值如图5所示，可以看出，三个维修操作点的所对应的 颜色较深，意味着其维修性存在不足；而利用本发明进行布置后的S₁处，人因 势能分布图如图6所示，可以看出，减摇冷却海水泵24的三个操作点所对应的 势能值颜色明显颜色较浅，具备良好的维修性水平，这样即较好地实现了减摇 冷却海水泵24的维修性布置，即图7所示的位置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上 述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指 出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干 改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。