面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统及方法

摘要

本发明公开了一种面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统及仿真分析方法。该面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统包括虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块，用于模拟宇航员在轨维修操作中较为复杂的动作，从而实现有约束或支撑的运动，进而获取真实人运动姿态；微重力虚拟环境构建模块，用于负责实现无约束或支撑的自由态运动或需全身协调的位置转移类运动,从而获取虚拟微重力环境下虚拟人运动姿态；作业任务仿真分析模块，其实现通用虚拟场景、空间布局的快速构建和预分析，生成作业任务操作流程所需各类动作，并进行虚拟人动作的人机功效仿真分析，以实现虚拟人作业任务规划的反馈优化或可行性决策。

说明书

技术领域

本发明涉及制造仿真领域，尤其涉及一种面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析 系统及仿真分析方法。

背景技术

有人参与的空间在轨作业任务是载人航天工程的关键技术之一，包括载人航天器的在 轨装配与维修、空间科学实验、空间有效载荷释放或回收、空间救援等。目前航天员在轨 作业任务(包括出舱和舱外活动)的训练和验证主要在如中性浮力水槽、失重飞机、舱外 活动训练模拟器、气压舱、脱挂试验台、气垫平台等半实物仿真大型模拟设备中进行。这 种方法的局限性在于系统造价高、应用柔性差、太空微重力环境模拟差异性大等。

虚拟现实技术是指综合利用计算机系统和各种特殊的软、硬件来产生一种可以替代现 实世界和环境的仿真环境，并具有沉浸感、交互性及实时性的特点。利用虚拟现实技术模 拟失重特性下虚拟人肢体姿态和运动，结合沉浸式图形图像、力觉反馈等感官刺激，可为 航天员提供逼真的操作体验。基于虚拟现实的微重力环境下虚拟人在轨作业任务仿真分析 系统既可用于训练，也可用于任务规划和分析。

目前，随着虚拟现实技术的成熟和发展，人们已经开始将虚拟现实技术引入制造仿真 领域。如专利“基于航天器装配仿真技术的虚拟装配系统和虚拟装配方法”(申请号为 200810180605，公开号为101739478)构建了包括CAD建模模块、虚拟装配规划模块、装 配工艺设计模块的虚拟装配系统，并给出基于航天器装配仿真技术的虚拟装配方法。专利 “基于DELMIA环境下的沉浸式虚拟维修仿真系统虚拟人控制方法”(申请号为 201110442411，公开号为102521464)利用二次开发接口将动作捕捉设备所捕捉的人体动 作实时导入专业软件提供的虚拟维修平台的虚拟人上，有效实现真人对虚拟人的控制和功 效分析。

上述各类系统和方法存在以下问题：

(1)CAD模型的虚拟现实渲染均需以固定的格式导入仿真系统，处理过程既耗费时间， 又易带来数据的丢失，尤其对于航天器等大型模型；

(2)虚拟现实环境的虚拟人及模型均为纯几何而不具备物理属性，无法构建并生成 微重力环境下的运动姿态：无论是Delmia、还是自行开发的仿真软件，其虚拟人的姿态库 以及捕获自空间位置跟踪系统的真人动作均来自正常重力环境，在缺乏半物理模拟硬件的 条件下，无法生成微重力环境的运动姿态；

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析 系统及仿真分析方法，以通过通用CAD模型的虚拟现实实时渲染，避免模型转换，实现虚 拟数字样机及环境的快速沉浸式交互评估；通过专业软件构建微重力环境并以离线方式生 成虚拟人在轨作业姿态，结合运动捕捉系统捕捉的实时人体动作，形成微重力环境虚拟人 操作仿真模拟；将虚拟人操作导入专业人机功效分析模块，完成姿态分析、疲劳度评估等 定量化分析，最终实现面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真及分析。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分 析系统，该面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统包括：虚拟现实实时渲染及运 动数据采集模块，用于模拟宇航员在轨维修操作中较为复杂的动作，从而实现有约束或支 撑的运动，进而获取真实人运动姿态；微重力虚拟环境构建模块，用于负责实现无约束或 支撑的自由态运动或需全身协调的位置转移类运动,从而获取虚拟微重力环境下虚拟人运 动姿态；虚拟人驱动接口模块，用于将所述真实人运动姿态和所述虚拟微重力环境下虚拟 人运动姿态导入并驱动作业任务仿真分析模块的虚拟人，以实现人机功效仿真分析；作业 任务仿真分析模块，其利用所述虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块实现通用虚拟场 景、空间布局的快速构建和预分析，利用所述虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块和所 述微重力虚拟环境构建模块生成作业任务操作流程所需各类动作，并进行虚拟人动作的人 机功效仿真分析，以实现虚拟人作业任务规划的反馈优化或可行性决策。

本发明还提供了一种面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析方法，该面向航天器 维修的虚拟人作业任务仿真分析方法包括：步骤1：在虚拟现实实时渲染及运动数据采集 模块中，模拟宇航员在轨维修操作中较为复杂的动作，从而实现有约束或支撑的运动，进 而获取真实人运动姿态；步骤2：在微重力虚拟环境构建模块中，负责实现无约束或支撑 的自由态运动或需全身协调的位置转移类运动,从而获取虚拟微重力环境下虚拟人运动姿 态；步骤3：在虚拟人驱动接口模块中，将所述真实人运动姿态和所述虚拟微重力环境下 虚拟人运动姿态导入并驱动作业任务仿真分析模块的虚拟人，以实现人机功效仿真分析； 步骤4：在作业任务仿真分析模块中，利用所述虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块实 现通用虚拟场景、空间布局的快速构建和预分析，利用所述虚拟现实实时渲染及运动数据 采集模块和所述微重力虚拟环境构建模块生成作业任务操作流程所需各类动作，并进行虚 拟人动作的人机功效仿真分析，以实现虚拟人作业任务规划的反馈优化或可行性决策。

本发明提供的面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统及仿真分析方法同现 有技术相比的优点在于：

(1)通过虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块，支持将各类CAD场景在不需进行 格式转换的情况下实时渲染至虚拟现实，并提供基本交互操作，以辅助实现通用虚拟场景 快速构建、空间布局预分析、虚拟数字样机快速评审、基本操作预评估等应用，避免了数 据格式转换处理的时间消耗和数据丢失；

(2)针对航天员在轨作业任务的两类工况，分别构造虚拟现实实时渲染及运动数据 采集模块和微重力虚拟环境构建模块，覆盖作业任务各类运动姿态模拟仿真，克服了大型 半实物模拟仿真硬件系统造价高、应用柔性差等缺点，弥补了单纯虚拟仿真软件无法构建 微重力环境的缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技 术描述中所需使用的附图作简单地介绍

图1为本发明的面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统的结构框图；

图2为本发明的面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析方法流程图；

图3为图1中的作业任务仿真分析模块的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统及仿真分析方法， 以通过通用CAD模型的虚拟现实实时渲染，避免模型转换，实现虚拟数字样机及环境的快 速沉浸式交互评估；通过专业软件构建微重力环境并以离线方式生成虚拟人在轨作业姿 态，结合运动捕捉系统捕捉的实时人体动作，形成微重力环境虚拟人操作仿真模拟；将虚 拟人操作导入专业人机功效分析模块，并完成姿态分析、疲劳度评估等定量化分析，最终 实现面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真及分析。

图1所示为本发明的面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统100的结构框图。 面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统包括：虚拟现实实时渲染及运动数据采集 模块110、微重力虚拟环境构建模块120、虚拟人驱动接口模块130、作业任务仿真分析模 块140。

虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块110用于模拟采集宇航员在轨维修操作中较为 复杂的动作，如身体限定上肢活动、脚限定上肢活动、手限定直体活动，对应实现仪表板 操作、开关舱门、辅助交互对接、更换设备等作业任务，从而实现有约束或支撑的运动， 进而获取真实人运动姿态。虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块110包括虚拟现实硬件 模块111及虚拟现实实时渲染模块112。

虚拟现实硬件模块111，包括数据头盔(VR 1280)、数据手套(CyberGlove II)、运 动捕捉系统(例如，ART全身动作捕捉系统)、三维空间手柄(交互手柄Flystick)、双通 道投影(Christie Mirage DS+10K-M)、硬屏、3D眼镜等。其中，数据头盔为操作者提供 通用虚拟场景的第一视角体验，操作者通过数据头套及运动捕捉系统为作业任务仿真分析 模块提供真实人运动输入；双通道投影、硬屏、3D眼镜为评审者提供第三视角体验，评审 者通过三维空间手柄实现通用虚拟场景的空间布局修改等操作。所述虚拟现实硬件模块 111为沉浸式虚拟现实环境的创建提供硬件支持，辅助真人实现尽可能接近在轨维修真实 情况的各类运动操作，并捕捉人体实时动作，同时，可为通用虚拟场景构建、空间布局分 析提供真实体验支撑。

虚拟现实实时渲染模块112，包括多通道展示模块113、视角跟踪导航模块114、交互 浏览评估模块115以及虚拟装配模块116。虚拟现实实时渲染模块112，采用基于OpenGL 的可视化解决方案法国Techviz软件。多通道展示模块113，可采用Techviz软件中的 Techviz XL Basic license基本模块及TechViz XL双通道主动立体节点授权支持将各类 CAD场景在不需进行格式转换的情况下实时渲染至虚拟现实，将当前虚拟场景进行高分辨 率的可视化，同时支持多种虚拟现实显示方案，包括数据头盔、硬屏，其中，数据头盔和 硬屏分别提供操作者视角及第三者评审视角。视角跟踪导航模块114，采用Techviz软件 中的Navigation Option基本导航模块和Tracking Option高级跟踪模块提供视角跟踪导 航功能，通过三维空间手柄、主视角3D眼镜等硬件支撑，实现系统视角或虚拟场景的自 由导航，并可进行人体位置跟踪。交互浏览评估模块115，可采用Techviz软件中的DMU1 和DMU2模块提供交互浏览评估功能，用以辅助操作者利用三维空间手柄实现对虚拟场景 评估，提供书签功能、测量功能、剖面功能、缩放功能、注释功能、隐藏和显示组件功能、 快照功能等。虚拟装配模块116，采用Techviz软件中的虚拟装配模块，允许操作者对虚 拟场景中的任一部件进行交互式移动，看到拆装移动过程的碰撞情况并对路径进行记录， 为虚拟场景快速布局的预分析、以及装配、拆卸、维修等操作的预评估提供支撑。虚拟现 实实时渲染模块112提供基本交互操作，以辅助实现通用虚拟场景快速构建、空间布局预 分析、虚拟数字样机快速评审、基本操作预评估等应用。

微重力虚拟环境构建模块120，采用专业动画制作引擎英国Natural Motion公司的 Endorphin角色动态生成软件，在此平台上完成微重力虚拟场景构建、物理属性建模、约 束关系建模、虚拟人姿态设置、运动操作设计等，最终生成微重力环境下虚拟人运动动画， 获取虚拟人运动姿态。微重力虚拟环境构建模块120负责实现无约束或支撑的自由态运动 或需全身协调的位置转移类运动，如横向漂移、单/双曲臂漂移等，对应实现舱内漂移、 出舱过程、货物运输、舱外行走等作业任务。微重力虚拟环境构建模块120涉及较大场景 的虚拟人运动模拟，获取虚拟微重力环境下虚拟人运动姿态。

虚拟人驱动接口模块130由第一虚拟人驱动接口131和第二虚拟人驱动接口132组成。 第一虚拟人驱动接口131采用Delmia V5的扩展模块RTID Human(Real-Time Interaction  for Delmia Human)，用于支持将运动跟踪系统(ART全身动作捕捉系统)采集的真实人运 动用求解器实时驱动Delmia V5的虚拟人模型。第二虚拟人驱动接口132基于Delmia V5 的CAA二次开发模块开发实现，将微重力虚拟环境构建模块120生成的微重力条件下人体 运动通过BVH格式导入Delmia并与其虚拟人运动关节绑定，驱动虚拟人模型。第一虚拟 人驱动接口131和第二虚拟人驱动接口132分别对应于虚拟现实实时渲染及运动数据采集 模块110及微重力虚拟环境构建模块120两类在轨作业运动姿态实现方式，将虚拟现实实 时渲染及运动数据采集模块110采集的真实人运动姿态或虚拟微重力环境下虚拟人运动姿 态分别以实时或离线方式导入并驱动作业任务仿真分析模块140的虚拟人，以实现人机功 效仿真分析。

作业任务仿真分析模块140，采用达索公司的Delmia V5商业套件，提供通用虚拟场 景构建、空间布局分析、操作流程规划、碰撞检测、人机功效分析等功能，为本发明系统 的核心支撑部分。上述通用虚拟场景构建及空间布局分析在虚拟现实实时渲染模块的支撑 下可快速构建符合真实舱内或舱外活动的作业任务场景，操作流程规划及碰撞检测用以辅 助规划完整作业任务涉及的所有操作序列，人机功效分析用以评估作业任务虚拟人操作的 可行性。人机功效分析的评估方法包括RULA(Rapid Upper Limb Assessment)、NIOSH (National Institute of Occupational Safety and Health)、OWAS(Owako  Working-posture Analyzing System)、Snook表等。

航天员实际在轨维修作业任务动作主要包括两种工况：一类是有约束或支撑的运动， 比如被座椅或足限制器束缚，手持气动设备，抓住扶手或反推舱壁等；另一类是无约束或 支撑的自由态。针对两类工况运动姿态的模拟，分别构造虚拟现实实时渲染及运动数据采 集模块110和微重力虚拟环境构建模块120。虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块110 结合虚拟现实硬件模块111的数据手套和运动捕捉系统采集获得真实人运动姿态，通过第 一虚拟人驱动接口131以实时的方式导入并驱动作业任务仿真分析模块140的虚拟人，真 实人操作过程中的虚拟现实体验通过虚拟现实实时渲染模块112的多通道展示模块113提 供。微重力虚拟环境构建模块120的虚拟微重力环境下虚拟人运动姿态直接通过第二虚拟 人驱动接口132以离线的方式导入并驱动作业任务仿真分析模块140的虚拟人。

作业任务仿真分析模块140，利用虚拟现实实时渲染模块112实现通用虚拟场景、空 间布局的快速构建和预分析，利用虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块110和微重力虚 拟环境构建模块120生成作业任务操作流程所需各类动作，并进行虚拟人动作的人机功效 分析，最终完成虚拟人作业任务规划的反馈优化或可行性决策。

图2所示为本发明的为面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析方法流程图200。 图2将结合图1进行描述。本领域技术人员可以理解的是，虽然图2中公开了具体的步骤， 但是这些步骤仅作为示例用于说明，也就是说，本发明实施例的面向航天器维修的虚拟人 作业任务仿真分析方法还可以执行多个其它的步骤或执行图2中步骤的变换步骤。具体地， 本发明实施例包括如下步骤：

在步骤201中，在虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块中，模拟宇航员在轨维修操 作中较为复杂的动作，从而实现有约束或支撑的运动，进而获取真实人运动姿态。具体地， 在虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块110的虚拟现实硬件模块111中，为沉浸式虚拟 现实环境的创建提供硬件支持，辅助真人利用实现尽可能接近在轨真实情况的各类运动操 作，并捕捉人体实时动作，同时，为通用虚拟场景构建、空间布局分析、虚拟样机快速评 审提供真实体验支撑；在虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块110的虚拟现实实时渲染 模块112中，支持将各类CAD场景在不需进行格式转换的情况下实时渲染至虚拟现实，并 提供基本交互操作，以辅助实现通用虚拟场景快速构建、空间布局预分析、虚拟数字样机 快速评审、基本操作预评估。进一步地，在虚拟现实实时渲染模块112中，采用Techviz 软件中的Techviz XL Basic license基本模块及TechViz XL双通道主动立体节点将各类 CAD场景在不需进行格式转换的情况下实时渲染至虚拟现实，将当前虚拟场景进行高分辨 率的可视化，同时支持多种虚拟现实显示方案，包括数据头盔、硬屏，其中，所述数据头 盔和所述硬屏分别提供操作者视角及第三者评审视角；采用Techviz软件中的Navigation  Option基本导航模块和Tracking Option高级跟踪模块提供视角跟踪导航功能，通过三维 空间手柄、主视角3D眼镜，实现系统视角或虚拟场景的自由导航，并可进行人体位置跟 踪；采用Techviz软件中的DMU1和DMU2模块提供交互浏览评估功能，用以辅助操作者利 用三维空间手柄实现对虚拟场景评估，提供书签功能、测量功能、剖面功能、缩放功能、 注释功能、隐藏和显示组件功能、快照功能；采用Techviz软件中的虚拟装配模块，允许 操作者对虚拟场景中的任一部件进行交互式移动，看到拆装移动过程的碰撞情况并对路径 进行记录，为虚拟场景快速布局的预分析、以及装配、拆卸、维修操作的预评估提供支撑。

在步骤202中，在微重力虚拟环境构建模块中，负责实现无约束或支撑的自由态运动 或需全身协调的位置转移类运动,从而获取虚拟微重力环境下虚拟人运动姿态。在微重力 虚拟环境构建模块中，还进行微重力虚拟场景构建、物理属性建模、约束关系建模、虚拟 人姿态设置、运动操作设计。

在步骤203中，在虚拟人驱动接口模块中，将所述真实人运动姿态和所述虚拟微重力 环境下虚拟人运动姿态导入并驱动作业任务仿真分析模块的虚拟人，以实现人机功效仿真 分析。具体地，虚拟人驱动接口进一步包括：第一虚拟人驱动接口，对应于有约束或支撑 的运动工况，将所述真实人运动姿态以实时方式导入并驱动所述作业任务仿真分析模块的 虚拟人；第二虚拟人驱动接口，对应于无约束或支撑的自由态运动或需全身协调的位置转 移类运动工况，将所述虚拟微重力环境下虚拟人运动姿态以离线方式导入并驱动所述作业 任务仿真分析模块的虚拟人。

在步骤204中，在作业任务仿真分析模块中，利用所述虚拟现实实时渲染及运动数据 采集模块实现通用虚拟场景、空间布局的快速构建和预分析，利用所述虚拟现实实时渲染 及运动数据采集模块和所述微重力虚拟环境构建模块生成作业任务操作流程所需各类动 作，并进行虚拟人动作的人机功效仿真分析，以实现虚拟人作业任务规划的反馈优化或可 行性决策。通用虚拟场景构建及空间布局分析在虚拟现实实时渲染模块的支撑下可快速构 建符合真实舱内或舱外活动的作业任务场景；操作流程规划及碰撞检测用以辅助规划完整 作业任务涉及的所有操作序列。

图3所示为图1中的作业任务仿真分析模块140的工作流程图300。图3将结合图1 和图2进行描述。具体地，本发明的作业任务仿真分析模块140包括如下步骤：

在步骤301中，根据作业任务需求构建尽可能符合真实情况的虚拟场景；

在步骤302中，根据作业任务需求对操作空间进行布局，例如，布置操舱内/舱外设 备空间；

在步骤303中，通过虚拟现实实时渲染模块112提供的快速虚拟现实体验，对步骤301 和302的结果进行预评估，若不符合要求则反复执行步骤301至步骤303；若预评估结果 符合要求则执行步骤304；

在步骤304中，根据作业任务需求详细设计全过程涉及的操作动作，完成操作流程的 规划；

在步骤305中，根据操作规划结果，对所涉及动作进行类型划分，对于有约束或支撑 的运动或局部操作比较复杂的运动，转至步骤306；无约束或支撑的自由态运动或涉及较 大场景位置变换的运动，转至步骤307；

在步骤306中，利用虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块110，生成并采集真实人 运动姿态，通过第一虚拟人驱动接口131以实时的方式驱动作业任务仿真分析模块140的 虚拟人完成此操作的仿真；

在步骤307中，利用微重力虚拟环境构建模块120生成虚拟微重力环境下虚拟人运动 姿态，通过第二虚拟人驱动接口132以离线的方式驱动作业任务仿真分析模块140的虚拟 人完成此操作的仿真；

在步骤308中，将操作全流程的所有动作以步骤306和步骤307的方式生成相应的运 动姿态并组合成完整的全流程操作序列；

在步骤309中，利用个体化人体功效模型，作业任务仿真分析模块140完成各序列运 动姿态的人机功效分析；

在步骤310中，判断运动姿态是否需要优化，如需优化，则反复执行步骤305至步骤 310；如不需要优化，则执行步骤311；

在步骤311中，利用综合分析评价模，评估作业任务的全流程规划结果；

在步骤312中，根据作业任务的全流程规划评估结果判断是否需要优化，如需优化， 则反复执行步骤301至步骤312，以获得最优结果；如不需要优化，则仿真分析过程结束。