本發(fā)明屬于飛機虛擬維修姿態(tài)求解領域，具體地說，涉及一種飛機狹小空間虛擬維修姿態(tài)分層求解方法。

背景技術：

1、飛機是一種高度精密且復雜的系統(tǒng)，由眾多零件和系統(tǒng)組成，需要定期維護以應對日常使用中的損耗和故障。由于飛機結構設計緊湊，維修空間狹窄，維修人員在執(zhí)行任務時活動受限，增加了工作難度和安全風險。因此，在設計階段就應考慮飛機的維修性，利用虛擬仿真技術模擬維修工作，通過虛擬人模型進行維修性分析，有助于提前識別飛機結構及系統(tǒng)的設計缺陷，提高維修效率和安全性。在受限空間中快速確定合適的虛擬維修姿態(tài)是開展維修性虛擬仿真需解決的首要問題，對于提升維修性分析效率和準確性至關重要。

2、目前，大多數(shù)方法針對虛擬人手臂或者寬闊環(huán)境進行研究，例如武維創(chuàng)建了多目標優(yōu)化的姿態(tài)仿真模型，并使用多目標遺傳算法尋找虛擬人手臂最佳姿態(tài)[1]；nguyen使用改進搜索空間的差分進化算法預測手臂的關節(jié)角度值[2]；郭慶采用四元數(shù)和逆向運動學結合粒子群算法，研究了寬闊環(huán)境中民航機務維修性驗證中的虛擬人姿態(tài)生成技術[3]；上述方法針對某些維修任務都可以生成虛擬人姿態(tài)，然而，對于維修整體姿態(tài)以及狹小空間約束下的姿態(tài)并未充分考慮，這依然是飛機虛擬維修姿態(tài)求解技術領域的挑戰(zhàn)。

3、[1].武維維,葉林梅,邵曉東,等.基于多目標遺傳算法的虛擬人作業(yè)姿態(tài)仿真[j].計算機集成制造系統(tǒng),2019,25(01):155-64.

4、[2].trung?nguyen,tam?bui,ha?pham.using?proposed?optimizationalgorithm?for?solving?inverse?kinematics?of?human?upper?limb?applying?inrehabilitation?robotic[j].artificial?intelligence?review,2021,55(679-705.

5、[3].郭慶,馬欣辰,付宇.民航機務維修工作的虛擬人姿態(tài)生成技術[j].計算機集成制造系統(tǒng),2023,29(11):3582-91。

6、有鑒于此特提出本發(fā)明。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種飛機狹小空間虛擬維修姿態(tài)分層求解方法，解決了上述背景技術中提出的問題。

2、為解決上述技術問題，本發(fā)明采用技術方案的基本構思是：

3、一種飛機狹小空間虛擬維修姿態(tài)分層求解方法，包括：以下步驟：

4、步驟一：獲取人體結構和運動并進行分析，根據(jù)分析數(shù)據(jù)建立虛擬人結構模型和虛擬人運動學模型；

5、步驟二：分析人機工程因素對維修姿態(tài)的影響，制定維修姿態(tài)的約束準則，并構建相應的指標函數(shù)；

6、步驟三：將維修姿態(tài)分解為上身和下身兩部分并分別構建維修姿態(tài)多目標優(yōu)化模型；

7、步驟四：對步驟三中建立的多目標優(yōu)化模型按照上身、下身的順序進行求解，從而快速獲得合理且適合狹小空間的維修姿態(tài)。

8、可選的，步驟一中構建虛擬人結構模型和運動學模型的具體步驟如下：

9、a1：簡化獲取得到的人體骨骼、關節(jié)、自由度并將人體簡化為包含14個均勻質量的剛體段和14個關節(jié)的結構；

10、a2：在結構模型的基礎上，虛擬人物分為上肢、頭頸及軀干、下肢三部分，為了描述這些部分之間的空間關系，使用一個4×4的齊次變換矩陣來表示人體結構模型中相鄰剛體段的空間關系并通過考慮各關節(jié)的轉動角度，并利用連續(xù)的位姿變換，計算出身體各部分的位置和方向。

11、a3：齊次變換矩陣a表示相鄰剛體段間的旋轉矩陣與位移矩陣的乘積，其表達式為：a＝r(θx,θy,θz)·t(lx,ly,lz)，其中，r(θx,θy,θz)表示x、y、z軸轉動方向上轉動角度分別為θx、θy、θz的旋轉矩陣，t(lx,ly,lz)表示x、y、z軸方向上位移分別為lx、ly、lz的位移矩陣。

12、可選的，步驟a2中的上肢部分由上臂、前臂和手部組成，包含肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)。首先，建立絕對坐標系o-xyz作為維修場景坐標系，然后依次在上臂、前臂和手部建立局部坐標系，即肩關節(jié)坐標系osh-xyz，肘關節(jié)坐標系oel-xyz和腕關節(jié)坐標系owr-xyz，根據(jù)人體結構的限制，手臂的3個關節(jié)共有7個轉動自由度，其中，肩關節(jié)具有3個轉動自由度，對應轉角分別為θ1sh、θ2sh、θ3sh；肘關節(jié)具有1個轉動自由度，對應轉角為θ1el；腕關節(jié)具有3個轉動自由度，對應轉角分別為θ1wr、θ2wr、θ3wr。

13、頭頸及軀干部分由頭頸和軀干2部分組成，包含頸關節(jié)和腰關節(jié)，頭頸及軀干運動模型僅考慮垂直于身體平面內(nèi)的自由度，包括2個關節(jié)共2個轉動自由度，其中，頸關節(jié)坐標系為one-xyz，其具有1個轉動自由度，對應轉角為θ1ne；腰關節(jié)坐標系為owa-xyz，其具有1個轉動自由度，對應轉角為θ1wa。

14、下肢部分由大腿、小腿和腳掌3部分組成，包含髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)，建模時僅考慮膝關節(jié)和踝關節(jié)在垂直于身體平面內(nèi)的運動，據(jù)此，虛擬人下肢運動模型包括3個關節(jié)共4個轉動自由度，其中，髖關節(jié)坐標系為ohi-xyz，其具有2個轉動自由度，對應轉角為θ1hi、θ2hi；膝關節(jié)坐標系為okn-xyz，其具有1個轉動自由度，對應轉角為θ1kn；踝關節(jié)坐標系為oan-xyz，其具有1個轉動自由度，對應轉角為θ1an

15、可選的，步驟二中制定的維修姿態(tài)約束準則包括平衡性準則、可達性準則、可視性準則、關節(jié)舒適度準則；

16、平衡性準則是以人體重心與支撐區(qū)域的關系作為平衡性準則的判斷依據(jù)，具體內(nèi)容為人體重心投影點距離支撐區(qū)域中點越近，姿態(tài)平衡性越好，則人體姿態(tài)平衡性指標函數(shù)的表達式為：其中，為支撐區(qū)域中點與人體重心投影點間的距離，為支撐區(qū)域中心點與邊界交點間的距離，支撐區(qū)域中點與人體重心投影點間的距離由公式所得，其中，(xg,yg)為人體重心在支撐區(qū)域平面內(nèi)的投影點pg的坐標，(xa,ya)即人體支撐區(qū)域中點pa的坐標；

17、可達性準則是通過測量手臂伸展時手掌末端的最大觸及距離進行評估，以手掌是否能觸碰到維修目標點作為可達性準則的判斷依據(jù)，具體內(nèi)容為若維修姿態(tài)滿足可達性準則，則手掌末端應與維修目標點重合，則人體姿態(tài)可達性指標函數(shù)的表達式為：(xp,yp,zp)＝(xa,ya,za)，其中，(xp,yp,zp)表示手掌末端的坐標，(xa,ya,za)表示維修目標點的坐標。

18、可視性準則是當維修人員觀察目標點時，以視線處于最佳視野范圍內(nèi)且不受障礙物遮擋作為可視性準則的判斷依據(jù)，其中，人的最佳視野為人的正常視線的上下15°范圍，則人體姿態(tài)的可視性指標函數(shù)的表達式為：0°≤β≤15°其中，β表示虛擬人維修視線與正常視線間的夾角，其中，維修視線指虛擬人雙眼連線中點與目標點間的連線。

19、關節(jié)舒適度準則是通過關節(jié)力矩與關節(jié)最大允許力矩之比對關節(jié)舒適度進行量化，其關節(jié)舒適度計算函數(shù)的表達式為：其中，τ為某關節(jié)轉動自由度上的實際力矩，τmax為某關節(jié)轉動自由度上的最大允許力矩。

20、可選的，人體不同關節(jié)的舒適度對于整體維修姿態(tài)舒適度的影響并不相同，因此在計算各部分肢體的舒適度時應賦予不同權重，針對b4中的關節(jié)舒適度準則，關節(jié)舒適度指標函數(shù)的構建如下：

21、上肢手臂關節(jié)的綜合舒適度指標函數(shù)的表達式為：其中，為肩關節(jié)舒適度計算函數(shù)；uel為肘關節(jié)舒適度計算函數(shù)；為腕關節(jié)舒適度計算函數(shù)。為肩關節(jié)第k個轉動自由度的舒適度權重；ωel為肘關節(jié)舒適度權重；為腕關節(jié)第m個轉動自由度的舒適度權重(1≤m≤3)；

22、頭頸及軀干關節(jié)的綜合舒適度指標函數(shù)的表達式為：fτt＝ωne(une)+ωwa(uwa)，其中，une為頸關節(jié)舒適度計算函數(shù)，uwa為腰關節(jié)舒適度計算函數(shù)；ωne為頸關節(jié)舒適度權重，ωwa為可達性目標函數(shù)腰關節(jié)舒適度權重；

23、下肢部分關節(jié)的綜合舒適度指標的表達式為：

24、其中，為髖關節(jié)舒適度計算函數(shù)；ukn為膝關節(jié)舒適度計算函數(shù)；uan為踝關節(jié)舒適度計算函數(shù)。為髖關節(jié)第n個轉動自由度的舒適度權重(1≤n≤2)；ωkn為膝關節(jié)舒適度權重；ωan為踝關節(jié)舒適度權重。

25、可選的，步驟三中建立維修姿態(tài)多目標優(yōu)化模型的具體步驟如下：

26、c1：定義虛擬人姿態(tài)模型的坐標系，將虛擬人直立時的頭部方向定義為絕對坐標系的z軸正向，胸部方向為x軸正向，左手方向為y軸正向，使得o-xy平面與地面重合，此坐標系為后續(xù)的姿態(tài)優(yōu)化提供了基礎框架；

27、針對上身維修姿態(tài)優(yōu)化模型，依次考慮以下因素：

28、c2：上身姿態(tài)的首要任務是確保手掌能夠觸及維修目標點，根據(jù)可達性準則，目標點坐標應與手掌末端坐標重合，建立可達性目標函數(shù)其表達式為：(xp,yp,zp)＝(xa,ya,za)，其中，(xp,yp,zp)表示手掌末端的坐標，(xa,ya,za)表示維修目標點的坐標；

29、c3：為了確保維修時視線良好，需保證虛擬人維修視線在人體最佳視野范圍內(nèi)。因此，建立可視性目標函數(shù)，確保維修視線與正常視線間的夾角在0°-15°范圍內(nèi)，其表達式為：0°≤β＝|θ1ne-15°-βvi|≤15°，其中，θ1ne表示頸關節(jié)的轉動角度，β表示虛擬人維修視線與正常視線間的夾角，βvi表示虛擬人維修視線與水平線間的夾角，且虛擬人維修視線與水平線間的夾角βvi的表達式為：其中，xy、zy表示雙眼連線中點在x軸、y軸方向上的坐標分量，xa、za表示維修目標點在x軸、z軸方向上的坐標分量；

30、c4：人體的運動范圍受到其自身結構的限制，尤其在上身的情況下，腰關節(jié)的極限位置受到約束，若手掌位置保持不變，腰關節(jié)的極限位置約束如下：

31、①x軸方向：當人體腰部向前彎曲至軀干與水平面平行且手臂完全伸展，腰關節(jié)處于距離目標點的最遠位置；當人體軀干與水平面垂直且手臂與軀干完全重疊，腰關節(jié)處于距離目標點的最近位置。

32、②y軸方向：當人體腰部向右彎曲至軀干與水平面平行且手臂完全伸展，腰關節(jié)處于距離目標點的y軸正方向最遠位置；當人體腰部向左彎曲至軀干與水平面平行且手臂完全伸展，腰關節(jié)處于距離目標點的y軸負方向最遠位置；

33、③z軸方向：當人體雙腿并攏垂直于地面站立時，腰關節(jié)處于距離地面的最遠位置；當人體坐在地面上時，腰關節(jié)處于距離地面的最近位置，此處近似取0，其中，人體結構約束目標函數(shù)的表達式為：其中，(xa,ya,za)表示維修目標點的坐標，(xl,yl,zl)表示腰關節(jié)點的坐標，l1、l2、l3分別表示虛擬人上臂、前臂和手掌的長度，l4表示頸關節(jié)與腰關節(jié)間的距離，l5表示虛擬人腰關節(jié)與髖關節(jié)在豎直方向上的距離，l6、l7分別表示大腿和小腿的長度，l8表示踝關節(jié)與腳跟之間的距離。

34、c5：針對上身維修姿態(tài)優(yōu)化模型，根據(jù)關節(jié)舒適度準則，通過上肢手臂部分、頭頸-軀干部分的綜合舒適度指標，其上身關節(jié)舒適度目標函數(shù)的表達式為：其中，為肩關節(jié)舒適度計算函數(shù)，uel為肘關節(jié)舒適度計算函數(shù)，為腕關節(jié)舒適度計算函數(shù)，為肩關節(jié)第k個轉動自由度的舒適度權重(1≤k≤3)，ωel為肘關節(jié)舒適度權重，為腕關節(jié)第m個轉動自由度的舒適度權重(1≤m≤3)，une為頸關節(jié)舒適度計算函數(shù)；uwa為腰關節(jié)舒適度計算函數(shù)。ωne為頸關節(jié)舒適度權重；ωwa為腰關節(jié)舒適度權重；

35、c6：基于c2-c5的上身維修姿態(tài)多目標優(yōu)化模型，其表達式為：其中，(xp，yp，zp)為手掌末端的坐標，(xp，yp，zp)為維修目標點的坐標，為虛擬人頸關節(jié)的轉動角度，為維修視線與水平線間的夾角，za為維修目標點在z軸上的坐標，zy為虛擬人頭部/眼睛在z軸上的坐標，xa阿偉維修目標點在x軸上的坐標，xy我虛擬人頭部/眼睛在x軸上的坐標，xa，ya，za為分別表示維修目標點在x、y、z軸上的坐標，l1，l2，l3，l4為分別表示虛擬人上臂、前臂、手掌和肩關節(jié)到腰關節(jié)的長度，l5，l6，l7為分別表示虛擬人大腿、小腿的長度，以及踝關節(jié)與腳跟之間的距離，和為優(yōu)化目標函數(shù)，用于描述維修姿態(tài)的目標(例如舒適度、可達性、可視性等)的函數(shù)，為肩關節(jié)第k個轉動自由度的舒適度權重，為肩關節(jié)第kkk個轉動自由度的舒適度計算函數(shù)，wel為肘關節(jié)的舒適度權重，uel為肘關節(jié)的舒適度計算函數(shù)，為腕關節(jié)第m個轉動自由度的舒適度權重，為腕關節(jié)第m個轉動自由度的舒適度計算函數(shù)，wne為頸關節(jié)的舒適度權重，une為頸關節(jié)的舒適度計算函數(shù)，ωwa為腰關節(jié)的舒適度權重，uwa為腰關節(jié)的舒適度計算函數(shù)。

36、可選的，針對下身維修姿態(tài)優(yōu)化模型的步驟為：

37、c7：根據(jù)平衡性準則，人體重心投影點距離支撐區(qū)域中心點越近，姿態(tài)平衡性越好，則平衡性目標函數(shù)的表達式為其中，為支撐區(qū)域中心點與人體重心投影點間的距離，為支撐區(qū)域中心點與邊界交點間的距離；

38、c8：為保證維修作業(yè)的安全穩(wěn)定，假設維修人員的腳掌應與地面完全貼合，則空間位置約束目標函數(shù)的表達式為：

39、其中，l8、l9分別表示踝關節(jié)與腳跟、腳跟與腳尖之間的距離，zn表示踝關節(jié)絕對坐標的z軸分量，zf表示腳跟絕對坐標的z軸分量，zt表示腳尖絕對坐標的z軸分量；獲取踝關節(jié)絕對坐標的z軸分量zn的表達式為：其中，(xn,yn,zn)表示踝關節(jié)的絕對坐標，(xl,yl,zl)表示腰關節(jié)的絕對坐標，為髖關節(jié)坐標與腰關節(jié)坐標間的變換矩陣，為膝關節(jié)坐標與髖關節(jié)坐標間的變換矩陣，踝關節(jié)坐標與膝關節(jié)坐標間的變換矩陣；

40、c9：根據(jù)關節(jié)舒適度準則，通過下肢部分的綜合舒適度指標，則下肢關節(jié)舒適度目標函數(shù)的表達式為：其中，

41、c10：基于c7-c9得到下身維修姿態(tài)多目標優(yōu)化模型，其表達式為：

42、其中，zf為表示腳跟的z軸坐標，zn為表示踝關節(jié)的z軸坐標，l8為表示踝關節(jié)與腳跟之間的距離，為踝關節(jié)的轉動角度，zt為表示腳尖的z軸坐標，l9為表示腳跟與腳尖之間的距離，fbal為表示平衡性目標函數(shù)，需要最小化，為表示支撐區(qū)域中點(pap_apa)與人體重心投影點(pgp_gpg)之間的距離，為表示支撐區(qū)域中點與邊界交點(pbp_bpb)之間的距離，ftl為表示下身部分的關節(jié)舒適度目標函數(shù)，也需要最小化，為表示髖關節(jié)第nnn個轉動自由度的舒適度權重，為表示髖關節(jié)第nnn個轉動自由度的舒適度計算函數(shù)，ωkn為表示膝關節(jié)的舒適度權重，ukn為表示膝關節(jié)的舒適度計算函數(shù)，ωan為表示踝關節(jié)的舒適度權重，uan為表示踝關節(jié)的舒適度計算函數(shù)。

43、可選的，下身維修姿態(tài)多目標優(yōu)化模型進行求解，具體步驟如下：

44、d1：種群中的個體按照適應度值從小到大進行排序，并線性地為每個個體分配選擇概率，通過改變選擇概率的方法改進nsga-ⅱ算法的選擇策略，其中，個體j的選擇概率pj分配，其表達式為：其中，n為種群規(guī)模，1≤j≤n，γ+和γ-為xn和x1在選擇操作后的期望值；且滿足0≤γ-≤1、γ+＝2-γ-，通過改變γ+和γ-兩個值，改變選擇概率；

45、d2：根據(jù)d1步驟中改進選擇策略的nsga-ⅱ算法對步驟三c6和c10中建立的維修姿態(tài)多目標優(yōu)化模型，按照上身、下身的順序進行求解，最終完成飛機狹小空間虛擬維修姿態(tài)的求解任務。

46、采用上述技術方案后，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下有益效果，當然，實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達到以下所述的所有優(yōu)點：

47、本發(fā)明通過深入分析維修姿態(tài)中可能影響操作效果的多種人機工程因素，如人體各關節(jié)的可動范圍、姿態(tài)的平衡性、舒適度、可達性和可視性等，針對這些復雜的因素分別為上身和下身建立了虛擬維修姿態(tài)的多目標優(yōu)化模型?？紤]到狹小空間中維修任務的特殊需求，本發(fā)明特別設計了上身和下身的優(yōu)化方案，使得維修人員在進行維修操作時，能夠以最小的身體負擔達到最佳的操作效果，其次，本發(fā)明引入了改進選擇策略的nsga-ⅱ(非支配排序遺傳算法ii)算法。該算法通過改進的選擇機制，使得在多目標優(yōu)化過程中能夠更快速地收斂到最優(yōu)解，從而顯著提升了維修姿態(tài)的生成速度和準確性。這種高效的求解方式不僅適用于飛機設計階段的維修性虛擬仿真，也能為后期的維修任務規(guī)劃提供強有力的支持，本發(fā)明通過在狹小空間中快速求得最佳虛擬維修姿態(tài)，解決了傳統(tǒng)方法在復雜受限環(huán)境下難以高效生成合理姿態(tài)的問題，為飛機結構及系統(tǒng)的設計和維護提供了全面而可靠的技術保障。通過這項技術的應用，維修性分析的效率和可行性得到了顯著提高，從而在保障飛行安全的同時，降低了維修人員的勞動強度，提高了整體作業(yè)效率。

48、下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做進一步詳細的描述。