本文转载自公众号思睿咨询

1   引言

维修性作为产品的一项通用质量特性，对于武器装备尤为重要，它必须在产品全寿命周期予以考虑，其工作内容包括设计阶段开始的维修性设计分析和验证评估，研制后期的维修技术手册编写，以及交付前开展的维修训练等。

但在传统的维修性工作模式下，维修性分析评估依赖于物理样机，致使维修缺陷发现得相对较晚，而且维修性分析多采用手动操作、凭经验判断的方式进行评估，导致很多维修性缺陷被带入最终产品。

虚拟维修技术可以提供具有良好沉浸感、交互性和启发性的虚拟维修环境，使设计者能更早的“看到、修到和用到”未来的产品，并通过虚拟操作和维修过程仿真进行维修性分析与验证，可以在产品设计的早期阶段发现存在的维修性设计缺陷，从而避免维修工作在时间上的滞后。增强装备寿命周期各阶段关于维修的各种决策能力，包括维修性设计分析、维修性演示验证、维修过程核查、维修训练实施等。

2   虚拟维修技术发展概述

从 80 年代中后期起，随着虚拟现实技术的充分发展与应用，虚拟维修技术的研究获得了巨大的成功。比较有代表性的案例有：美国哈勃望远镜（HST）的虚拟维修训练、洛克希德马丁公司的F-16项目的维修性设计分析过程、美国空军阿姆斯特朗实验室（Armstrong Lab.）与宾夕法尼亚大学联合开发的DEPTH（Design Evaluation for Personnel Training and Human Factors）以及新加坡南洋理工大学研究开发的 V-REALISM 维修培训系统等。此外，北京航空航天大学的虚拟现实技术国家重点实验室、浙江大学CAD&CG国家重点实验室和军械工程学院等在维修过程建模、虚拟样机建模、维修动作仿真以及虚拟交互等方面开展了大量的研究，并取得了一定的研究成果。

3   虚拟维修系统架构

虚拟维修系统一般采用客户端（Client）—服务器（Server）结构（C/S架构）。服务器端由一台高性能服务器构成，客户端由沉浸式虚拟维修终端、语音识别/合成终端、建模管理终端、维修分析终端和控制/观摩终端等五部分构成。客户端的各个终端通过TCP/IP协议向服务器端发送任务处理请求，服务器端进行一系列处理后将结果反馈给各终端，如下图所示。

1)  沉浸式虚拟维修终端

沉浸式虚拟维修终端由捕捉处理和头盔图像渲染两部分组成，捕捉处理计算机的作用是：实时捕捉人体各个部位的方位，转换为人体姿态数据。头盔图形渲染计算机的作用是：接收捕捉得到的三维人体姿态数据、结合维修场景的数据，进行三维图形图像渲染。

2)  语音识别/合成终端

语音识别/合成终端由语音输入设备、语音输出设备以及处理语音信息的计算机三部分构成。语音识别/合成终端的作用是将用户的语音信号转换为可被计算机识别的语音特征信息，并将计算机处理得到的需要反馈给用户的语音信息以声音的形式表达出来。

3)  建模管理终端

建模管理终端主要由建模管理计算机、建模管理程序和模型转换程序组成。作用是：接收来自CAD/ PDM软件的产品三维数字模型和产品结构数据。通过模型转换处理，生成模型库数据并存储到服务器。同时，通过选择模型和定义约束，生成维修场景库数据并存储到服务器。通过选择场景和预设维修过程，生成维修任务库数据并存储到服务器。

4)  维修分析终端

维修分析终端主要是维修分析计算机和维修分析软件。本部分的作用是：记录虚拟维修过程、维修障碍分析、维修时间分析、维修空间分析等。

5)  控制/观摩终端

控制/观摩终端由图形渲染计算机及相应软件组成。本部分的作用是：控制维修模拟任务的开始/结束/暂停，有关人员行为，并且提供对于维修场景的实时显示和图形角度变换。

4   虚拟维修建模与仿真

4.1虚拟维修模型构建

产品虚拟维修工作的样机建模以CAD模型数据或其他格式的电子样机为基础，结合零部件装配关系和维修需要，将产品的尺寸、联接、约束关系和维修过程模型综合到虚拟维修样机中，在虚拟仿真之前完成相应模型的虚拟样机构建，这一过程中主要涉及模型的格式转换及模型简化、人体模型构建、维修保障工具建模、虚拟维修特征加入，从而为虚拟场景的构建提供条件。

1)  电子样机的数据转换

现阶段制作电子样机时有不同的构建环境，如UG、Pro/E等，最后的样机格式不同，电子样机的数据转换技术可以将同一模型文件在不同的软件中使用，利用该技术增强的电子样机的可用性，减轻了电子样机的重复制作工作，为更好的利用电子样机提供支持。

2)  人体模型构建

虚拟维修工作的人体模型建模在DELMIA的Human Builder中完成，在进行建模工作前，需要对实际的维修工作人员进行相应尺寸的测量，并在建模过程中将尺寸准确反映到人体模型中，特别是前臂、手部、下肢、头部这些对维修工作有影响的部位。如果有多个人员进行操作，需要对不同尺寸的人体模型分别进行建模。

3)  维修保障工具建模

在虚拟维修过程仿真中，使用的维修保障工具往往没有相关模型，需要对这些工具进行补充。维修工具要和实际中的相同，且尺寸要求精确，可以利用调研及查阅的内容，对维修工具进行设计，按照拆卸对象，如螺母的尺寸，完成全部维修工具的虚拟样机构建，如普通扳手、圆头扳手、套筒扳手等。

4.2虚拟维修仿真

虚拟仿真场景是根据一定的空间布局关系将虚拟维修样机、维修工具、虚拟人等模型整合在虚拟环境之中，虚拟仿真场景是开展维修性虚拟仿真的基础。在虚拟仿真场景中虚拟人按照维修工作流程进行维修操作，形成虚拟维修仿真数据，用以后续的维修性分析与验证。

5   虚拟维修分析验证方法

虚拟维修分析验证是借助于虚拟现实的平台工具开展产品的维修性分析验证的方法，主要包括可达性分析、空间布局分析和维修姿态分析等方面。下面将以在虚拟维修应用较为广泛的DELMIA平台为例，对维修性分析验证方法进行简要介绍。

5.1可达性核查

（1）视野可达性核查

维修人员的可视性是指维修部位在维修人员视线可以达到的范围内，使维修人员方便地进行维修活动。

DELMIA中的视锥分析通过确定人眼生理视野区域，得到人眼视线的可视锥，根据维修部位在可视锥中的分布位置来对维修部位的可视性进行评价，如下图。随着人体的运动，视野窗内的图景连续地发生变化，以此可以判定维修时可视性是否良好。

（2）实体可达性核查

维修人员的实体可达性是指工具或手能够沿一定路径或方式，接近维修部位。实体可达性评价准则考虑了维修人员在维修过程中调整姿态，维修对象能否在维修人员的手部包络球范围内，这一过程的实现是通过DELMIA中的包络球工具来实现。

（3）操作空间可达性核查

操作空间评价准则考虑了维修人员在进行操作时，手部或者工具是否有足够的空间，是否和周围的设备发生了碰撞，这一过程的实现通过DELMIA下的碰撞检测工具和测量工具来实现。

5.2空间布局核查

布局设计可描述为一系列组件找到一种排列，使其本身和在其上的操作满足一组约束条件。约束条件包括不带性能的约束和带性能的约束，前者一般要求待布物之间、待布物与容器之间不干涉，并尽量提高空间利用率；后者一般要考虑惯性、平衡性、稳定性、振动、磁场、温度场等约束。

5.3人素核查

人素工程的评价准则考虑了维修过程中人员的舒适程度及疲劳程度，这一过程的实现通过DELMIA环境下的RULA工具来实现。通过人体不同颜色表征各肢体不同等级的疲劳程度。

6   展望

虚拟维修作为一门新兴的科学技术，广泛的应用领域证明了其巨大的前景和发展潜力，但是虚拟维修技术还存在一些不足，需要进一步深入研究与完善，主要表现在以下几个方面：

• 人机交互

人机交互技术一直是虚拟维修技术中研究的热点问题，虽然已经提出了很多方法，但在目前的虚拟维修系统中，大多数情况下考虑的是用户和环境之间的交互，较少考虑物体间的自然交互行为。

• 通用化要求

虚拟维修技术涉及领域广，各应用领域对产品的设计使用要求不尽相同，对这些要求和规范综合分析，改进虚拟维修过程规划和描述方法，提出合理的虚拟维修协同设计准则是发展的必然。

• 维修仿真交互实时性

虚拟维修技术受制于虚拟现实硬件技术的发展，目前在维修性仿真过程中表现的实时性较差，维修人员与虚拟人之间的维修动作时间延迟较大，需要通过提高动作捕捉系统及其平台的性能提高用户体验与仿真效率。

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