一种基于人体生物特征的飞机装配路径的优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于人体生物特征的飞机装配路径的优化方法，属于飞机装配技术领域。所述优化方法包括建立装配体模型；构建虚拟人体模型；基于模糊综合评价算法，建立基于时间任务的模糊综合评价模型；根据装配工人整体的受力情况建立状态平衡方程；飞机装配工人上肢的动力学建模；飞机装配工人下肢的动力学建模；综合各模型，得到优化的装配路径。本发明专利技术以飞机数字化装配为依据，通过虚拟人体建模研究装配过程中工人的姿势、人体生物特征等分析，优化飞机装配路径，以达到提高飞机装配效率和保护工人健康的目的。

An Optimal Method of Aircraft Assembly Path Based on Human Biological Characteristics

【技术实现步骤摘要】
一种基于人体生物特征的飞机装配路径的优化方法
本专利技术提供一种基于人体生物特征的飞机装配路径的优化方法，它涉及一种基于人体生物特征的飞机装配路径的实现，属于飞机装配

技术介绍
飞机的装配和安装是飞机制造过程中的核心任务，飞机装配技术在航空制造领域不仅难度很大而且涉及多方面的知识和技术，装配质量和效率将直接影响到飞机的制造成本、生产周期等。因此，飞机装配技术是整个飞机制造过程中的关键和核心技术。和传统的机械制造行业相比，飞机装配过程更加复杂，不仅零件种类繁多，数量庞大，而且结构和连接形式十分复杂。据统计，飞机部件装配工作量约占全机生产工作总量的45％-60％以上，而一般机械制造行业只占20％左右，加之装配工作的机械化和自动化程度较低，飞机装配和安装工作的时间大约是整个生产周期的50％-75％。在飞机零件装配路径规划方面，由于目前国内数字化装配技术还没有得到成熟的应用加上相关技术及设备的缺失，国内对于飞机零件装配路径规划方面的研究还比较少。由于飞机结构的复杂性，装配和安装过程繁琐，操作难度比较高，因此飞机装配过程中仍存在大量的手工操作。装配过程中操作者的安全和健康成为重要问题，为了提高装配效率和保护操作人员的健康不受损害，人机工程问题也是飞机装配中急需解决的问题之一。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种基于人体生物特征的飞机装配路径的优化方法，本专利技术根据飞机装配的需求，提取飞机数字化装配中零部件的特征信息、零组件之间的约束关系、装配体的位姿信息等；通过飞机装配，研究了装配体信息提取；建立基于时间任务的模糊综合算法；同时，还从静力学和动力学两方面对飞机装配工人进行分析。总结飞机装配过程中影响装配工人身体稳定性的因素，构建飞机装配过程中工人的人体静力学方程，推导出装配作业的人体简化静力学模型，并对实际的飞机装配任务进行分析，应用拉格朗日法建立飞机装配工人上肢、下肢的动力学模型，并分析飞机装配过程中特定任务的各关节力矩变化情况。通过上述分析得到的结果，对飞机装配路径进行优化，以达到提高飞机装配效率和保护工人健康的目的。飞机结构的复杂性导致飞机装配和安装过程繁琐，操作难度大，目前，这一繁琐的装配过程仍需要通过大量的手工操控完成，复杂的手工操作不仅提高了装配出错的风险性，而且极大的影响了装配工人的身体状况，因此研究飞机装配过程中基于人体生物特征的数字化装配技术，是一个亟待解决的重要问题。本专利技术通过面向特定的装配需求，研究飞机装配工人效果评价模型，优化工人装配过程和装配序列，提高飞机装配效率。本专利技术首先通过提取产品模型的装配信息；然后依据飞机装配过程建立虚拟人体模型并对装配工人的评价方法进行分析；分别对飞机装配过程中操作人员整体、上肢、下肢进行分析，优化人体静力学方程和动力学方程。依据分析结果，对飞机装配路径进行优化。本专利技术对现有的飞机装配路径规划理论和人体生物特征分析进行了整合与创新，形成了一种基于人体生物特征的飞机装配路径的优化方法，具体步骤如下：步骤1、建立装配体模型；步骤2、构建虚拟人体模型；步骤3、基于模糊综合评价算法，建立基于时间任务的模糊综合评价模型；步骤4、根据装配工人整体的受力情况建立状态平衡方程；步骤5、飞机装配工人上肢的动力学建模；步骤6、飞机装配工人下肢的动力学建模；步骤7、综合各模型，得到优化的装配路径。本专利技术与现有技术相比的优点在于：现有的飞机装配路径规划研究主要集中在装配工艺方案和流程设计优化研究，常常忽略了操作中主要的参与者-作业工人、缺少面向人机交互装配作业仿真研究。由于飞机装配过程中，零部件数量庞大并且结构复杂，飞机装配过程中仍存在大量的手工操作，因此人机工程问题是飞机装配中急需解决的问题之一。本专利技术以飞机数字化装配为依据，通过虚拟人体建模研究装配过程中工人的姿势、人体生物特征等分析，优化飞机装配路径。附图说明图1为本专利技术所述飞机装配路径的优化方法的总体步骤流程图；图2为CATIA装配环境拓扑结构图；图3为人体结构与活动关节图；图4为基于时间任务的模糊综合评价模型建立流程图；图5为飞机装配工人上肢手臂骨骼关节简化图；图6为飞机装配工人下肢骨骼关节简化图。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图进行详细描述。本专利技术提供了一种基于人体生物特征的飞机装配路径的优化方法。研究飞机装配中工人生物力学特性对飞机装配路径的影响，由于人对机及环境影响因素考虑的人机工程学研究体系不够完善和系统，对装配工人姿势、工人受力状态缺乏评价依据的问题展开研究。基于生物力学特征对飞机装配过程的影响，建立合理的评价准则及评价方案。从飞机装配工效和安全保护出发，分析影响飞机装配和工人健康的因素，从人机工程学角度对飞机装配和安装过程进行分析，以实现装配效率和人体状态的优化，改进飞机装配路径。本专利技术是一种基于人体生物特征的飞机装配路径的优化方法，包括数据获取(步骤一)、评价分析(步骤二～步骤六)和结果分析(步骤七)三个部分，如图1所示，其具体优化步骤如下：步骤一：建立装配体模型。所述的装配体模型的构建方法是：在使用CATIAV5装配模块时，拓扑结构十分重要，在拓扑结构中主要包含三种文件类型：整个装配体、部件装配体和单个零件，在CATIAV5软件中用“Product”来表示整个装配体和部件装配体，用“part”来表示单个零件，如图2所示显示了这种拓扑结构。每个Product节点都有它自己的子集或子节点，这些子集或子节点也都是Product类型。所以，只要获取了一个Product节点的根节点，就可以获得Product的其他子节点。获取根节点时一般首先获得document，然后获得CATIDocRoots接口，再通过CATListValCATBaseUnknown获取一个列表中的元素，第一个列表中的元素就是根节点。CAA为装配环境提供了两个接口CATIProduct和CATIMovable，这两个接口前者是针对Product文件的一个接口，CATIProduct接口提供了很多函数可以操作Product文件，后者是一个针对Product在空间移动的一个接口，提供了如GetAbsPosition和ApplyTransformation等函数，可以方便的获取和设定Product文件在环境中的位置和姿态。这里，首先分别获取装配体和待装配体的指针赋给两个CATIProduct指针，再获取各自的CATIMovable接口，调用GetPosition函数就可以获取装配体相对于待装配体的位置和姿态，这里位置和姿态用一个4×4的矩阵表示。步骤二：构建虚拟人体模型。所述虚拟人体模型的构建方法是：在飞机装配作业中，装配工人通过各个身体部位的转动完成需要的装配动作。依据飞机数字化装配过程中不同装配工人的姿势特点，方便对装配工人的生物特征分析，选取头部、颈部、左肩、左脚踝、脊柱和肘部等二十个骨骼关节作为人体连接的表示构件，另外，本专利技术以髋部中心为起点，把虚拟人体模型分为两部分，即上肢部分和下肢部分。这样方便进行后续装配工人进行飞机装配操作时运动状态的分析，图3为建立的人体结构与活动关节图，所述的下肢部分包括右髋、右膝盖、右脚踝、右脚、左髋、左膝盖、左脚踝和左脚；所述的上肢部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于人体生物特征的飞机装配路径的优化方法，其特征在于，所述优化方法具体步骤如下：步骤1、建立装配体模型；步骤2、构建虚拟人体模型；步骤3、基于模糊综合评价算法，建立基于时间任务的模糊综合评价模型；(1)基于时间任务的模糊综合评价模型；把整个装配过程划分为Tnum个装配任务，对不同装配任务赋重要性权值，所有装配任务权值之和为1；接下来获取不同装配任务中的装配工人的姿态，并把姿态得分小于0.5的归为一种姿态，然后记录维持该姿态的时间；最后依据装配任务权值以及每一个姿态的时间，完成所有装配任务的综合评价，具体计算如下公式：

【技术特征摘要】
1.一种基于人体生物特征的飞机装配路径的优化方法，其特征在于，所述优化方法具体步骤如下：步骤1、建立装配体模型；步骤2、构建虚拟人体模型；步骤3、基于模糊综合评价算法，建立基于时间任务的模糊综合评价模型；(1)基于时间任务的模糊综合评价模型；把整个装配过程划分为Tnum个装配任务，对不同装配任务赋重要性权值，所有装配任务权值之和为1；接下来获取不同装配任务中的装配工人的姿态，并把姿态得分小于0.5的归为一种姿态，然后记录维持该姿态的时间；最后依据装配任务权值以及每一个姿态的时间，完成所有装配任务的综合评价，具体计算如下公式：式中，Y为完成所有装配任务的综合评价得分；mi为第i个装配任务的权值大小；Ti为第i个装配任务的装配总时间；yij为第i个装配任务中第j个姿态的姿态分值；tij为第i个装配任务中第j个姿态保持的时间；(2)输入装配工人各身体部位角度并模糊化；(3)建立模糊推理规则，并分为A组和B组两组；(4)对输出的得分值模糊集合进行反模糊化，得到姿势评估结果；如果完成所有装配任务的综合评价得分Y是合理的，则确定装配过程；否则，调整装配过程修改装配工人姿势，重新划分装配任务；步骤4、根据装配工人整体的受力情况建立状态平衡方程；步骤5、飞机装配工人上肢的动力学建模；步骤6、飞机装配工人下肢的动力学建模；步骤7、综合各模型，得到优化的装配路径。2.根据权利要求1所述的一种基于人体生物特征的飞机装配路径的优化方法，其特征在于，所述的装配体模型使用CATIAV5装配模块，拓扑结构包含三种文件类型：整个装配体、部件装配体和单个零件，用“Product”来表示整个装配体和部件装配体，用“part”来表示单个零件，每个Product节点都有自己的子集或子节点，这些子集或子节点也都是Product类型。3.根据权利要求1所述的一种基于人体...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫光荣，谢协国，汤中恒，徐翔宇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11