一种基于虚拟仿真的人机工程分析方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于虚拟仿真的人机工程分析方法与系统。在所述方法中，利用虚拟现实输入设备为操作者提供虚拟现实的操作环境，并采集操作过程中的人体位置信息；以及在三维仿真环境中基于所述人体位置信息与人工工位布置信息进行人机工程验证。所述系统包括：虚拟现实输入设备，用于为操作者提供虚拟现实的操作环境，以及采集操作者在操作过程中的人体位置信息；以及数据处理系统，用于建立三维仿真环境，接收所述虚拟现实输入设备采集的数据，基于人体位置信息与人工工位布置信息进行人机工程验证。采用本发明专利技术的方法和系统，能够在前期工艺设计阶段即对人机工程进行全面的检验与优化，由此解决后期人机工程验证费时费力且效率低下的问题。

A human engineering analysis method and system based on virtual simulation

The invention discloses a man-machine engineering analysis method and system based on virtual simulation. In the method, provides a virtual reality operation environment for the operator using virtual reality input devices, and collecting human location information in the process of operation; and in the 3D simulation environment in which the human body position information and artificial layout information based on man-machine engineering verification. The system includes: a virtual reality input device, for providing a virtual reality operation environment for the operator, and the human body position information acquisition operator during operation; and the data processing system is used to establish the three-dimensional simulation environment, receives the virtual reality input device data acquisition, man-machine engineering verification body position information and artificial station based on the arrangement of information. By adopting the method and the system of the invention, the man-machine engineering can be comprehensively checked and optimized in the early stage of technical design, thereby solving the problems of time-consuming, laborious and low efficiency of the man-machine engineering verification in the latter stage.

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟仿真的人机工程分析方法与系统
本专利技术涉及工业人机工程
，尤其是涉及汽车生产人机工程分析
，特别是涉及一种基于虚拟仿真的人机工程分析系统与方法。
技术介绍
汽车生产中有很多目前无法采用自动设备的人工工位，对于人工工时核算、操作性等要求，虽然有相关的规范，但在设计阶段无法做到快速响应和精确分析，往往在工艺实施阶段才发现人机工程可行性和工时匹配有诸多错误或问题。现有技术无法在设计时就全面分析人工工位的设备环境是否能满足人机工程要求，需要后期通过实际实物情况按照人机工程规范分析是否有问题，再对设备进行改进，更改成本很高。因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。为实现上述目的，本专利技术提供一种基于虚拟仿真的人机工程分析方法，在所述方法中，利用虚拟现实输入设备为操作者提供虚拟现实的操作环境，并采集操作者在操作过程中的人体位置信息；以及在三维仿真环境中基于所述人体位置信息与人工工位布置信息进行人机工程验证。优选地，采用立体头盔显示器为操作者提供虚拟操作视觉环境；采用数据手套为操作者提供操作指令下发平台；采用人体关节位置传感器和位置跟踪系统来采集人体位置信息，其中，所述人体关节位置传感器为位置跟踪系统提供位置采集点。优选地，记录整个操作仿真过程，并通过人工操作优化算法对整个操作过程进行优化，输出针对现有人机工程环境的修改要求和人工操作的改进建议。优选地，所述基于虚拟仿真的人机工程分析方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤S1、操作者穿着虚拟现实装备，位置跟踪系统采集人体位置信息并将之输入到数据处理系统，与人体位置实时模型进行匹配与校验，然后将之导入三维仿真环境；步骤S2、将人工工位布置信息导入三维仿真环境；步骤S3、在三维仿真环境中，将人工工位布置信息与人体位置信息进行匹配，确定人体与设备之间的空间距离；步骤S4、将匹配好空间距离状态的三维仿真环境(虚拟现实环境)投射至操作者佩戴的立体头盔显示器，使得操作者在视觉上处于一个完备的三维仿真环境；步骤S5、操作者依据立体头盔显示器中显示的工位布置进行操作，并通过位置传感器将位置信息反馈至三维仿真环境；步骤S6、由数据处理系统针对输入的操作过程位置信息进行处理，依照已有的人机工程规范，将不符合规范要求的操作进行记录，并通过人工分析，修改工位布置，直至能够满足人机工程规范要求。优选地，在步骤S6中，所述人机工程规范包括：操作者单位时间内的能量消耗小于等于设定值，其中，操作者单位时间内的能量消耗以下式计算：能量消耗:A＝(F*H1+F*H2/2+F*L/9)*n*j其中，F为操作者作用力，H1为操作对象被举起的距离，H2为操作对象被下降的距离，L为操作对象水平移动的距离，n为单位时间内操作的次数，j为调整系数，在操作者单位时间内的能量消耗大于所述设定值时，修改操作对象的操作行程起始点与终止点的位置。优选地，所述基于虚拟仿真的人机工程分析方法包括下述步骤：步骤S7、对整个人工操作过程进行工时分析和动作优化，并输出优化后的操作样板，交由操作者根据操作样板在人机工程分析系统中进行操作验证。本专利技术还提供一种基于虚拟仿真的人机工程分析系统，所述基于虚拟仿真的人机工程分析系统包括：虚拟现实输入设备，用于为操作者提供虚拟现实的操作环境，以及采集操作者在操作过程中的人体位置信息；以及数据处理系统，用于建立三维仿真环境，接收所述虚拟现实输入设备采集的数据，基于所述人体位置信息与人工工位布置信息进行人机工程验证。优选地，所述虚拟现实输入设备包括：立体头盔显示器、数据手套、人体关节位置传感器和位置跟踪系统，所述立体头盔显示器用于为操作者提供虚拟操作视觉环境；所述数据手套用于为操作者提供操作指令下发平台；所述人体关节位置传感器和位置跟踪系统用于采集人体位置信息，其中，所述人体关节位置传感器为位置跟踪系统提供位置采集点。优选地，所述数据处理系统包括能量消耗检验模块，所述能量消耗检验模块以下式计算能量消耗，能量消耗:A＝(F*H1+F*H2/2+F*L/9)*n*j，其中，F为操作者作用力，H1为操作对象被举起的距离，H2为操作对象被下降的距离，L为操作对象水平移动的距离，n为单位时间内操作的次数，j为调整系数，在操作者单位时间内的能量消耗大于设定值时，能量消耗检验模块输出修改操作对象的操作行程起始点与终止点的位置的建议。优选地，所述数据处理系统包括操作样板数据库，用于存储操作样板。采用本专利技术的方法和系统，能够在前期工艺设计阶段即对人机工程进行全面的检验与优化，由此解决后期基于实物进行人机工程验证费时费力且效率低下的问题。附图说明图1是根据本专利技术一实施例的基于虚拟仿真的人机工程分析系统的示意图。图2为人体穿戴根据本专利技术一实施例的虚拟现实输入设备时的示意图。图3为基于虚拟仿真的人机工程分析系统的工作方式示意图。附图标记：1人体关节位置传感器3数据手套2立体头盔显示器具体实施方式在附图中，使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明。本专利技术的基于虚拟仿真的人机工程分析方法利用虚拟现实输入设备为操作者提供虚拟现实的操作环境，并采集操作者在操作过程中的人体位置信息；以及在三维仿真环境中基于所述人体位置信息与人工工位布置信息进行人机工程验证。优选地，记录整个操作仿真过程，并通过人工操作优化算法对整个操作过程进行优化，输出针对现有人机工程环境的修改要求和人工操作的改进建议。采用本专利技术的方法和系统，能够在前期工艺设计阶段即对人机工程进行全面的检验与优化，由此解决后期基于实物进行人机工程验证费时费力且效率低下的问题。进一步地，能够检验现有规范的合理性，积累人机工程过程数据，优化人工作业过程。另外，有效减少后期实施阶段工装的更改，从而降低成本。如图1所示，本系统主要包括虚拟现实输入设备和数据处理系统两部分。虚拟现实输入设备主要用于为操作者提供虚拟现实的操作环境和数据采集工作。立体头盔显示器1为操作者提供虚拟操作视觉环境。可以理解的是，立体头盔显示器可以采用任何适当的形式。例如，可以为可视眼镜，也可以为头盔形式的显示器。数据手套3为操作者提供操作指令下发平台。在图中仅示出了一个数据手套，可以理解的是，也可以设置两个数据手套，左右手各设置一个。可以理解的是，数据手套可以采用任何适当的形式，只要能够由操作者下发操作指令即可。人体关节位置传感器2用于为位置跟踪系统提供人体活动的位置采集点。可以理解的是，在本专利技术中，人体关节位置传感器不仅仅是限于设置在人体关节处，还可以设置在与操作相关的其他重点位置处，例如，设置在胸部、背部和臀部处。这样可以以检测胸部、背部和臀部虚拟位置与设备虚拟位置之间的空间距离，避免发生碰撞与干涉。需要指出的是，人体关节传感器可以采用任何已有或将来开发出来的适当的传感器，只要能够感测关节或其他人体部位的位置即可。在一个实施例中，人体关节位置传感器通过发射特定无线信号(例如，特定波长、特定波形等等)，由对应的接收设备(例如，具有三个固定接收点)接收的方式，来确定人体关节位置传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于虚拟仿真的人机工程分析方法，其特征在于，利用虚拟现实输入设备为操作者提供虚拟现实的操作环境，并采集操作者在操作过程中的人体位置信息；以及在三维仿真环境中基于所述人体位置信息与人工工位布置信息进行人机工程验证。

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟仿真的人机工程分析方法，其特征在于，利用虚拟现实输入设备为操作者提供虚拟现实的操作环境，并采集操作者在操作过程中的人体位置信息；以及在三维仿真环境中基于所述人体位置信息与人工工位布置信息进行人机工程验证。2.如权利要求1所述的基于虚拟仿真的人机工程分析方法，其特征在于，采用立体头盔显示器为操作者提供虚拟操作视觉环境；采用数据手套为操作者提供操作指令下发平台；采用人体关节位置传感器和位置跟踪系统来采集人体位置信息，其中，所述人体关节位置传感器为位置跟踪系统提供位置采集点。3.如权利要求1所述的基于虚拟仿真的人机工程分析方法，其特征在于，记录整个操作仿真过程，并通过人工操作优化算法对整个操作过程进行优化，输出针对现有人机工程环境的修改要求和人工操作的改进建议。4.如权利要求1或2所述的基于虚拟仿真的人机工程分析方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤S1、操作者穿着虚拟现实装备，位置跟踪系统采集人体位置信息并将之输入到数据处理系统，与人体位置实时模型进行匹配与校验，然后将之导入三维仿真环境；步骤S2、将人工工位布置信息导入三维仿真环境；步骤S3、在三维仿真环境中，将人工工位布置信息与人体位置信息进行匹配，确定人体与设备之间的空间距离；步骤S4、将匹配好空间距离状态的三维仿真环境(虚拟现实环境)投射至操作者佩戴的立体头盔显示器，使得操作者在视觉上处于一个完备的三维仿真环境；步骤S5、操作者依据立体头盔显示器中显示的工位布置进行操作，并通过位置传感器将位置信息反馈至三维仿真环境；步骤S6、由数据处理系统针对输入的操作过程位置信息进行处理，依照已有的人机工程规范，将不符合规范要求的操作进行记录，并通过人工分析，修改工位布置，直至能够满足人机工程规范要求。5.如权利要求4所述的基于虚拟仿真的人机工程分析方法，其特征在于，在步骤S6中，所述人机工程规范包括：操作者单位时间内的能量消耗小于等于设定值，其中，操作者单位时间内的能量消耗以下式计算：能量消耗:A＝(F*H1+F*H2/2+F*...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文标，
申请(专利权)人：北汽福田汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11