维修工具使用的可达域计算及可视化方法
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定 义 ：当 虚 拟 人 使 用 的 工 具 的 操 作 部 位 外 沿
点 能 达 到 仿 真 对 象 的 维 修 部 位 ，且 虚 拟 人 人 体 没 有 与 维 修 对 象 及 周 围 环 境 模 型 发 生 硬 干 涉 时 ，即 可认为该维修部位可达。
上述定义中，在干涉检查方面，Jack 仿真软件 提供了“Collision detection”功能，可实现一个或一 组 Segment 与另一个或一组 Segment 之间的实时 干 涉 检 查 。 利 用 该 功 能 ，可 判 断 人 体 是 否 与 其 他 物体发生干涉。通过对现有的虚拟维修相关文献 进 行 分 析 ，工 具 使 用 的 可 达 性 仿 真 分 析 步 骤 及 可 达判定逻辑可描述如图 1 所示。
从 可 达 性 分 析 仿 真 要 素 来 看 ，关 键 在 于 如 何 计 算 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 达 域 并 绘 制 其 包 络 面 几 何 体 ，利 用 该 几 何 体可定性分析出维修部位是否在该几何体内。
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中国舰船研究
本 文 的 基 本 思 路 是 ：计 算 工 具 使 用 时 的 最 远 可达距离 Dis_T，并将 Dis_T 与未使用工具时（徒手 操作时）虚拟人的最远可达距离 Dis_none 进行比 较，结合徒手操作时的可达域几何体，将其放大便 可得到工具使用时的可达域几何体。在计算最远 可达距离 Dis_T 时，拟采用虚拟人手臂尺寸加上手 腕 到 工 具 外 沿 处 的 距 离 。 因 此 ，在 设 计 交 互 界 面 时 ，需 要 具 备 虚 拟 人 左 /右 手 选 择 以 及 工 具 外 沿 点 选择功能。
用时的可达性分析，所提供的仿真报告自动生成功能有助于仿真人员编制报告。
关键词：维修工具；可达性分析；可达域；图形可视化；Jack 仿真软件
中图分类号：U672.7
文献标志码：A
DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.003
A method for accessible domains computation and visualization in the case of using maintenance tools
Abstract： A method for accessible domains calculation and its three-dimensional visualization is pro⁃
posed in this paper, aiming at the shortage in accessibility analysis functions of the related simulation soft⁃
结合工具的外沿点位置，给出工具使用时的最远可达距离计算方法；基于该距离值及虚拟人手臂长度值计算可
达域几何体放大尺度，利用该尺度可以对工具使用时的可达域进行三维可视化。最后，结合 Jack 仿真软件，
Tcl/Tk 以及 Python 语言，实现了维修工具使用可达性的分析功能。仿真实例表明：所实现的方法能满足工具使
simulation software
0引言
手 册 对 可 达 性 进 行 了 定 义 ，指 的 是 产 品 操 作 或 维 修 时 ，接 近 维 修 部 位 的 难 易 程 度［1］。 可 达 性 验 证
国 家 军 用 标 准 GJB/Z 91-97 维 修 性 设 计 技 术 分析是开展虚拟维修 和 ［2-3］ 人机工程仿真［4］时的一
对 于 舰 船 等 复 杂 装 备 的 维 修 仿 真 而 言 ，通 常 需要在虚拟环境中借助维修工具来完成相关操 作 ，而 维 修 工 具 使 用 时 的 可 达 性 分 析 对 于 操 作 空 间 的 设 计 和 分 析 验 证 具 有 重 要 意 义 ，但 目 前 流 行 的仿真分析软件，如 Jack 或 Delmia，仅提供了徒手 操 作 时 的 空 间 可 达 性 分 析 功 能 ，并 没 有 提 供 工 具 使用时的可达性三维可视化分析功能。本文主要 研究针对工具使用时空间可达性的可视化分析方 法 。 其 主 要 难 点 在 于 ：如 何 计 算 工 具 使 用 时 工 具 （操作部位）的可达域以及如何对可达域进行三维 可 视 化 展 示 ，并 将 其 几 何 体 绑 定 至 虚 拟 人 人 体 上 正 确 的 位 置 ，以 便 于 用 户 开 展 工 具 使 用 时 的 可 达 性定性分析。
farthest accessible distance is given with the information of tools' remote node point. The magnified scale is
calculated by the distance value and the length of the virtual human's arm, and then the scale is utilized to
ware when developing virtual maintenance in the case of using maintenance tools. Firstly, the size of virtual
human's arm is computed according to its configuration structures. Secondly, a technique to calculate the
maintained part
从 图 1 可 以 看 出 ，一 个 完 整 的 工 具 使 用 时 的 可 达 性 分 析 流 程 包 含 以 下 要 素 ：维 修 对 象 及 背 景 模 型 、虚 拟 人 、维 修 工 具 及 其 操 作 部 位 外 沿 点 、可 达域几何体。从功能来看，维修对象与背景模型、 虚 拟 人 导 入 是 Jack 或 Delmia 等 仿 真 软 件 具 备 的 功能。除此之外，还需要具备选择虚拟人及其左/ 右手、计算可达域及生成三维几何体等功能。
基 于 上 述 应 用 需 求 及 技 术 难 点 ，本 文 将 提 出 一种维修工具使用的可达域计算及其三维可视化 方 法 。 首 先 ，对 维 修 工 具 使 用 的 可 达 性 分 析 流 程 及 要 素 进 行 分 析 研 究 。 然 后 在 此 基 础 上 ，给 出 可 达 域 计 算 方 法 、维 修 工 具 使 用 的 可 达 性 分 析 功 能 界面设计方案，并将结合 Jack 仿真软件实现维修 工具使用的可达性分析功能。
维修工具使用的可达域计算及可视化方法
方雄兵 1，田正东 2，林锐 1，李涛涛 1
1 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064 2 海军装备部，北京 100841
摘 要：针对开展虚拟维修时相关仿真软件缺乏维修工具使用时的可达性分析功能之问题，提出一种可达域计
算方法以及可达域的三维可视化方法。首先，根据虚拟人手臂结构特点，计算出虚拟人手臂尺寸；在此基础上，
收稿日期：2015 - 09 - 10
网络出版时间：2016-9-21 13:48
基金项目：中国舰船研究设计中心研发基金资助项目；国家部委基金资助项目
第5期
方雄兵等：维修工具使用的可达域计算及可视化方法
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项 重 要 分 析 工 作 ，在 汽 车 及 飞 机 驾 驶 舱 布 局 优 化［5-8］、航空环境控制与生命保障舱布局优化［9］、航 天器失重状态下的虚拟维修 等 ［10］ 工程问题中均有 重要应用。可达性的研究内容通常包括空间可达 性、视觉可达性、操作空间分析等内容 。 ［8，11］ 在实 际 的 虚 拟 仿 真 验 证 过 程 中 ，通 常 借 助 可 达 域 包 络 面 来 开 展 维 修 部 件 的 可 达 性 定 性 分 析 ，即 虚 拟 维 修对象或维修部位在虚拟人可达域包络体内即为 可达。上述工作主要研究虚拟人在徒手操作情况 下的可达性分析。
ports will lower the burden of simulation personnel.
Key words：maintenance tools；accessibility analysis；accessible domains；graphical visualization；Jack
realize visualization for the accessible domain when use the maintenance tools. Finally, the accessibility
analysis function mentioned above is implemented based on the Jack software with Tcl/Tk and Python pro⁃
gramming languages. The simulation examples show that the proposed approaches satisfy the accessibility
analysis in the case of using maintenance tools, and the automatic function that generates simulation re⁃
场景中添加维修对象及背景模型
场景中添加虚拟人 场景中添加维修工具并调
整至虚拟人左手或右手
以维修部位为目标，调整 虚拟人及维修工具
否
微调虚拟人 位置或姿态
维修工具外沿到达 维修部位
是
虚拟人没有与维 修对象及环境模
型发生干涉
否
是 维修部位 可达
图 1 维修部位可达性分析的判断逻辑 Fig.1 The estimation logic for the accessibility analysis of
第 11 卷 第 5 期 2016 年 10 月
中国舰船研究 Chi中nese国Journ舰al of船Ship研Res究earch
Vol.11 No.5 O第ct. 1210卷16
引用格式：方雄兵，田正东，林锐，等. 维修工具使用的可达域计算及可视化方法［J］. 中国舰船研究，2016，11（5）：14-18，41. FANG Xiongbing，TIAN Zhengdong，LIN Rui，et al. A method for accessible domains computation and visualization in the case of using maintenance tool［s J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：14-18，41.
1 维修工具使用的可达性分析流程 及要素分析
当用户在仿真软件中建立了维修对象仿真模 型 并 调 入 虚 拟 人 后 ，需 要 从 维 修 工 具 库 或 本 地 调 入 维 修 工 具 模 型 至 虚 拟 场 景 中 ，如 螺 丝 刀 、锤 子 、 扳 手 等 ，并 适 当 调 整 维 修 工 具 至 虚 拟 人 左 手 或 右 手，通常采用紧握的动作。进一步，用户需要将虚 拟 人 移 动 至 维 修 对 象 前 ，并 让 虚 拟 人 采 用 一 定 的 身 体 姿 势 ，以 使 得 工 具 操 作 部 位 外 沿 点 尽 可 能 达 到维修部位。此时，虚拟人可能是直立状态，也可 能 是 俯 身 或 其 他 姿 态 。 为 便 于 论 述 ，从 空 间 可 达 性分析的角度给出工具使用时的空间可达性的定 义如下。
FANG Xiongbing1，TIAN Zhengdong2，LIN Rui1，LI Taotao1 1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
2 Naval Armament Department of PLAN，Beijing 100841，China
2 维修工具使用的可达性分析功能 设计与实现
本节将在对工具使用时的可达性分析流程及 要 素 进 行 研 究 的 基 础 上 ，设 计 分 析 界 面 及 其 功 能。同时，给出可达域计算及其三维可视化方法， 并基于 Jack 软件实现该设计方案及计算方法。
2.1 维修工具使用的可达域计算及其三维 可视化方法
点 能 达 到 仿 真 对 象 的 维 修 部 位 ，且 虚 拟 人 人 体 没 有 与 维 修 对 象 及 周 围 环 境 模 型 发 生 硬 干 涉 时 ，即 可认为该维修部位可达。
上述定义中，在干涉检查方面，Jack 仿真软件 提供了“Collision detection”功能，可实现一个或一 组 Segment 与另一个或一组 Segment 之间的实时 干 涉 检 查 。 利 用 该 功 能 ，可 判 断 人 体 是 否 与 其 他 物体发生干涉。通过对现有的虚拟维修相关文献 进 行 分 析 ，工 具 使 用 的 可 达 性 仿 真 分 析 步 骤 及 可 达判定逻辑可描述如图 1 所示。
从 可 达 性 分 析 仿 真 要 素 来 看 ，关 键 在 于 如 何 计 算 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 达 域 并 绘 制 其 包 络 面 几 何 体 ，利 用 该 几 何 体可定性分析出维修部位是否在该几何体内。
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中国舰船研究
本 文 的 基 本 思 路 是 ：计 算 工 具 使 用 时 的 最 远 可达距离 Dis_T，并将 Dis_T 与未使用工具时（徒手 操作时）虚拟人的最远可达距离 Dis_none 进行比 较，结合徒手操作时的可达域几何体，将其放大便 可得到工具使用时的可达域几何体。在计算最远 可达距离 Dis_T 时，拟采用虚拟人手臂尺寸加上手 腕 到 工 具 外 沿 处 的 距 离 。 因 此 ，在 设 计 交 互 界 面 时 ，需 要 具 备 虚 拟 人 左 /右 手 选 择 以 及 工 具 外 沿 点 选择功能。
用时的可达性分析，所提供的仿真报告自动生成功能有助于仿真人员编制报告。
关键词：维修工具；可达性分析；可达域；图形可视化；Jack 仿真软件
中图分类号：U672.7
文献标志码：A
DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.003
A method for accessible domains computation and visualization in the case of using maintenance tools
Abstract： A method for accessible domains calculation and its three-dimensional visualization is pro⁃
posed in this paper, aiming at the shortage in accessibility analysis functions of the related simulation soft⁃
结合工具的外沿点位置，给出工具使用时的最远可达距离计算方法；基于该距离值及虚拟人手臂长度值计算可
达域几何体放大尺度，利用该尺度可以对工具使用时的可达域进行三维可视化。最后，结合 Jack 仿真软件，
Tcl/Tk 以及 Python 语言，实现了维修工具使用可达性的分析功能。仿真实例表明：所实现的方法能满足工具使
simulation software
0引言
手 册 对 可 达 性 进 行 了 定 义 ，指 的 是 产 品 操 作 或 维 修 时 ，接 近 维 修 部 位 的 难 易 程 度［1］。 可 达 性 验 证
国 家 军 用 标 准 GJB/Z 91-97 维 修 性 设 计 技 术 分析是开展虚拟维修 和 ［2-3］ 人机工程仿真［4］时的一
对 于 舰 船 等 复 杂 装 备 的 维 修 仿 真 而 言 ，通 常 需要在虚拟环境中借助维修工具来完成相关操 作 ，而 维 修 工 具 使 用 时 的 可 达 性 分 析 对 于 操 作 空 间 的 设 计 和 分 析 验 证 具 有 重 要 意 义 ，但 目 前 流 行 的仿真分析软件，如 Jack 或 Delmia，仅提供了徒手 操 作 时 的 空 间 可 达 性 分 析 功 能 ，并 没 有 提 供 工 具 使用时的可达性三维可视化分析功能。本文主要 研究针对工具使用时空间可达性的可视化分析方 法 。 其 主 要 难 点 在 于 ：如 何 计 算 工 具 使 用 时 工 具 （操作部位）的可达域以及如何对可达域进行三维 可 视 化 展 示 ，并 将 其 几 何 体 绑 定 至 虚 拟 人 人 体 上 正 确 的 位 置 ，以 便 于 用 户 开 展 工 具 使 用 时 的 可 达 性定性分析。
farthest accessible distance is given with the information of tools' remote node point. The magnified scale is
calculated by the distance value and the length of the virtual human's arm, and then the scale is utilized to
ware when developing virtual maintenance in the case of using maintenance tools. Firstly, the size of virtual
human's arm is computed according to its configuration structures. Secondly, a technique to calculate the
maintained part
从 图 1 可 以 看 出 ，一 个 完 整 的 工 具 使 用 时 的 可 达 性 分 析 流 程 包 含 以 下 要 素 ：维 修 对 象 及 背 景 模 型 、虚 拟 人 、维 修 工 具 及 其 操 作 部 位 外 沿 点 、可 达域几何体。从功能来看，维修对象与背景模型、 虚 拟 人 导 入 是 Jack 或 Delmia 等 仿 真 软 件 具 备 的 功能。除此之外，还需要具备选择虚拟人及其左/ 右手、计算可达域及生成三维几何体等功能。
基 于 上 述 应 用 需 求 及 技 术 难 点 ，本 文 将 提 出 一种维修工具使用的可达域计算及其三维可视化 方 法 。 首 先 ，对 维 修 工 具 使 用 的 可 达 性 分 析 流 程 及 要 素 进 行 分 析 研 究 。 然 后 在 此 基 础 上 ，给 出 可 达 域 计 算 方 法 、维 修 工 具 使 用 的 可 达 性 分 析 功 能 界面设计方案，并将结合 Jack 仿真软件实现维修 工具使用的可达性分析功能。
维修工具使用的可达域计算及可视化方法
方雄兵 1，田正东 2，林锐 1，李涛涛 1
1 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064 2 海军装备部，北京 100841
摘 要：针对开展虚拟维修时相关仿真软件缺乏维修工具使用时的可达性分析功能之问题，提出一种可达域计
算方法以及可达域的三维可视化方法。首先，根据虚拟人手臂结构特点，计算出虚拟人手臂尺寸；在此基础上，
收稿日期：2015 - 09 - 10
网络出版时间：2016-9-21 13:48
基金项目：中国舰船研究设计中心研发基金资助项目；国家部委基金资助项目
第5期
方雄兵等：维修工具使用的可达域计算及可视化方法
15
项 重 要 分 析 工 作 ，在 汽 车 及 飞 机 驾 驶 舱 布 局 优 化［5-8］、航空环境控制与生命保障舱布局优化［9］、航 天器失重状态下的虚拟维修 等 ［10］ 工程问题中均有 重要应用。可达性的研究内容通常包括空间可达 性、视觉可达性、操作空间分析等内容 。 ［8，11］ 在实 际 的 虚 拟 仿 真 验 证 过 程 中 ，通 常 借 助 可 达 域 包 络 面 来 开 展 维 修 部 件 的 可 达 性 定 性 分 析 ，即 虚 拟 维 修对象或维修部位在虚拟人可达域包络体内即为 可达。上述工作主要研究虚拟人在徒手操作情况 下的可达性分析。
ports will lower the burden of simulation personnel.
Key words：maintenance tools；accessibility analysis；accessible domains；graphical visualization；Jack
realize visualization for the accessible domain when use the maintenance tools. Finally, the accessibility
analysis function mentioned above is implemented based on the Jack software with Tcl/Tk and Python pro⁃
gramming languages. The simulation examples show that the proposed approaches satisfy the accessibility
analysis in the case of using maintenance tools, and the automatic function that generates simulation re⁃
场景中添加维修对象及背景模型
场景中添加虚拟人 场景中添加维修工具并调
整至虚拟人左手或右手
以维修部位为目标，调整 虚拟人及维修工具
否
微调虚拟人 位置或姿态
维修工具外沿到达 维修部位
是
虚拟人没有与维 修对象及环境模
型发生干涉
否
是 维修部位 可达
图 1 维修部位可达性分析的判断逻辑 Fig.1 The estimation logic for the accessibility analysis of
第 11 卷 第 5 期 2016 年 10 月
中国舰船研究 Chi中nese国Journ舰al of船Ship研Res究earch
Vol.11 No.5 O第ct. 1210卷16
引用格式：方雄兵，田正东，林锐，等. 维修工具使用的可达域计算及可视化方法［J］. 中国舰船研究，2016，11（5）：14-18，41. FANG Xiongbing，TIAN Zhengdong，LIN Rui，et al. A method for accessible domains computation and visualization in the case of using maintenance tool［s J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：14-18，41.
1 维修工具使用的可达性分析流程 及要素分析
当用户在仿真软件中建立了维修对象仿真模 型 并 调 入 虚 拟 人 后 ，需 要 从 维 修 工 具 库 或 本 地 调 入 维 修 工 具 模 型 至 虚 拟 场 景 中 ，如 螺 丝 刀 、锤 子 、 扳 手 等 ，并 适 当 调 整 维 修 工 具 至 虚 拟 人 左 手 或 右 手，通常采用紧握的动作。进一步，用户需要将虚 拟 人 移 动 至 维 修 对 象 前 ，并 让 虚 拟 人 采 用 一 定 的 身 体 姿 势 ，以 使 得 工 具 操 作 部 位 外 沿 点 尽 可 能 达 到维修部位。此时，虚拟人可能是直立状态，也可 能 是 俯 身 或 其 他 姿 态 。 为 便 于 论 述 ，从 空 间 可 达 性分析的角度给出工具使用时的空间可达性的定 义如下。
FANG Xiongbing1，TIAN Zhengdong2，LIN Rui1，LI Taotao1 1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
2 Naval Armament Department of PLAN，Beijing 100841，China
2 维修工具使用的可达性分析功能 设计与实现
本节将在对工具使用时的可达性分析流程及 要 素 进 行 研 究 的 基 础 上 ，设 计 分 析 界 面 及 其 功 能。同时，给出可达域计算及其三维可视化方法， 并基于 Jack 软件实现该设计方案及计算方法。
2.1 维修工具使用的可达域计算及其三维 可视化方法