СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВИРТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ЧЕЛОВЕКА В ВИРТУАЛЬНОЙ СРЕДЕ Российский патент 2009 года по МПК G06T13/00 G06F17/50 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области имитации перемещений виртуального манекена (модели человека) в виртуальной среде. Более конкретно, изобретение касается имитации перемещений виртуальной модели человека при помощи многофакторной модели.

Уровень техники

Моделирование в виртуальной среде используется в настоящее время во многих отраслях, в частности в авиационной и аэрокосмической промышленности. Например, цифровые модели часто используют для оценки взаимного влияния различных элементов систем.

Кроме того, моделирование может использоваться для имитации действий человека в определенных условиях с целью наглядного представления, например перемещений, которые должен совершить техник для выполнения таких действий. Эта методика полезна для оценки и оптимизации доступности определенных элементов оборудования, например двигателя самолета, требующих регулярного осмотра и обслуживания. Кроме того, моделирование с использованием виртуальной модели человека позволяет контролировать степень доступности различных элементов конструкции уже на стадии их моделирования.

Использование виртуального манекена в таких приложениях уже известно. Пример такого использования приводится в работе Chedmail, Damay et Le Roy, «Réalité virtuelle, maquette numérique du produit, outils de distribution et partage de la conception», Journées Priméca, La Plagne, 7-9 avril 1999.

В этой статье предлагается способ оценки легкости монтажа и демонтажа объектов в загроможденной среде при помощи имитации перемещений виртуального манекена в виртуальной среде.

Виртуальный манекен представляет собой совокупность цифровых данных, определяющую кинематическую систему, характеризуемую несколькими сочлененными частями тела, которым соответствует определенное количество степеней свободы.

Таким образом, в каждый момент манекен может быть определен своим общим положением в метрическом пространстве и значениями степеней свободы своих сочленений (суставов). Эти данные, а также параметры, определяющие среду, в которой находится манекен, могут быть сохранены на носителе цифровых данных.

Принцип способа, предложенного в вышеназванной статье, основан на использовании так называемой «многофакторной» системы, изображенной на фиг.11.

Многофакторная система 500 содержит совокупность активных элементов, называемых «факторами» 210, 220, 230, 310, 320 и 330, воздействующих на пассивные объекты, например части тела и сочленения виртуального манекена 100, и учитывающих состояние окружающей его среды.

В этой многофакторной системе 500 цифровые данные, определяющие находящийся в окружении среды манекен 100, образуют «общие данные» 150, через которые осуществляется взаимодействие различных факторов 210, 220, 230, 310, 320 и 330.

Поведение этих факторов управляется простыми правилами; однако взаимодействие между ними позволяет получить сложное коллективное поведение, например перемещение манекена.

Таким образом, процесс определения траектории движения виртуального манекена 100 распределен по различным факторам 210, 220, 230, 310, 320 и 330, могущим воздействовать на манекен 100 с учетом параметров окружающей среды. Каждый фактор определяет влияние на общее положение манекена 100 или на степени свободы его сочленений.

На фиг.11 изображен первый фактор 220 притягивания (привлечения, тяготения), воздействующий на общее положение манекена 100, и второй фактор 320 притягивания, воздействующий на несколько степеней свободы сочленений манекена 100. Факторы 220 и 320 притягивания предназначены для перемещения манекена 100 к определенной цели.

Дополнительно на общее положение манекена 100 воздействует первый фактор 210 смещения, а на несколько степеней свободы сочленений манекена 100 воздействует второй фактор 310 смещения. Факторы 210 и 310 смещения действуют с учетом параметров окружающей среды с тем, чтобы предотвратить столкновения манекена 100 с элементами этой среды.

Кроме того, на общее положение манекена 100 воздействует первый управляющий фактор 230, а на несколько степеней свободы сочленений манекена 100 воздействует второй управляющий фактор 330. Управляющие факторы 230 и 330 позволяют оператору воздействовать на траекторию движения манекена 100 в процессе ее генерации в режиме реального времени.

При перемещении и движениях манекена, как правило, учитываются пределы движений его сочленений. Тем не менее, может быть осуществлено любое положение манекена, не выходящее за пределы движения его сочленений.

Таким образом, могут быть получены положения, неудобные или даже опасные при реальной работе человека (см. фиг.10A-10D).

Хотя неудачные положения всегда могут быть скорректированы впоследствии, для этого требуется проведение пробных испытаний с оценкой каждого полученного положения с целью получения удобных положений.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении вышеописанных недостатков и в разработке способа и системы, позволяющих моделировать перемещения и движения манекена, обеспечивая при этом оптимальный уровень удобства принимаемых им положений.

Для решения поставленной задачи предлагается многофакторный способ перемещения виртуального в виртуальной среде манекена, который определяется общим положением и несколькими степенями свободы сочленений. Способ по изобретению предусматривает:

- вклад фактора притягивания, воздействующего на несколько степеней свободы сочленений манекена для его перемещения к цели;

- вклад фактора смещения, воздействующего на общее положение манекена в зависимости от параметров, определяющих окружающую его среду для предотвращения столкновений манекена с элементами этой среды.

При этом способ по изобретению характеризуется тем, что дополнительно предусматривает вклад эргономического фактора, воздействующего на несколько степеней свободы сочленений манекена для автоматической корректировки положения манекена в ходе его перемещения к цели.

Таким образом, способ по изобретению позволяет автоматически оптимизировать положение манекена, т.е. сгенерированное положение является удобным, начиная с момента его возникновения. Это избавляет от необходимости проведения последующих испытаний, упрощает работу и приводит к значительной экономии времени.

В оптимальном варианте способ может содержать вклад фактора притягивания, воздействующего на общее положение манекена для его перемещения к цели.

Способ также может содержать вклад фактора смещения, воздействующего на несколько степеней свободы сочленений манекена в зависимости от параметров, определяющих окружающую его среду, для облегчения поиска решений предотвращения столкновений манекена с элементами окружающей его среды.

Способ может дополнительно содержать вклад, по меньшей мере, одного управляющего фактора, воздействующего на общее положение и/или на несколько степеней свободы сочленений манекена и позволяющего оператору воздействовать на перемещение манекена в режиме реального времени.

Согласно одному из отличий изобретения вклад эргономического фактора включает следующие этапы:

- определение вектора рейтингов положений в соответствии со степенями свободы сочленений манекена,

- нормирование указанного вектора рейтингов положений для формирования нормированного вектора рейтингов положений,

- взвешивание указанного нормированного вектора рейтингов положений для формирования вектора взвешенных рейтингов положений,

- обращение знака указанного вектора взвешенных рейтингов положений для определения вклада эргономического фактора.

Этап определения вектора рейтингов положений осуществляется путем преобразования критерия положений типа RULA в алгебраический критерий, в соответствии с которым каждый рейтинг положения имеет положительную или отрицательную величину с учетом направления поворота в сочленении.

В оптимальном варианте каждой степени свободы сочленения манекена приписывается нулевой рейтинг в открытом интервале, определенном вокруг положения смены знака алгебраического рейтинга. Величина указанного интервала равна величине шага смещения сочленения, заранее определенного для данной степени свободы.

Этап нормирования может осуществляться путем деления всех составляющих вектора рейтингов положений на наибольшее абсолютное значение этих составляющих.

Этап взвешивания может осуществляться путем умножения каждой составляющей нормированного вектора рейтингов положений на величину шага смещения сочленения, заранее определенного в соответствии с типом сочленения.

Согласно одному из вариантов изобретения величина шага смещения сочленения постоянна для всех сочленений.

В оптимальном варианте шаг смещения сочленения представляет собой угол, величина которого составляет от 0,001 рад до 0,1 рад.

Согласно другому отличию изобретения фактор притягивания, фактор смещения, эргономический фактор и управляющий фактор взаимодействуют иерархическим образом через общие численные данные, определяющие манекен и окружающую его среду.

Фактор притягивания, фактор смещения, эргономический фактор и управляющий фактор могут быть расположены в иерархическом порядке путем приписывания каждому из них уровня активности, остающегося постоянным на всем протяжении перемещения манекена.

Согласно конкретному варианту изобретения фактор смещения имеет более низкий уровень активности, а эргономический фактор имеет самый высокий уровень активности.

В оптимальном варианте уровень активности фактора смещения равен целому числу, заключенному в пределах от 1 до 2, уровень активности фактора притягивания равен целому числу, заключенному в пределах от 2 до 4, уровень активности эргономического фактора равен целому числу, заключенному в пределах от 5 до 15, а уровень активности управляющего фактора равен целому числу, заключенному в пределах от 2 до 4.

Изобретение также охватывает компьютерную программу, разработанную для осуществления вышеописанного способа в ходе ее выполнения компьютером.

Изобретение также охватывает многофакторную систему перемещения в виртуальной среде виртуального манекена, который определяется общим положением и несколькими степенями свободы сочленений. Система по изобретению содержит:

- фактор притягивания, предназначенный для воздействия на несколько степеней свободы сочленений манекена для его перемещения к цели, и

- фактор смещения, предназначенный для воздействия на общее положение манекена в зависимости от параметров, определяющих окружающую его среду, для предотвращения столкновений манекена с элементами этой среды.

Система по изобретению характеризуется тем, что дополнительно содержит эргономический фактор, предназначенный для воздействия на несколько степеней свободы сочленений манекена для автоматической корректировки положения манекена в ходе его перемещения к цели.

Краткое описание чертежей

Другие особенности и преимущества способа и системы по изобретению станут ясны из нижеследующего подробного описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлен один из возможных вариантов осуществления изобретения, не налагающий каких-либо ограничений. На чертежах:

- фиг.1 представляет в перспективном изображении аппаратные средства, используемые для осуществления системы или способа по изобретению;

- фиг.2 крайне схематично изображает манекен, определенный согласно изобретению в метрическом пространстве;

- фиг.3 крайне схематично изображает архитектуру многофакторной системы, используемой согласно изобретению для перемещения манекена;

- фиг.4A-4F представляют собой схематические диаграммы, иллюстрирующие полученные в соответствии с изобретением рейтинги типа RULA положений руки манекена;

- фиг.5A-5D изображают схематические диаграммы, иллюстрирующие полученные в соответствии с изобретением рейтинги типа RULA положений предплечья манекена;

- фиг.6А-6Е изображают схематические диаграммы, иллюстрирующие полученные в соответствии с изобретением рейтинги типа RULA положений запястья;

- фиг.7A-7D крайне схематично изображают последовательность корректировки положения манекена под воздействием одного эргономического фактора по изобретению;

- фиг.8 изображает блок-схему основных этапов многофакторного способа по изобретению;

- фиг.9A-9D крайне схематично изображают последовательность движений манекена под воздействием многофакторной системы с эргономическим фактором в соответствии с изобретением;

- фиг.10A-10D крайне схематично изображают последовательность перемещений манекена в соответствии с известными решениями под воздействием многофакторной системы без эргономического фактора;

- фиг.11 крайне схематично изображает архитектуру многофакторной системы, используемой для моделирования перемещений манекена в известных решениях.

Осуществление изобретения

На фиг.1 изображена система, которая может использоваться для моделирования перемещений виртуального манекена. Эта система содержит рабочую станцию или компьютер 1, обладающий хорошими графическими возможностями и используемый для осуществления работы программного обеспечения, разработанного для реализации способа по изобретению.

Компьютер 1 содержит обычные для устройств такого типа аппаратные средства. Более конкретно, компьютер содержит центральный блок 2, выполняющий последовательности команд программного обеспечения, соответствующего способу по изобретению, центральное запоминающее устройство 3, сохраняющее данные исполняемых программ, носители цифровых данных (жесткий диск, дисковод для компакт-дисков 4, дисковод для гибких дисков и т.д.), обеспечивающие длительное хранение данных и программного обеспечения, периферийные устройства ввода (клавиатуру 5, мышь 6 типа «2D» или «3D», джойстик и т.д.), а также периферийные устройства вывода (экран 7, стереоскопические шлемы или очки и т.д.), обеспечивающие отображение перемещений виртуального манекена.

Разумеется, для увеличения вычислительных мощностей моделирование по изобретению может осуществляться на нескольких рабочих станциях, работающих параллельно.

На фиг.2 крайне схематично изображен виртуальный манекен 10, определенный совокупностью «пассивных объектов», т.е. частей 11 тела, соединенных между собой сочленениями 12. Манекен 10 движется в виртуальной среде, определенной несколькими предметами, среди которых находится цель 13 движения манекена. Манекен 10 и окружающая его среда определены в метрическом пространстве (О; x, у, z).

Это метрическое пространство позволяет просто описать положение и ориентацию каждой части 11 тела манекена 10, а также цели 13 его движения. Положение любого объекта может быть описано совокупностью трех декартовых координат, отложенных по осям х, у, z, а ориентация этого объекта может быть описана по известной методике тремя углами, определенными относительно тех же трех осей х, у, z.

Манекен 10 может быть определен в каждый момент времени значениями внутренних степеней свободы своих сочленений 12 и своим общим положением. Общее положение манекена определяется, например, положением его центра тяжести G, а также ориентацией манекена относительно вертикальной оси, т.е. оси z. Разумеется, при этом также следует учитывать параметры или ограничения, налагаемые пределами движения сочленений и физическими связями между различными частями 11 тела этого манекена 10.

Эти данные и переменные, определяющие манекен 10, а также параметры, определяющие окружающую его среду, сохраняются на носителе 3 цифровых данных вычислительной системы 1.

На фиг.3 крайне схематично изображена архитектура многофакторной системы 50 по изобретению, используемой для моделирования перемещений виртуального манекена 10. Эта многофакторная система 50 состоит из совокупности активных элементов, или факторов 20, 21, 22, 23, 30, 31, 32, 33 и 34, воздействующих на пассивные элементы (части 11 тела и сочленения 12), составляющие манекен 10, с учетом окружающей его среды.

Данные или переменные, определяющие манекен 10 и окружающую его среду, образуют общие (т.е. совместно используемые) данные 15, через которые осуществляется взаимодействие различных факторов.

Архитектура многофакторной системы может быть составлена из нескольких ярусов, или уровней, образующих пирамидальную структуру, так, чтобы факторы более низкого уровня вносили свой вклад в действия факторов более высокого уровня.

В приведенном примере многофакторная система 50 содержит первый уровень 51, второй уровень 52 и третий уровень 53.

Первый уровень 51 иллюстрирует воздействие на манекен 10 или глобальный вклад в его движение и содержит вклад первого глобального фактора 20 и вклад второго фактора 30, воздействующих на манекен 10 посредством изменения общих данных 15.

Первый глобальный фактор 20 воздействует на общее положение манекена 10, а второй глобальный фактор 30 воздействует на внутренние степени свободы сочленений 12 манекена 10.

Второй уровень 52 иллюстрирует различные вклады факторов различных типов, которые порождают вклады первого и второго глобальных факторов 20 и 30, взаимодействуя через общие данные 15.

Для обеспечения перемещения манекена 10 в окружающей его среде без столкновений с ее элементами при условии сохранения им удобных положений достаточно, чтобы второй уровень 52 многофакторной системы 50 содержал, по меньшей мере, один фактор притягивания, по меньшей мере, один фактор смещения и, по меньшей мере, один эргономический фактор.

Так, второй уровень 52 многофакторной системы 50 может содержать фактор 21 смещения (обозначен непрерывной линией), воздействующий на общее положение манекена 10, фактор 32 притягивания (обозначен непрерывной линией), воздействующий на внутренние степени свободы сочленений 12 манекена 10, и эргономический фактор 34 (обозначен непрерывной линией), также воздействующий на внутренние степени свободы сочленений 12 манекена 10.

В этом случае фактор 21 смещения, по существу, совпадает с первым глобальным фактором 20, т.к. это единственный фактор, воздействующий на общее положение манекена 10.

Фактор 21 смещения воздействует на общее положение манекена, вызывая его смещения и/или повороты в окружающей его среде для предотвращения столкновений с ее элементами. С другой стороны, фактор 32 притягивания воздействует на сочленения манекена, например, чтобы позволить его рукам достичь заданной цели.

Дополнительно, для общего приближения манекена 10 к цели 13, например, посредством перемещения ног манекена 10 по нижней поверхности окружающей его среды, второй уровень 52 многофакторной системы 50 может содержать фактор 22 притягивания (обозначен штрихпунктирной линией), воздействующий на общее положение манекена 10.

Кроме того, для оптимизации или упрощения поисков решений, предотвращающих столкновения манекена 10 с элементами окружающей его среды, второй уровень 52 многофакторной системы 50 может содержать фактор 31 смещения (обозначен штрихпунктирной линией), воздействующий на внутренние степени свободы сочленений 12 манекена 10.

При необходимости второй уровень 52 многофакторной системы 50 может содержать, по меньшей мере, один управляющий фактор 32, 33 (обозначен пунктирной линией), воздействующий на общее положение манекена 10 и/или на внутренние степени свободы его сочленений 12.

В третьем уровне 53 изображены для примера несколько локальных факторов, вносящих элементарные вклады в некоторые из факторов второго уровня 52 также путем изменения общих данных 15.

Вклад фактора 22 притягивания, воздействующего на общее положение манекена 10, может, например, содержать вклад фактора 22а притягивания левой руки, вклад фактора 22b притягивания правой руки, вклад фактора 22с притягивания для ориентации, а также другие вклады факторов притягивания, обозначенные элементом 22d.

Вклад фактора 32 притягивания, воздействующего на внутренние степени свободы сочленений 12 манекена 10, может, например, содержать вклад фактора 32а притягивания левой кисти, вклад фактора 32b притягивания правой кисти, вклад фактора 32с притягивания корпуса тела, а также другие вклады факторов притягивания, обозначенные элементом 32d.

Вклад эргономического фактора 34 содержит вклад фактора 34а оптимизации положения и может также содержать другие вклады эргономических факторов, обозначенные элементом 34b.

Таким образом, хотя каждый элементарный фактор имеет определенную функцию и представляет лишь часть манекена 10 и окружающей его среды, он может воздействовать на этот манекен 10, внося свой вклад в определение общего положения манекена 10 и/или внутренних степеней свободы его сочленений 12 с учетом своих возможностей и доступной ему информации, а также поставленной перед ним задачи.

Кроме того, воздействие или вклад каждого фактора нормируется или ограничивается пределами одного шага линейного или углового смещения манекена 10 или одного шага углового смещения его сочленений 12. Эти шаги заранее определены таким образом, чтобы моделировать небольшие элементарные смещения. Например, шаг линейного смещения может иметь величину от 1 мм до 10 см.

В дополнение к сказанному, различные факторы взаимодействуют иерархическим образом при посредстве общих цифровых данных 15. Относительный приоритет каждого вклада определяется частотой вычисления вклада каждого фактора и его интеграции в глобальный вклад в перемещение манекена 10. Указанная частота определяется относительно тактовой частоты импульсов, регулирующих этапы вычисления различных факторов.

Другими словами, воздействие каждого фактора ограничивается заранее определенным уровнем активности, обратно пропорциональным частоте действий этого фактора.

Например, если при моделировании доступа к некоторому объекту в загроможденной среде главной целью является предотвращение столкновений с элементами среды, соответствующие факторы имеют наиболее высокую частоту, т.е. наиболее низкий уровень активности.

Так, фактор, имеющий самую высокую частоту, т.е. уровень активности, равный 1, действует на каждом такте или на каждом этапе вычислений.

Задачей фактора 21, 31 притягивания является достижение манекеном 10 цели 13 или других целей. Поэтому этот фактор учитывает только положение и ориентацию цели 13, а также частей 11 тела или сочленений 12 манекена 10, на которые он воздействует. Он не принимает во внимание размеры объекта манипуляций или какую-либо другую информацию.

Воздействие фактора 22, 32 смещения вынуждает манекен 10 смещаться в окружающей его среде, избегая столкновений с ее элементами. Согласно известным решениям столкновение может быть определено путем воссоздания между двумя виртуальными объектами линии столкновения. В этом случае вклад фактора 22, 32 смещения определяется в зависимости от изменения длины этой линии столкновения.

Таким образом, различные вклады фактора 22, 32 смещения и фактора 21, 31 притягивания, воздействующих на общее положение или на несколько степеней свободы сочленений 12 манекена 10, могут вызвать перемещение манекена 10 к цели 13, предотвращая его столкновения с элементами окружающей его среды.

Многофакторная система может дополнительно содержать управляющий фактор 23 и 33, воздействующий на общее положение и/или на несколько степеней свободы сочленений 12 манекена 10 и позволяющий оператору воздействовать на перемещения манекена 10 в режиме реального времени. Управляющему фактору также может быть приписан определенный уровень активности.

Управляющий фактор 23, 33 позволяет оператору воздействовать на траекторию движения манекена в процессе ее создания с тем, чтобы использовать свое общее видение ситуации или свой опыт. Таким образом, оператор может выбрать предпочтительное направление движения кисти руки манекена 10 или всего его тела, или же прямо управлять степенями свободы сочленений 12 манекена 10, задавая им определенное направление.

Тем не менее, при перемещениях манекена 10 он может принимать положения, опасные для реального работающего человека.

Однако воздействие эргономического фактора 34 обеспечивает оптимизацию эргономики манекена 10 при его движении по рассчитанной траектории.

Вклад эргономического фактора 34 определяется вектором или матрицей рейтингов положений. Для оценки этих рейтингов положений могут использоваться различные методики.

Например, статья McAttamey и соавторов, озаглавленная «RULA: A Survey Method for the Investigation of Work-related Upper Limb Disorders», Applied Ergonomics, vol.24, No.2, April 1993, pp.91-99, посвященная методу оценки факторов профессионального риска возникновения суставно-мускульных расстройств, позволяет оценить различные положения шеи, торса и верхних конечностей по определенной системе оценок. Эта система оценок позволяет составить перечень действий по уменьшению риска телесных повреждений в результате неправильного положения человека.

На фиг.4А-6Е приведены примеры рейтингов положений руки, предплечья и запястья, определенных на основе системы оценок, составленной по предложенной в названной статье методике, или технологии RULA. На этих чертежах показаны знаки, присвоенные каждому значению рейтинга RULA, которые исходно имеют только положительные знаки.

В общем случае по методике RULA целому положительному (т.е. натуральному) числу ставится в соответствие амплитуда движения каждой части тела манекена таким образом, что большее число соответствует более опасному положению части тела. Так, рейтинг 1 соответствует амплитуде движения в пределах удобного положения, а рейтинг 4 соответствует амплитуде движения, соответствующей опасному положению.

Задача эргономического фактора 34 заключается в минимизации критерия затрудненности положения на всей траектории движения манекена 10. Таким образом, его функция сводится к учету затрудненности ограничений затрудненности положений в ходе определения траектории, а не в ходе последующего анализа траектории, как это делается обычно.

Для определения эргономического фактора, использующего оценку положения типа RULA, этот критерий преобразуется в алгебраический критерий таким образом, что рейтинг каждого положения определяется в положительном или отрицательном направлении относительно данного сочленения. Положительное направление может быть определено произвольным образом, однако подразумевается, что это определение должно сохраняться на всей траектории движения манекена 10. Это положительное направление должно быть одинаковым для всех факторов, воздействующих на степени свободы манекена.

Например, если рейтинг определен для движения в положительном для данного сочленения направлении, ему присваивается знак «+», а если рейтинг определен для движения в отрицательном для данного сочленения направлении, ему присваивается знак «-».

На фиг.4A-4F представлены диаграммы, иллюстрирующие рейтинги некоторых положений руки. В примере, приведенном на фиг.4А, показано, что рука, отведенная назад под углом от 0° до -20° относительно торса манекена 10, соответствует рейтингу положения, равному -1. На фиг.4В показано, что рука, отведенная назад под углом, меньшим -20° (например, равном -30°), соответствует рейтингу положения, равному -2. На фиг.4С показано, что рука, отведенная вперед под углом от 0° до +20°, соответствует рейтингу положения, равному +1. На фиг.4D, показано, что рука, отведенная вперед под углом от +20° до +45°, соответствует рейтингу положения, равному +2. На фиг.4Е показано, что рука, отведенная вперед под углом от +45° до +90°, соответствует рейтингу положения, равному +3. Наконец, на фиг.4Е показано, что рука, отведенная вперед под углом, превышающим +90°, соответствует рейтингу положения, равному +4.

На фиг.5A-5D приведены рейтинги положений предплечья. Предплечье, расположенное под углом от 0° до +60° относительно плеча, соответствует рейтингу положения, равному +2 (фиг.5А); предплечье, расположенное под углом от +60° до +80°, рейтингу положения, равному +1 (фиг.5В); предплечье, расположенное под углом от +80° до +100°, - рейтингу положения, равному - 1 (фиг.5С); наконец, предплечье, расположенное под углом, превышающим +100°, соответствует рейтингу положения, равному - 2 (фиг.5D).

На фиг.6А-6Е приведены рейтинги положений запястья манекена 10. Запястье, выровненное с предплечьем, т.е. расположенное относительно предплечья под углом, равным 0°, соответствует рейтингу положения, равному +1 (фиг.6А); запястье, расположенное под углом от 0° до +15° относительно предплечья, - рейтингу положения, равному +2 (фиг.6В); запястье, расположенное под углом от 0° до -15°, - рейтингу положения, равному - 2 (фиг.6С); запястье, расположенное под углом, превышающим +15°, - рейтингу положения, равному +3 (фиг.6Е); наконец, запястье, расположенное под углом, меньшим -15°, соответствует рейтингу положения, равному - 3 (фиг.6Е).

Однако методика RULA ограничивается лишь основными степенями свободы, причем некоторым степеням свободы рейтинги не присвоены. Вследствие этого степеням свободы, не имеющим определенного рейтинга RULA (например, ключичному суставу) в способе по изобретению приписываются рейтинги, равные +1, 0 и -1 в соответствии с движением данного сочленения. Таким образом, удобство положения оценивается с высокой точностью.

Дополнительно, каждой степени свободы сочленения 12 манекена 10 во избежание колебаний сочленения вокруг положения смены знака алгебраического рейтинга приписывается нулевой рейтинг, действующий в открытом интервале вокруг этого положения, причем величина этого интервала равна шагу смещения данного сочленения, определенному для соответствующей степени свободы.

Таким образом, способ и система по изобретению позволяют создать матрицу или вектор алгебраических рейтингов положений для всех степеней свободы и всех сочленений манекена в каждый момент времени. Этот вектор может быть сформирован, как описано выше, на основе методики RULA или с использованием любой другой методики оценки положений.

В дальнейшем в описании подразумевается, что этот вектор нормирован при помощи любого из приложений нормирования, определяющих одну и ту же топологию.

Например, может быть проведено нормирование на бесконечность. Для этого все составляющие вектора рейтингов положений делятся на абсолютное значение наибольшей из этих составляющих, причем получается вектор с нормой 1, полученной нормированием на бесконечность. Эта нормировка сохраняет относительное значение алгебраических рейтингов RULA, определенных для каждого сочленения 12 манекена 10.

Затем вектор рейтингов положений взвешивается с коэффициентами, пропорциональными шагу или шагам смещения сочленений манекена 10.

Шаг смещения сочленения может быть определен заранее в соответствии с типом сочленения. Например, локтевому суставу может быть приписан иной шаг, нежели сочленению запястья. В этом случае каждый компонент нормированного вектора рейтингов положений умножается на соответствующий шаг смещения сочленения, в результате чего получается вектор взвешенных рейтингов положений.

Шаг смещений сочленений также может быть постоянным для всех сочленений 12. В этом случае для получения вектора взвешенных рейтингов положений достаточно умножить нормированный вектор рейтингов положений на эту постоянную величину шага смещений сочленений.

Разумеется, шаг смещений сочленений может быть выбран настолько малым, насколько позволяют методы численных расчетов. Малая величина шага смещения повышает четкость движений сочленений 12, но одновременно увеличивает время, затрачиваемое на вычисления.

Таким образом, шаг смещения сочленения, соответствующий углу, составляющему от 0,001 до 0,1 рад, представляет собой хороший компромисс между быстротой вычислений и оптимальным моделированием движений манекена.

Наконец, вклад эргономического фактора определяется путем смены знака вектора взвешенных рейтингов положений. Другими словами, вклад эргономического фактора представляет собой вектор, составленный из величин, обратных рейтингам положений для каждого сочленения. Так, если рейтинг отрицателен, сочленение смещается в положительном направлении, и наоборот. Это позволяет минимизировать рейтинг положения сочленения путем введения поправки, пропорциональной значению этого рейтинга; т.е. чем больше абсолютное значение рейтинга положения сочленения, тем большее значение в глобальном вкладе имеет вклад изменения положения этого сочленения.

Рассмотрим, например, манекен, рука которого занимает положение, соответствующее углу в 90° (π/2 рад), предплечье находится под углом в 30° (π/6 рад), а запястье - под углом в -20° (-π/9 рад). В соответствии с рейтингами положений, приведенными на фиг.4А-6Е, алгебраический вектор RULA для руки, предплечья и запястья составляет (+4; +2; -3).

Тогда нормированный вектор равен (1; 1/2; -3/4); если шаг смещения сочленения равен, например, 0,01 рад, нормированный вектор взвешенных рейтингов положений имеет вид (0,01; 0,005; -0,00075), а вклад эргономического фактора задается, следовательно, вектором (-0,01; -0,005; +0,00075). Этот пример показывает, что эргономический фактор быстрее воздействует на те сочленения, положение которых менее удобно.

Действительно, на фиг.7A-7D проиллюстрирована последовательность коррекции положения манекена 10 под воздействием только эргономического фактора, т.е. без вклада факторов притягивания или смещения. На фиг.7А изображено исходное положение, крайне неудобное и даже опасное, при котором спина имеет рейтинг положения, равный 6. Из фиг.7В видно, что это исходное положение спины быстро исправляется. Наконец, последовательно проходя через положение фиг.7С, эргономический фактор приводит манекен в удобное положение (фиг.7D) с наименьшим рейтингом RULA.

В соответствии с настоящим изобретением вклад эргономического фактора 34 в глобальный вклад, воздействующий на манекен 10, рассчитывается автоматически с частотой, определенной уровнем активности, присвоенным эргономическому фактору 34.

Поскольку оптимизация положения является менее приоритетной задачей, чем предотвращение столкновений или тяготение, например, кистей рук манекена к цели, этому эргономическому фактору 34 присваивается высокий уровень активности, т.е. низкая частота.

В общем случае факторы смещения имеют наиболее низкий уровень активности, а эргономический фактор - наиболее высокий.

Уровень активности фактора смещения может быть выбран равным, например, 1 или 2, уровень активности фактора притягивания - равным целому числу в пределах от 2 до 4, уровень активности управляющего фактора - равным целому числу в пределах от 2 до 4, а уровень активности эргономического фактора - равным целому числу в пределах от 5 до 15.

Так, если уровень активности эргономического фактора 34 равен десяти, вклад этого фактора вычисляется и применяется к манекену 10 один раз за каждые десять этапов вычислений.

На фиг.8 представлена блок-схема, иллюстрирующая основные этапы многофакторного цифрового способа моделирования перемещений виртуального манекена 10 в виртуальной среде (см. также предыдущие чертежи) в соответствии с изобретением.

На этапе S0 происходит инициализация блок-схемы, на которой определены различные параметры. Например, инициализируется счетчик «С» тактовых импульсов или этапов вычислений моделирования (т.е. ему присваивается значение С=0).

Кроме того, на этапе S0 могут быть определены относительные приоритеты факторов, поскольку эти факторы используют одни и те же численные данные и взаимодействуют друг с другом иерархическим образом.

При этом каждому фактору приписывается определенный уровень активности, выражаемый ненулевым натуральным числом и обратно пропорциональный частоте действий этого фактора. Уровень активности каждого фактора может изменяться в ходе моделирования перемещений манекена 10 в зависимости, например, от степени загроможденности окружающей манекен среды и расстояния до намеченной цели.

В данном примере для простоты демонстрации факторы 22, 32 притягивания, факторы 21, 31 смещения, управляющие факторы 23, 33 и эргономический фактор 34 расставлены в иерархическом порядке путем приписывания каждому из них уровня активности, остающегося постоянным в течение всего перемещения манекена 10. Таким образом, уровни активности факторов 22, 32 притягивания, факторов 21, 31 смещения, управляющих факторов 23, 33 и эргономического фактора 34 определяются, соответственно, целыми натуральными числами I, m, n и р.

На этапе S0 также могут быть определены шаги линейного перемещения манекена и его поворотов вокруг вертикальной оси. Для каждого сочленения 12 можно выбрать переменный шаг, зависящий, например, от расстояния между манекеном 10 и целью 13. Также, в зависимости от типа сочленений 12, им могут быть приписаны различные шаги. Однако можно выбрать и постоянный шаг, оптимальный для всех сочленений 12 на всем протяжении траектории движения манекена 10.

На этапе S1 проводится проверка кратности значения счетчика величине I, т.е. проверяется, равен ли нулю остаток от деления значения счетчика на величину I (С=0 mod I).

В случае утвердительного ответа на этапе S2, до перехода к следующему этапу S3, проводится вычисление вклада факторов 22, 32 притягивания. Например, если I=3, вклад фактора притягивания вычисляется через каждые три тактовых импульса, т.е. когда значение счетчика равно 3, 6, 9 и т.д.

Если же это условие не выполняется, происходит прямой переход на этап S3, на котором проверяется кратность значения счетчика величине m (C=0 mod m).

В случае утвердительного ответа на этапе S4, до перехода к следующему этапу S5, проводится вычисление вклада факторов 21, 31 смещения.

Если же это условие не выполняется, происходит прямой переход на этап S5, на котором проверяется кратность значения счетчика величине n (C=0 mod n).

В случае утвердительного ответа на этапе S6, до перехода к следующему этапу S7, проводится вычисление вклада управляющих факторов 23, 33 (этапы S5 и S6 являются необязательными).

Если же это условие не выполняется, происходит прямой переход на этап S5, на котором проверяется кратность значения счетчика величине р (С=0 mod p).

В случае утвердительного ответа на этапе S8, до перехода к следующему этапу S9, проводится вычисление вклада эргономического фактора 34 по вектору, составленному из величин, обратных рейтингам положений для каждого сочленения. В данном примере коррекция положения манекена производится автоматически через каждые р этапов вычислений.

Если значение счетчика на этапе S7 не кратно величине р, происходит прямой переход на этап S9, на котором общий вклад факторов применяется к манекену 10 для его перемещения или движения в соответствии с вычислениями, произведенными на предыдущих этапах.

На этапе S10 значение счетчика увеличивается (С=С+1), после чего происходит возврат на этап S1.

Таким образом, многофакторная система по изобретению содержит, по меньшей мере, один фактор 22, 32 притягивания, по меньшей мере, один фактор 21, 31 смещения (возможно, по меньшей мере, один управляющий фактор 23, 33) и, по меньшей мере, один эргономический фактор 34, обеспечивающий возможность автоматической корректировки эргономики манекена 10 на протяжении траектории его движения.

На фиг.9A-9D изображена последовательность, иллюстрирующая перемещение манекена 10 с участием эргономического фактора от исходного положения (фиг.9А) к конечному положению (фиг.9D), в котором руки манекена 10 достигают цели, состоящей из двух рукояток 13а, 13b.

С другой стороны, на фиг.10A-10D изображена последовательность, иллюстрирующая перемещение манекена 10 без участия эргономического фактора от исходного положения (фиг.9А) к конечному положению (фиг.9D), менее удобному, чем положение, изображенное на фиг.9D, в котором руки манекена 10 также достигают двух рукояток 13а, 13b.

Оптимизация эргономики на фиг.9A-9D порождает изменения внутренних степеней свободы манекена 10, увеличивающие удобство его промежуточных положений на всем протяжении траектории его движения.

Такое изменение внутренних степеней свободы влияет на общее положение манекена 10 благодаря воздействию факторов притягивания. Действительно, из сравнения фиг.9B-9D с фиг.10B-10D видно, что удобные положения, принимаемые манекеном 10 вследствие оптимизации эргономики, приводят к удалению рук манекена 10 от их целей, соответственно, 13а, 13b, что впоследствии компенсируется общим тяготением манекена 10 к этим целям 13а, 13b.

Изобретение охватывает многофакторные систему и способ перемещения виртуального манекена (10) в виртуальной среде, причем манекен (10) определяется общим положением и несколькими степенями свободы сочленений. Способ предусматривает: - вклад фактора (32) притягивания, воздействующего на несколько степеней свободы сочленений манекена (10) для его перемещения к цели; - вклад фактора (21) смещения, воздействующего на общее положение манекена (10) в зависимости от параметров, определяющих окружающую его среду, для предотвращения столкновений манекена (10) с элементами данной среды. Способ дополнительно предусматривает вклад эргономического фактора (34), воздействующего на несколько степеней свободы сочленений манекена (10) для автоматической корректировки положения манекена (10) в ходе его перемещения к цели. Технический результат - обеспечение оптимального уровня удобства принимаемых положений манекена без необходимости проведения дополнительных испытаний. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Многофакторный способ перемещения виртуального манекена (10) в виртуальной среде, причем манекен (10) определяется общим положением и несколькими степенями свободы сочленений (12), а способ включает:
этап перемещения манекена (10) к цели (13) при помощи фактора (32) притягивания, воздействующего на несколько степеней свободы сочленений (12) манекена (10);
этап предотвращения столкновений манекена (10) с элементами окружающей его среды при помощи фактора (21) смещения, воздействующего на общее положение манекена (10) в зависимости от параметров, определяющих данную среду;
отличающийся тем, что включает дополнительно этап автоматической коррекции положения манекена (10) в ходе его перемещения к цели (13) при помощи эргономического фактора (34), воздействующего на несколько степеней свободы сочленений (12) манекена (10), и предусматривающий следующие этапы:
определение вектора рейтингов положений в соответствии со степенями свободы сочленений (12) манекена (10);
нормирование указанного вектора рейтингов положений для формирования нормированного вектора рейтингов положений;
взвешивание указанного нормированного вектора рейтингов положений для формирования вектора взвешенных рейтингов положений;
обращение знака указанного вектора взвешенных рейтингов положений для определения вклада эргономического фактора (34).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает дополнительно этап общего перемещения к цели (13) при воздействии фактора (22) притягивания, воздействующего на общее положение (G) манекена (10).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждой степени свободы сочленения (12) манекена (10) приписывается нулевой рейтинг в открытом интервале, определенном вокруг положения смены знака алгебраического рейтинга, причем величина указанного интервала равна величине шага смещения сочленения, заранее определенного для данной степени свободы.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап нормирования осуществляется путем деления всех составляющих вектора рейтингов положений на наибольшее абсолютное значение этих составляющих.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап взвешивания осуществляется путем умножения каждой составляющей нормированного вектора рейтингов положений на величину шага смещения сочленения, заранее определенного в соответствии с типом сочленения (12).

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что величина шага смещения сочленения постоянна для всех сочленений (12).

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что шаг смещения сочленения представляет собой угол, величина которого составляет от 0,001 до 0,1 рад.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап определения вектора рейтингов положений осуществляется путем преобразования критерия положений типа RULA в алгебраический критерий, в соответствии с которым каждый рейтинг положения имеет положительное или отрицательное значение с учетом направления поворота в сочленении (12).

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает дополнительный этап предотвращения столкновений манекена (10) с элементами окружающей его среды при помощи фактора (31) смещения, воздействующего на несколько степеней свободы сочленения (12) манекена (10) в зависимости от параметров, определяющих данную среду.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит этап перемещения манекена (10) оператором в режиме реального времени при помощи управляющего фактора (23, 33), воздействующего на общее положение и/или на несколько степеней свободы сочленения (12) манекена (10).

11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что фактор (22, 32) притягивания, фактор (21, 31) смещения, эргономический фактор (34) и управляющий фактор (23, 33) взаимодействуют иерархическим образом через общие численные данные (15), определяющие манекен (10) и окружающую его среду.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что фактор (22, 32) притягивания, фактор (21, 31) смещения, эргономический фактор (34) и управляющий фактор (23, 33) располагают в иерархическом порядке путем приписывания каждому из них уровня активности, остающегося постоянным на всем протяжении перемещения манекена (10).

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что фактор (21, 31) смещения имеет более низкий уровень активности, а эргономический фактор (34) имеет самый высокий уровень активности.

14. Способ по п.12 или 13, отличающийся тем, что уровень активности фактора (21, 31) смещения равен целому числу, заключенному в пределах от 1 до 2, уровень активности фактора (22, 32) притягивания равен целому числу, заключенному в пределах от 2 до 4, уровень активности эргономического фактора (34) равен целому числу, заключенному в пределах от 5 до 15, а уровень активности управляющего фактора (23, 33) равен целому числу, заключенному в пределах от 2 до 4.

15. Многофакторная система перемещения виртуального манекена (10) в виртуальной среде, причем манекен (10) определяется общим положением и несколькими степенями свободы сочленений (12), а система содержит:
фактор (32) притягивания, предназначенный для воздействия на несколько степеней свободы сочленений (12) манекена (10) для его перемещения к цели (13);
фактор (21) смещения, предназначенный для воздействия на общее положение манекена (10) в зависимости от параметров, определяющих окружающую его среду, для предотвращения столкновений манекена (10) с элементами данной среды;
отличающаяся тем, что дополнительно содержит эргономический фактор (34), предназначенный для воздействия на несколько степеней свободы сочленений (12) манекена (10) для автоматической корректировки положения манекена (10) в ходе его перемещения к цели (13), причем эргономический фактор (34) содержит вектор, составляющие которого являются величинами, обратными взвешенным рейтингам положений сочленений (12).

16. Система по п.15, отличающаяся тем, что взвешенные рейтинги положений основаны на алгебраическом критерии системы положений типа RULA.

17. Система по п.16, отличающаяся тем, что каждая степень свободы из нескольких степеней свободы сочленений определена шагом углового смещения, заключенным в пределах от 0,001 до 0,1 рад.

18. Система по п.15, отличающаяся тем, что дополнительно содержит фактор (22) притягивания, предназначенный для воздействия на общее положение манекена (10) для его перемещения к цели (13).

19. Система по п.15, отличающаяся тем, что дополнительно содержит фактор (31) смещения, предназначенный для воздействия на несколько степеней свободы сочленений (12) манекена (10) в зависимости от параметров, определяющих окружающую его среду, для предотвращения столкновений манекена (10) с элементами данной среды.

20. Система по п.15, отличающаяся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, один управляющий фактор (23, 33), предназначенный для воздействия на общее положение и/или на несколько степеней свободы сочленений (12) манекена (10) для обеспечения для оператора возможности воздействия на перемещение манекена (10) в режиме реального времени.

21. Система по любому из пп.15-20, отличающаяся тем, что фактор (22, 32) притягивания, фактор (21, 31) смещения, эргономический фактор (34) и управляющий фактор (23, 33) предназначены для иерархического взаимодействия через общие численные данные (15), определяющие манекен (10) и окружающую его среду.