[发明专利]一种虚拟装配中疲劳度监测方法

权利要求书

1.一种虚拟装配中疲劳度监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、启动Kinect V2，并采集操作人骨骼数据；

步骤二、构建虚拟装配的操作轨迹；

步骤三、监测参与虚拟装配人员的操作情况，根据双手操作位置与运动轨迹线的距离绘制波动曲线；

步骤四、根据波动曲线的波幅和时间判定疲劳等级，并依照疲劳等级判定是否继续检测；

所述的步骤一的具体方法如下：

启动Kinect V2，并采集操作人直立时25个骨骼点的模板数据；其中25个部位骨骼点包括头、颈、肩中心、左拇指、右拇指、左指尖、右指尖、左手、右手、左手腕、右手腕、左肘、右肘、左肩膀、右肩膀、脊柱、髋关节中心、左臀、左膝盖、左脚踝、左脚、右臀、右膝盖、右脚踝、右脚；

所述的步骤二的具体方法如下：

构建虚拟装配的操作轨迹，轨迹由直线和圆弧线构成，其中直线轨迹是通过连接三维坐标系中的两个空间点A₁(x₁,y₁,z₁)和A₂(x₂,y₂,z₂)构成的；圆弧轨迹在平移后的X-Y平面C₁、X-Z平面C₂和Y-Z平面C₃内构建，平移后的X-Y平面C₁构建圆弧轨迹的具体方法如下，平面C₁的平移距离为上一直线轨迹终点A₂(x₂,y₂,z₂)的Z坐标数值，取平面C₁的一点作为圆中心点B_x1(x_x1,y_x1,z_x1)，取半径为相切于上一直线轨迹终点，从而构建圆弧轨迹，在圆弧轨迹中选取一点A₃(x₃,y₃,z₃)作为下一直线轨迹的起始点；根据具体的虚拟装配环境，将预定装配路径设计成直线轨迹和圆弧轨迹构成的连接线；

所述的步骤三的具体方法如下：

监测参与虚拟装配人员的操作情况，根据双手操作位置与运动轨迹线的距离绘制波动曲线；

首先需要利用Kinect V2采集左手坐标D₁(X₁,Y₁,Z₁)，右手坐标D₂(X₂,Y₂,Z₂)；绘制左手波动曲线的具体方法如下，波动曲线横轴为时间，纵轴为左手坐标距离轨迹线的最短距离；在直线轨迹中为求得距离l₁，需要先判定左手坐标是否在直线轨迹的范围之内，然后计算点到直线的距离；

具体需要在两个空间点A₁(x₁,y₁,z₁)和A₂(x₂,y₂,z₂)分别做出垂直于直线轨迹的平面，作法向量n＝(x₁-x₂,y₁-y₂,z₁-z₂)＝(f₁,f₂,f₃)，平面C₂方程即为f₁(x-x₁)+f₂(y-y₁)+f₃(z-z₁)＝0，化简可得f₁x+f₂y+f₃z＝f₁x₁+f₂y₁+f₃z₁；

设f₁x₁+f₂y₁+f₃z₁为E₁，方程即可表示为f₁x+f₂y+f₃z＝E₁；同理可求得平面C₃方程即为f₁x+f₂y+f₃z＝E₂，E₂＝f₁x₂+f₂y₂+f₃z₂；

此时计算左手是否在平面C₂，C₃内操作，其中距离平面C₂距离为距离平面C₃的距离为当d₁和d₂均小于时，认为左手在直线轨迹内活动，此时距离

当时d₁>d₂,且d₁>d₃时，认为操作离开直线轨迹，进入圆弧轨迹运动范围，此时的距离l₁需要先将左手点的坐标投影至平面C₁，求得平面中直线G₁B_x1与圆弧线的交点G₂，然后通过G₁D₁和G₁G₂求得左手坐标与圆弧线的距离，具体计算过程如下；

假设平移后的X-Y平面C₁构建圆弧轨迹，此时平面中的各点转化成二维坐标，各点坐标为A₂(x₂,y₂)、A₃(x₃,y₃)、B_x1(x_x1,y_x1)、G₁(X₁,Y₁)，

求得直线G₁B_x1方程：(x-x_x1)(X₁-x_x1)＝(y-y_x1)(Y₁-y_x1)；圆的方程：(x-x_x1)²+(y-y_x1)²＝r²；此时x的取值范围为[x₂,x₃]，联立可求得交点G₂(X₃,Y₃)；此时可求得

假设平移后的X-Z平面构建的圆弧轨迹，各点坐标为各点坐标为A₂(x₂,z₂)、B_x1(x_x1,z_x1)、G₁(X₁,Z₁)，

求得直线G₁B_x1方程：(x-x_x1)(X₁-x_x1)＝(z-z_x1)(Z₁-z_x1)；圆的方程：(x-x_x1)²+(z-z_x1)²＝r²；此时x的取值范围为[x₂,x₃]，联立可求得交点G₂(X₃,Z₃)；此时可求得

假设平移后的Y-Z平面构建的圆弧轨迹，各点坐标为各点坐标为A₂(y₂,z₂)、B_x1(y_x1,z_x1)、G₁(Y₁,Z₁)，

求得直线G₁B_x1方程：(y-y_x1)(Y₁-y_x1)＝(z-z_x1)(Z₁-z_x1)；圆的方程：(y-y_x1)²+(z-z_x1)²＝r²；此时y的取值范围为[y₂,y₃]，联立可求得交点G₂(Y₃,Z₃)；此时可求得将直线轨迹和圆弧轨迹中得到的l₁作为y轴数值，时间t作为x轴数值绘制出波动曲线。

2.根据权利要求1所述的一种虚拟装配中疲劳度监测方法，其特征在于，所述的步骤四的具体方法如下：

预设l等于5cm作为标准操作波动现象，记录当波动幅度l₁在(0cm,5cm]之内抖动，认为1级；波动幅度在(5cm,5.5cm]抖动，且持续时间超过3s，认为2级；波动幅度在(5.5cm,6.0cm]抖动，且持续时间超过3s，认为3级；波动幅度在(6.0cm,6.5cm]抖动，且持续时间超过3s，认为4级；波动幅度在(6.5cm,∞]抖动，且持续时间超过3s，认为5级；

预设标准操作时间t₁，当操作人员完成所有规定的操作动作后会记录最终操作时间t₂，计算最终操作时间与标准时间的比值当o∈(0,1.05]，认为1级；当o∈(1.05-1.10]，认为2级；当o∈(1.10-1.15]，认为3级；当o∈(1.15-1.20]，认为4级；当o∈(1.20-1.25]，认为5级；

波动幅度和操作时间比值级别分别占0.5,0.5的权重，之前的分级数值乘上权重得出结果在(0-1]之间疲劳度为1级，(1-2]之间疲劳度为2级，(2-3]之间疲劳度为3级，(3-4]之间疲劳度为4级，(4-5]之间疲劳度为5级；

等级1代表可忽略的疲劳，等级2代表轻微的疲劳，等级3代表中等程度的疲劳，等级4代表严重的疲劳，等级5代表灾难性的疲劳；测出疲劳值后，系统提供适当的声音提醒，当疲劳程度达到5级时，停止监测，中断工位电路，迫使员工休息。