随着计算机仿真、人工智能与机器人技术的发展,基于虚拟人的维修仿真逐渐成为一种可行方法。常用的方法是用虚拟样机取代物理样机,用虚拟人取代实际维修人员,形成维修的虚拟场景,从而实现人对装备进行维修的可视化模拟。引入虚拟人的方式有两种:“人在回路”方式和“全虚拟”方式。现有的虚拟现实硬件设备,如数据手套、数据衣等,在精度等方面还很难满足人机交互的实际要求,从而极大妨碍了“人在回路”方式的推广。为了保证维修仿真效果,我们将研究重点放在如何构建一个由计算机表示和控制的虚拟人。本文研制了一个基于虚拟人技术的虚拟人动作数据库(VHAD),并对维修任务分解与维修动作分类、维修动作的参数化建模与封装、捕获数据的关键帧提取,以及虚拟人的平面移动规划等相关问题进行了研究。本文完成的成果和创新点为:1:提出了一种新的维修任务分解模型,从上到下将维修任务分解为作业单元、动作单元和动作元素;基于人体运动学模型设计了一种动作分类标准,能够更好地支持维修仿真;基于维修动作的参数化建模与封装,构造了一个层次化的虚拟人动作数据库(VHAD);针对捕获数据难于重用的问题,设计了一种基于路径变换的运动重定向方法以实现数据重用,实现了几种典型的周期性平面移动动作。2:针对运动数据的压缩问题,提出了一个基于核聚类的运动数据关键帧提取算法,利用Mercer核函数将输入空间的样本映射到高维特征空间,在特征空间实现更有效地聚类。3:提出了一种基于Petri网的移动规划模型,实现了动态环境下的虚拟人移动规划与行走控制。首先用自由空间法规划出一条初始优化路径;在向目标点运动的过程中,基于实时碰撞检测不断更新虚拟人的局部避障运动方向。Petri网负责实现两者之间协调,控制虚拟人从起始位置无碰撞地运动到目标位置。4:为了加快维修动画的创建,设计并实现了一个基于虚拟人动作库(VHAD)的虚拟维修仿真系统(VMSS)。为了实现自动化的代谢能耗计算和疲劳程度判定,设计了一种基于维修动作仿真的人体疲劳度分析评价方法。在上述工作的基础上,设计并实现了一个空间站电池箱更换的演示实例。实验结果表明VMSS系统能够加快维修动画的创建,改善人机界面的交互性能,提高虚拟人的智能程度,使用户的工作效率提高5-7倍。该系统已经成功应用于某型样机设计过程中的维修仿真与人素分析,并将为进一步的虚拟人仿真平台的开发奠定坚实基础。