装配是生产制造业中的主要活动,耗费了大量的人力与物力。产品装配性能对产品质量、产品的生产效率和成本均具有重要影响。利用虚拟装配技术可以在计算机中建立起逼真的装配环境,对实际装配活动进行仿真,并在此基础上对产品的可装配性、装配工艺的合理性、装配操作的舒适性进行分析验证,从而在产品研发的早期阶段及时发现产品设计和工艺规划中的问题与缺陷,减少设计变更,缩短产品研发周期,提高产品装配效率与质量。目前虚拟装配系统大多没有集成完整的虚拟人体模型,因而很难有效支持装配过程中复杂的人机工效分析评估工作。此外,目前虚拟装配系统主要基于几何约束信息对零件进行操作和控制,导致装配过程仿真在零件装配运动行为的逼真性方面也存在一定的局限性。针对上述问题,本文探索一种以“全虚拟”方式在虚拟装配系统中集成虚拟人模型的新思路,对基于虚拟人的人机工效评估与装配作业仿真相关关键技术进行了深入研究,主要研究工作总结如下:1.分析了基于虚拟人的人机工效评估与装配作业仿真系统的构建思路,在此基础上讨论了系统的功能需求。将系统结构分为数据层、支持层、功能层以及交互层,构建了系统完整的体系结构。给出了系统的工作流程,包括装配作业场景搭建阶段、人机工程仿真评估阶段和零件装配过程仿真阶段。2.提出一种面向虚拟人作业姿态预测与评估的多目标优化模型。讨论了基于多目标优化的虚拟人作业姿态预测的基本思想。分析了人体作业姿态对平衡性、关节负荷、关节角度和作业目标可达性等人机因素的影响机理,建立了人体作业姿态参数和这些人机因素指标之间的函数关系,在此基础上构建了用于虚拟人作业姿态预测的姿态优化模型。针对姿态优化模型的复杂性和非线性,引入多目标遗传算法对其进行求解,以获取给定作业条件下姿态优化问题的Pareto最优姿态解集。引入变权理论对各姿态解的选择优先度进行计算,并据此对姿态解集进行综合排序,以实现最终姿态参数方案的选优决策。提取与作业姿态舒适度相关的人机因素指标值,并通过对其进行综合集成以实现对作业姿态总体舒适度的评估。3.提出一种虚拟样机环境下观测物可视性的自动评估方法。利用网格划分技术将观测物表面离散成一系列网格单元,并将其作为可视性评估的基本单元。给出了网格尺寸的确定方法以及网格的形状要求。分析归纳了网格单元的可视类型,并建立了基于视线检测的网格单元可视类型自动判别算法,解决了虚拟人视域内可见网格分类提取问题。分析总结了视域因素、物姿因素、视角因素等可视性影响因素的特点,并结合人机工学理论和实验统计方法建立了其相应的评估计算模型,实现对可视性各影响因素的分开评估。通过综合集成可视性各影响因素实现对观测物总体可视性的计算。4.提出一种考虑人机因素与零件物理属性的装配过程仿真方法。以装配生产中最为典型常见的轴孔类装配为研究对象,通过分析装配过程各阶段装配操作的特点,将装配过程划分为装配空间漫游阶段、找孔阶段、半入孔阶段和入孔阶段,并给出了各阶段零件装配运动行为的描述。在对装配仿真中零件物理属性进行需求分析的基础上,构建了虚拟零件的物理属性模型。从装配者对物体位姿的认知模式出发,提出一种面向装配过程仿真的物体位姿描述方法及控制策略。利用概率方法模拟人机因素对装配力/力矩的影响作用,并结合装配过程各阶段装配者的装配意图以及装配操作特点,构建了各阶段装配力/力矩的计算模型。给出了零件间接触力的计算方法,避免零件碰撞后发生相互嵌入的现象。建立了零件的动力学和运动学方程,通过动力学仿真实现零件的运动引导与装配定位,提高了装配过程仿真的真实感和可靠性。5.在上述研究的基础上,开发了基于虚拟人的人机工效评估与装配作业仿真原型系统VEAVAS（Virtual Human Based Ergonomic Assessment&Virtual Assembly System）。介绍了系统的开发和运行环境,阐述了系统的功能模型以及各个功能模块之间的数据流向,并通过装配作业实例对本文所提方法进行了应用验证。