一种基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法与流程

技术特征：
1.一种基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法，其特征在于，包括如下步骤：s1.人机交互界面的模块化与可达域的划分，s2.确定人机交互界面各个功能模块的使用关系、操作关系、配合关系，s3.构建激光增材制造装备的人机界面布局模型。2.根据权利要求1所述的基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法，其特征在于，所依据的人机交互界面布局设计原则为：(1)应满足操作者的认知需求，将人员经验与认知特性统一起来，保证重要关键信息快速识别、快速响应，应充分考虑人员的认知规律与显控功能模块的重要性，使用频率和关联性，合理安排界面布局空间；(2)应满足操作任务的舒适性，将各显控功能模块依据使用频率，操作顺序与操作关联性集中有序的布置于人员的舒适操作区域，以加快操作信息的处理，实现人机交互效率与操作舒适性的有效提升；(3)应满足安全性需求，充分考虑操作者认知过程、操作过程及界面设计中安全性因素的影响，并作为关键性的布局影响因素融入到人机界面布局的优化中。3.根据权利要求1所述基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法，其特征在于，所述步骤s1人机交互界面的模块化与可达域的划分，具体操作为：(1)界面模块化根据人机交互界面的使用功能，按照形状大小将功能区域划分为若干矩形规则模块，同时不考虑功能区域的复杂形状与区域内部的布局情况；(2)利用jack仿真软件的可达域分析模块，结合人体冠状面垂直可达区域范围，绘制出操作者可达域cad图形，考虑到操作者的正常操作中普遍以右手进行操作，设定以人体冠状面中线为分界，右侧等级高于左侧，划分出含有6个级别的可达域；(3)操作者使用各模块的的舒适性与稳定程度与各功能模块所在的可达区域等级和在各可达区域的面积有关，为简化模块面积的计算过程，以可达域中线为基准进行单元栅格化处理；以10mm为一个基本单元划分各功能模块可达域面积。4.根据权利要求1所述的基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法，其特征在于，所述步骤s2中确定人机交互界面各个功能模块的使用关系、操作关系、配合关系，具体确定方法为：(1)使用关系参数的确定使用关系指操作者在激光增材制造装备的人机界面操作交互过程中对各功能模块的使用情况，使用关系由界面的功能模块重要性程度与使用频率共同组成，对使用关系较强的模块，应将其尽量合理的布置于操作者快速舒适安全操作的可达区域内，界面功能模块的重要性程度与使用频率首先通过专家评分确定相应的重要分值与使用程度分值，之后采用灰色熵权法转化为重要性指数和使用频率指数来表示某一界面功能模块的重要性和使用频率情况，设界面功能模块的重要性评分矩阵为i，有a名专家对i个模块评分(i＝17)，则：
考虑到每个专家的经验不尽相同，设每个专家的自身评价权重为αα＝[α
1 α
2 ... α
a
]
t
ꢀꢀꢀꢀ
(2)则界面功能模块的重要性分值ω为ω＝iα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)在界面功能模块的重要性评分过程中，考虑到安全作业的影响，在对界面功能模块重要性进行评分是以下列指标作为评分依据：子系统内重要程度，全系统内重要程度，防错设计程度，安全色彩与显示设计程度，安全编码情况，设界面功能模块的使用频率评分矩阵为k，考虑到激光增材制造装备在操作过程中存在不同状态的工况，设一共有b个工作状态，则使用频率矩阵k可表示为：设每种工况发生的可能性为ββ＝[β
1 β
2 ... β
b
]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)则界面功能模块使用频率分值θ为θ＝kβ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)将重要性程度与使用频率进行合并，形成人机界面设备部件的使用关系参数，设使用关系参数为c，则c＝aω bθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中：a和b为重要性参数与使用关系参数之间的权重系数，且a b＝1。(2)操作关系参数的确定操作关系是指操作者与激光增材制造装备人机界面进行操作交互过程中在各个工况下执行任务的各功能模块的操作顺序关系，设操作顺序矩阵为f为考虑设备在操作过程中的安全性的影响，引入一个参数——安全操作系数，它代表模块在操作过程中的安全程度，设该系数为e，则操作关系参数为：其中：f
ip
代表功能模块i在工况p中的操作顺序。(3)配合关系参数配合关系主要指两种功能模块在操作功能上的密切程度；即操作者在激光增材制造装
备人机界面的操作交互过程中，为实现某一任务，某两种界面功能模块是否存在任务上的关联，设配合关系矩阵为o其中，o
id
表示第i个功能模块与第d个功能模块之间的配合关系，在构建配合关系时以[aeiou]表达配合上的强弱关系，某一设备与其他设备之间的配合关系可以表示为其中l
id
表示设备i与设备d之间的距离，距离越近，配合关系越强，考虑到界面单元栅格化的处理方式，距离l
id
以两界面模块之间间隔的单元数表示。5.根据权利要求1所述的基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法，其特征在于，所述步骤s3构建激光增材制造装备的人机界面布局模型，具体方法为：(1)问题描述：根据激光增材制造装备的人机界面布局优化相关原则，激光增材制造装备人机界面布局，应满足一定的工效学原理，将重要性与频率特性较高的显控装置布置于操作舒适便捷的范围内，并注意装置间操作与关联上的逻辑性；保证交互过程中快速认知，快速作业，安全舒适操作，为此优化模型的目标应保证各功能模块的总重要程度预期所占可达域等级最大；(2)条件假设：针对装备人机界面布局优化本文做出如下假设：装备人机交互界面的所有显控装置的尺寸、数量、内部组成形式不变，各显控装置之间不存在重叠区域，且布局范围不得超过界面总范围；(3)变量定义：装备界面布局优化模型的主要变量有w——总重要程度，其中w
i
＝c
i
o
i
f
i
x——不同可达范围的强度等级，x
ij
为第i个设备在第j个可达域内的强度等级，q——不同等级的可达域所占有的单元数，q
ij
为第i个模块在第j个可达域内所占的单元数，z——人机界面布局优化综合强度；(4)模型与约束条件：激光增材制造装备人机交互界面布局优化模型可表示为约束条件为：约束条件为：其中，公式(14)表示第i个功能模块在不同等级的可达域所占的单元数等于其自身的单元总数，公式(15)表示所有单元功能模块在个可达域所占单元数等于所有模块面积之和。
6.一种在前述基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法中使用的基于狼群
‑
粒子群混合智能算法的激光增材制造装备界面布局求解方法，其特征在于，包括以下步骤：step1：参数设置，随机初始化狼群种群数量与围攻奔走步长等参数；step2：计算单只狼的适应度值，找出全局历史最优位置，确定头狼；step3：根据公式x
ij
(t 1)＝x
ij
(t) rand
×
step
×
[x
lj
(t)
‑
x
ij
(t)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)进行奔走行为，若途中发现更优的适应度值，则代替头狼；step4：根据公式确定临界值，狼群进入临界值后依据公式x
ij
(t 1)＝x
ij
(t) rand
×
step
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)转入围攻行为；step5：根据粒子群算法公式记录当前粒子最优位置与全局最优位置；step6：计算单个粒子的适应度值，更新个体历史最优位置和全局历史最优位置；step7：将个体历史最优位置适应度值最差的q个粒子淘汰，并重新随机生成q个粒子；step8：判断是否满足终止条件(达到最大迭代次数)，否则跳转step3；是则输出全局最优位置结束。7.根据权利要求6所述的基于狼群
‑
粒子群混合智能算法的激光增材制造装备界面布局求解方法，其特征在于，所述求解步骤中各公式均来源于基础狼群算法，其具体运算原理为：在狼群进行探寻、奔走与围攻的过程中，如果有其他狼发现了比头狼所在解更好的解，则该狼替代头狼的位置重新发起奔走围攻活动，当一次迭代结束后，狼群会通过淘汰机制将更新狼群，使狼群始终保持较强的寻优能力，群奔走机制如公式(15)所示，其中，rand是0到1间的随机数，step表示围攻狼奔走步长，x
lj
(t)表示第t次迭代时头领狼的位置，在奔走行为中，若围攻狼奔走后的位置目标函数适应度值优于当前位置目标函数适应度值，则围攻狼位置更新为奔走后的位置，否则，围攻狼位置任是奔走前的位置，狼群以一设定的临界值为界由奔走状态转入精密搜索的围攻状态，设该临界值为s
n
，计算公式如公式(16)所示其中，与表示的是解空间中可行解第j维的上限和下限，d是解空间维数，η是距离判断因子，围攻狼围攻行为是一种局部精密搜索，围攻行为公式如公式(17)所示，其中，rand为
‑
1至1的随机数，step
b
表示围攻步长，与奔走行为一样，在围攻狼围攻搜寻后的位置目标函数适应度值优于当前位置目标函数适应度值，则围攻狼位置更新为围攻后的位置，否则，围攻狼位置是围攻前的位置；若围攻狼围攻搜寻到的位置优于头领狼位置，则成为新头领狼。

技术总结
本发明提出一种基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法，属于制造装备界面工效学设计领域。本发明依据双手垂直可达域舒适性区域划分人机交互界面可达域等级。在此基础上，综合考虑界面操作功能模块的重要性、关联性与安全操作要求，构建基于可达域的人机界面布局优化模型。本发明还提出一种基于狼群


技术研发人员：刘丹 王旭 杨国哲 赵文鹏 侯志权 赵琛 刘新昊 刘伟军 姜兴宇
受保护的技术使用者：沈阳工业大学
技术研发日：2021.08.31
技术公布日：2021/11/28