焦玉民,張 琦,屈宏偉

(1.解放軍理工大學 工程兵工程學院,江蘇 南京 210007;2.68243部隊甘肅 嘉峪關735100)

隨著計算機技術的突飛猛進,虛擬現(xiàn)實技術也日趨成熟.它由計算機模擬三維環(huán)境,借助必要設備以多種方式與虛擬環(huán)境中的操作對象進行交互,使用戶在視覺、聽覺、觸覺上產生與真實操作環(huán)境相同的感受與體驗.西方發(fā)達國家早在20世紀80年代,就把虛擬現(xiàn)實技術應用于飛行模擬訓練,繼而又應用于作戰(zhàn)、后勤維修保障訓練和機械產品設計生產等方面,以相對較低的投入換來了較高的效益.

虛擬現(xiàn)實技術的日趨成熟為虛擬維修技術的發(fā)展提供了有利條件,傳統(tǒng)的維修通常是事后維修,維修工作難免存在滯后性,這樣,就難以找到產品在論證設計階段中存在的設計缺陷,進而把維修缺陷帶入最終產品,而虛擬維修技術綜合運用人工智能、計算機圖形圖像、虛擬現(xiàn)實等技術,全面逼真地反映產品維修和技術保障的實現(xiàn)過程,使得該技術在國防軍事、教育教學和工業(yè)生產等領域得到了廣泛的應用.有關虛擬維修技術的應用研究雖然已經開展了許多,但仍然沒有1個確切的定義來描述它.國外有人將虛擬維修定義為使用虛擬現(xiàn)實技術來仿真維修工作,這種定義方式只是突出了虛擬現(xiàn)實技術的地位,而忽視了虛擬維修涉及的其他技術.也有人將通過遠程網絡連接來傳遞文本、聲音、圖片、視頻等信息輔助維修工作的系統(tǒng),稱作虛擬維修系統(tǒng)[1].從本質上看,這種系統(tǒng)并沒有涉及對象的維修性問題,可以定義為1種遠程維修支援系統(tǒng).文獻[2]對虛擬維修給出如下定義:“虛擬維修是以計算機技術與虛擬現(xiàn)實技術為依托,在由計算機生成的、包含了產品數(shù)字樣機與維修人員三維人體模型的虛擬場景中,通過驅動人體模型(包括采用人在回路的方式)來完成整個維修過程仿真的綜合性應用技術”.從此定義可以看出虛擬維修包含了維修對象,維修人員,維修工具、設備與設施,維修作業(yè)過程信息等基本要素.

1 國內外研究現(xiàn)狀

虛擬維修可以看作是采用虛擬現(xiàn)實技術來實現(xiàn)產品維修性設計、維修技術規(guī)程規(guī)劃、維修保障系統(tǒng)設計的過程.通過對產品維修過程的仿真,使人從主觀上產生虛擬產品及其維修過程的存在感.人可以沉浸在虛擬維修環(huán)境中,通過對產品維修預演,加深人們對產品維修的準確理解和直觀感受.因此,現(xiàn)在許多國家和大學的研究機構都開展了虛擬現(xiàn)實技術在維修訓練、維修性設計和保障性設計等方面的應用研究.

1.1 維修性設計、論證與評估

在產品設計初期,使用虛擬方法將設計過程和論證評估過程同時展開,將設計實驗過程在計算機上進行實驗模擬,克服了使用物理樣機進行論證實驗的不確定因素和資源消耗,這樣可以逐步發(fā)現(xiàn)設計中存在的缺陷,在產品定型之前,形成1套系統(tǒng)完整的設計數(shù)據(jù)資料,有效地支持了產品的研發(fā)管理.

如2000年,美國空軍研究實驗室(AFRL)與通用電氣公司(GE)公司、Lockheed Martin公司對維護手冊的自動化開發(fā)方法進行了研究.該項目命名為SMG(Service Manual Generation).SMG是1種面向維修性工程的新框架.通過盡早地提供浸入感更強的維修過程觀察手段,使維修性工程師可以省時、高效地發(fā)現(xiàn)并排除嚴重的產品設計缺陷,進而顯著地減少了維護手冊的開發(fā)時間與費用.

波音公司于20世紀90年代末建立了虛擬現(xiàn)實實驗室,主要用于對聯(lián)合攻擊機(JSF)的保障性進行評估和試驗.該實驗室可以使設計人員在進行設計的同時就能夠了解維修任務是否可行,在飛機設計定型之前,就可以發(fā)現(xiàn)潛在的保障性問題.該實驗室的建成與投入使用,提高了JSF維修人員參與到設計過程早期階段的能力,有效地避免了由于設計修改導致的時間和經濟損失.

北京航空航天大學呂川教授及其研究小組開展了虛擬維修系統(tǒng)的研究,其主要研究是應用由美國賓夕法尼亞大學的人體建模和仿真中心開發(fā)的Jack系統(tǒng)(該系統(tǒng)具有通用的交互式環(huán)境,可用于控制鉸接式幾何圖形,尤其重視對人體圖形的控制)提供1個三維交互環(huán)境,用戶從外部CAD系統(tǒng)輸入圖形生成工作空間,并在其中增加1個或多個人體模型,然后對維修過程特別是維修工藝實施過程,進行各種人的因素分析,規(guī)劃虛擬環(huán)境下的人體的維修路徑以及如何避碰.

1.2 訓練保障

隨著裝備產品的技術含量越來越高,其技術保障難度越來越大,使用后往往需要投入較多的人力、物力、財力及場地資源,訓練消耗大,安全性也得不到保證.虛擬維修訓練使用數(shù)字樣機替代物理樣機,可以不受時間和環(huán)境因素的限制,在虛擬平臺上導演出形象逼真的訓練環(huán)境,新產品提供了安全、現(xiàn)代化、經濟實用的保障維修手段,也為產品的使用可靠性提供強有力的支持.

虛擬維修技術最成功的應用是哈勃望遠鏡(HST)的修復與維護.為了在太空中完成哈勃望遠鏡的修復,美國宇航局(NASA)為執(zhí)行任務的宇航員專門建立了HST的虛擬太空環(huán)境,在該環(huán)境下可以模擬各種維修活動.

我國也已成功地將虛擬現(xiàn)實技術應用于直升機虛擬仿真器、坦克虛擬仿真器、導彈虛擬仿真器、虛擬戰(zhàn)場環(huán)境觀察器等多個方面,但在虛擬維修訓練方面的研究還處于起步階段.軍械工程學院在虛擬維修技術研究方面取得了一定的成果,其維修工程研究所主要研究內容包括了:維修人體建模技術、產品虛擬樣機的建模技術、產品拆裝過程建模、維修性分析與維修時間預計的集成等.其與北京航空航天大學、國防科技大學、中國兵器工業(yè)系統(tǒng)總體部聯(lián)合開發(fā)的1套基于虛擬現(xiàn)實的維修性與維修工作分析及評價系統(tǒng)是國內相對成熟的1個虛擬維修系統(tǒng).該研究所對虛擬維修訓練技術也進行了研究,致力于開發(fā)1個通用的虛擬維修訓練系統(tǒng),目前已經取得了階段性的成果[3].

2 虛擬維修技術主要內容及內涵

虛擬維修目前的應用模式大致可分為2種:虛擬人修理虛擬產品和真實人修理虛擬產品.根據(jù)虛擬維修的研究目的,可以將虛擬維修分為以產品設計為中心的虛擬維修和以維修保障系統(tǒng)設計為中心的虛擬維修兩大類.依據(jù)不同的使用要求設計不同的維修內容,達到其研究目的.

2.1 虛擬維修應滿足的要求

虛擬維修依托虛擬場景和數(shù)字樣機技術來實現(xiàn)人機交互,但受到設備和技術條件上的限制,在操作方法和實現(xiàn)手段上都與實際維修過程存在著差別,為保證與真實維修過程的一致性和交互過程的真實性,更好地完成操作者和虛擬操作對象的信息交換,虛擬維修技術應滿足以下幾方面要求:①訓練過程表達準確;②模型真實度等;③能對操作中出現(xiàn)的干涉、碰撞等提供報警信息并作出反應;④能對維修過程進行優(yōu)化;⑤能對維修過程的質量進行評估.

2.2 虛擬維修的主要內容

維修是將產品恢復到規(guī)定狀態(tài)的活動.在虛擬環(huán)境下,模型的建立和維修過程的實現(xiàn)有其特殊性,因此虛擬維修所涵蓋的內容超越真實維修的內容范圍,內容規(guī)劃如圖1所示,主要包括:①虛擬樣機的建立.利用實體建模技術建立操作對象和虛擬環(huán)境模型庫,建立部件信息、維修工藝和故障診斷專家知識數(shù)據(jù)庫.②信息獲取對模型、位姿、科目等信息進行獲取,為維修訓練的實現(xiàn)做準備.③模擬仿真過程的實施.依據(jù)維修內容規(guī)劃,對虛擬人和維修過程進行模擬仿真,實現(xiàn)人機交互.④反饋評價.對位姿、碰撞、控制信息進行反饋,運用反饋信息對仿真訓練效果評價考核[4].

圖1 虛擬維修內容規(guī)劃Fig.1 Contents planning of virtual maintenance

2.3 虛擬維修技術的內涵和現(xiàn)實意義

研究分析虛擬維修技術的內涵和現(xiàn)實意義對該技術的應用及發(fā)展具有重要意義.虛擬維修以虛擬平臺為支撐,運用各學科技術交叉融合,為維修過程提供各項技術支持,其優(yōu)勢在于避免了實際資源的消耗,可對維修對象、維修設備及工具、維修場景環(huán)境和維修過程進行模擬,節(jié)省了大量的人力、物力、財力,同時也避免了操作事故和環(huán)境污染.逼真的虛擬環(huán)境及人機交互基本可以保證維修的真實度,在絕大多數(shù)領域,虛擬維修完全可以替代真實維修的全部過程.

除了維修過程本身,虛擬維修還可對產品的設計生產有著重要意義,在模擬實際維修過程的同時,可對產品進行必要的技術改造,實現(xiàn)對產品維修性、維修資源、人機工效等問題輔助分析和決策,以最經濟合理的壽命周期費用保證產品良好的性能.

3 關鍵技術研究

3.1 數(shù)字樣機技術

關于數(shù)字樣機的定義有多種表示,其中比較全面合理的定義為:數(shù)字樣機或虛擬樣機,是1個產品實物的計算機仿真,它能被用于展示、分析和測試產品生命周期關聯(lián)的各個方面,比如工程設計、制造、維護與回收,就像在真實的物理樣機上進行的一樣[5].

圖2 數(shù)字樣機體系結構框架Fig.2 Framework of digital prototype system

3.1.1 數(shù)字樣機的內涵及體系結構

在虛擬維修訓練系統(tǒng)中,構建適用于虛擬環(huán)境的數(shù)字樣機,要求能在一定程度上具有與實裝相似的幾何與功能真實度,具有支持維修活動過程的空間、時間、自由度約束的運動特性和物理特性.結合虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),可以實現(xiàn)與維修相關活動或過程的模擬,進行維修訓練與評估等.虛擬維修訓練系統(tǒng)中的數(shù)字樣機總體體系結構如圖2所示.數(shù)字樣機系統(tǒng)主要由幾何建模系統(tǒng)、模型驅動仿真平臺和數(shù)據(jù)系統(tǒng)組成.虛擬維修數(shù)字樣機的零件幾何數(shù)據(jù)可以通過CAD建模系統(tǒng)獲取,例如零件的幾何模型、材質、體積、質量、顏色等.只有這些信息還不足以構成整個系統(tǒng),需要加入零件之間的裝配約束關系,以及虛擬維修操作中的拆裝序列模型、維修過程模型和人機交互模型等,這些信息可以通過模型驅動仿真平臺進行完善[6].

3.1.2 數(shù)字樣機建模過程

虛擬維修數(shù)字樣機建模過程可以分為數(shù)據(jù)準備、樣機建模和樣機成熟3個階段[7]:①數(shù)據(jù)準備階段.從CAD設計系統(tǒng)提取CAD幾何數(shù)據(jù)、裝配關系等信息,根據(jù)裝備、產品的各種維修任務,建立對應的維修任務和過程描述.②樣機建模階段.根據(jù)需要仿真的維修任務,確定虛擬樣機的幾何模型組成,進行CAD幾何數(shù)據(jù)轉換與簡化處理,完成虛擬樣機幾何建模,這時生成的是不完整的虛擬維修樣機.③樣機成熟階段.主要是進行虛擬維修過程建模、人機交互過程建模以及相關的應用模型建模,最后生成完整的面向維修任務的虛擬維修樣機,輸出到維修仿真系統(tǒng).

3.2 幾何建模

實體模型在虛擬維修訓練環(huán)境中的有效表達是構建整個虛擬維修訓練環(huán)境的重要因素,模型信息數(shù)據(jù)是否完整直接關系著交互的真實程度.針對不同的維修工作目的,對實體模型有著不同的要求,因此,建模方法也有所不同.

常用的實體建模方法有多邊形造型和曲面造型.其中多邊形建模、非均勻有理B樣條(NON-Uniform Rational B-Spline,NURBS)曲面建模、細分曲面(Sub Division Surface)建模等比較常用.

(1)多邊形建模.計算機圖形學常將多邊形也稱作面[8].多邊形建模適于創(chuàng)建形狀規(guī)則、無曲面的對象.它的思想是將復雜對象看成是由很多塊“面片”所包裹成或所構成的,用小平面來模擬曲面,做出各種形狀的三維物體.小平面可以是三角形、矩形或其他多邊形,但實際中多是三角形或矩形.多邊形建模的主要優(yōu)點是簡單、方便和快速,但它難以生成光滑的曲面.故多邊形建模技術適合于構造具有規(guī)則形狀的零件,如平板類零件以及軸類零件多以此為基礎建立.

(2)非統(tǒng)一有理樣條曲線(NURBS)曲面建模.NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)是非統(tǒng)一有理樣條曲線,NURBS由VERSPRILLE在其博士學位論文中提出.NURBS曲面建模的突出優(yōu)點是:①可以精確地表示二次規(guī)則曲面,能用統(tǒng)一的數(shù)學形式表示規(guī)則曲面和自由曲面.②可通過控制點和權因子來靈活地改變形狀.③對插入節(jié)點、修改、分割、幾何插值等的處理工具比較有力.④具有透視投影變換和仿射變換的不變性.Bezier,B樣條曲線和曲面可看作是NURBS的特例,多數(shù)B樣條曲線曲面的性質及其相應的算法也適用于NURBS曲線曲面,便于繼承和發(fā)展[9,10].NURBS曲面重建流程如圖3所示.

(3)細分曲面建模.引入細分曲面技術進行三維建模主要是解決NURBS技術在建立曲面時面臨的困難.它使用任意多面體作為控制網絡,然后自動根據(jù)控制網格來生成平滑的曲面.細分曲面技術的網格可以是任意形狀,因而可以很容易地構造出各種拓撲結構,并始終保持整個曲面的光滑性.細分曲面技術的另一個重要特點是“細分”,在物體的局部增加了細節(jié),而不必增加整個物體的復雜程度,同時還能維持增加了細節(jié)的物體的光滑性.

圖3 NURBS曲面重建流程圖Fig.3 Reconstruction of NURBS surface

3.3 虛擬環(huán)境的構建和優(yōu)化

虛擬維修環(huán)境的設計還需要構建虛擬場景和其他輔助資源,包括操作場地、維修工具、虛擬環(huán)境、虛擬人等.維修場景的構建技術是開發(fā)虛擬維修系統(tǒng)的關鍵技術之一.按照基于圖形渲染技術生成虛擬場景的方法,一般要經過建立真實環(huán)境的抽象三維幾何模型;然后給定觀察坐標系,利用計算機的圖形處理能力解決幾何形狀、著色、消隱、光照以及投影等一系列繪制過程,產生虛擬場景[11].虛擬維修環(huán)境設計基本流程可以表述為圖4所示內容.

虛擬維修環(huán)境中的對象多數(shù)需要進行實體建模.但是如果所有模型都采用實體建模方法表現(xiàn),給系統(tǒng)帶來的運行負擔是非常大的,必須采用合理的模型優(yōu)化技術對復雜場景進行處理,基于單元分割、可見消隱、紋理映射、實例化和層次細節(jié)技術(LOD)等技術對模型結構、紋理、實體、場景等進行優(yōu)化,可以提高系統(tǒng)運行速度和表現(xiàn)效果.

圖4 虛擬維修環(huán)境的設計流程Fig.4 Design process of virtual maintenance environment

圖5 交互概念模型Fig.5 Interaction conceptual model

3.4 交互模型建立

交互性是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的主要特點之一,用戶能夠自然的與虛擬維修環(huán)境中的操作對象進行交互,通過多種感知渠道直接感受不同零部件運動的信息反饋,并利用人的智能與系統(tǒng)的計算能力進行信息融合,產生綜合控制效果.

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的三維交互技術目前還處于起步研究階段,沒有形成完整統(tǒng)一的概念層次結構.根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀和相關論述[12]可以概括為圖5所示的三維交互概念模型.

輸入層包括鍵盤、鼠標等二維輸入設備,還包括立體頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等三維輸入設備;事件層包括手勢、位移、壓力等狀態(tài)改變事件;交互層主要包括三維動作描述,包括抓取、移動、旋轉、釋放等,在輸入層的作用以及事件層的驅動下完成三維交互控制;接口層為適應三維輸入設備,包括一系列的工具驅動引擎軟件包;應用層包括交互控制的任務和研究目的等,諸如交互訓練、仿真決策、教育娛樂等.

GREEN M說[13]:“三維交互的構造目前之所以具有相當大的難度,其原因正在于對底層交互任務的理解上.只有當這些底層的交互任務被定義和描述清楚后,才能合理而有效地進行三維交互技術、交互風格的研究和三維用戶界面的構造.”

3.5 碰撞檢測技術

虛擬維修中的碰撞問題包括碰撞檢測和碰撞響應2部分.碰撞檢測的目的是發(fā)現(xiàn)碰撞并報告碰撞體、碰撞位置、碰撞時間等信息;碰撞響應是根據(jù)不同應用目的,在碰撞發(fā)生后促使碰撞體和相關對象發(fā)生狀態(tài)的改變,做出正確的反應,模擬真實的操作過程.

近年來,隨著碰撞檢測技術及其相關問題在虛擬仿真系統(tǒng)以及機器人運動規(guī)劃等領域研究的不斷深入,國內外相關研究領域提出了諸多有實際應用價值的碰撞檢測算法,并開發(fā)出了許多成熟的碰撞檢測工具包.根據(jù)不同的應用角度,其分類方法也是各有不同.

從時間域的角度來分,碰撞檢測算法可以分為靜態(tài)碰撞檢測和動態(tài)碰撞檢測算法,而動態(tài)檢測算法又可根據(jù)時間的連續(xù)性分為離散碰撞檢測和連續(xù)碰撞檢測算法.靜態(tài)碰撞檢測算法是指當場景中物體在整個時間軸t上都不發(fā)生變化時,用來檢測在這種靜止狀態(tài)下,各物體之間是否發(fā)生碰撞的算法[14,15].離散碰撞檢測算法則是指在時間軸的每個離散點t0,t1,…,tn上不斷地檢測場景中所有物體之間是否發(fā)生碰撞的算法.而連續(xù)碰撞檢測算法是指在1個連續(xù)的時間間隔[t0,tn]內,判斷運動物體是否與其他物體相交的算法[16-18].

從空間域的角度來分,碰撞檢測算法大體可分為兩大類:一類是基于實體空間的碰撞檢測算法,一類是基于圖像空間的碰撞檢測算法.基于實體空間的碰撞檢測一直是研究的重點,目前已經將層次表示法、幾何推理、代數(shù)范式、空間劃分、解析方法和最優(yōu)化方法等技術應用到碰撞檢測中.在實體空間的碰撞檢測研究方面,研究人員已經取得了相當多的成果[19,20].尤其是在空間分解法和層次包圍盒法2個方面的研究比較成熟.空間分解法是將整個虛擬空間劃分成體積相等的小單元格,只對占據(jù)了同一單元格或相鄰單元格的對象進行相交測試.例如 k-d樹(k-dimensional tree)、八叉樹、BSP樹(Binary Space Partition)、四面體網等.層次包圍盒方法是用體積略大于幾何對象而幾何特性簡單的包圍盒近似的地描述復雜幾何對象,只需對包圍盒進行相交測試.比較典型的包圍盒有沿坐標軸的包圍盒(Axis-Aligned Bounding Boxes,AABB)、包圍球(Spheres)、方向包圍盒(Oriented Bounding Box,OBB)、固定方向凸包(Fixed Direction Convex Hull,FDH)等.基于圖像空間的碰撞檢測算法是一類比較新的碰撞檢測算法,它一般是利用圖形硬件對物體的二維圖像采樣和相應的深度信息來判別2個物體之間的相交情況,它能有效利用圖形硬件的繪制加速功能來提高碰撞檢測算法的效率.近幾年圖形硬件技術的飛速發(fā)展,圖形加速卡在性能不斷提高的同時甚至出現(xiàn)了可編程的功能,使得基于圖像空間的碰撞檢測算法進入了新的發(fā)展階段[21].

3.6 虛擬維修過程規(guī)劃與仿真技術研究

目前應用比較多的虛擬維修過程規(guī)劃方法主要是使用UML(Unified Modeling Language,統(tǒng)一建模語言)技術[21]和改進的Petri網技術[22～24]進行裝備維修過程建模.其中UML通過對象類圖、用例視圖、狀態(tài)視圖、順序視圖等的建立,比較明確地表示了整個系統(tǒng)所包含的對象和各對象所具有的功能,以及這些功能的流程和實現(xiàn)途徑;傳統(tǒng)的Petri網建模是比較復雜和難懂的,隨著它在工業(yè)領域的應用,許多擴展形式諸如著色Petri網、元模型融合、退化令牌等技術在虛擬維修過程建模中應用較多.總體來說,上述方法在對復雜維修過程的建模方面有一定的貢獻,但在實際應用時總是偏重于以產品的維修性設計為中心的應用.

圖6 維修任務層次Fig.6 Maintenance level

3.6.1 維修任務分層描述

維修工程理論將維修任務分為維修事件、維修作業(yè)、基本維修作業(yè)3個層次.維修事件是指由于故障、虛警或按預定的維修計劃進行的一系列或多種維修活動或維修作業(yè),如故障定位、隔離、修理和功能檢查等.維修作業(yè)是按給定的意圖進行的一系列基本的維修作業(yè).基本維修作業(yè)是1項維修作業(yè)可以分解成的工作單元,如擰螺母、裝墊片等,它是維修分解的最低層次.維修任務的層次關系如圖6所示.

3.6.2 拆裝過程規(guī)劃描述

進行虛擬裝配操作時,用戶佩戴數(shù)據(jù)手套、頭盔是顯示器等虛擬環(huán)境的輸入輸出設備后,就可以通過特定的操作界面獲得存放在數(shù)據(jù)庫中的關于裝配零部件、工具信息,還可以通過操作界面以各種形式交互地操縱裝配產品的各個部分.從虛擬裝配的過程模式來看,以裝配仿真為核心的虛擬裝配與以“變裝為拆”的裝配規(guī)劃為核心的虛擬裝配是當前主流的虛擬拆裝過程模式.①以裝配仿真為核心的虛擬裝配過程模式.首先在CAD系統(tǒng)中建立產品的裝配模型,然后,在虛擬環(huán)境中模擬產品的實際裝配過程,分析裝配過程中零件的運動形態(tài),檢查裝配過程中的干涉,評價裝配過程中的人機因素,從而驗證與改進產品的裝配性能.②以“變裝為拆”的裝配規(guī)劃為核心的虛擬裝配過程模式.主要利用CAD系統(tǒng)裝配建模提供的裝配約束關系進行運動導航,即虛擬拆卸過程中根據(jù)零件所受的裝配約束拆卸零件的可自由移動方向,并將零件的初始拆卸方向強制為其可自由移動的方向,直到零件與其約束零件完全脫離[25].

3.6.3 虛擬拆裝序列規(guī)劃

拆裝序列規(guī)劃是裝配工藝規(guī)劃的重要環(huán)節(jié),長期以來,計算機輔助裝配序列規(guī)劃的研究主要集中于利用計算機對產品的幾何拓撲結構和裝配約束關系進行自動分析和推理,建立零部件間的裝配順序優(yōu)先關系,從而找到所有幾何上可行的裝配序列,并通過某種評價機制進行優(yōu)選[26,27].

非沉浸式虛擬維修系統(tǒng)的拆裝序列規(guī)劃依賴于生成拆裝路徑的算法,根據(jù)規(guī)劃體對環(huán)境信息已知程度不同,全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全或部分未知的局部路徑規(guī)劃.沉浸式虛擬維修系統(tǒng)的拆裝路徑規(guī)劃主要是對仿真過程中記錄的路徑進行平滑和優(yōu)化,目的是使得處理后的路徑直觀、可行,并且能反映操作人員的交互意圖,而不是尋找最優(yōu)路徑優(yōu)化調整目前主要采用人機交互的方式進行,操作人員可對裝配路徑點進行插入、刪除、直接插補、曲線插補等操作,以達到優(yōu)化路徑的目的.

4 虛擬維修技術展望

4.1 更完善的維修考核評價功能

維修考核評價水平的高低是衡量1個虛擬維修系統(tǒng)質量的關鍵指標,目前虛擬維修系統(tǒng)中的訓練方法多種多樣,但均是以提高訓練熟練程度為主,并不能體現(xiàn)操作者的技能水平,對于虛擬維修過程的數(shù)據(jù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)挖掘技術應有待進一步研究.針對不同的評價指標,利用仿真實現(xiàn)對維修性進行定量分析仍是1個需要解決的問題.

4.2 更逼真的維修過程

維修過程的逼真程度依靠兩個方面,實體三維模型和維修過程,特別對大型復雜裝備,涵蓋精密部件較多,維修工藝要求更高,這就要求對產品模型信息更加全面,模型優(yōu)化方法要求更高,目前,虛擬產品模型在信息集成、數(shù)據(jù)存取機制等方面仍有待提高,以避免因部件信息的缺失造成維修的實用性差.此外,虛擬維修過程尚不能完全模擬真實維修過程,隨著虛擬現(xiàn)實技術和人機交互技術的不斷發(fā)展,虛擬維修的功能將越發(fā)完善.

4.3 通用化要求

虛擬維修技術涉及領域廣,應用領域寬,各應用領域對產品的設計使用要求不盡相同,對這些要求和規(guī)范綜合分析,改進虛擬維修過程規(guī)劃和描述方法,提出合理的虛擬維修協(xié)同設計準則是發(fā)展的必然.

4.4 變形體維修

虛擬維修基本都是以剛性模型為研究對象,部分學者構建出土壤、流體等模型的算法,增強了虛擬維修訓練的逼真程度,但對變形體,如軟管、線纜等零件的維護拆裝是虛擬維修中的難題,目前對于采用NURBS曲面建模只能描述其靜態(tài)形狀,難以模擬其維修過程.

4.5 更強人機交互

人機交互技術一直是虛擬維修技術中研究的熱點問題,雖然已經提出了很多方法,但在目前的虛擬維修系統(tǒng)中,大多數(shù)情況下考慮的是用戶和環(huán)境之間的交互,較少考慮物體的適當行為,增強型的虛擬現(xiàn)實技術致力于將三維模型疊加到現(xiàn)實景物上,引導操作人員完成維修任務.

5 結論

虛擬維修技術從誕生到現(xiàn)在,已經滲透到生產生活的各個領域,包括軍事科技、航空航天、機械制造、生產建設等諸多行業(yè).在產品設計生產制造領域,虛擬維修減少了設計生產的人力付出和財力付出,縮短了產品的研制周期,提高了產品的質量和使用可靠性;在維修訓練領域,虛擬維修技術對解決產品投產后的使用、維修保障、功能演示等復雜問題上具有廣泛的應用前景.

作為一門新興的科學技術,廣泛的應用領域證明了其巨大的前景和發(fā)展?jié)摿?同樣,深入研究虛擬維修技術特點及內涵,對其應用領域有著重要意義和參考價值.展望虛擬維修技術發(fā)展,提出目前存在的技術難題及需要深入探討的關鍵技術,對虛擬維修技術發(fā)展有著顯著的指導意義.

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