一種實現(xiàn)協(xié)同裝配過程的VR系統(tǒng)設(shè)計方法

虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術(shù)，又稱靈境技術(shù)，是20世紀發(fā)展起來的一項全新的實用技術(shù)。VR技術(shù)可將復(fù)雜物體可視化，囊括計算機、電子信息、仿真技術(shù)于一體。

本文提出了一種實現(xiàn)協(xié)同裝配過程VR的方法，以盡可能高的沉浸度復(fù)制裝配過程為目標，通過對裝配過程的分析，設(shè)計了一個特定的VR系統(tǒng)架構(gòu)，使工業(yè)裝配過程更加安全，并減少了人與機器人之間的障礙。

協(xié)同設(shè)計是計算機支持協(xié)同工作的一個重要領(lǐng)域，它是由異地不同領(lǐng)域的設(shè)計者所采用的群體工作方式。協(xié)同裝配是協(xié)同設(shè)計技術(shù)的重要研究方向，其中涉及的技術(shù)多數(shù)集中在系統(tǒng)架構(gòu)的實現(xiàn)。

協(xié)同裝配以其較高的靈活性填補了全自動化生產(chǎn)系統(tǒng)與手工裝配之間的空白，但該系統(tǒng)的經(jīng)濟性和安全性存在很大的不確定性。

VR技術(shù)提供了分析與風險相關(guān)的協(xié)作裝配系統(tǒng)的可能性，并且將操作過程中會出現(xiàn)的各種問題以及解決方法全面考慮，從而可以應(yīng)用于協(xié)同裝配業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

VR的發(fā)展及其應(yīng)用

過去的40年中，VR技術(shù)不斷發(fā)展，被美國國家工程院稱為21世紀人類面臨的14項主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。

時至今日，VR已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、工業(yè)、軍事、生物、氣象、建筑等領(lǐng)域。在工業(yè)應(yīng)用中，它主要用于保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時縮短產(chǎn)品開發(fā)的時間。

由于產(chǎn)品開發(fā)的應(yīng)用領(lǐng)域眾多，必須在這些領(lǐng)域中進行進一步的區(qū)分。

軟件開發(fā)、金融產(chǎn)品開發(fā)、工業(yè)設(shè)計等開發(fā)領(lǐng)域的工作流非常適合VR系統(tǒng)模擬實現(xiàn)，這些產(chǎn)品開發(fā)的每個子領(lǐng)域都可以通過VR中的擴展視圖實現(xiàn)特定的優(yōu)勢。

工作流程通常需要在實際的生產(chǎn)環(huán)境中進行培訓(xùn)。

使用虛擬工作環(huán)境預(yù)先測試新的工作流程，在不妨礙生產(chǎn)或消耗材料的情況下，可以讓操作者提前獲得有效、安全工作所需的技能，也可以在沒有風險的情況下測試危險的過程，防止事故發(fā)生。

輸出和輸入設(shè)備

根據(jù)選定的標準和場景對視覺輸出設(shè)備和流程要求進行評估，并將評估結(jié)果應(yīng)用于應(yīng)用場景、概念驗證和培訓(xùn)。

視覺輸出設(shè)備的評估

根據(jù)以下標準評估可視化輸出設(shè)備：

1）在VR中進行一對一顯示時，必須提供水平查看范圍。

2）復(fù)雜性是通過組件的數(shù)量以及設(shè)置所需的知識來評估的。

3）機動性是根據(jù)系統(tǒng)的大小和可運輸性以及組裝和拆卸所需的時間來評估的。

4）根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，沉浸程度的高低對仿真的成功與否起著決定性的作用。它取決于視野、互動的可能性、從現(xiàn)實到VR的移動轉(zhuǎn)移，以及現(xiàn)實世界仍然可以感知的范圍。

5）對于VR中需要多個用戶協(xié)同工作的任務(wù)，必須為所有用戶提供一個無故障的立體圖像。

VR模擬的過程對輸入設(shè)備的選擇有很大的影響，輸入設(shè)備的一般要求是根據(jù)操作的確定邊界條件推導(dǎo)出來的。

1）觸覺反饋在執(zhí)行活動時，不同的力或扭矩會影響用戶。

2）跟蹤VR中執(zhí)行的操作至少需要交互設(shè)備的位置，有些活動需要更全面的跟蹤。

3）人機工程學(xué)工具的形狀也必須由交互設(shè)備映射，特別是在基于工具使用的活動中，交互設(shè)備模擬各自的表單或者行為。

過程相關(guān)需求的評估是基于應(yīng)用領(lǐng)域的。使用VR系統(tǒng)對裝配過程進行可視化，需要提前確定需要達到的結(jié)果。為了實現(xiàn)設(shè)計或概念證明的額外可視化目標，應(yīng)選擇適合各種活動的交互設(shè)備。

用于訓(xùn)練技能的VR系統(tǒng)對模擬活動的符合性要求較高。有必要盡可能真實地使用交互設(shè)備描述活動。

因此，系統(tǒng)應(yīng)盡可能準確地滿足裝配過程的具體環(huán)境需求。

系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)組件的選擇與確定

基于分析和評估得出的需求，可以確定VR系統(tǒng)所需的組件，這些組件能夠表示協(xié)作裝配過程。該方法本質(zhì)上由3個步驟組成。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)計方法

具體步驟可以描述如下：

首先，從活動列表中刪除并釋放重復(fù)操作；其次，將清單縮減到將類似的操作組合在一起并且只發(fā)生一次的程度；最后，在選擇輸入設(shè)備時也要考慮活動的順序，因為改變輸入工具，即不符合裝配工具的調(diào)整可能會扭曲仿真。

系統(tǒng)架構(gòu)

目前比較常見的協(xié)同裝配體系結(jié)構(gòu)有以下2種類型：

1）集中式結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)存儲和處理功能全部集中在服務(wù)器上，客戶端只有交互界面顯示、人機交互等簡單功能，簡單易并發(fā)控制，但客戶端與服務(wù)器端存在很大的通信延遲；

2）復(fù)制式結(jié)構(gòu)

客戶端完成包括指令分析執(zhí)行和場景顯示等操作，服務(wù)器端則執(zhí)行消息轉(zhuǎn)發(fā)等簡單功能。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)具有負載低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，但是過程的并發(fā)控制比集中式困難。

綜合分析上述2種體系結(jié)構(gòu)的特性，在傳統(tǒng)集中式體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對客戶端和服務(wù)器端分別進行擴展修改和功能重置，提出“混合式”的協(xié)同體系架構(gòu)。

實現(xiàn)協(xié)同裝備的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)架構(gòu)

在該系統(tǒng)架構(gòu)中，除了傳統(tǒng)架構(gòu)包含的基本單元以外，客戶端還有1個本地任務(wù)處理單元和1個本地模型處理單元。

1）輸入單元和輸出單元完成基本的輸入輸出任務(wù)；

2）本地任務(wù)處理單元對集成的任務(wù)進行分類，根據(jù)屬性或者特點將其上傳到服務(wù)器端或在客戶端執(zhí)行；

3）本地模型處理單元負責管理客戶的模型，將當前裝配場景以場景樹的形式記錄下來；

4）服務(wù)器端處理客戶端提交的裝配任務(wù)，主要包含：

任務(wù)處理單元對客戶端的任務(wù)進程進行排序，根據(jù)任務(wù)的類別分配優(yōu)先級并分別進行調(diào)度，然后將大任務(wù)分解為一系列小而具體的任務(wù)并提交客戶端進行執(zhí)行；

沖突控制單元具有控制沖突、檢測碰撞和裝配約束等功能，負責在協(xié)作裝配過程中發(fā)現(xiàn)沖突并避免沖突操作；

仿真計算單元負責利用仿真計算算法完成各個單元的仿真實現(xiàn)，是本系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)。

這類協(xié)同架構(gòu)兼具集中式和復(fù)制式架構(gòu)的優(yōu)點：服務(wù)器端具有協(xié)同控制能力。同時，大量協(xié)同操作的任務(wù)可以在客戶端進行本地處理和執(zhí)行，為實施協(xié)同裝配提供了良好的操作基礎(chǔ)。

上述架構(gòu)中2個單元之間需要使用交互設(shè)備進行關(guān)聯(lián)操作。對每一種選定的交互設(shè)備，都必須考慮它適合于其他活動的程度，此外，必須考慮到一些交互設(shè)備只部分適合于單個輸出設(shè)備。

在許多方面，虛擬現(xiàn)實代表了計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)的自然演變。它的優(yōu)勢在于提供了一種全新的視角來觀察產(chǎn)品以及產(chǎn)品被制造的過程。

虛擬裝配可以幫助工程師在不需要實際原型的情況下進行產(chǎn)品可視化，從而對產(chǎn)品的設(shè)計做出決策。虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以用于研究人工裝配任務(wù)的效率瓶頸和潛在的人機工程學(xué)問題。

它的價值在于允許設(shè)計師將從開始到結(jié)束的整個裝配過程進行可視化，這樣工程師能夠在虛擬環(huán)境中測試設(shè)計決策，允許自動任務(wù)分析和過程映射，在確定裝配過程之前進行人機工程學(xué)的評估，并提供一種通過CAD系統(tǒng)鏈接對過程信息進行可視化的新方法。

虛擬現(xiàn)實也可以是一個強大的訓(xùn)練工具，特別是對于裝配應(yīng)用來說。如：

1）通過使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來驗證汽車裝配過程，福特將生產(chǎn)線的意外傷害率減少了70%；

2）諾丁漢大學(xué)的李強提出了一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，用于增強夾具設(shè)計和裝配的過程；

3）沙特國王大學(xué)的研究人員創(chuàng)建了一個球閥總成和汽車門總成的虛擬現(xiàn)實模擬，以補充標準的cad/cam環(huán)境。

結(jié)論

本文給出了一種實現(xiàn)協(xié)同裝配過程的VR系統(tǒng)設(shè)計方法，為了對系統(tǒng)的選擇做出初步的評價，該方法進行了一些簡化。

一個很有前景的場景是通過改變VR系統(tǒng)中人類和機器人之間的合作程度來評估協(xié)作裝配工作，以選擇最有效的變體，此外還可以設(shè)想檢查不同安全技術(shù)的影響。

對于這些進一步的研究，在選擇部件時也應(yīng)該考慮到工人和機器人之間的全身接觸。

未來可以進行參與者研究來驗證結(jié)果。本文對評價不同作業(yè)性能的交互裝置的要求是基于對作業(yè)的理論考慮和確定的邊界條件。

在研究范圍內(nèi)，每個活動都可以在VR中使用不同的交互設(shè)備進行。這可以用來評估需求是否正確，此外，還可以為每個操作生成適當?shù)慕换ピO(shè)備的精確列表。

未來發(fā)展的趨勢有：

1）將RFID技術(shù)與虛擬裝配技術(shù)融合到一起，實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實協(xié)同裝配技術(shù)。

通過RFID定位技術(shù)獨有的特性展示出在裝配過程中對零件位置追蹤的優(yōu)勢與便利。虛擬現(xiàn)實協(xié)同裝配技術(shù)能與用戶進行實時溝通，解決用戶個性化需求，而且能有效解決錯裝、漏裝現(xiàn)象的發(fā)生。

2）基于混合現(xiàn)實技術(shù)的虛擬裝配會應(yīng)用得更加廣泛。

隨著“工業(yè)4.0”和《中國制造2025》的提出，現(xiàn)代制造業(yè)迫切需要向智能化發(fā)展。

實現(xiàn)智能制造的前提之一在于信息連通性，基于混合現(xiàn)實技術(shù)MR（Mixed Reality）的協(xié)同制造可令工作人員透過混合實境裝置取得背景數(shù)據(jù)無縫、直觀的視覺線索，從物聯(lián)網(wǎng)和人工智能系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，協(xié)助員工實時在工作中將關(guān)鍵數(shù)據(jù)可視化。

MR技術(shù)作為一種高級人機交互技術(shù)，將在智能制造系統(tǒng)中負責提供人與智能設(shè)備之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口。
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