姚壽文，胡子然，柳博文，丁 佳，常富祥，栗麗輝

（1.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081；2.河北翼凌機械制造總廠，河北石家莊050305）

裝備維修訓練是裝備全壽命管理的重要環(huán)節(jié)［1］。機械裝備一般結構復雜，裝配流程長，維修方式多，而實體樣機通常體積和質(zhì)量較大，故實裝維修訓練操作困難、成本高，對裝備的損傷大，存在較大的安全隱患［2］。虛擬現(xiàn)實具有沉浸感強、直觀性好、交互便利的特點［3］。利用虛擬現(xiàn)實技術輔助維修訓練，可在虛擬環(huán)境中復現(xiàn)維修訓練情況，具有高沉浸感，不受時間和空間的限制，可大大提高維修訓練的效費比和承訓量。

維修是使裝備保持或恢復到規(guī)定狀態(tài)的一系列活動。典型的維修活動包括7個步驟：準備、診斷（故障檢測及隔離）、更換（拆卸及安裝）、調(diào)整及校準、保養(yǎng)、檢驗和原件復原［4］。由于拆卸及重新安裝的時間在整個維修事件所需時間中所占的比重最大，而其他維修活動難以在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)，所以目前的虛擬維修主要研究零件的拆卸及安裝過程［5］?，F(xiàn)有的虛擬維修訓練系統(tǒng)主要通過動畫的形式進行拆裝過程演示，未考慮到零件之間的連接和定位關系，無法確定零件裝配的正確位置。如：楊俊超等［6］設計的航空裝備虛擬維修訓練系統(tǒng)雖然具備航空裝備維修流程和零件拆卸與裝配、故障分析與排除等功能，但零件的拆裝是通過動畫的自動播放來演示的；楊兆坤等［7］基于“美騰通用平臺”，提出了一種沉浸式虛擬維修訓練系統(tǒng)的開發(fā)方法，雖然在Unity3D軟件中建立了基本維修科目，形成了訓練流程，但零件裝配過程是通過操作者點擊按鈕播放動畫來展現(xiàn)的。這些系統(tǒng)都未建立限制零件運動的零件之間的約束關系，無法展現(xiàn)實際的拆裝過程。

在裝備維修訓練中，零件數(shù)量繁多、型號規(guī)格類似、空間布局緊湊且其特征復雜［8］。在實際的維修訓練中，教員會對學員的維修操作進行指導，學員也可以通過維修手冊學習維修知識。所以，在虛擬維修訓練中，須開發(fā)指導機制，引導操作者進行裝備的維修訓練［9］。目前，虛擬維修訓練系統(tǒng)的指導方式較少，主要通過圖文說明的方式對操作者進行指導性說明。張玉軍等［10］在Unity3D 環(huán)境中設計開發(fā)了沉浸式虛擬維修訓練系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有基礎理論、特情處理等模塊，可指導操作者進行維修訓練，但圖文指導只能通過按鈕點擊獲取，并不能以手勢、視線等直觀性的交互方式來引導操作者自主獲取知識，不能使其在思考中完成任務。基于穿戴式數(shù)據(jù)服設計的虛擬維修訓練系統(tǒng)［11］，是通過有標記式的交互方式獲取拆裝指導信息，增加了人機交互的額外媒介，可減弱虛擬維修訓練的沉浸感。

對操作逼真自然的模擬可以有效提高虛擬維修訓練質(zhì)量［12］。在實際的維修訓練中，操作者多用手拾取零件，或用手抓握工具進行零件的拆裝。故在虛擬維修訓練系統(tǒng)中，模擬操作者使用單雙手與零件或工具的自然交互操作十分重要［13］。但目前的操作仿真還不能體現(xiàn)人機的自然交互，如僅使用手柄的人機交互，不能通過虛擬手直接拾取零件，降低了操作真實感?？紫榻艿龋?4］通過試驗得出，動作捕捉手套在螺釘安裝等定位敏感型操作中效率較低，必須雙手協(xié)同操作才能提高處理復雜任務的效率。郭慶等［15］通過動作捕捉設備采集真實人體的運動數(shù)據(jù)，將虛擬人作為操作者嵌入虛擬環(huán)境中，但是沒有對虛擬手操作進行針對性的開發(fā)，故不能完成單雙手拆裝的復雜動作。張玉軍等［10］雖然將虛擬手引入虛擬維修訓練系統(tǒng)，但僅實現(xiàn)了以簡單手勢與機器系統(tǒng)交互，并未進行手勢識別、虛擬手拾取功能等的研究，故系統(tǒng)的沉浸感和交互性不強。

2014年以來，虛擬現(xiàn)實（virtual reality，ⅤR）輔助技術已成為繼計算機輔助技術（computer aided technology，CAD）后新一代仿真輔助技術［16］。傳統(tǒng)的CAD［17］只是通過設置指令使零件達到最終的安裝完成狀態(tài)，或移除須刪除約束的元件的約束，不能體現(xiàn)零件拆裝過程；其可視化和交互方法是基于缺乏直觀性的二維顯示和鼠標/鍵盤系統(tǒng)，無法獲得導致裝配錯誤的裝配狀態(tài)，例如穿透和不合理的裝配關系，這些都限制了操作者在維修訓練過程中的主動思考。而虛擬現(xiàn)實輔助技術是使用者通過手勢、語音等方式與虛擬環(huán)境進行交互［18］，人機交互更加自然和諧?？臻g定位技術則實現(xiàn)了Room Scale（空間范圍）級別的ⅤR 定位，具有定位精度高、反應速度快和分布式處理等優(yōu)勢［19］。ⅤR定位系統(tǒng)集成了激光傳感器、光敏傳感器，具有高精度系統(tǒng)時間分辨率［20］，基于PnP解算原理進行運動物體的姿態(tài)估計，可實現(xiàn)運動物體位置的精確求解；具有高刷新率的虛擬顯示可實現(xiàn)虛擬物體的立體可視化輸出，且圖像自然清晰、穩(wěn)定性好，可表現(xiàn)出零件幾何外形特征等關鍵信息。通過虛擬現(xiàn)實軟硬件開發(fā)的交互方式可提升交互功能，幫助操作者將所學知識應用于拆裝嘗試中，啟發(fā)其更好地完成訓練任務。

為了提高虛擬維修訓練中零件裝配的定位精度以及訓練指導、人機交互的直觀性，本文以零件多數(shù)據(jù)信息的裝配約束模型為基礎，對零件之間常見的裝配關系及其對應的裝配操作進行分析，抽象出4種常見的限制零件運動的約束，并建立基于裝配特征匹配和裝配特征參數(shù)匹配的裝配約束算法，借助虛擬現(xiàn)實設備的高追蹤精度和高數(shù)據(jù)采集與運算速率，在虛擬環(huán)境中實時感知零件狀態(tài)并建立其正確的約束?；谑謩葑R別、視線碰撞等直觀性交互方式，建立“導師&助教”的多模式指導架構。在Unity3D中進行虛擬手、虛擬工具的無標記交互操作的開發(fā)，并以某型號洗衣機為維修訓練對象進行測試。

1 裝配約束實時感知與建立技術

為了降低定位不精準給零件虛擬維修帶來的影響，研究以裝配約束關系限制零件自由度的方法。在建立零件多數(shù)據(jù)信息模型的基礎上，借助虛擬現(xiàn)實設備及時更新零件位姿數(shù)據(jù)，建立零件狀態(tài)實時感知的裝配約束算法，實時感知虛擬環(huán)境中的零件狀態(tài)，分析求解零件之間的位置關系，建立其正確的裝配約束，以提升虛擬維修訓練的效果。

在虛擬維修訓練的拆裝過程中，為使零件安裝在正確的位置，逼真地體現(xiàn)出裝配過程，須研究零件的整個裝配過程。其中裝配關系是裝配過程中連接各零件之間的紐帶，裝配時要進行與裝配關系對應的裝配操作［21］。常見的裝配關系及其對應的裝配操作如表1所示。

表1 常見的裝配關系及其對應的裝配操作Table 1 Common assembly relation and corresponding assembly operation

空間中的零件不僅有坐標位置，還有朝向姿態(tài)，因此所拆裝的零件不能看成一個質(zhì)點［22］。在空間幾何中，采用四元素法表達零件的三維旋轉(zhuǎn)，用4×4齊次矩陣來描述零件的位姿，稱作位姿矩陣。位姿矩陣可表示為：

式中：R 和t 分別為零件的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，其中的元素分別為從零件坐標系o'-x'y'z'變換到全局坐標系o-xyz時零件的旋轉(zhuǎn)分量和平移分量。

裝配零件分為裝配基體（以下簡稱為“基體”）和待裝配零件（以下簡稱為“待裝件”）。以基體為參照物，裝配約束表征為待裝件在基體坐標系中6個自由度限制的組合，6 個自由度即沿x、y、z 軸的平移和繞x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)，可表示為零件的翻滾、俯仰和偏擺，如圖1所示。

圖1 零件6個自由度的表示Fig.1 Representation of six degrees of freedom of a part

結合虛擬環(huán)境中零件空間位姿變換、拆卸/裝配關系、拆卸/裝配操作等需求，本文用零件的幾何模型、裝配特征、結構參數(shù)、零件和特征的碰撞包圍盒建立虛擬環(huán)境中零件多數(shù)據(jù)信息模型［23］。零件多數(shù)據(jù)信息模型包含的數(shù)據(jù)信息為：

1）幾何外形信息數(shù)據(jù)。如零件的材質(zhì)及紋理數(shù)據(jù)、貼圖數(shù)據(jù)、坐標系原點位置和朝向數(shù)據(jù)等，以便在虛擬環(huán)境中直觀準確地表征零件模型。

2）物理屬性數(shù)據(jù)。如零件的質(zhì)量、沿各個軸的轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)心位置等，以便分析零件的平移、旋轉(zhuǎn)和碰撞，表征零件模型的姿態(tài)。

3）幾何裝配特征數(shù)據(jù)。包含零件的幾何特征類型、幾何特征位置和幾何特征參數(shù)，其中：零件的幾何特征類型為螺紋、鍵、齒輪、軸和軸肩等；幾何特征位置可根據(jù)零件的定位距離來確定；幾何特征參數(shù)用于區(qū)分和匹配特征，如軸特征只有“直徑”特征參數(shù)［24］。該特征數(shù)據(jù)為識別與匹配零件模型幾何特征、建立約束、求解零件間的相對位置關系提供數(shù)據(jù)基礎。

4）碰撞包圍盒數(shù)據(jù)。建立基于FDH（fixed directions hulls，固定方向凸包）包圍盒的零件碰撞包圍盒，以區(qū)分零件與零件之間的位置關系，防止零件穿透，以及感知零件與零件之間的特征包圍盒是否發(fā)生接觸。

在裝配過程中，零件在裝配路徑上存在多種約束。約束的建立會導致零件運動狀態(tài)發(fā)生變化，即零件自由度發(fā)生變化。通過分析機械結構常見零件類型、裝配關系及其對應的裝配操作，抽象出軸和孔兩種基本幾何特征以及限制零件運動的4種約束：1）同軸不定向約束；2）同軸定向約束；3）同軸不定向面阻擋約束；4）同軸定向面阻擋約束。

1）同軸不定向約束。

該約束限制零件的4個自由度，此時零件僅有沿基體軸線移動和繞軸線轉(zhuǎn)動兩個自由度。該約束下零件的運動狀態(tài)如圖2所示。

圖2 同軸不定向約束下零件的運動狀態(tài)Fig.2 Motion state of parts under coaxial non-directional constraint

2）同軸定向約束。

該約束限制零件的5個自由度，此時零件僅有沿基體軸線移動一個自由度。該約束下零件的運動狀態(tài)如圖3所示。

3）同軸不定向面阻擋約束。

該約束限制零件的4個自由度，此時零件有沿基體軸線移動和繞軸線轉(zhuǎn)動兩個自由度，但由于受到平面阻擋，零件沿裝配方向的移動被限制。該約束下零件的運動狀態(tài)如圖4所示。

4）同軸定向面阻擋約束。

該約束限制零件的5個自由度，此時零件僅有沿基體軸線移動一個自由度，但由于受到平面阻擋，零件沿裝配方向的移動被限制。該約束下零件的運動狀態(tài)如圖5所示。

圖3 同軸定向約束下零件的運動狀態(tài)Fig.3 Motion state of parts under coaxial directional constraint

分析了在實際裝配過程中常見的限制零件運動的4種約束以及在不同約束下零件相應的運動狀態(tài)之后，為了在虛擬環(huán)境中展現(xiàn)零件裝配的過程，以零件模型的幾何外部特征為基礎，建立基于裝配約束的識別算法。該算法可以使虛擬維修訓練系統(tǒng)根據(jù)零件之間的狀態(tài)，自主感知基體和待裝件不同的裝配特征。當裝配件到達指定裝配位置時，響應機制啟動，系統(tǒng)感知約束類型并提供正確的裝配約束；在拆卸零件時，系統(tǒng)實現(xiàn)約束解除。因此，建立基于裝配約束的識別算法可解決多種拆裝問題，具有廣闊的應用范圍。為了提高該算法的實時性，保證運動零件的位姿求解速率和定位精度，借助HTC 公司（High Tech Computer Corporation，宏達國際電子股份有限公司）的Ⅴive 虛擬現(xiàn)實設備。該設備采用outside-in 追蹤方式，Lighthouse定位系統(tǒng)基站的掃描頻率為90 Hz，激光掃描定位精度為毫米級，其在大空間環(huán)境下具有良好的追蹤精度。配套采用英特爾i7系列處理器和英偉達RTX2080 高性能顯卡工作站，滿足大規(guī)模渲染并行運算和物理仿真求解的計算速度要求，以滿足算法計算的實時性需求。

在裝配過程中，操作者用手或者工具拾取零件并控制待裝件移動，即待裝件的運動和操作者的動作一致，同時由于存在約束，該運動只有部分能對零件產(chǎn)生實際作用。為了能讓零件跟隨手或工具進行平移及旋轉(zhuǎn)，當零件被拾取時，手或工具與零件的位姿須保持一致，以實現(xiàn)約束零件在拾取條件下的運動，故采用基于六自由度幾何法的零件位姿修正算法［23］。根據(jù)自由度，對零件相對于基體的位姿改變矩陣進行修正。得到零件在約束條件下的改變量之后，在基體坐標系中將復合運動在各軸上的分量分離出來，再根據(jù)約束條件對被限制量進行剔除或修正，并分別計算在基體局部坐標系下待裝件相對基體各軸的平移量和轉(zhuǎn)角。當待裝件存在多個約束時，綜合考慮多個約束對零件自由度的影響，并重新對位姿改變量進行修正，如圖6所示。

圖4 同軸不定向面阻擋約束下零件的運動狀態(tài)Fig.4 Motion state of parts under coaxial non-directional surface blocking constraint

為實時建立裝配約束，筆者構建了裝配約束感知與建立方法的流程，如圖7所示。首先，以零件多數(shù)據(jù)信息的裝配約束模型為基礎，虛擬維修訓練系統(tǒng)自主感知基體和待裝件不同的裝配特征；當零件與零件發(fā)生碰撞后，立即對零件特征層次包圍盒進行檢測，如果特征層的包圍盒也發(fā)生了碰撞，則調(diào)用響應函數(shù)，提取在Unity3D 軟件中編寫的C#程序文件中對應的特征信息，比對特征類型和位置參數(shù)等；如果特征和參數(shù)相匹配，則在零件裝配位置建立相應的裝配約束，限制零件運動，如果不匹配，則該次碰撞響應不作處理。其中，特征類型的匹配是基于幾何特征參數(shù)，如軸和孔的特征由其“直徑”特征參數(shù)表達，在執(zhí)行孔零件裝配到軸零件的操作過程中，若孔徑大于或等于軸徑，則特征匹配成功。

圖5 同軸定向面阻擋約束下零件的運動狀態(tài)Fig.5 Motion state of parts under coaxial directional surface blocking constraint

2 多模式交互指導方法

操作者佩戴虛擬現(xiàn)實頭盔顯示器（head-mounted display，HMD）進行虛擬維修訓練，其視覺觀察范圍僅為HMD所顯示的三維虛擬場景，無法使用現(xiàn)實環(huán)境中的維修手冊等進行參考，也無法觀察到實際指導人員的指導動作。操作者剛進入虛擬環(huán)境時，可能因不熟悉場景中的設備、零件而出現(xiàn)操作失誤。故須借助虛擬現(xiàn)實軟件設計虛擬環(huán)境中的指導架構，開發(fā)基于“導師&助教”機制的多模式指導方法，使操作者在接受指導時無需借助額外的媒介，而可以通過手勢、視線自主與“導師”“助教”交互。這種方式增強了虛擬環(huán)境中指導的直觀性，幫助操作者在多種引導下快速熟悉虛擬維修訓練場景，掌握裝備維修技能。

圖6 零件位姿的修正Fig.6 Part position correction

圖7 裝配約束感知與建立方法的流程Fig.7 Flowchart of assembly constraint perception and establishment method

2.1 基于手勢識別的多模塊電子手冊的“導師”指導

為了使操作者在HMD 顯示的三維虛擬環(huán)境中直接進行由導師指導的訓練，基于層級劃分與管理技術，在虛擬環(huán)境中對電子手冊進行多模塊開發(fā)，將其作為虛擬維修訓練的指導。這種導師指導式訓練，基于認知心理學，以影像資料、演示動畫和圖文說明等在虛擬電子屏上向使用者展示相關信息，可幫助操作者逐步掌握設備的組織結構、拆裝步驟、工具儀表使用方法、日常維護保養(yǎng)、典型故障排除和特殊情況處置等，以提高操作者的記憶與認知能力，使操作者在虛擬環(huán)境中的維修訓練更高效。

為了使操作者可以通過直觀性交互控制電子手冊，基于虛擬手手勢識別開發(fā)了交互式操作面板。當手掌面朝向操作者時，可以在虛擬環(huán)境中調(diào)出該面板，用虛擬手對面板上的按鈕進行操作來控制電子手冊屏幕。當操作者需要受電子手冊指導時，翻轉(zhuǎn)左手至手掌面向自己，便可調(diào)出電子手冊控制按鈕。按鈕主要分為四大部分：左右兩個按鈕分別為前進和后退按鈕；上方按鈕為場景重置按鈕，當裝配過程中出現(xiàn)問題時，可按下此按鈕返回最初的裝配狀態(tài)；下方按鈕的功能，可自行開發(fā)?；谑謩葑R別的多模塊電子手冊的“導師”指導如圖8所示。

圖8 基于手勢識別的多模塊電子手冊的“導師”指導Fig.8 Multi-module electronic manual "tutor" guide based on gesture recognition

2.2 基于視線碰撞信息顯示的“助教”指導

在進行虛擬維修訓練時，場景中存在諸多設備、零件，許多零件功能近似、尺寸接近，僅靠外形難以區(qū)分，即便在實際維修訓練中也須對零件進行編號匹配，確認無誤后方可進行操作。而且，操作者在虛擬維修訓練初期，可能因不熟悉場景中的設備、零件等而降低訓練效率。故基于視線碰撞原理［25］，利用HUD（head up display，抬頭顯示）技術開發(fā)顯示界面，該顯示界面可隨視角變換位置而視距固定，從而建立以視線碰撞信息顯示的“助教”指導方式。當操作者不熟悉、不認識某設備或零件時，可使視線與該設備或零件碰撞，即在HUD界面上獲得該設備或零件的基本信息，當視線切換至其他設備或零件時，界面信息隨之改變，從而使操作者認識該設備或零件，加深記憶，提高訓練效率。基于視線碰撞信息顯示的“助教”指導如圖9所示。

圖9 基于視線碰撞信息顯示的“助教”指導Fig.9 "Teaching assistant" guide based on sight collision information display

3 虛擬維修訓練系統(tǒng)的設計與測試

3.1 虛擬維修訓練的操作仿真

操作者在真實環(huán)境中進行裝備維修訓練，是通過單雙手或使用工具操作零件。為了將真實的維修訓練過程在虛擬環(huán)境中得到高沉浸感仿真，以虛擬現(xiàn)實多傳感器采集的人手位姿數(shù)據(jù)為基礎，將真實的人體運動與虛擬環(huán)境中的運動一一映射，開發(fā)虛擬手和虛擬工具，實現(xiàn)多種直觀性、無標記的交互操作，使操作者能以與真實環(huán)境中相同的操作方式處理裝備維修訓練中的問題。

1）虛擬手無標記交互操作。

分析裝備維修中人手拾取零件的功能需求，建立適應虛擬維修訓練的手勢分類，以多Leap Motion（體感控制器）采集并提取的手掌和手指數(shù)據(jù)為基礎，經(jīng)多Leap Motion數(shù)據(jù)融合算法處理后，建立手型模型，采用計算2 個凸體之間最短距離的相交測試方法，以及虛擬手與工具或零件的多點碰撞檢測方法［26］，在Unity3D環(huán)境中建立虛擬手模型。在整個裝配過程中，人的手部運動可以被系統(tǒng)識別，使其可以逼真地拾取零件，完成復雜的拆裝動作?；诮佑|碰撞的虛擬手交互操作原理如圖10所示。

2）虛擬工具無標記交互操作。

在實際裝備維修中，操作者常使用工具輔助維修，如螺栓、螺釘?shù)鹊牟鹧b須使用扳手。所以，在虛擬環(huán)境中，基于手持控制器開發(fā)了多種虛擬工具的無標記輔助維修方式。Ⅴive 操控手柄具有多種輸入方式，如多功能觸摸面板、抓握鍵、雙階段扳機、系統(tǒng)鍵和菜單鍵等，在Unity3D平臺中對其控制按鈕進行開發(fā)，基于按鈕等定義的動作來完成多種手勢難以完成的交互操作，如按住抓握鍵可以拾取虛擬手難以拾取的精細零件。在Unity3D環(huán)境中建立多種工具模型，如不同規(guī)格的扳手，將虛擬環(huán)境中的手持控制器替代成不同的工具，操作者可以根據(jù)零件的特征，選取相應的工具拾取零件。虛擬工具的交互如圖11所示。

圖10 基于接觸碰撞的虛擬手交互操作原理示意Fig.10 Schematic of principle of virtual hand interactive operation based on contact collision

圖11 虛擬工具的交互Fig.11 Ⅴirtual tool interaction

3.2 虛擬維修訓練系統(tǒng)的設計

利用Leap Motion、手持控制器等設備，在Unity3D平臺中開發(fā)虛擬手、虛擬工具等多種交互方式，以及基于手勢識別、視線碰撞的“導師&助教”指導機制。通過HMD的立體可視化顯示，操作者可以觀察到三維立體虛擬場景。開發(fā)虛擬環(huán)境中的聲音功能，讓操作者佩戴耳機，通過場景反饋、操作提示聲使其感知虛擬維修訓練情況。通過顯示屏的二維顯示，教員實時觀察維修者的裝備維修情況或受訓者的訓練學習情況，并據(jù)此給他們提供指導意見。虛擬維修訓練系統(tǒng)的設計如圖12所示。

圖12 虛擬維修訓練系統(tǒng)的設計Fig.12 Design of virtual maintenance training system

3.3 虛擬維修訓練系統(tǒng)的測試

借助HTC Ⅴive HMD、2個單手控制器、2個定位基站、Leap Motion等虛擬現(xiàn)實設備，并接入大屏幕和投影設備，形成虛擬維修訓練的第3 視角。在Unity3D 平臺中將ⅤS ⅠDE（visual studio integrated development environment ，可視化工作室集成開發(fā)環(huán)境）作為開發(fā)工具，利用C#編程語言，進行虛擬維修訓練系統(tǒng)的設計與開發(fā)，并以某型號洗衣機模型為例進行虛擬維修訓練系統(tǒng)的測試。虛擬維修訓練系統(tǒng)的應用場景如圖13所示。從屏幕投影可以看出，操作者在虛擬環(huán)境中可以觀察到虛擬維修訓練場景、待維修訓練的洗衣機模型、視線前方的電子手冊和HUD界面顯示的零件信息等。

圖13 虛擬維修訓練系統(tǒng)的應用場景Fig.13 Application scenario of virtual maintenance training system

在裝配過程中，操作者可以采取多模式交互指導方法進行裝配訓練。交互式操作面板如圖14 所示，通過它可以遠程控制多模塊電子手冊（如圖15所示）。當手掌面朝向操作者時，可以在虛擬環(huán)境中調(diào)出一個交互式操作面板，并用虛擬手對面板上的按鈕進行操作，從而控制電子手冊屏幕，指導操作者進行虛擬維修訓練。

圖14 交互式操作面板Fig.14 Ⅰnteractive operation panel

圖15 多模塊電子手冊Fig.15 Multi-module electronic manual

為了驗證裝配約束實時感知與建立技術和虛擬手、虛擬工具的無標記交互操作技術，對洗衣機頂蓋安裝、扳手擰緊螺栓兩項裝配進行操作。

當操作者的視線與洗衣機頂蓋發(fā)生碰撞時，在HUD 界面上顯示頂蓋的相關信息，如圖16 所示，幫助操作者認知零件。當操作者使用抓的手勢移動頂蓋至裝配位置即特征碰撞位置，則觸發(fā)相應的碰撞響應機制；當頂蓋的孔特征與機身的軸特征匹配時，則建立同軸不定向約束；若頂蓋的軸肩特征與機身的軸肩特征匹配，則建立同軸不定向面阻擋約束，頂蓋被安裝到正確位置，裝配完成。

圖16 基于視線碰撞的洗衣機頂蓋信息的顯示Fig.16 Display of information of the top cover of washing machine based on sight collision

圖17所示為虛擬手抓握扳手，圖18所示為虛擬手使用扳手擰緊螺栓?？梢姡摂M手可靈活抓握虛擬工具進行相應的維修操作。

圖17 虛擬手抓握扳手Fig.17 Ⅴirtual hand holding the wrench

圖18 虛擬手使用扳手擰緊螺栓Fig.18 Ⅴirtual hand using a wrench to tighten the bolt

以上測試表明，在操作者安裝零件的過程中實現(xiàn)了零件之間準確約束關系的建立以及使用虛擬手和虛擬工具進行維修訓練，而多模塊電子交互手冊和HUD界面的信息顯示可以用于指導維修訓練，滿足了操作者在虛擬拆裝操作中對零件定位的需求，提升了虛擬維修訓練的指導直觀性和人機交互性能，使操作者可以更好地進行維修訓練以提升操作技能。

后續(xù)將開展在虛擬環(huán)境與真實環(huán)境中認知績效的差異研究，并進行相應實驗，進一步驗證該虛擬維修訓練系統(tǒng)的訓練效果，以更好地發(fā)揮產(chǎn)品維修訓練的指導作用，鍛煉維修者的維修技能。

4 結 語

虛擬維修訓練系統(tǒng)須滿足零件拆裝的定位精度需求、維修訓練過程中的指導功能需求以及人機交互的直觀性需求，反映貼近實際的操作過程，增強虛擬維修訓練的沉浸感。

本文借助虛擬現(xiàn)實輔助技術的自然直觀人機交互、Room Scale（空間范圍）級別高精度定位、高穩(wěn)定性虛擬環(huán)境圖像立體顯示等優(yōu)勢，以零件多數(shù)據(jù)信息為基礎，結合零件之間的裝配關系及其對應的裝配操作，研究了裝配約束識別與建立算法。通過該算法可以使系統(tǒng)實時感知當前的裝配狀態(tài)，自動在裝配位置提供正確的裝配約束，提高零件的定位精度，模擬出更真實的拆裝過程。建立了基于直觀性交互的“導師&助教”指導架構，開發(fā)了多模塊電子手冊和基于視線碰撞信息顯示的多模式指導方法，以Unity3D為開發(fā)平臺，實現(xiàn)了多手勢虛擬手、虛擬工具的無標記交互操作方式，并通過HMD將虛擬環(huán)境立體可視化，實現(xiàn)了虛擬維修訓練系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。

以某型號洗衣機模型為對象，進行了虛擬維修訓練系統(tǒng)的測試。測試結果表明，虛擬維修訓練系統(tǒng)可以滿足虛擬拆裝中對零件安裝定位精度和人機交互操作的需求，模擬出更逼真的拆裝過程，更加貼近于實際維修訓練。多種直觀性指導方式可以指導操作者更好地完成維修訓練任務，使其能在操作嘗試中不斷豐富維修知識，鍛煉維修技能。