劉黎麗，楊宏偉

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

在制造業(yè)中，虛擬裝配系統(tǒng)成為一個(gè)備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。然而，現(xiàn)有的虛擬裝配系統(tǒng)大多只關(guān)注物料的裝配，而忽視了人在裝配過(guò)程中的作用。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文旨在研發(fā)一種具有虛擬人的大型工業(yè)裝備虛擬裝配系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)更逼真的虛擬裝配過(guò)程。該系統(tǒng)的研發(fā)將采用最新的人機(jī)交互技術(shù)，以及逼真的三維人體模型和運(yùn)動(dòng)模型。通過(guò)將虛擬人與大型工業(yè)裝備相結(jié)合，可以更加真實(shí)地模擬人在裝配過(guò)程中的動(dòng)作和行為，從而使得虛擬裝配過(guò)程更加逼真、直觀。該系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)于提高大型工業(yè)裝備的制造效率和裝配質(zhì)量具有重要意義。本文將深入探討一種創(chuàng)新的虛擬裝配系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案，該方案采用三維引擎驅(qū)動(dòng)虛擬人進(jìn)行虛擬裝配。通過(guò)使用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，我們可以創(chuàng)建一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，讓用戶能夠以自然的方式與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互。在虛擬裝配系統(tǒng)中，虛擬人將發(fā)揮重要作用，它們可以模擬真實(shí)人類的動(dòng)作和行為，從而在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)和自然的裝配過(guò)程。這種虛擬裝配系統(tǒng)不僅具有廣泛的應(yīng)用前景，如在汽車制造、機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，而且還有助于提高生產(chǎn)效率、降低成本以及減少錯(cuò)誤率。

1 研究綜述

基于前文對(duì)研究背景的介紹，我們提出研發(fā)一個(gè)具有虛擬人的大型工業(yè)裝備虛擬裝配系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“虛擬裝配系統(tǒng)”），其能夠集中匯總各類不同復(fù)雜機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果，能夠高可視化展示裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果，能夠高效虛擬設(shè)計(jì)并演示裝配流程，能夠進(jìn)行虛擬人機(jī)工效分析，并且能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校驗(yàn)提供有效技術(shù)手段。針對(duì)上述對(duì)虛擬裝配系統(tǒng)的功能規(guī)劃，我們策劃了該系統(tǒng)的總體開(kāi)發(fā)方案（如圖1 所示）。首先，綜合采用三維引擎、異構(gòu)程序開(kāi)發(fā)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)能夠多維觀察、施加影響、動(dòng)態(tài)反饋的用于高效展示反應(yīng)堆系統(tǒng)的虛擬空間；然后，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維設(shè)計(jì)的空間布置與裝配過(guò)程中發(fā)生的干涉校驗(yàn)功能；進(jìn)而應(yīng)用虛擬人機(jī)工程技術(shù)在虛擬場(chǎng)景中構(gòu)建虛擬人模擬真實(shí)的裝配過(guò)程，實(shí)現(xiàn)工效學(xué)分析方法對(duì)進(jìn)行裝配的虛擬人進(jìn)行分析；最終，完成基于工效分析結(jié)果和干涉校驗(yàn)結(jié)果的裝配流程自動(dòng)規(guī)劃功能的開(kāi)發(fā)。

2 技術(shù)方案

根據(jù)研究綜述中對(duì)虛擬裝配系統(tǒng)總體開(kāi)發(fā)方案的策劃，在虛擬裝配系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，明確了四方面的技術(shù)研究工作。首先，我們進(jìn)行了模型轉(zhuǎn)換研究，以實(shí)現(xiàn)從三維CAD 模型到虛擬環(huán)境的平滑轉(zhuǎn)換。其次，我們對(duì)引擎進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，以提高其性能和適應(yīng)虛擬裝配的需求。接著，我們進(jìn)行了核心功能的開(kāi)發(fā)，包括虛擬零件的管理、裝配和模擬等功能。最后，我們開(kāi)展了虛擬人技術(shù)的開(kāi)發(fā)，以提供更真實(shí)、更自然的交互體驗(yàn)。通過(guò)這些技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，我們成功地構(gòu)建了完整的虛擬裝配系統(tǒng)。

2.1 模型轉(zhuǎn)換

三維引擎與工業(yè)三維設(shè)計(jì)軟件之間存在顯著的區(qū)別。為了實(shí)現(xiàn)三維引擎對(duì)各種采用工業(yè)三維設(shè)計(jì)軟件生成的模型的兼容，需要進(jìn)行一系列的處理和轉(zhuǎn)換。首先，需要進(jìn)行坐標(biāo)修正和數(shù)據(jù)優(yōu)化，坐標(biāo)修正是指對(duì)轉(zhuǎn)換后的模型進(jìn)行精確的坐標(biāo)定位，以確保模型的精確性和完整性。其次，是完成三維模型數(shù)據(jù)優(yōu)化，在保證模型細(xì)節(jié)和精度的同時(shí)，減少模型的數(shù)據(jù)量，提高模型的運(yùn)行效率。最后，還需要進(jìn)行視覺(jué)效果優(yōu)化，包括模型的光照、材質(zhì)、顏色等視覺(jué)效果進(jìn)行調(diào)整和處理，以實(shí)現(xiàn)更逼真的視覺(jué)效果。通過(guò)這些步驟，可以實(shí)現(xiàn)三維引擎對(duì)各類采用工業(yè)三維設(shè)計(jì)軟件生成的模型的支持。

2.2 引擎二次開(kāi)發(fā)

作為一類高度內(nèi)聚的三維圖形驅(qū)動(dòng)程序，三維引擎顯示效果出眾、運(yùn)行效率很高。但要在虛擬設(shè)計(jì)中準(zhǔn)確體現(xiàn)幾何體參數(shù)變化，合理仿真物理熱工過(guò)程，有效輸出虛擬環(huán)境中的各類數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)反饋外界控制指令，便捷更改和記錄場(chǎng)景中的各種信息，就需要對(duì)三維引擎進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

2.3 虛擬人開(kāi)發(fā)

在虛擬裝配場(chǎng)景中，“人”的作用必不可少，沒(méi)有“人”參與，虛擬裝配就只有單一的演示作用，無(wú)法真實(shí)反映反應(yīng)堆系統(tǒng)的裝配過(guò)程。場(chǎng)景中的“人”稱為虛擬人，是“人”在虛擬環(huán)境中的幾何特征與行為特征的表示。虛擬人機(jī)工程是指在虛擬環(huán)境中構(gòu)建人-機(jī)器-環(huán)境系統(tǒng)，研究人和機(jī)器、環(huán)境的相互作用及合理結(jié)合，使設(shè)計(jì)的機(jī)器、環(huán)境適應(yīng)人的心理、生理特征。因此，必須在虛擬裝配場(chǎng)景中引入虛擬人模型，對(duì)虛擬人作業(yè)時(shí)的動(dòng)作、姿勢(shì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且進(jìn)行虛擬人機(jī)工效分析，使虛擬裝配更加貼近工程實(shí)際。

（1）虛擬人幾何建模。虛擬人體幾何建模就是建立適合研究需要的人體可視化幾何模型，幾何模型按其描述和存儲(chǔ)幾何信息的特征，通常有棒狀模型、實(shí)體模型和曲面模型。基于虛擬裝配系統(tǒng)對(duì)虛擬人的實(shí)際需求，選擇表面模型作為人體幾何模型。在3ds Max 中，通過(guò)骨骼蒙皮的方式來(lái)進(jìn)行人體建模。首先，通過(guò)網(wǎng)格建模創(chuàng)建人體的表皮模型，然后創(chuàng)建角色模型的骨骼，接下來(lái)便是將模型與骨骼綁定在一起，綁定的過(guò)程稱為“蒙皮”。骨骼被蒙皮后，可以使人物的模型隨骨骼一起運(yùn)動(dòng)，并在骨骼運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的變形。在創(chuàng)建表皮模型時(shí)，人體尺寸（如身高、坐高、臂長(zhǎng)、腳長(zhǎng)等）參考《中國(guó)成年人人體尺寸》(GB10000-88)中的人體基本設(shè)計(jì)參數(shù)，以符合中國(guó)成年人的人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)，人體外觀參照堆工部工作人員在不同工作場(chǎng)景中的服裝穿著，以真實(shí)地呈現(xiàn)人物外觀。

（2）虛擬人動(dòng)作建模。人體運(yùn)動(dòng)建模根據(jù)動(dòng)作產(chǎn)生的原理不同可分為關(guān)鍵幀技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)技術(shù)、動(dòng)力學(xué)技術(shù)和動(dòng)作捕捉技術(shù)。在3ds Max 中，采用最典型的骨骼驅(qū)動(dòng)變形（SDD）方法，虛擬人的姿態(tài)通過(guò)骨骼綁定三角面網(wǎng)格來(lái)表示，借助骨骼的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)網(wǎng)格表面發(fā)生變形，從而逼真地模擬出人體的各種動(dòng)作。3ds Max 的骨骼系統(tǒng)是建立在正向和反向運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上，因此只需按照人物的動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)關(guān)鍵幀，即可完成人物的動(dòng)作建模。

（3）人機(jī)互動(dòng)。完成虛擬人模型轉(zhuǎn)換后，將虛擬人模型文件中與人相關(guān)的蒙皮節(jié)點(diǎn)、動(dòng)畫(huà)節(jié)點(diǎn)以及材質(zhì)節(jié)點(diǎn)復(fù)制到三維場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的引擎模型文件中，可將虛擬人模型融合到虛擬三維場(chǎng)景中，通過(guò)選擇執(zhí)行虛擬人帶有的動(dòng)作，如行走、雙手抬舉、雙手旋轉(zhuǎn)等，便可完成虛擬人在裝配過(guò)程中需要執(zhí)行的動(dòng)作。在虛擬裝配操作中，除了實(shí)現(xiàn)動(dòng)作演示，還必須實(shí)現(xiàn)虛擬人與虛擬物體的互相作用，例如，當(dāng)虛擬人推動(dòng)虛擬物體時(shí)，虛擬物體應(yīng)該發(fā)生位移，又如，當(dāng)虛擬人扭動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)應(yīng)該發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這就要求三維場(chǎng)景中的虛擬人和虛擬物體具備真實(shí)世界的物理屬性，如重力、相互作用力、運(yùn)動(dòng)特性等。要實(shí)現(xiàn)虛擬人與虛擬場(chǎng)景中的物體互動(dòng)，必須借助物理引擎。Nvidia PhysX 是NVIDIA 設(shè)計(jì)的執(zhí)行復(fù)雜物理運(yùn)算的技術(shù)，可以對(duì)物體賦予重力、摩擦力等屬性，其原理是對(duì)構(gòu)成虛擬場(chǎng)景進(jìn)行模擬，根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)特性，再分析物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力情況，計(jì)算出其應(yīng)有的物理特性，得出新的虛擬場(chǎng)景。引擎內(nèi)部集成了PhysX 的物理運(yùn)算技術(shù)，將PhysX 引擎的功能封裝成一個(gè)一個(gè)的功能節(jié)點(diǎn)，在虛擬場(chǎng)景中，根據(jù)需要對(duì)虛擬人或虛擬物體賦予物理節(jié)點(diǎn)，就可實(shí)現(xiàn)虛擬人與虛擬物體的互動(dòng)。

（4）人機(jī)工效分析。在虛擬裝配系平臺(tái)中引入人機(jī)功效學(xué)，通過(guò)分析虛擬人的可視性、可達(dá)性、舒適性、疲勞程度以及安全性等人機(jī)因素，可以對(duì)裝配工藝中的作業(yè)順序、方法、姿勢(shì)和作業(yè)量等進(jìn)行分析優(yōu)化，提高工人的安全性和舒適性，從而提高工作效率?？梢曅灾腹と四軌蚩吹玫侥繕?biāo)零部件以及自己的操作動(dòng)作，在虛擬裝配系統(tǒng)中，可以直接調(diào)用引擎中視角屬性來(lái)查看虛擬人在不同位置、不同姿態(tài)時(shí)的視覺(jué)范圍，從而判斷是否滿足視覺(jué)可達(dá)性?？蛇_(dá)性是指工人具有足夠的操作空間，在虛擬裝配系統(tǒng)中，使用包絡(luò)來(lái)分析虛擬人的可達(dá)性，包絡(luò)空間表示虛擬人左右手可以到達(dá)的作業(yè)域，虛擬人的可達(dá)包絡(luò)線完全覆蓋工人將要拿取的零件，表示工人的可達(dá)性。在虛擬裝配系統(tǒng)中，通過(guò)載入常用的人機(jī)工效分析公式，例如，RULA 分析、提舉分析、推/拉分析、搬運(yùn)分析、生物力學(xué)分析等，計(jì)算出表示人體疲勞程度的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行人機(jī)功效分析。

2.4 核心功能開(kāi)發(fā)

虛擬裝配是平臺(tái)的核心功能，通過(guò)虛擬裝配系統(tǒng)，可自定義三維模型的裝配流程，可按照定義的裝配流程進(jìn)行裝配演示，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備模型的校驗(yàn)和空間干涉校驗(yàn)。裝配流程設(shè)計(jì)包括裝配順序設(shè)定、路徑設(shè)定、視角設(shè)定。優(yōu)先級(jí)設(shè)定負(fù)責(zé)設(shè)定三維模型的裝配順序，在虛擬裝配系統(tǒng)中，可自動(dòng)生成裝配順序，也可自定義裝配順序，在生成裝配順序時(shí)，使用者可針對(duì)每步安裝錄入工時(shí)、注意事項(xiàng)等關(guān)鍵性參數(shù)，用于指導(dǎo)安裝。路徑設(shè)定可為每個(gè)裝配步驟中的每個(gè)模型設(shè)定裝配路徑，虛擬裝配系統(tǒng)提供自動(dòng)設(shè)定裝配路徑和自定義裝配路徑兩種方式。自動(dòng)設(shè)定裝配路徑可一鍵為所有裝配步驟生成固定的裝配路徑，自定義裝配路徑可為單個(gè)裝配步驟中的每個(gè)模型零件定義運(yùn)動(dòng)路徑，通過(guò)設(shè)定每個(gè)零件在每個(gè)時(shí)刻的位置坐標(biāo)和角度坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。視角設(shè)定可設(shè)定裝配演示時(shí)相機(jī)的位置，虛擬裝配系統(tǒng)提供自動(dòng)設(shè)定裝配視角和自定義裝配視角兩種方式。自動(dòng)設(shè)定裝配視角可選擇一鍵為所有安裝步驟生成視角。自定義視角可通過(guò)拖動(dòng)鼠標(biāo)左鍵為某一裝配順序設(shè)定自由視角。裝配流程定義完成后，虛擬裝配系統(tǒng)支持按照定義的裝配順序、裝配路徑、裝配時(shí)間自動(dòng)演示裝配過(guò)程，可選擇演示整個(gè)或部分裝配過(guò)程，演示時(shí)，用戶界面針對(duì)每個(gè)安裝步驟呈現(xiàn)文字說(shuō)明，如該步驟所安裝的模型零件名稱、該安裝步驟的注意事項(xiàng)等。同時(shí)，虛擬裝配系統(tǒng)支持將每個(gè)安裝步驟完成后模型呈現(xiàn)的效果進(jìn)行截圖，所生成圖片用于后續(xù)生成裝配說(shuō)明文檔。干涉校驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備模型的校驗(yàn)和空間干涉校驗(yàn)，可對(duì)整個(gè)或部分裝配過(guò)程進(jìn)行干涉校驗(yàn)。虛擬裝配系統(tǒng)中，通常將裝配設(shè)計(jì)和干涉校驗(yàn)交替進(jìn)行，先進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，然后在裝配演示中進(jìn)行干涉校驗(yàn)，若未發(fā)生干涉，那么裝配設(shè)計(jì)可作為最終設(shè)計(jì)，若發(fā)生干涉，那么需要重新進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)。

3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

通過(guò)對(duì)比與分析，發(fā)現(xiàn)該虛擬裝配系統(tǒng)的研究思路和方法可以有效地提高大型工業(yè)裝備虛擬裝配正確性、有效性與可用性。具體來(lái)說(shuō)，我們的方法具有以下五方面創(chuàng)新。

（1）可完成設(shè)備與系統(tǒng)可視化建模，可基于各項(xiàng)目現(xiàn)有的三維設(shè)計(jì)軟件繪制的三維模型，對(duì)這些三維模型的格式進(jìn)行匯總、轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一，并經(jīng)過(guò)處理，完成設(shè)備和系統(tǒng)的三維建模。（2）可實(shí)現(xiàn)基于設(shè)備、系統(tǒng)三維模型的虛擬裝配功能，可通過(guò)虛擬人機(jī)工程、干涉檢驗(yàn)完成裝配流程設(shè)計(jì)?？梢灶A(yù)演裝配過(guò)程，以動(dòng)態(tài)演示的方式逐步驟演示設(shè)備安裝流程，指導(dǎo)設(shè)備安裝。在后期的研發(fā)中，可通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取人的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，用獲取數(shù)據(jù)來(lái)指導(dǎo)虛擬人運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)非現(xiàn)指導(dǎo)安裝。（3）可基于虛擬人機(jī)工程和設(shè)施運(yùn)行控制室中的硬件開(kāi)關(guān)、旋鈕、機(jī)械儀表等硬件及數(shù)字儀控系統(tǒng)等三維模型，實(shí)現(xiàn)虛擬運(yùn)行仿真功能。（4）可構(gòu)建帶有三維動(dòng)態(tài)劑量分布（劑量場(chǎng)）的核設(shè)施退役虛擬場(chǎng)景，借助人機(jī)交互設(shè)備，模擬人在現(xiàn)場(chǎng)的操作過(guò)程，估算人員受照劑量，對(duì)退役流程和具體步驟進(jìn)行演練和評(píng)估。（5）可結(jié)合工況仿真程序?qū)崿F(xiàn)仿真結(jié)果的高視效顯示，將仿真程序運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，設(shè)施設(shè)備的操作記錄、維護(hù)數(shù)據(jù)，在三維場(chǎng)景中進(jìn)行合理展示與交互，實(shí)現(xiàn)核設(shè)施的高視效工況分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種具有虛擬人的大型工業(yè)裝備虛擬裝配系統(tǒng)的研究方案，該系統(tǒng)采用三維引擎驅(qū)動(dòng)虛擬人進(jìn)行虛擬裝配，可以更加真實(shí)地模擬人在裝配過(guò)程中的動(dòng)作和行為，從而使得虛擬裝配過(guò)程更加逼真、直觀。該系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)于提高大型工業(yè)裝備的制造效率和裝配質(zhì)量具有重要意義，同時(shí)還可以廣泛應(yīng)用于培訓(xùn)、教學(xué)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和評(píng)估等領(lǐng)域，為制造業(yè)的發(fā)展帶來(lái)更多的便利和創(chuàng)新。展望未來(lái)，隨著科技的不斷進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將越來(lái)越成熟，虛擬裝配系統(tǒng)也將得到進(jìn)一步的發(fā)展和完善。未來(lái)，虛擬人技術(shù)將更加逼真，智能化程度更高，能夠更好地模擬人類的動(dòng)作和行為，從而在虛擬裝配系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。同時(shí)，隨著人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬裝配系統(tǒng)將更加智能化，能夠自動(dòng)識(shí)別和解決裝配過(guò)程中的問(wèn)題，從而提高裝配效率和準(zhǔn)確性。