本文摘要：摘要：為了提高虛擬維修訓(xùn)練時零件的定位精度，豐富人機交互功能，反映貼近實際的操作過程，提高操作者的訓(xùn)練質(zhì)量，基于虛擬現(xiàn)實輔助技術(shù)，研究了裝配約束感知與建立算法，可實現(xiàn)根據(jù)當前的裝配狀態(tài)實時建立正確的裝配約束。基于直觀性交互建立了導(dǎo)師助教多
摘要：為了提高虛擬維修訓(xùn)練時零件的定位精度，豐富人機交互功能，反映貼近實際的操作過程，提高操作者的訓(xùn)練質(zhì)量，基于虛擬現(xiàn)實輔助技術(shù)，研究了裝配約束感知與建立算法，可實現(xiàn)根據(jù)當前的裝配狀態(tài)實時建立正確的裝配約束�；谥庇^性交互建立了“導(dǎo)師&助教”多模式指導(dǎo)方法。在Unity3D環(huán)境中開發(fā)了虛擬手、虛擬工具的無標記交互操作方式，并通過HMD(head-mounteddisplay，頭盔顯示器)實現(xiàn)虛擬環(huán)境的立體可視化。開發(fā)了虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，并以某型號洗衣機為對象進行了測試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅可使零件的裝配關(guān)系定位更加精確，模擬出更真實的拆裝過程，還可以通過直觀性交互幫助操作者更好地完成任務(wù)，消除了實裝訓(xùn)練的不足，大大提升了維修訓(xùn)練的效費比。
關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實輔助;虛擬訓(xùn)練;狀態(tài)感知;人機交互
裝備維修訓(xùn)練是裝備全壽命管理的重要環(huán)節(jié)[1]。機械裝備一般結(jié)構(gòu)復(fù)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(xùn)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(shù)輔助維修訓(xùn)練，可在虛擬環(huán)境中復(fù)現(xiàn)維修訓(xùn)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(xùn)練的效費比和承訓(xùn)量。維修是使裝備保持或恢復(fù)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(fù)原[4]。
虛擬現(xiàn)實技術(shù)論文投稿刊物：基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的模具教學(xué)系統(tǒng)研究與開發(fā)
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(xùn)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(guān)系，無法確定零件裝配的正確位置。如：楊俊超等[6]設(shè)計的航空裝備虛擬維修訓(xùn)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(xùn)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(xùn)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(guān)系，無法展現(xiàn)實際的拆裝過程。在裝備維修訓(xùn)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(fù)雜[8]。在實際的維修訓(xùn)練中，教員會對學(xué)員的維修操作進行指導(dǎo)，學(xué)員也可以通過維修手冊學(xué)習維修知識。所以，在虛擬維修訓(xùn)練中，須開發(fā)指導(dǎo)機制，引導(dǎo)操作者進行裝備的維修訓(xùn)練[9]。目前，虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的指導(dǎo)方式較少，主要通過圖文說明的方式對操作者進行指導(dǎo)性說明。
張玉軍等[10]在Unity3D環(huán)境中設(shè)計開發(fā)了沉浸式虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有基礎(chǔ)理論、特情處理等模塊，可指導(dǎo)操作者進行維修訓(xùn)練，但圖文指導(dǎo)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(dǎo)操作者自主獲取知識，不能使其在思考中完成任務(wù)�；诖┐魇綌�(shù)據(jù)服設(shè)計的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)[11]，是通過有標記式的交互方式獲取拆裝指導(dǎo)信息，增加了人機交互的額外媒介，可減弱虛擬維修訓(xùn)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(xùn)練質(zhì)量[12]。
在實際的維修訓(xùn)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(xùn)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。
孔祥杰等[14]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(fù)雜任務(wù)的效率。郭慶等[15]通過動作捕捉設(shè)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(fù)雜動作。張玉軍等[10]雖然將虛擬手引入虛擬維修訓(xùn)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(virtualreality，VR)輔助技術(shù)已成為繼計算機輔助技術(shù)(computeraidedtech‐nology，CAD)后新一代仿真輔助技術(shù)[16]。
傳統(tǒng)的CAD[17]只是通過設(shè)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(dǎo)致裝配錯誤的裝配狀態(tài)，例如穿透和不合理的裝配關(guān)系，這些都限制了操作者在維修訓(xùn)練過程中的主動思考。而虛擬現(xiàn)實輔助技術(shù)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。空間定位技術(shù)則實現(xiàn)了RoomScale(空間范圍)級別的VR定位，具有定位精度高、反應(yīng)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(guān)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(xué)知識應(yīng)用于拆裝嘗試中，啟發(fā)其更好地完成訓(xùn)練任務(wù)。
1裝配約束實時感知與建立技術(shù)
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(guān)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(chǔ)上，借助虛擬現(xiàn)實設(shè)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(guān)系，建立其正確的裝配約束，以提升虛擬維修訓(xùn)練的效果。在虛擬維修訓(xùn)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(guān)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(guān)系對應(yīng)的裝配操作[21]。
2多模式交互指導(dǎo)方法
操作者佩戴虛擬現(xiàn)實頭盔顯示器(head-mount‐eddisplay，HMD)進行虛擬維修訓(xùn)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(dǎo)人員的指導(dǎo)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(shè)備、零件而出現(xiàn)操作失誤。故須借助虛擬現(xiàn)實軟件設(shè)計虛擬環(huán)境中的指導(dǎo)架構(gòu)，開發(fā)基于“導(dǎo)師&助教”機制的多模式指導(dǎo)方法，使操作者在接受指導(dǎo)時無需借助額外的媒介，而可以通過手勢、視線自主與“導(dǎo)師”“助教”交互。這種方式增強了虛擬環(huán)境中指導(dǎo)的直觀性，幫助操作者在多種引導(dǎo)下快速熟悉虛擬維修訓(xùn)練場景，掌握裝備維修技能。
2.1基于手勢識別的多模塊電子手冊的“導(dǎo)師”指導(dǎo)
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(dǎo)師指導(dǎo)的訓(xùn)練，基于層級劃分與管理技術(shù)，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(xùn)練的指導(dǎo)。這種導(dǎo)師指導(dǎo)式訓(xùn)練，基于認知心理學(xué)，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(guān)信息，可幫助操作者逐步掌握設(shè)備的組織結(jié)構(gòu)、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(xùn)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(dǎo)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)。
3虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計與測試
3.1虛擬維修訓(xùn)練的操作仿真
操作者在真實環(huán)境中進行裝備維修訓(xùn)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(xùn)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(chǔ)，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(xùn)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(yīng)虛擬維修訓(xùn)練的手勢分類，以多LeapMotion(體感控制器)采集并提取的手掌和手指數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)多LeapMotion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(fù)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(yīng)的工具拾取零件。
4結(jié)語
虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)須滿足零件拆裝的定位精度需求、維修訓(xùn)練過程中的指導(dǎo)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(xùn)練的沉浸感。本文借助虛擬現(xiàn)實輔助技術(shù)的自然直觀人機交互、RoomScale(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(chǔ)，結(jié)合零件之間的裝配關(guān)系及其對應(yīng)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(dǎo)師&助教”指導(dǎo)架構(gòu)，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(dǎo)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(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)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(xùn)練系統(tǒng)的測試。測試結(jié)果表明，虛擬維修訓(xùn)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(xùn)練。多種直觀性指導(dǎo)方式可以指導(dǎo)操作者更好地完成維修訓(xùn)練任務(wù)，使其能在操作嘗試中不斷豐富維修知識，鍛煉維修技能。
參考文獻：
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[2]劉相，劉玉慶，朱秀慶，等.基于虛擬現(xiàn)實的航天員艙內(nèi)導(dǎo)航訓(xùn)練方法[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2017，9(1)：101-107.doi：10.3969/j.issn.1003-9775.2017.01.012
作者：姚壽文1，胡子然1，柳博文2，丁佳1，常富祥1，栗麗輝1
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