摘 要：介紹了虛擬維修系統構成所需的四大模塊，分別對虛擬維修關鍵技術進行了深入分析，重點研究了虛擬維修系統如何建模、信息怎樣表達、如何規(guī)劃技術、干涉問題的解決以及修理工具的制作。

關鍵詞：虛擬維修；系統建模；信息表達；碰撞檢測；工具制作

中圖分類號：TP391.9

自從20世紀80年代末虛擬現實（VirtualReality簡稱VR）的概念提出以來，虛擬現實作為一門新興學科正在蓬勃發(fā)展。虛擬維修技術是建立在虛擬現實技術發(fā)展起來的，用來解決維修性和維修訓練的技術手段，是利用維修仿真軟件對產品進行虛擬的維修分析，發(fā)現可能存在的維修問題。后還可運用于維修訓練領域，可指導維修人員進行維修，對維修人員進行維修的培訓[1]。虛擬維修技術是多種技術的融合，包括系統建模、信息表達、工藝規(guī)劃、干涉分析、維修工具制作等。

1 虛擬維修系統

一般虛擬維修系統結構包括四部分：（1）維修總體信息的輸入，包括各種維修屬性；（2）進行虛擬維修時周圍的環(huán)境狀態(tài)；（3）進行虛擬維修時，需要的各種外部設備；（4）虛擬維修數據庫。如圖1所示[2]：

2 關鍵技術

2.1 建模技術之虛擬維修。虛擬維修系統模型可以看作是實際維修系統的描述、造型、模仿或抽象，通過實物、圖形或符號來代表維修樣機、人及環(huán)境等組成部分之間的相互關系。三維建模是虛擬維修的基礎，建模的好壞直接關系到交互性和沉浸感的實現。傳統建模技術大多停留在點、線框、表面和實體建模的基礎上，主要處理的是產品的純幾何信息、物理信息和行為信息?？紤]到虛擬維修的特點，新一代特征建模更為有效。很多商業(yè)化三維CAD軟件如Solidworks、pro/Engineer、UG等都可以用來建立實體模型。

2.2 表達技術之虛擬維修。虛擬維修中除了要描述各零件的基本屬性外，還應表達部件存的相互之間的關系，應描述各零部件之間的相互關聯的性質與結構。裝配體的信息包括以下三方面[3]：（1）零部件本身的屬性，包括物理、幾何、工程設計等屬性信息；（2）裝配體之間的裝配關系：1）零件與零件之間的相對位置與相對方向關系，2）零件與裝配體之間的相對關系；（3）裝配體各層次關系信息：裝配體的層次信息可由裝配樹來表達。由圖2，裝配體由若干層子的子裝配體組成，子裝配體又由下一層次的子裝配體或各零件組成，呈樹狀結構。裝配樹可直觀描述裝配關系及順序。

2.3 規(guī)劃技術之虛擬維修。虛擬維修規(guī)劃包括維修順序規(guī)劃和維修路徑規(guī)劃等。在進行虛擬維修過程中，由操作人員對虛擬裝備進行拆卸、維修和安裝。整個交互式過程被虛擬維修系統記錄下來，從而記錄了順序、路徑、工具、維修方法、維修時間等信息。

虛擬維修系統包括沉浸式與非沉浸式兩種。規(guī)劃主要用于非沉浸式，但隨著虛擬裝備系統龐大，零部件數量多，拆裝順序的組合方式也迅速增長。而且許多維修方式與經驗很難通過編程和公式來進行描述。環(huán)境的描述、設計分析也需要準確。對維修過程序列進行規(guī)劃是研究虛擬維修規(guī)劃的重點內容。可采用AND/OR圖、有向圖、連接圖、混合圖和Petri網等方法對拆裝過程序列進行分析、規(guī)劃。綜合各圖法特點，目前虛擬維修過程規(guī)劃研究最常用的為Petri網方法，該方法可對虛擬維修規(guī)劃進行定量與定型分析，便于擴展，有良好的數學基礎。

虛擬維修環(huán)境的信息如果已知，采用全局路徑規(guī)劃；如果虛擬維修環(huán)境的信息未知或部分環(huán)境未知，則采用局部路徑規(guī)劃。對于全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃所采用算法有所不同，目前對于非沉浸式虛擬維修的全局路徑規(guī)劃采用的算法有：拓撲法、構形空間法、柵格法、概率路徑圖法以及可視圖法。對于非沉浸式虛擬維修的局部路徑規(guī)劃采用的算法有：基于神經網絡的方法、遺傳算法、模糊邏輯算法以及人工勢場法等。

2.4 干涉問題分析之虛擬維修。在對虛擬維修系統進行設計時，需要對零部件之間干涉問題進行分析。而碰撞檢測則是干涉分析中的一種較有效的技術。碰撞檢測可影響虛擬系統環(huán)境的真實感和沉浸感，是面向對象人機交互的技術基礎。碰撞檢測可分為靜態(tài)碰撞檢測和動態(tài)碰撞檢測兩種。在對裝備零部件進行設計時，采用靜態(tài)干涉檢驗，靜態(tài)檢驗零部件之間相對位置間隙及干涉情況，根據檢驗分析結果再對零部件設計進行修改。在對裝備可裝配性進行設計評估時，采用動態(tài)干涉檢驗零部件裝配時之間的約束關系、裝配路徑以及裝配關系，從而對拆裝和維修姿態(tài)進行調整、修改。并且算法也分靜態(tài)算法和動態(tài)算法兩種。目前，研究較多的為離散型動態(tài)碰撞檢測算法，因為該算法的實時性能夠滿足虛擬維修系統中的設計需求。離散型碰撞檢測的方法通常是利用三維幾何體進行求交，或利用零部件二維投影的圖像和深度來進行求交，從而判斷干涉與否。眾多算法中，采用層次結構模型，基于圖形的碰撞檢測應用最為廣泛。該方法的幾何對象由體積略微大于幾何體的包圍盒來描述，并且僅對包圍盒重疊部分進行測試，得到相交結論。這樣的幾何模型被層次結構逐漸逼近，最終得到維修裝備的幾何特性[4]。

2.5 工具的制作之虛擬維修。在實際對裝備進行拆裝、修理中，維修工具必不可少，特別是一些特殊零部件必須采用專用工具操作才能完成。因此在對裝備進行虛擬維修過程中，采用工具來對裝備進行拆裝、維修，例如采用工具完成緊固件的拆卸、抓取、移動以及安裝等操作，需采用虛擬工具來完成特定的操作，才能更真實地反映虛擬維修過程。在維修工具建模時，常采用關節(jié)模型、邏輯模型、顯示模型、碰撞模型等對虛擬維修工具進行描述。在虛擬維修工具操作方面，需要對工具的位置和可操作空間進行分析和描述。虛擬維修過程是一個復雜的過程，涉及到的維修裝配工具很多，在對維修工具進行制作時，應充分的考慮到各零部件之間的相對運動約束關系，以及維修工具與維修對象之間的約束關系，從而才能對維修工具的操作進行約束和設計。要考慮到維修工具首先要選擇維修對象，并與對象固定聯接后進行驅動。在使用維修工具過程中，維修系統需要實時檢測維修對象的狀態(tài)，一旦裝配或修理動作完成，停止對工具的操作，維修過程結束。除此以外，還需考慮與維修對象碰撞檢測、約束識別、抓取、釋放等方面的問題。

3 結束語

虛擬維修技術是熱門而又前沿的技術，采用虛擬維修技術可有效降低維修訓練成本，在裝備設計與維修領域具有廣泛的應用前景。本文對虛擬維修的關鍵技術進行了深入的探討，給出了虛擬維修技術研究的重點內容。

參考文獻：

[1]WanH G，Gao SM， Peng Q S. Virtual Assembly In ACAVE Environment [A].In： Proceedings of the Seventh International Conference on Computer Aided Design and Computer Graphics[C].Kunming：International Academic Publishers，2001：552-557.

[2]成小英.綠色維修理論及其評價體系研究[D].安徽理工大學，2004（04）：28-30.

[3]陳定方等著.虛擬設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[4]馬麟.虛擬維修過程模型的研究[D].北京：北京航空航天大學，2005.

作者單位：95890部隊政治處，武漢 430033