阮瑩

摘? 要： 針對傳統虛擬裝配系統交互匹配度偏低的問題，設計一個基于AR技術的三維交互式虛擬裝配系統。選用數字圖像融合機、環(huán)形投影屏幕等作為顯示層系統硬件，中控系統、光學追蹤器和體感控制器作為交互層系統硬件，圖形工作站、視頻切換器、磁盤作為數據層系統硬件構成虛擬裝配系統操作平臺。利用該平臺選用SolidWorks 軟件，根據實體物品比例制作虛擬裝配組件模型，搭建“虛擬手”模型并設置交互程序，對三維模型進行裝配碰撞檢測，實現基于AR技術的虛擬裝配系統設計。實驗結果表明，所設計的虛擬裝配系統與傳統虛擬裝配系統相比，其交互匹配度提高了13.18%。由此可見，所設計的三維交互式虛擬裝配系統裝配操作能力更優(yōu)越。

關鍵詞： 虛擬裝配系統; 三維交互; AR技術; 系統設計; 虛擬建模; 仿真實驗

中圖分類號： TN911.73?34; TP391.9? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）06?0149?03

Design of 3D interactive virtual assembly system based on AR technology

RUAN Ying

（Wuhan College， Wuhan 430212， China）

Abstract： As the low interactive matching degree of traditional virtual assembly system， a 3D interactive virtual assembly system based on AR technology is designed. The digital image fusion machine， annular projection screen and so on are selected as the hardware of the display layer system， the central control system， optical tracker and somatosensory controller are used as the hardware of the interactive layer system， and the graphics workstation， video switcher and disk are used as the hardware of the data layer system to constitute the operating platform of the virtual assembly system. With the platform， the SolidWorks software is selected to make the virtual assembly component model on the basis of the proportion of physical objects， construct the "virtual hand" model and set up interactive programs. The assembly collision detection for the 3D model is conducted to realize the design of virtual assembly system based on AR technology. The experimental results show that the interactive matching degree of the designed virtual assembly system is 13.18% higher than that of the traditional virtual assembly system. It can be seen that the designed 3D interactive virtual assembly system has better assembly operation ability.

Keywords： virtual assembly system; 3D interaction; AR technology; system design; virtual modeling; simulation experiment

0? 引? 言

隨著社會的不斷進步與發(fā)展，以敏捷的制造技術為基礎的交互式虛擬裝配系統得到了迅速發(fā)展，給各個行業(yè)的發(fā)展帶來了新的技術支持。而隨著各類產品的不斷優(yōu)化升級，對這些產品進行組件裝配難度也隨之提高，傳統的虛擬裝配系統的裝配控制能力，已經不能對更加精細化的物品進行細致裝配，不能滿足企業(yè)的需求[1]。因而在提升裝配精度以及裝配效率的基礎上，設計一個基于AR技術的三維交互式虛擬裝配系統，利用該系統實現實時虛擬成像、人機交互以及數據分析，通過更加快速準確的虛擬裝配，找到虛擬組件中存在問題的部分，加以改善;并且利用此系統能夠進行裝配程序設計，加強實體物品裝配時的裝配速度和準確度，提高企業(yè)生產效率，促進社會經濟發(fā)展[2]。

1? 系統硬件設計

將三維交互作為設計核心，進行虛擬裝配系統硬件設計。當前的虛擬裝配系統主要利用虛擬裝配平臺，對物品進行三維立體投影、體感交互、實時檢測、系統匯報等操作。因此針對虛擬裝配系統設計虛擬裝配平臺硬件，該虛擬系統的硬件結構組成如圖1所示。

圖1? 虛擬裝配系統硬件組成結構

此次設計的虛擬裝配系統硬件主要對三層功能進行管控，分別為顯示層、交互層以及數據層。顯示層中的硬件主要有多通道數字圖像融合機、環(huán)形投影屏幕、工程投影機以及立體眼鏡，該顯示層的功能是顯示立體的虛擬圖像，操作者則利用立體眼鏡對該虛擬圖像進行觀察，體驗虛擬投影下的實驗內容。交互層中的系統硬件包括中控系統、光學追蹤器和體感控制器，其主要功能是實時采集操作者與虛擬物品之間的交互信息數據，例如操作者手部的點選、移動、抓取、投放等動作。而數據層中的硬件主要包括圖形工作站、視頻切換器、磁盤等，其功能是將交互層中采集的數據信息進行預處理，生成虛擬圖像[3]。

傳統的虛擬裝配系統交互層中設有鼠標鍵盤等設備，但隨著技術的革新，所設計的虛擬裝配系統硬件則選用體感交互設備圖像工作站[4]。

2? 系統軟件設計

2.1? 制作虛擬裝配組件模型

設計虛擬裝配系統軟件，首先進行虛擬物品組件制作，對于虛擬物品組件的制作選用SolidWorks 軟件進行物品三維建模;而進行虛擬物品建模時，則需要考慮實體物品的實際尺寸來設計模型的比例。因此虛擬物品模型的比例計算公式為：

式中：[λ]表示虛擬物品的三維成像比例尺;[λ′]表示被虛擬實體物品的實際比例尺;[σ]表示推薦常數;[M]表示針對實體物品建立的矩陣;[DetM]表示實體物品在矩陣[M]中的行列式;[TrM]表示實體物品矩陣[M]中的運動痕跡;[k]表示響應參數。根據該成像比例尺利用SolidWorks 軟件進行虛擬設計，得到如圖2所示的設計模型圖[5]。

從圖2可以看出，根據計算得到的比例尺，對實體物品的截面進行設計得到圖A，對長寬高進行計算得到圖B圖C，最終生成圖D中的虛擬物品模型。利用SolidWorks軟件將所設計的虛擬物品模型以STL的文件格式導入到3ds MAX軟件中。該軟件將其轉換為FBX格式再導入Unity3d軟件中。Unity3d軟件自動生成一個文件夾，保存3ds MAX軟件編輯好的模型數據信息。用3ds MAX軟件打開Unity3d軟件中儲存的各個虛擬部件模型，利用其渲染優(yōu)化技術進行模型貼圖，得到整體實物模型框架后進行模型細節(jié)優(yōu)化處理，實現對虛擬裝配組件的制作[6?7]。

2.2? 裝配檢測

此操作中利用虛擬手對上述制造的虛擬組件模型進行操作。設計一個基于AR技術的三維交互程序，該程序的第一步是對虛擬手進行建模，需要從幾何建模和動態(tài)建模兩方面入手，進行人體手部組織結構和運動特點分析，再利用三維建模軟件以面向對象的方法構建虛擬手幾何模型。人手實際骨骼和建立的手部模型如圖3所示[8]。

根據控制虛擬手的運動自由度，計算模型手的運動軌跡為：

式中：[d]表示手模型的運動軌跡;[t]表示手模型的運動位姿參數;[a0，a1，a2，…，an]表示手模型的運動路徑位移參數[9]。

根據手指運動自由度進行模型搭建，以每一關節(jié)點作為運動中心，設置x為橫軸進行伸屈運動設計，y為縱軸進行收放運動設計，z為垂軸進行旋轉運動設計。令每一個小骨骼模型以關節(jié)點為原點，沿著上述3個數軸進行運動設計得到虛擬手模型。利用3ds MAX軟件多變形建模構建比例為1∶1的虛擬手模型，模仿真實人手在裝配過程中的運動軌跡[10]。對環(huán)形投影屏幕上的基于AR技術的三維虛擬圖形進行碰撞檢測，如圖4所示。

3? 仿真實驗

為了檢驗所設計的虛擬裝配系統的可視化過程仿真、三維結構動態(tài)裝配演示以及交互匹配能力，利用三維仿真軟件Virtools進行仿真實驗。將所設計的虛擬裝配系統與傳統的虛擬裝配系統進行對比，得出實驗結果并進行數據分析。

3.1? 實驗準備

將進行數據對比的零部件信息儲存到Virtools數據庫中，形成直觀的數據儲存結構，對該結構中的數據進行獲取、儲存、刪改以及匹配，以此作為虛擬裝配系統仿真實驗的基礎。設置仿真實驗平臺中的Virtools軟件參數，如表1所示。

在上述參數設置完畢基礎上，建立信息匹配模型，該模型的各項屬性如表2所示。實驗平臺設置完畢后，將兩種虛擬裝配系統安裝到實驗平臺中，開始進行實驗。將所設計的裝配系統操作作為實驗組，將傳統系統測試作為參照組，對測試結果進行分析。

3.2? 結果分析

利用設計的實驗平臺，分別運行兩種虛擬裝配系統，對實體物品進行模型搭建、虛擬裝配，得到如圖5、圖6所示的操作頁面。

根據操作示意圖可知，該組件模型共包含64個單獨的零件模型。將這些單個零件模型進行組件裝配，實驗組的虛擬裝配系統操作順利，裝配程序連貫，可看出其可視化過程仿真、三維結構動態(tài)裝配演示以及交互匹配能力較強;而傳統系統操作下的對照組操作中，由于三維減速器組件搭建不合理，導致組件模型之間發(fā)生干擾，零件裝配不到位導致裝配失敗。為了更直觀地得到分析結果，對兩種系統操作的交互匹配能力進行統計，如表3所示。

根據計算，在64個單獨零件模型裝配過程中，所設計的裝配系統將64個零件模型裝配完成，建立了完整的物品虛擬模型;而傳統的虛擬裝配系統在裝配第51個零件模型時發(fā)生模型不匹配。經計算，所設計的系統交互匹配度比傳統系統高出13.18%。

4? 結? 語

本文設計基于AR技術的虛擬裝配系統。通過該系統強化組件之間的尺寸契合度，提升實際物品的裝配速度，滿足市場需求的同時提高企業(yè)經濟效益。當前的系統設計還不夠完善，今后還要著重技術革新，進一步提升裝配效率。

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