陳 璜

（集美大學(xué)誠毅學(xué)院，福建 廈門 361000）

隨著我國機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐加快，不同重工業(yè)、輕工消費(fèi)品業(yè)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求越來越高，如采用最清潔原材料、最低制造成本，完成最優(yōu)良結(jié)構(gòu)、最好工作性能的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造。這一機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展要求下，通過引入U(xiǎn)nity3D物體建模技術(shù)、VR空間交互技術(shù)等，構(gòu)建起Unity引擎的制造單元仿真系統(tǒng)，進(jìn)而完成機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工等整體流程的預(yù)測。

1 Unity3D、VR等技術(shù)概述

Unity3D是由Unity Technologies公司開發(fā)的專業(yè)引擎，其創(chuàng)建原本是為游戲從業(yè)人員的三維動(dòng)畫建構(gòu)提供軟件開發(fā)工具，主要具有三方面特性。

（1）Unity3D強(qiáng)大的跨平臺(tái)編輯性。APⅠO Unity編輯器可以對(duì)虛擬場景中的一系列圖片、物體結(jié)構(gòu)、其他影音資源等進(jìn)行整合，然后用Visual Studio代碼編輯器編輯代碼。

（2）多元組件的可拓展性。相比于集成化的虛擬軟件系統(tǒng)平臺(tái)，Unity3D技術(shù)采取組件開發(fā)方式，通過功能代碼編寫、可伸縮功能插件的添加，為多種機(jī)械結(jié)構(gòu)、虛擬空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供支持。如虛擬空間場景的光影效果設(shè)計(jì)中，Unity3D平臺(tái)提供光源、實(shí)時(shí)陰影、光照貼圖、法線貼圖等光照插件，用戶可以根據(jù)自身需求添加光影效果，打造出層次清晰、光彩絢麗的三維場景。

（3）Shader粒子、煙霧的虛擬場景模擬功能。Unity3D中內(nèi)置PhysX引擎、Shader粒子插件、燈光烘焙、碰撞檢測組件等，制造單元仿真系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，通過更為方便、快捷的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具，創(chuàng)建出包括重力模擬、布料摩擦、空間碰撞等讓人覺得身臨其境的視覺效果。

2 國內(nèi)外Unity3D技術(shù)虛擬仿真系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2.1 國外機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬仿真研究狀況

國外歐美等發(fā)達(dá)國家對(duì)虛擬仿真技術(shù)的研究 較 早，Platform Architect MCO、Virtualizer Svlis、CODY及CREO等軟件環(huán)境，都屬于較為成熟的虛擬原型仿真系統(tǒng)。2014年，美國通用集團(tuán)開發(fā)出電氣虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，主要在頭戴設(shè)備、智能穿戴設(shè)備等的支持下，用于模擬海底環(huán)境探測、海底石油開采，提高外部工程作用的安全性和訓(xùn)練效率。2015年，德國Fraunhofer研究所聯(lián)合法國原子能和替代能源委員會(huì)（CEA）開設(shè)虛擬裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于工業(yè)制造工程、太陽能電池等方面的研究。該系統(tǒng)通過人機(jī)虛擬場景的交互，自動(dòng)記錄虛擬裝配過程中的用戶操作、工業(yè)設(shè)計(jì)動(dòng)作。2017年，美國國家航空航天局（NASA）借助多種視覺虛擬化現(xiàn)實(shí)技術(shù)，打造宇宙飛船模型設(shè)施、中性浮力實(shí)驗(yàn)室，展開航天飛機(jī)發(fā)射過程的燃料溫度、飛行姿態(tài)等的捕捉，對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)入太空的整個(gè)執(zhí)行流程做出數(shù)據(jù)可視化模擬。

此外，美國UⅠC機(jī)械工業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)研究所、德國比勒菲爾德大學(xué)人工智能與虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室、日本大阪機(jī)械制造工程及系統(tǒng)研究室，都紛紛開設(shè)與工藝處理、制造設(shè)計(jì)、決策支持、后勤學(xué)等相關(guān)的虛擬現(xiàn)實(shí)研究。如德國CODY虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，建立有包含機(jī)械、電氣制造的標(biāo)準(zhǔn)零件庫，通過常規(guī)自然語言命令進(jìn)行虛擬裝配系統(tǒng)交互。日本大阪機(jī)械制造工程及系統(tǒng)研究室致力于三維建模、虛擬制造系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)與并行處理等方面的研究，建構(gòu)起虛擬工廠的構(gòu)造環(huán)境。

2.2 國內(nèi)機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬仿真研究狀況

我國對(duì)于Unity3D虛擬仿真系統(tǒng)的研究，主要由清華大學(xué)國家CⅠMS工程技術(shù)研究中心、武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所等主導(dǎo)，設(shè)計(jì)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)在虛擬仿真平臺(tái)中模擬與實(shí)現(xiàn)。如國家CⅠMS工程技術(shù)研究中心，圍繞企業(yè)高速劍桿織機(jī)項(xiàng)目，展開產(chǎn)品不同機(jī)械模塊虛擬制造的模擬開發(fā)，將虛擬制造技術(shù)用于開發(fā)方案編制、產(chǎn)品開發(fā)執(zhí)行。而武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所則針對(duì)產(chǎn)品原型、虛擬布局和虛擬裝配等制造流程，進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。

隨后重慶大學(xué)、湖南大學(xué)等院校的研究機(jī)構(gòu)，利用VRML、CREO等虛擬仿真系統(tǒng)技術(shù)，開發(fā)出機(jī)械液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、凸輪結(jié)構(gòu)等的三維模型，大大提高虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)用性，縮短仿真實(shí)驗(yàn)周期［1］。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)的軟硬件組成結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)預(yù)期目標(biāo)

本文利用Unity3D開發(fā)軟件技術(shù)、VR交互技術(shù)，以及3DS MAX、Maya等三維建模軟件，搭建起集虛擬空間場景、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)于一體的沉浸式系統(tǒng)。第一，該機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)中存在著多種機(jī)械設(shè)備、機(jī)械零件庫、裝配體模型，Unity3D平臺(tái)可以進(jìn)行機(jī)械零部件的特征提取、數(shù)據(jù)信息整合。第二，機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)，需要達(dá)成多種設(shè)備立體化投影、虛擬重力模擬、碰撞檢測等動(dòng)態(tài)操作。第三，根據(jù)真實(shí)的機(jī)械加工制造工藝，以及機(jī)械零部件的裝配邏輯順序，進(jìn)行系統(tǒng)完整框架、完善展示功能的交互設(shè)計(jì)，保證用戶日常機(jī)械產(chǎn)品加工生產(chǎn)、虛擬交互工作的進(jìn)行。

3.2 系統(tǒng)軟硬件組成結(jié)構(gòu)

機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)設(shè)備、頭戴式或穿戴式傳感設(shè)備、CAVE投影設(shè)備等硬件結(jié)構(gòu)，分為基礎(chǔ)層、交互層、數(shù)據(jù)層等層級(jí)。在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)信息，由手持控制器、混合動(dòng)捕服務(wù)器等硬件，在用戶、計(jì)算機(jī)工作站之間，建立起與虛擬裝配環(huán)境的直接對(duì)話窗口，進(jìn)行多元機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息的有效處理。

關(guān)于軟件組成部分則針對(duì)各類機(jī)械產(chǎn)品零部件的自動(dòng)拆裝、重組，引入不同的系統(tǒng)開發(fā)工具，可以滿足多人機(jī)械產(chǎn)品交互裝配、零部件虛擬檢測等的要求。機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)層、接口層、平臺(tái)層、應(yīng)用層等部分，具體如圖1所示。

圖1 機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)示意

（1）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層主要依據(jù)現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息加工的抽象分類，包括輸入的用戶數(shù)據(jù)處理，以及機(jī)械設(shè)備零部件、生產(chǎn)計(jì)劃等數(shù)據(jù)的格式統(tǒng)一，一般將文件存儲(chǔ)為JSON格式，方便系統(tǒng)多元用戶主體的調(diào)用［2］。

（2）平臺(tái)層、接口層。平臺(tái)層及接口層為機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制層，主要功能是對(duì)虛擬空間環(huán)境、設(shè)備對(duì)象進(jìn)行管理，以及加強(qiáng)用戶、計(jì)算機(jī)工作站之間的交互連接。根據(jù)從網(wǎng)絡(luò)中搜集的輸入數(shù)據(jù)，調(diào)用可視化布局優(yōu)化模塊，進(jìn)行機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)、工藝分析等的數(shù)據(jù)傳輸控制，以及相對(duì)應(yīng)虛擬設(shè)備模型建立、制造過程仿真的把控。

（3）應(yīng)用層。仿真應(yīng)用層包含人機(jī)交互、可視化三維仿真兩大功能。其中，可視化三維仿真是通過利用Unity3D虛擬平臺(tái)技術(shù)，以及三維模型導(dǎo)入、模型貼圖、LOD模型渲染等，對(duì)虛擬空間場景中的機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)、人機(jī)交互界面進(jìn)行安置，為用戶提供交互反饋、仿真流程顯示等服務(wù)。而人機(jī)交互模塊的功能實(shí)現(xiàn)，包括用戶輸入信息的接受、處理，借助頭戴式傳感、穿戴式傳感等設(shè)備，在CAVE虛擬投影空間內(nèi)進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與制造的人機(jī)交互，最終確定最優(yōu)布局方案。

4 基于Unity3D、VR技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬仿真平臺(tái)架構(gòu)及功能設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)通常運(yùn)用在企業(yè)設(shè)計(jì)部門、生產(chǎn)加工部門， 使低成本機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)、模擬裝配的虛擬仿真得以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前，機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)采取統(tǒng)一建模語言（UML）進(jìn)行B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、物理功能層的設(shè)計(jì)，構(gòu)建起3層分布式的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，具體框架如圖2所示［3］。

圖2 機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2系統(tǒng)框架可以得出，用戶登錄界面為后臺(tái)驗(yàn)證程序的第一道屏障。該層級(jí)針對(duì)企業(yè)員工等用戶的訪問、數(shù)據(jù)庫零部件信息使用，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)安全通信協(xié)議、TCP/ⅠP過濾網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問的控制。之后分別進(jìn)入數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、物理功能層。

數(shù)據(jù)層為認(rèn)知類模擬板塊，根據(jù)不同員工或?qū)W員對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)掌握、零部件拆裝程序認(rèn)知的熟練程度，展開全自動(dòng)包裝機(jī)拆裝數(shù)據(jù)、減速器拆裝數(shù)據(jù)等的統(tǒng)計(jì)，且需要進(jìn)行機(jī)械零部件數(shù)據(jù)的格式統(tǒng)一，來為后續(xù)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工等提供支持。

業(yè)務(wù)邏輯層屬于實(shí)操類應(yīng)用板塊，利用Microsoft SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以及選定Unity3D、VR交互、3DS MAX等軟件，進(jìn)行Web網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序、虛擬3D模型的構(gòu)建，完成企業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)、項(xiàng)目生產(chǎn)的模擬裝配系統(tǒng)建設(shè)，以及用戶、虛擬環(huán)境之間交互邏輯的設(shè)計(jì)。特別是在新型機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，可根據(jù)以上提供的機(jī)械結(jié)構(gòu)拆裝、重組數(shù)據(jù)，運(yùn)用全自動(dòng)包裝機(jī)等機(jī)械設(shè)備，對(duì)原有產(chǎn)品零部件進(jìn)行尺寸修改、拆裝作業(yè)優(yōu)化。

物理功能層為機(jī)械產(chǎn)品檢測層級(jí)，是在完成整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)虛擬化仿真后，將Web程序、虛擬建模場景進(jìn)行結(jié)合，圍繞滾動(dòng)軸承、減速器等開展產(chǎn)品質(zhì)量的測驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)中存在的機(jī)械結(jié)構(gòu)、組裝問題，然后據(jù)此提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

4.2 機(jī)械模型建構(gòu)與導(dǎo)入

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，主要先利用Web網(wǎng)頁搭建三維仿真的虛擬場景，再圍繞軸承、齒輪參數(shù)測量，以及減速器拆裝測繪，進(jìn)行機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)的實(shí)體建模設(shè)計(jì)。一般借助于SolidWorks、3DS MAX、Maya等模型制作軟件，對(duì)需要用到的機(jī)械模型進(jìn)行建設(shè)，包括將描繪好的CAD圖紙文件導(dǎo)入3DS MAX軟件中，捕捉對(duì)象在X軸、Y軸、Z軸的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，進(jìn)行機(jī)械立體化設(shè)備的高度、角度建模，對(duì)首頂點(diǎn)、角點(diǎn)、倒角及剖面進(jìn)行焊接和封口，轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形來完成模型的進(jìn)一步修飾。之后在3DS MAX軟件中，將制作好的模型保存為STL格式導(dǎo)出，利用SolidWorks插件進(jìn)行局部細(xì)節(jié)的優(yōu)化處理，包括減少模型總數(shù)、刪除實(shí)體模型看不到的零部件、刪除對(duì)模型成型影響不大的細(xì)分，然后對(duì)不同模型做出多個(gè)分組，以及模型結(jié)構(gòu)內(nèi)重合點(diǎn)、面的合并，有利于后續(xù)模型LOD的渲染［4］。

4.3 模型貼圖與烘焙

機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)的模型貼圖，對(duì)虛擬空間場景中光影效果的實(shí)現(xiàn)尤為重要。在基于Unity3D技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)中，采取光照貼圖、烘焙、法線貼圖等技術(shù)，可以加強(qiáng)虛擬場景、模型渲染優(yōu)化的效果。在利用Unity3D軟件進(jìn)行機(jī)械設(shè)備光照貼圖后，打開Lighting窗口設(shè)置Directional Light、Point light、Baked、Mixed、Realtime，在Light光源組件中將Baking選為Baked，完成所有光照烘焙參數(shù)的相關(guān)設(shè)置后，單擊Scene面板中下方的Build按鈕，就可以進(jìn)行虛擬場景內(nèi)機(jī)械設(shè)備的烘焙［5］，具體參數(shù)調(diào)整如圖3所示。

圖3 虛擬場景內(nèi)機(jī)械設(shè)備的參數(shù)調(diào)整

此外，還會(huì)針對(duì)計(jì)算機(jī)三維圖形學(xué)的細(xì)節(jié)顯示要求，進(jìn)行機(jī)械實(shí)體模型的法線貼圖，該貼圖模式采取凸凹貼圖方案。其中法線貼圖也是將一張二維圖片附著在存在的立體化三維模型之上，可以在實(shí)時(shí)更新法線、展示模型表面額外細(xì)節(jié)的同時(shí)，對(duì)虛擬空間場景做出優(yōu)化，且整個(gè)過程模型的形狀不會(huì)發(fā)生改變。

4.4 虛擬模型的LOD渲染

LOD渲染也被稱為細(xì)節(jié)層次渲染，是對(duì)虛擬空間場景中的運(yùn)動(dòng)物體，做出更高精度的模型實(shí)時(shí)渲染。但計(jì)算機(jī)設(shè)備CPU、GPU等處理器件的占用程度較高時(shí)，不能滿足復(fù)雜三維場景實(shí)時(shí)渲染的要求。而LOD技術(shù)則是從低精度模型結(jié)構(gòu)的繪制入手，在原始三維模型的基礎(chǔ)上，制作出多個(gè)具有不同精度層次的三維渲染模型，使其成為實(shí)時(shí)可視化圖形渲染的關(guān)鍵。如Unity3D平臺(tái)中LOD技術(shù)的應(yīng)用，更加注重對(duì)機(jī)械滾動(dòng)軸承、齒輪及減速器等進(jìn)行二元三角細(xì)分和自動(dòng)減面計(jì)算，根據(jù)不同的分級(jí)精度完成模型處理。LOD利用多邊形減面信息，將同一相關(guān)的所有LOD模型放在虛擬空間場景中的某一位置，在Unity3D平臺(tái)菜單中選擇Component 、Rendering、LODGroup指令，點(diǎn)擊Add按鈕，對(duì)算法產(chǎn)生的坍塌頂點(diǎn)、坍塌序列進(jìn)行更加平滑處理，如圖4所示［6］。

圖4 LOD渲染示意

4.5 虛擬仿真模型的遮擋剔除

在機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬仿真模型開發(fā)的過程中，不同虛擬場景、機(jī)械拆裝設(shè)備等的加載往往在同一時(shí)間出現(xiàn)，其中大部分對(duì)象并未處于虛擬攝像機(jī)的拍攝范圍內(nèi)。因而利用Unity3D引擎的物體渲染，可以主動(dòng)剔除一部分不重要或未被拍攝到的對(duì)象。在場景空間內(nèi)創(chuàng)建遮擋區(qū)域，該遮擋區(qū)域由單元格（Cell）組成，每個(gè)單元格構(gòu)成虛擬場景遮擋區(qū)域的一部分，Unity3D平臺(tái)只對(duì)攝像機(jī)能夠看到的單元格進(jìn)行渲染，而其他較遠(yuǎn)距離的機(jī)械設(shè)計(jì)物件不去渲染。

5 基于Unity3D、VR技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)——以工業(yè)機(jī)器人RV減速器為例

5.1 虛擬三維模型的構(gòu)建

RV減速器通常由輸入軸、主軸承、曲柄軸、輸出盤、滾針、支撐法蘭、RV齒輪等結(jié)構(gòu)組成，其在零部件虛擬仿真實(shí)現(xiàn)過程中，包含擺線齒輪修形、零部件加工檢測、裝配測試等執(zhí)行流程。首先電機(jī)帶動(dòng)輸入齒輪、正齒輪嚙合，達(dá)到初級(jí)減速的目標(biāo)，之后RV減速齒輪沿曲柄軸反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)動(dòng)力被輸出至輸出盤產(chǎn)生2級(jí)減速。

本虛擬開發(fā)系統(tǒng)采用Unity3D建模開發(fā)軟件，開始軸類、盤類和齒輪類零部件等的三維模型建構(gòu)，然后將利用UG NX建構(gòu)完成的三維模型轉(zhuǎn)換成STL格式文件，導(dǎo)入至3DS MAX軟件進(jìn)行模型渲染及優(yōu)化。而在曲柄軸、輸入軸、輸出盤、支撐法蘭、滾針和齒輪等零部件的建模中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工件體模型要求，運(yùn)用圓臺(tái)離散法對(duì)不同構(gòu)件的直徑、長度（高度）進(jìn)行切片，分割為直徑20mm、長度（高度）60mm的薄片，分割薄片越多，虛擬加工精度越高。

5.2 模型虛擬貼圖與拆裝

根據(jù)建立好的RV減速器機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，將與機(jī)械產(chǎn)品相符合的物體陰影貼圖附著在完成的立體化模型之上，但光照貼圖陰影不會(huì)根據(jù)光源，以及機(jī)械物體擺放位置的變化而發(fā)生變化。采用Photoshop進(jìn)行貼圖繪制，然后將貼圖導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D平臺(tái)，之后將UV貼圖附著在立體化三維模型之上，以及存儲(chǔ)、顯示因燈光照射而產(chǎn)生的模型表面細(xì)節(jié)，具體如圖5所示。

圖5 RV減速器機(jī)械結(jié)構(gòu)貼圖模型

RV減速器組件結(jié)構(gòu)在預(yù)設(shè)路徑下的虛擬拆裝要符合RV減速器拆裝工藝的邏輯執(zhí)行流程，通過C#編寫模型交互程序，對(duì)整個(gè)拆裝流程做出動(dòng)態(tài)性、交互性指導(dǎo).RV減速器虛擬組件拆裝包含預(yù)設(shè)路徑自動(dòng)拆裝、手動(dòng)拖動(dòng)拆裝兩種方式，虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)曲柄軸、輸入軸、輸出盤、支撐法蘭、螺栓、滾針和齒輪等零部件的拆裝，會(huì)自動(dòng)記錄拆卸順序、零件邏輯位置、擺放位置。三維模型交互拆裝的核心代碼如下：

5.3 基于CARLA優(yōu)化算法的RV減速器組件結(jié)構(gòu)虛擬仿真設(shè)計(jì)

利用CARLA學(xué)習(xí)環(huán)路優(yōu)化算法，對(duì)RV減速器三維模型的虛擬裝拆、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)等，進(jìn)行虛擬實(shí)現(xiàn)仿真，往往會(huì)通過策略選擇器進(jìn)行學(xué)習(xí)環(huán)路選擇，展開不同構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、拆裝創(chuàng)景跳轉(zhuǎn)等的多模態(tài)控制。如先啟動(dòng)策略選擇器，對(duì)全局需要使用的RV減速器組件進(jìn)行搜索，在虛擬建模環(huán)境中將CARLA學(xué)習(xí)環(huán)路設(shè)定為10%環(huán)境適應(yīng)度值進(jìn)行相互作用，獲得最優(yōu)控制，具體執(zhí)行流程如圖6所示。

圖6 CARLA學(xué)習(xí)環(huán)路優(yōu)化算法執(zhí)行流程

本文在RV減速器結(jié)構(gòu)虛擬仿真設(shè)計(jì)中，以連續(xù)動(dòng)作自動(dòng)強(qiáng)化學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，通常分為六個(gè)步驟。首先初始化機(jī)械零件個(gè)數(shù)、粒子范圍、迭代次數(shù)等參量。之后通過CARLA學(xué)習(xí)環(huán)路，確定RV減速器零件結(jié)構(gòu)的切片粒子位置。然后步驟三計(jì)算不同粒子的環(huán)境適應(yīng)度值，再確定每一代粒子群的局部最優(yōu)、全局最優(yōu)位置。最后步驟五、步驟六，主要為更新粒子群速度以及局部最優(yōu)、全局最優(yōu)位置，重復(fù)迭代多次直到連續(xù)m代，在虛擬環(huán)境中適應(yīng)度值不發(fā)生變化為止。

（1）初始化密度函數(shù)采用均勻分布的概率密度函數(shù)，依據(jù)每個(gè)參數(shù)范圍，將其機(jī)械零件切片的粒子最值之差的倒數(shù)作為概率密度函數(shù)，具體公式為：

其中，x表示決策行為，f0(x)表示對(duì)應(yīng)每個(gè)決策行為的密度函數(shù)。

（2）在單個(gè)決策行為執(zhí)行后，確定RV減速器零件結(jié)構(gòu)的切片粒子位置，具體公式為：

其中，隨機(jī)數(shù)z取值范圍為（0，1）。

（3）計(jì)算不同粒子的環(huán)境適應(yīng)度值，決策行為表現(xiàn)評(píng)估的函數(shù)為：

（4）確定每一代粒子群的局部最優(yōu)、全局最優(yōu)位置，更新概率密度函數(shù)，在經(jīng)過多次迭代后，虛擬環(huán)境中適應(yīng)度值不發(fā)生變化，下面給出采取Matlab虛擬算法、CARLA學(xué)習(xí)環(huán)路優(yōu)化算法的迭代執(zhí)行比較結(jié)果，具體如圖7所示。

圖7 Matlab虛擬算法及CARLA學(xué)習(xí)環(huán)路優(yōu)化算法的迭代執(zhí)行結(jié)果

根據(jù)圖7可以得知，在經(jīng)過Matlab虛擬算法一定次數(shù)的學(xué)習(xí)后，算法執(zhí)行適應(yīng)度值陡然增加。而CARLA學(xué)習(xí)算法的迭代次數(shù)、迭代結(jié)果控制在10%左右，相比于Matlab虛擬算法大大改善，算法實(shí)時(shí)性顯著提高，滿足RV減速器結(jié)構(gòu)虛擬仿真的要求。

6 結(jié)論

Unity3D、VR等虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要針對(duì)開放的聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)械設(shè)計(jì)體系，對(duì)加工設(shè)備、機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維模型搭建，加強(qiáng)虛擬場景、制造單元結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)渲染，包括機(jī)械通用零件、軸系結(jié)構(gòu)等的貼圖、烘焙與平滑計(jì)算，使用戶主體不受時(shí)間、空間的限制，完成虛擬場景中的機(jī)械設(shè)備、零部件對(duì)象的操作，實(shí)現(xiàn)虛擬資源整合、共享的設(shè)計(jì)目標(biāo)。從以上對(duì)RV減速器結(jié)構(gòu)的虛擬仿真設(shè)計(jì)中可以看出，RV減速器結(jié)構(gòu)建模、虛擬拆裝等仿真操作，可以為工業(yè)機(jī)器人開發(fā)、功能實(shí)現(xiàn)提供助力。