劉黎麗，楊宏偉

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

在制造業(yè)中，虛擬裝配系統(tǒng)成為一個備受關(guān)注的研究熱點。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程中的作用。為了解決這個問題，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)，以實現(xiàn)更逼真的虛擬裝配過程。該系統(tǒng)的研發(fā)將采用最新的人機交互技術(shù)，以及逼真的三維人體模型和運動模型。通過將虛擬人與大型工業(yè)裝備相結(jié)合，可以更加真實地模擬人在裝配過程中的動作和行為，從而使得虛擬裝配過程更加逼真、直觀。該系統(tǒng)的研發(fā)對于提高大型工業(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)開發(fā)方案，該方案采用三維引擎驅(qū)動虛擬人進(jìn)行虛擬裝配。通過使用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，我們可以創(chuàng)建一個逼真的虛擬環(huán)境，讓用戶能夠以自然的方式與虛擬對象進(jìn)行交互。在虛擬裝配系統(tǒng)中，虛擬人將發(fā)揮重要作用，它們可以模擬真實人類的動作和行為，從而在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)更加真實和自然的裝配過程。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、機械設(shè)計等領(lǐng)域，而且還有助于提高生產(chǎn)效率、降低成本以及減少錯誤率。

1 研究綜述

基于前文對研究背景的介紹，我們提出研發(fā)一個具有虛擬人的大型工業(yè)裝備虛擬裝配系統(tǒng)（以下簡稱“虛擬裝配系統(tǒng)”），其能夠集中匯總各類不同復(fù)雜機械裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計成果，能夠高可視化展示裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計成果，能夠高效虛擬設(shè)計并演示裝配流程，能夠進(jìn)行虛擬人機工效分析，并且能夠為結(jié)構(gòu)設(shè)計校驗提供有效技術(shù)手段。針對上述對虛擬裝配系統(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)程序開發(fā)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，構(gòu)造一個能夠多維觀察、施加影響、動態(tài)反饋的用于高效展示反應(yīng)堆系統(tǒng)的虛擬空間；然后，實現(xiàn)對三維設(shè)計的空間布置與裝配過程中發(fā)生的干涉校驗功能；進(jìn)而應(yīng)用虛擬人機工程技術(shù)在虛擬場景中構(gòu)建虛擬人模擬真實的裝配過程，實現(xiàn)工效學(xué)分析方法對進(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)果和干涉校驗結(jié)果的裝配流程自動規(guī)劃功能的開發(fā)。

2 技術(shù)方案

根據(jù)研究綜述中對虛擬裝配系統(tǒng)總體開發(fā)方案的策劃，在虛擬裝配系統(tǒng)的開發(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，我們對引擎進(jìn)行了二次開發(fā)，以提高其性能和適應(yīng)虛擬裝配的需求。接著，我們進(jìn)行了核心功能的開發(fā)，包括虛擬零件的管理、裝配和模擬等功能。最后，我們開展了虛擬人技術(shù)的開發(fā)，以提供更真實、更自然的交互體驗。通過這些技術(shù)的研究和開發(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)計軟件之間存在顯著的區(qū)別。為了實現(xiàn)三維引擎對各種采用工業(yè)三維設(shè)計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，減少模型的數(shù)據(jù)量，提高模型的運行效率。最后，還需要進(jìn)行視覺效果優(yōu)化，包括模型的光照、材質(zhì)、顏色等視覺效果進(jìn)行調(diào)整和處理，以實現(xiàn)更逼真的視覺效果。通過這些步驟，可以實現(xiàn)三維引擎對各類采用工業(yè)三維設(shè)計軟件生成的模型的支持。

2.2 引擎二次開發(fā)

作為一類高度內(nèi)聚的三維圖形驅(qū)動程序，三維引擎顯示效果出眾、運行效率很高。但要在虛擬設(shè)計中準(zhǔn)確體現(xiàn)幾何體參數(shù)變化，合理仿真物理熱工過程，有效輸出虛擬環(huán)境中的各類數(shù)據(jù)，實時反饋外界控制指令，便捷更改和記錄場景中的各種信息，就需要對三維引擎進(jìn)行二次開發(fā)。

2.3 虛擬人開發(fā)

在虛擬裝配場景中，“人”的作用必不可少，沒有“人”參與，虛擬裝配就只有單一的演示作用，無法真實反映反應(yīng)堆系統(tǒng)的裝配過程。場景中的“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。虛擬人機工程是指在虛擬環(huán)境中構(gòu)建人-機器-環(huán)境系統(tǒng)，研究人和機器、環(huán)境的相互作用及合理結(jié)合，使設(shè)計的機器、環(huán)境適應(yīng)人的心理、生理特征。因此，必須在虛擬裝配場景中引入虛擬人模型，對虛擬人作業(yè)時的動作、姿勢進(jìn)行設(shè)計，并且進(jìn)行虛擬人機工效分析，使虛擬裝配更加貼近工程實際。

（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幾何信息的特征，通常有棒狀模型、實體模型和曲面模型?；谔摂M裝配系統(tǒng)對虛擬人的實際需求，選擇表面模型作為人體幾何模型。在3ds Max 中，通過骨骼蒙皮的方式來進(jìn)行人體建模。首先，通過網(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，接下來便是將模型與骨骼綁定在一起，綁定的過程稱為“蒙皮”。骨骼被蒙皮后，可以使人物的模型隨骨骼一起運動，并在骨骼運動時產(chǎn)生相應(yīng)的變形。在創(chuàng)建表皮模型時，人體尺寸（如身高、坐高、臂長、腳長等）參考《中國成年人人體尺寸》(GB10000-88)中的人體基本設(shè)計參數(shù)，以符合中國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景中的服裝穿著，以真實地呈現(xiàn)人物外觀。

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

（3）人機互動。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、動畫節(jié)點以及材質(zhì)節(jié)點復(fù)制到三維場景對應(yīng)的引擎模型文件中，可將虛擬人模型融合到虛擬三維場景中，通過選擇執(zhí)行虛擬人帶有的動作，如行走、雙手抬舉、雙手旋轉(zhuǎn)等，便可完成虛擬人在裝配過程中需要執(zhí)行的動作。在虛擬裝配操作中，除了實現(xiàn)動作演示，還必須實現(xiàn)虛擬人與虛擬物體的互相作用，例如，當(dāng)虛擬人推動虛擬物體時，虛擬物體應(yīng)該發(fā)生位移，又如，當(dāng)虛擬人扭動開關(guān)時，開關(guān)應(yīng)該發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這就要求三維場景中的虛擬人和虛擬物體具備真實世界的物理屬性，如重力、相互作用力、運動特性等。要實現(xiàn)虛擬人與虛擬場景中的物體互動，必須借助物理引擎。Nvidia PhysX 是NVIDIA 設(shè)計的執(zhí)行復(fù)雜物理運算的技術(shù)，可以對物體賦予重力、摩擦力等屬性，其原理是對構(gòu)成虛擬場景進(jìn)行模擬，根據(jù)物體的運動特性，再分析物體運動過程中的受力情況，計算出其應(yīng)有的物理特性，得出新的虛擬場景。引擎內(nèi)部集成了PhysX 的物理運算技術(shù)，將PhysX 引擎的功能封裝成一個一個的功能節(jié)點，在虛擬場景中，根據(jù)需要對虛擬人或虛擬物體賦予物理節(jié)點，就可實現(xiàn)虛擬人與虛擬物體的互動。

（4）人機工效分析。在虛擬裝配系平臺中引入人機功效學(xué)，通過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因素，可以對裝配工藝中的作業(yè)順序、方法、姿勢和作業(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查看虛擬人在不同位置、不同姿態(tài)時的視覺范圍，從而判斷是否滿足視覺可達(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，通過載入常用的人機工效分析公式，例如，RULA 分析、提舉分析、推/拉分析、搬運分析、生物力學(xué)分析等，計算出表示人體疲勞程度的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行人機功效分析。

2.4 核心功能開發(fā)

虛擬裝配是平臺的核心功能，通過虛擬裝配系統(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，可實現(xiàn)對設(shè)備模型的校驗和空間干涉校驗。裝配流程設(shè)計包括裝配順序設(shè)定、路徑設(shè)定、視角設(shè)定。優(yōu)先級設(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，可自動生成裝配順序，也可自定義裝配順序，在生成裝配順序時，使用者可針對每步安裝錄入工時、注意事項等關(guān)鍵性參數(shù)，用于指導(dǎo)安裝。路徑設(shè)定可為每個裝配步驟中的每個模型設(shè)定裝配路徑，虛擬裝配系統(tǒng)提供自動設(shè)定裝配路徑和自定義裝配路徑兩種方式。自動設(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裝配步驟中的每個模型零件定義運動路徑，通過設(shè)定每個零件在每個時刻的位置坐標(biāo)和角度坐標(biāo)來實現(xiàn)。視角設(shè)定可設(shè)定裝配演示時相機的位置，虛擬裝配系統(tǒng)提供自動設(shè)定裝配視角和自定義裝配視角兩種方式。自動設(shè)定裝配視角可選擇一鍵為所有安裝步驟生成視角。自定義視角可通過拖動鼠標(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、裝配時間自動演示裝配過程，可選擇演示整個或部分裝配過程，演示時，用戶界面針對每個安裝步驟呈現(xiàn)文字說明，如該步驟所安裝的模型零件名稱、該安裝步驟的注意事項等。同時，虛擬裝配系統(tǒng)支持將每個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)生成裝配說明文檔。干涉校驗可實現(xiàn)對設(shè)備模型的校驗和空間干涉校驗，可對整個或部分裝配過程進(jìn)行干涉校驗。虛擬裝配系統(tǒng)中，通常將裝配設(shè)計和干涉校驗交替進(jìn)行，先進(jìn)行裝配設(shè)計，然后在裝配演示中進(jìn)行干涉校驗，若未發(fā)生干涉，那么裝配設(shè)計可作為最終設(shè)計，若發(fā)生干涉，那么需要重新進(jìn)行裝配設(shè)計。

3 技術(shù)創(chuàng)新點

通過對比與分析，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。具體來說，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，可基于各項目現(xiàn)有的三維設(shè)計軟件繪制的三維模型，對這些三維模型的格式進(jìn)行匯總、轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一，并經(jīng)過處理，完成設(shè)備和系統(tǒng)的三維建模。（2）可實現(xiàn)基于設(shè)備、系統(tǒng)三維模型的虛擬裝配功能，可通過虛擬人機工程、干涉檢驗完成裝配流程設(shè)計?？梢灶A(yù)演裝配過程，以動態(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，可通過運動捕捉設(shè)備，實時獲取人的運動數(shù)據(jù)，用獲取數(shù)據(jù)來指導(dǎo)虛擬人運動，實現(xiàn)非現(xiàn)指導(dǎo)安裝。（3）可基于虛擬人機工程和設(shè)施運行控制室中的硬件開關(guān)、旋鈕、機械儀表等硬件及數(shù)字儀控系統(tǒng)等三維模型，實現(xiàn)虛擬運行仿真功能。（4）可構(gòu)建帶有三維動態(tài)劑量分布（劑量場）的核設(shè)施退役虛擬場景，借助人機交互設(shè)備，模擬人在現(xiàn)場的操作過程，估算人員受照劑量，對退役流程和具體步驟進(jìn)行演練和評估。（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，將仿真程序運行過程中產(chǎn)生的實時數(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)，在三維場景中進(jìn)行合理展示與交互，實現(xiàn)核設(shè)施的高視效工況分析系統(tǒng)的開發(fā)。

4 結(jié)語

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)動虛擬人進(jìn)行虛擬裝配，可以更加真實地模擬人在裝配過程中的動作和行為，從而使得虛擬裝配過程更加逼真、直觀。該系統(tǒng)的研發(fā)對于提高大型工業(yè)裝備的制造效率和裝配質(zhì)量具有重要意義，同時還可以廣泛應(yīng)用于培訓(xùn)、教學(xué)、產(chǎn)品設(shè)計和評估等領(lǐng)域，為制造業(yè)的發(fā)展帶來更多的便利和創(chuàng)新。展望未來，隨著科技的不斷進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將越來越成熟，虛擬裝配系統(tǒng)也將得到進(jìn)一步的發(fā)展和完善。未來，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，隨著人工智能、機器學(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，能夠自動識別和解決裝配過程中的問題，從而提高裝配效率和準(zhǔn)確性。