焦玉民,張 琦,屈宏偉

(1.解放軍理工大學 工程兵工程學院,江蘇 南京 210007;2.68243部隊甘肅 嘉峪關(guān)735100)

隨著計算機技術(shù)的突飛猛進,虛擬現(xiàn)實技術(shù)也日趨成熟.它由計算機模擬三維環(huán)境,借助必要設(shè)備以多種方式與虛擬環(huán)境中的操作對象進行交互,使用戶在視覺、聽覺、觸覺上產(chǎn)生與真實操作環(huán)境相同的感受與體驗.西方發(fā)達國家早在20世紀80年代,就把虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于飛行模擬訓練,繼而又應(yīng)用于作戰(zhàn)、后勤維修保障訓練和機械產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)等方面,以相對較低的投入換來了較高的效益.

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的日趨成熟為虛擬維修技術(shù)的發(fā)展提供了有利條件,傳統(tǒng)的維修通常是事后維修,維修工作難免存在滯后性,這樣,就難以找到產(chǎn)品在論證設(shè)計階段中存在的設(shè)計缺陷,進而把維修缺陷帶入最終產(chǎn)品,而虛擬維修技術(shù)綜合運用人工智能、計算機圖形圖像、虛擬現(xiàn)實等技術(shù),全面逼真地反映產(chǎn)品維修和技術(shù)保障的實現(xiàn)過程,使得該技術(shù)在國防軍事、教育教學和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.有關(guān)虛擬維修技術(shù)的應(yīng)用研究雖然已經(jīng)開展了許多,但仍然沒有1個確切的定義來描述它.國外有人將虛擬維修定義為使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來仿真維修工作,這種定義方式只是突出了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的地位,而忽視了虛擬維修涉及的其他技術(shù).也有人將通過遠程網(wǎng)絡(luò)連接來傳遞文本、聲音、圖片、視頻等信息輔助維修工作的系統(tǒng),稱作虛擬維修系統(tǒng)[1].從本質(zhì)上看,這種系統(tǒng)并沒有涉及對象的維修性問題,可以定義為1種遠程維修支援系統(tǒng).文獻[2]對虛擬維修給出如下定義:“虛擬維修是以計算機技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)為依托,在由計算機生成的、包含了產(chǎn)品數(shù)字樣機與維修人員三維人體模型的虛擬場景中,通過驅(qū)動人體模型(包括采用人在回路的方式)來完成整個維修過程仿真的綜合性應(yīng)用技術(shù)”.從此定義可以看出虛擬維修包含了維修對象,維修人員,維修工具、設(shè)備與設(shè)施,維修作業(yè)過程信息等基本要素.

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

虛擬維修可以看作是采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來實現(xiàn)產(chǎn)品維修性設(shè)計、維修技術(shù)規(guī)程規(guī)劃、維修保障系統(tǒng)設(shè)計的過程.通過對產(chǎn)品維修過程的仿真,使人從主觀上產(chǎn)生虛擬產(chǎn)品及其維修過程的存在感.人可以沉浸在虛擬維修環(huán)境中,通過對產(chǎn)品維修預(yù)演,加深人們對產(chǎn)品維修的準確理解和直觀感受.因此,現(xiàn)在許多國家和大學的研究機構(gòu)都開展了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在維修訓練、維修性設(shè)計和保障性設(shè)計等方面的應(yīng)用研究.

1.1 維修性設(shè)計、論證與評估

在產(chǎn)品設(shè)計初期,使用虛擬方法將設(shè)計過程和論證評估過程同時展開,將設(shè)計實驗過程在計算機上進行實驗?zāi)M,克服了使用物理樣機進行論證實驗的不確定因素和資源消耗,這樣可以逐步發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的缺陷,在產(chǎn)品定型之前,形成1套系統(tǒng)完整的設(shè)計數(shù)據(jù)資料,有效地支持了產(chǎn)品的研發(fā)管理.

如2000年,美國空軍研究實驗室(AFRL)與通用電氣公司(GE)公司、Lockheed Martin公司對維護手冊的自動化開發(fā)方法進行了研究.該項目命名為SMG(Service Manual Generation).SMG是1種面向維修性工程的新框架.通過盡早地提供浸入感更強的維修過程觀察手段,使維修性工程師可以省時、高效地發(fā)現(xiàn)并排除嚴重的產(chǎn)品設(shè)計缺陷,進而顯著地減少了維護手冊的開發(fā)時間與費用.

波音公司于20世紀90年代末建立了虛擬現(xiàn)實實驗室,主要用于對聯(lián)合攻擊機(JSF)的保障性進行評估和試驗.該實驗室可以使設(shè)計人員在進行設(shè)計的同時就能夠了解維修任務(wù)是否可行,在飛機設(shè)計定型之前,就可以發(fā)現(xiàn)潛在的保障性問題.該實驗室的建成與投入使用,提高了JSF維修人員參與到設(shè)計過程早期階段的能力,有效地避免了由于設(shè)計修改導(dǎo)致的時間和經(jīng)濟損失.

北京航空航天大學呂川教授及其研究小組開展了虛擬維修系統(tǒng)的研究,其主要研究是應(yīng)用由美國賓夕法尼亞大學的人體建模和仿真中心開發(fā)的Jack系統(tǒng)(該系統(tǒng)具有通用的交互式環(huán)境,可用于控制鉸接式幾何圖形,尤其重視對人體圖形的控制)提供1個三維交互環(huán)境,用戶從外部CAD系統(tǒng)輸入圖形生成工作空間,并在其中增加1個或多個人體模型,然后對維修過程特別是維修工藝實施過程,進行各種人的因素分析,規(guī)劃虛擬環(huán)境下的人體的維修路徑以及如何避碰.

1.2 訓練保障

隨著裝備產(chǎn)品的技術(shù)含量越來越高,其技術(shù)保障難度越來越大,使用后往往需要投入較多的人力、物力、財力及場地資源,訓練消耗大,安全性也得不到保證.虛擬維修訓練使用數(shù)字樣機替代物理樣機,可以不受時間和環(huán)境因素的限制,在虛擬平臺上導(dǎo)演出形象逼真的訓練環(huán)境,新產(chǎn)品提供了安全、現(xiàn)代化、經(jīng)濟實用的保障維修手段,也為產(chǎn)品的使用可靠性提供強有力的支持.

虛擬維修技術(shù)最成功的應(yīng)用是哈勃望遠鏡(HST)的修復(fù)與維護.為了在太空中完成哈勃望遠鏡的修復(fù),美國宇航局(NASA)為執(zhí)行任務(wù)的宇航員專門建立了HST的虛擬太空環(huán)境,在該環(huán)境下可以模擬各種維修活動.

我國也已成功地將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于直升機虛擬仿真器、坦克虛擬仿真器、導(dǎo)彈虛擬仿真器、虛擬戰(zhàn)場環(huán)境觀察器等多個方面,但在虛擬維修訓練方面的研究還處于起步階段.軍械工程學院在虛擬維修技術(shù)研究方面取得了一定的成果,其維修工程研究所主要研究內(nèi)容包括了:維修人體建模技術(shù)、產(chǎn)品虛擬樣機的建模技術(shù)、產(chǎn)品拆裝過程建模、維修性分析與維修時間預(yù)計的集成等.其與北京航空航天大學、國防科技大學、中國兵器工業(yè)系統(tǒng)總體部聯(lián)合開發(fā)的1套基于虛擬現(xiàn)實的維修性與維修工作分析及評價系統(tǒng)是國內(nèi)相對成熟的1個虛擬維修系統(tǒng).該研究所對虛擬維修訓練技術(shù)也進行了研究,致力于開發(fā)1個通用的虛擬維修訓練系統(tǒng),目前已經(jīng)取得了階段性的成果[3].

2 虛擬維修技術(shù)主要內(nèi)容及內(nèi)涵

虛擬維修目前的應(yīng)用模式大致可分為2種:虛擬人修理虛擬產(chǎn)品和真實人修理虛擬產(chǎn)品.根據(jù)虛擬維修的研究目的,可以將虛擬維修分為以產(chǎn)品設(shè)計為中心的虛擬維修和以維修保障系統(tǒng)設(shè)計為中心的虛擬維修兩大類.依據(jù)不同的使用要求設(shè)計不同的維修內(nèi)容,達到其研究目的.

2.1 虛擬維修應(yīng)滿足的要求

虛擬維修依托虛擬場景和數(shù)字樣機技術(shù)來實現(xiàn)人機交互,但受到設(shè)備和技術(shù)條件上的限制,在操作方法和實現(xiàn)手段上都與實際維修過程存在著差別,為保證與真實維修過程的一致性和交互過程的真實性,更好地完成操作者和虛擬操作對象的信息交換,虛擬維修技術(shù)應(yīng)滿足以下幾方面要求:①訓練過程表達準確;②模型真實度等;③能對操作中出現(xiàn)的干涉、碰撞等提供報警信息并作出反應(yīng);④能對維修過程進行優(yōu)化;⑤能對維修過程的質(zhì)量進行評估.

2.2 虛擬維修的主要內(nèi)容

維修是將產(chǎn)品恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)的活動.在虛擬環(huán)境下,模型的建立和維修過程的實現(xiàn)有其特殊性,因此虛擬維修所涵蓋的內(nèi)容超越真實維修的內(nèi)容范圍,內(nèi)容規(guī)劃如圖1所示,主要包括:①虛擬樣機的建立.利用實體建模技術(shù)建立操作對象和虛擬環(huán)境模型庫,建立部件信息、維修工藝和故障診斷專家知識數(shù)據(jù)庫.②信息獲取對模型、位姿、科目等信息進行獲取,為維修訓練的實現(xiàn)做準備.③模擬仿真過程的實施.依據(jù)維修內(nèi)容規(guī)劃,對虛擬人和維修過程進行模擬仿真,實現(xiàn)人機交互.④反饋評價.對位姿、碰撞、控制信息進行反饋,運用反饋信息對仿真訓練效果評價考核[4].

圖1 虛擬維修內(nèi)容規(guī)劃Fig.1 Contents planning of virtual maintenance

2.3 虛擬維修技術(shù)的內(nèi)涵和現(xiàn)實意義

研究分析虛擬維修技術(shù)的內(nèi)涵和現(xiàn)實意義對該技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展具有重要意義.虛擬維修以虛擬平臺為支撐,運用各學科技術(shù)交叉融合,為維修過程提供各項技術(shù)支持,其優(yōu)勢在于避免了實際資源的消耗,可對維修對象、維修設(shè)備及工具、維修場景環(huán)境和維修過程進行模擬,節(jié)省了大量的人力、物力、財力,同時也避免了操作事故和環(huán)境污染.逼真的虛擬環(huán)境及人機交互基本可以保證維修的真實度,在絕大多數(shù)領(lǐng)域,虛擬維修完全可以替代真實維修的全部過程.

除了維修過程本身,虛擬維修還可對產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)有著重要意義,在模擬實際維修過程的同時,可對產(chǎn)品進行必要的技術(shù)改造,實現(xiàn)對產(chǎn)品維修性、維修資源、人機工效等問題輔助分析和決策,以最經(jīng)濟合理的壽命周期費用保證產(chǎn)品良好的性能.

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 數(shù)字樣機技術(shù)

關(guān)于數(shù)字樣機的定義有多種表示,其中比較全面合理的定義為:數(shù)字樣機或虛擬樣機,是1個產(chǎn)品實物的計算機仿真,它能被用于展示、分析和測試產(chǎn)品生命周期關(guān)聯(lián)的各個方面,比如工程設(shè)計、制造、維護與回收,就像在真實的物理樣機上進行的一樣[5].

圖2 數(shù)字樣機體系結(jié)構(gòu)框架Fig.2 Framework of digital prototype system

3.1.1 數(shù)字樣機的內(nèi)涵及體系結(jié)構(gòu)

在虛擬維修訓練系統(tǒng)中,構(gòu)建適用于虛擬環(huán)境的數(shù)字樣機,要求能在一定程度上具有與實裝相似的幾何與功能真實度,具有支持維修活動過程的空間、時間、自由度約束的運動特性和物理特性.結(jié)合虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),可以實現(xiàn)與維修相關(guān)活動或過程的模擬,進行維修訓練與評估等.虛擬維修訓練系統(tǒng)中的數(shù)字樣機總體體系結(jié)構(gòu)如圖2所示.數(shù)字樣機系統(tǒng)主要由幾何建模系統(tǒng)、模型驅(qū)動仿真平臺和數(shù)據(jù)系統(tǒng)組成.虛擬維修數(shù)字樣機的零件幾何數(shù)據(jù)可以通過CAD建模系統(tǒng)獲取,例如零件的幾何模型、材質(zhì)、體積、質(zhì)量、顏色等.只有這些信息還不足以構(gòu)成整個系統(tǒng),需要加入零件之間的裝配約束關(guān)系,以及虛擬維修操作中的拆裝序列模型、維修過程模型和人機交互模型等,這些信息可以通過模型驅(qū)動仿真平臺進行完善[6].

3.1.2 數(shù)字樣機建模過程

虛擬維修數(shù)字樣機建模過程可以分為數(shù)據(jù)準備、樣機建模和樣機成熟3個階段[7]:①數(shù)據(jù)準備階段.從CAD設(shè)計系統(tǒng)提取CAD幾何數(shù)據(jù)、裝配關(guān)系等信息,根據(jù)裝備、產(chǎn)品的各種維修任務(wù),建立對應(yīng)的維修任務(wù)和過程描述.②樣機建模階段.根據(jù)需要仿真的維修任務(wù),確定虛擬樣機的幾何模型組成,進行CAD幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與簡化處理,完成虛擬樣機幾何建模,這時生成的是不完整的虛擬維修樣機.③樣機成熟階段.主要是進行虛擬維修過程建模、人機交互過程建模以及相關(guān)的應(yīng)用模型建模,最后生成完整的面向維修任務(wù)的虛擬維修樣機,輸出到維修仿真系統(tǒng).

3.2 幾何建模

實體模型在虛擬維修訓練環(huán)境中的有效表達是構(gòu)建整個虛擬維修訓練環(huán)境的重要因素,模型信息數(shù)據(jù)是否完整直接關(guān)系著交互的真實程度.針對不同的維修工作目的,對實體模型有著不同的要求,因此,建模方法也有所不同.

常用的實體建模方法有多邊形造型和曲面造型.其中多邊形建模、非均勻有理B樣條(NON-Uniform Rational B-Spline,NURBS)曲面建模、細分曲面(Sub Division Surface)建模等比較常用.

(1)多邊形建模.計算機圖形學常將多邊形也稱作面[8].多邊形建模適于創(chuàng)建形狀規(guī)則、無曲面的對象.它的思想是將復(fù)雜對象看成是由很多塊“面片”所包裹成或所構(gòu)成的,用小平面來模擬曲面,做出各種形狀的三維物體.小平面可以是三角形、矩形或其他多邊形,但實際中多是三角形或矩形.多邊形建模的主要優(yōu)點是簡單、方便和快速,但它難以生成光滑的曲面.故多邊形建模技術(shù)適合于構(gòu)造具有規(guī)則形狀的零件,如平板類零件以及軸類零件多以此為基礎(chǔ)建立.

(2)非統(tǒng)一有理樣條曲線(NURBS)曲面建模.NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)是非統(tǒng)一有理樣條曲線,NURBS由VERSPRILLE在其博士學位論文中提出.NURBS曲面建模的突出優(yōu)點是:①可以精確地表示二次規(guī)則曲面,能用統(tǒng)一的數(shù)學形式表示規(guī)則曲面和自由曲面.②可通過控制點和權(quán)因子來靈活地改變形狀.③對插入節(jié)點、修改、分割、幾何插值等的處理工具比較有力.④具有透視投影變換和仿射變換的不變性.Bezier,B樣條曲線和曲面可看作是NURBS的特例,多數(shù)B樣條曲線曲面的性質(zhì)及其相應(yīng)的算法也適用于NURBS曲線曲面,便于繼承和發(fā)展[9,10].NURBS曲面重建流程如圖3所示.

(3)細分曲面建模.引入細分曲面技術(shù)進行三維建模主要是解決NURBS技術(shù)在建立曲面時面臨的困難.它使用任意多面體作為控制網(wǎng)絡(luò),然后自動根據(jù)控制網(wǎng)格來生成平滑的曲面.細分曲面技術(shù)的網(wǎng)格可以是任意形狀,因而可以很容易地構(gòu)造出各種拓撲結(jié)構(gòu),并始終保持整個曲面的光滑性.細分曲面技術(shù)的另一個重要特點是“細分”,在物體的局部增加了細節(jié),而不必增加整個物體的復(fù)雜程度,同時還能維持增加了細節(jié)的物體的光滑性.

圖3 NURBS曲面重建流程圖Fig.3 Reconstruction of NURBS surface

3.3 虛擬環(huán)境的構(gòu)建和優(yōu)化

虛擬維修環(huán)境的設(shè)計還需要構(gòu)建虛擬場景和其他輔助資源,包括操作場地、維修工具、虛擬環(huán)境、虛擬人等.維修場景的構(gòu)建技術(shù)是開發(fā)虛擬維修系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一.按照基于圖形渲染技術(shù)生成虛擬場景的方法,一般要經(jīng)過建立真實環(huán)境的抽象三維幾何模型;然后給定觀察坐標系,利用計算機的圖形處理能力解決幾何形狀、著色、消隱、光照以及投影等一系列繪制過程,產(chǎn)生虛擬場景[11].虛擬維修環(huán)境設(shè)計基本流程可以表述為圖4所示內(nèi)容.

虛擬維修環(huán)境中的對象多數(shù)需要進行實體建模.但是如果所有模型都采用實體建模方法表現(xiàn),給系統(tǒng)帶來的運行負擔是非常大的,必須采用合理的模型優(yōu)化技術(shù)對復(fù)雜場景進行處理,基于單元分割、可見消隱、紋理映射、實例化和層次細節(jié)技術(shù)(LOD)等技術(shù)對模型結(jié)構(gòu)、紋理、實體、場景等進行優(yōu)化,可以提高系統(tǒng)運行速度和表現(xiàn)效果.

圖4 虛擬維修環(huán)境的設(shè)計流程Fig.4 Design process of virtual maintenance environment

圖5 交互概念模型Fig.5 Interaction conceptual model

3.4 交互模型建立

交互性是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的主要特點之一,用戶能夠自然的與虛擬維修環(huán)境中的操作對象進行交互,通過多種感知渠道直接感受不同零部件運動的信息反饋,并利用人的智能與系統(tǒng)的計算能力進行信息融合,產(chǎn)生綜合控制效果.

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的三維交互技術(shù)目前還處于起步研究階段,沒有形成完整統(tǒng)一的概念層次結(jié)構(gòu).根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀和相關(guān)論述[12]可以概括為圖5所示的三維交互概念模型.

輸入層包括鍵盤、鼠標等二維輸入設(shè)備,還包括立體頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等三維輸入設(shè)備;事件層包括手勢、位移、壓力等狀態(tài)改變事件;交互層主要包括三維動作描述,包括抓取、移動、旋轉(zhuǎn)、釋放等,在輸入層的作用以及事件層的驅(qū)動下完成三維交互控制;接口層為適應(yīng)三維輸入設(shè)備,包括一系列的工具驅(qū)動引擎軟件包;應(yīng)用層包括交互控制的任務(wù)和研究目的等,諸如交互訓練、仿真決策、教育娛樂等.

GREEN M說[13]:“三維交互的構(gòu)造目前之所以具有相當大的難度,其原因正在于對底層交互任務(wù)的理解上.只有當這些底層的交互任務(wù)被定義和描述清楚后,才能合理而有效地進行三維交互技術(shù)、交互風格的研究和三維用戶界面的構(gòu)造.”

3.5 碰撞檢測技術(shù)

虛擬維修中的碰撞問題包括碰撞檢測和碰撞響應(yīng)2部分.碰撞檢測的目的是發(fā)現(xiàn)碰撞并報告碰撞體、碰撞位置、碰撞時間等信息;碰撞響應(yīng)是根據(jù)不同應(yīng)用目的,在碰撞發(fā)生后促使碰撞體和相關(guān)對象發(fā)生狀態(tài)的改變,做出正確的反應(yīng),模擬真實的操作過程.

近年來,隨著碰撞檢測技術(shù)及其相關(guān)問題在虛擬仿真系統(tǒng)以及機器人運動規(guī)劃等領(lǐng)域研究的不斷深入,國內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域提出了諸多有實際應(yīng)用價值的碰撞檢測算法,并開發(fā)出了許多成熟的碰撞檢測工具包.根據(jù)不同的應(yīng)用角度,其分類方法也是各有不同.

從時間域的角度來分,碰撞檢測算法可以分為靜態(tài)碰撞檢測和動態(tài)碰撞檢測算法,而動態(tài)檢測算法又可根據(jù)時間的連續(xù)性分為離散碰撞檢測和連續(xù)碰撞檢測算法.靜態(tài)碰撞檢測算法是指當場景中物體在整個時間軸t上都不發(fā)生變化時,用來檢測在這種靜止狀態(tài)下,各物體之間是否發(fā)生碰撞的算法[14,15].離散碰撞檢測算法則是指在時間軸的每個離散點t0,t1,…,tn上不斷地檢測場景中所有物體之間是否發(fā)生碰撞的算法.而連續(xù)碰撞檢測算法是指在1個連續(xù)的時間間隔[t0,tn]內(nèi),判斷運動物體是否與其他物體相交的算法[16-18].

從空間域的角度來分,碰撞檢測算法大體可分為兩大類:一類是基于實體空間的碰撞檢測算法,一類是基于圖像空間的碰撞檢測算法.基于實體空間的碰撞檢測一直是研究的重點,目前已經(jīng)將層次表示法、幾何推理、代數(shù)范式、空間劃分、解析方法和最優(yōu)化方法等技術(shù)應(yīng)用到碰撞檢測中.在實體空間的碰撞檢測研究方面,研究人員已經(jīng)取得了相當多的成果[19,20].尤其是在空間分解法和層次包圍盒法2個方面的研究比較成熟.空間分解法是將整個虛擬空間劃分成體積相等的小單元格,只對占據(jù)了同一單元格或相鄰單元格的對象進行相交測試.例如 k-d樹(k-dimensional tree)、八叉樹、BSP樹(Binary Space Partition)、四面體網(wǎng)等.層次包圍盒方法是用體積略大于幾何對象而幾何特性簡單的包圍盒近似的地描述復(fù)雜幾何對象,只需對包圍盒進行相交測試.比較典型的包圍盒有沿坐標軸的包圍盒(Axis-Aligned Bounding Boxes,AABB)、包圍球(Spheres)、方向包圍盒(Oriented Bounding Box,OBB)、固定方向凸包(Fixed Direction Convex Hull,FDH)等.基于圖像空間的碰撞檢測算法是一類比較新的碰撞檢測算法,它一般是利用圖形硬件對物體的二維圖像采樣和相應(yīng)的深度信息來判別2個物體之間的相交情況,它能有效利用圖形硬件的繪制加速功能來提高碰撞檢測算法的效率.近幾年圖形硬件技術(shù)的飛速發(fā)展,圖形加速卡在性能不斷提高的同時甚至出現(xiàn)了可編程的功能,使得基于圖像空間的碰撞檢測算法進入了新的發(fā)展階段[21].

3.6 虛擬維修過程規(guī)劃與仿真技術(shù)研究

目前應(yīng)用比較多的虛擬維修過程規(guī)劃方法主要是使用UML(Unified Modeling Language,統(tǒng)一建模語言)技術(shù)[21]和改進的Petri網(wǎng)技術(shù)[22～24]進行裝備維修過程建模.其中UML通過對象類圖、用例視圖、狀態(tài)視圖、順序視圖等的建立,比較明確地表示了整個系統(tǒng)所包含的對象和各對象所具有的功能,以及這些功能的流程和實現(xiàn)途徑;傳統(tǒng)的Petri網(wǎng)建模是比較復(fù)雜和難懂的,隨著它在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,許多擴展形式諸如著色Petri網(wǎng)、元模型融合、退化令牌等技術(shù)在虛擬維修過程建模中應(yīng)用較多.總體來說,上述方法在對復(fù)雜維修過程的建模方面有一定的貢獻,但在實際應(yīng)用時總是偏重于以產(chǎn)品的維修性設(shè)計為中心的應(yīng)用.

圖6 維修任務(wù)層次Fig.6 Maintenance level

3.6.1 維修任務(wù)分層描述

維修工程理論將維修任務(wù)分為維修事件、維修作業(yè)、基本維修作業(yè)3個層次.維修事件是指由于故障、虛警或按預(yù)定的維修計劃進行的一系列或多種維修活動或維修作業(yè),如故障定位、隔離、修理和功能檢查等.維修作業(yè)是按給定的意圖進行的一系列基本的維修作業(yè).基本維修作業(yè)是1項維修作業(yè)可以分解成的工作單元,如擰螺母、裝墊片等,它是維修分解的最低層次.維修任務(wù)的層次關(guān)系如圖6所示.

3.6.2 拆裝過程規(guī)劃描述

進行虛擬裝配操作時,用戶佩戴數(shù)據(jù)手套、頭盔是顯示器等虛擬環(huán)境的輸入輸出設(shè)備后,就可以通過特定的操作界面獲得存放在數(shù)據(jù)庫中的關(guān)于裝配零部件、工具信息,還可以通過操作界面以各種形式交互地操縱裝配產(chǎn)品的各個部分.從虛擬裝配的過程模式來看,以裝配仿真為核心的虛擬裝配與以“變裝為拆”的裝配規(guī)劃為核心的虛擬裝配是當前主流的虛擬拆裝過程模式.①以裝配仿真為核心的虛擬裝配過程模式.首先在CAD系統(tǒng)中建立產(chǎn)品的裝配模型,然后,在虛擬環(huán)境中模擬產(chǎn)品的實際裝配過程,分析裝配過程中零件的運動形態(tài),檢查裝配過程中的干涉,評價裝配過程中的人機因素,從而驗證與改進產(chǎn)品的裝配性能.②以“變裝為拆”的裝配規(guī)劃為核心的虛擬裝配過程模式.主要利用CAD系統(tǒng)裝配建模提供的裝配約束關(guān)系進行運動導(dǎo)航,即虛擬拆卸過程中根據(jù)零件所受的裝配約束拆卸零件的可自由移動方向,并將零件的初始拆卸方向強制為其可自由移動的方向,直到零件與其約束零件完全脫離[25].

3.6.3 虛擬拆裝序列規(guī)劃

拆裝序列規(guī)劃是裝配工藝規(guī)劃的重要環(huán)節(jié),長期以來,計算機輔助裝配序列規(guī)劃的研究主要集中于利用計算機對產(chǎn)品的幾何拓撲結(jié)構(gòu)和裝配約束關(guān)系進行自動分析和推理,建立零部件間的裝配順序優(yōu)先關(guān)系,從而找到所有幾何上可行的裝配序列,并通過某種評價機制進行優(yōu)選[26,27].

非沉浸式虛擬維修系統(tǒng)的拆裝序列規(guī)劃依賴于生成拆裝路徑的算法,根據(jù)規(guī)劃體對環(huán)境信息已知程度不同,全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全或部分未知的局部路徑規(guī)劃.沉浸式虛擬維修系統(tǒng)的拆裝路徑規(guī)劃主要是對仿真過程中記錄的路徑進行平滑和優(yōu)化,目的是使得處理后的路徑直觀、可行,并且能反映操作人員的交互意圖,而不是尋找最優(yōu)路徑優(yōu)化調(diào)整目前主要采用人機交互的方式進行,操作人員可對裝配路徑點進行插入、刪除、直接插補、曲線插補等操作,以達到優(yōu)化路徑的目的.

4 虛擬維修技術(shù)展望

4.1 更完善的維修考核評價功能

維修考核評價水平的高低是衡量1個虛擬維修系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)鍵指標,目前虛擬維修系統(tǒng)中的訓練方法多種多樣,但均是以提高訓練熟練程度為主,并不能體現(xiàn)操作者的技能水平,對于虛擬維修過程的數(shù)據(jù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)有待進一步研究.針對不同的評價指標,利用仿真實現(xiàn)對維修性進行定量分析仍是1個需要解決的問題.

4.2 更逼真的維修過程

維修過程的逼真程度依靠兩個方面,實體三維模型和維修過程,特別對大型復(fù)雜裝備,涵蓋精密部件較多,維修工藝要求更高,這就要求對產(chǎn)品模型信息更加全面,模型優(yōu)化方法要求更高,目前,虛擬產(chǎn)品模型在信息集成、數(shù)據(jù)存取機制等方面仍有待提高,以避免因部件信息的缺失造成維修的實用性差.此外,虛擬維修過程尚不能完全模擬真實維修過程,隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)和人機交互技術(shù)的不斷發(fā)展,虛擬維修的功能將越發(fā)完善.

4.3 通用化要求

虛擬維修技術(shù)涉及領(lǐng)域廣,應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品的設(shè)計使用要求不盡相同,對這些要求和規(guī)范綜合分析,改進虛擬維修過程規(guī)劃和描述方法,提出合理的虛擬維修協(xié)同設(shè)計準則是發(fā)展的必然.

4.4 變形體維修

虛擬維修基本都是以剛性模型為研究對象,部分學者構(gòu)建出土壤、流體等模型的算法,增強了虛擬維修訓練的逼真程度,但對變形體,如軟管、線纜等零件的維護拆裝是虛擬維修中的難題,目前對于采用NURBS曲面建模只能描述其靜態(tài)形狀,難以模擬其維修過程.

4.5 更強人機交互

人機交互技術(shù)一直是虛擬維修技術(shù)中研究的熱點問題,雖然已經(jīng)提出了很多方法,但在目前的虛擬維修系統(tǒng)中,大多數(shù)情況下考慮的是用戶和環(huán)境之間的交互,較少考慮物體的適當行為,增強型的虛擬現(xiàn)實技術(shù)致力于將三維模型疊加到現(xiàn)實景物上,引導(dǎo)操作人員完成維修任務(wù).

5 結(jié)論

虛擬維修技術(shù)從誕生到現(xiàn)在,已經(jīng)滲透到生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域,包括軍事科技、航空航天、機械制造、生產(chǎn)建設(shè)等諸多行業(yè).在產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)制造領(lǐng)域,虛擬維修減少了設(shè)計生產(chǎn)的人力付出和財力付出,縮短了產(chǎn)品的研制周期,提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和使用可靠性;在維修訓練領(lǐng)域,虛擬維修技術(shù)對解決產(chǎn)品投產(chǎn)后的使用、維修保障、功能演示等復(fù)雜問題上具有廣泛的應(yīng)用前景.

作為一門新興的科學技術(shù),廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域證明了其巨大的前景和發(fā)展?jié)摿?同樣,深入研究虛擬維修技術(shù)特點及內(nèi)涵,對其應(yīng)用領(lǐng)域有著重要意義和參考價值.展望虛擬維修技術(shù)發(fā)展,提出目前存在的技術(shù)難題及需要深入探討的關(guān)鍵技術(shù),對虛擬維修技術(shù)發(fā)展有著顯著的指導(dǎo)意義.

[1] VAN HOU TEN F J A M,Kimura F.Virtual maintenance system:a computer-based support tool for robust design,product monitoring,fault diag nosis and maintenance planning[J].CIRP Annals-M anufacturing Technology,2000,49(1):91-94.

[2] 馬麟.虛擬維修過程模型的研究[D].北京:北京航空航天大學,2003.

MA Lin.Study on virtual maintenance process model[D].Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2003.

[3] 譚繼帥,郝建平,王松山.裝備虛擬維修訓練研究與發(fā)展綜述[J].兵工自動化,2007,26(5):106-107.

T AN Jishuai,HAO Jianping,WANG Song shan.Overview of research and development of virtual maintenance training[J].Ordnance Industry Automation,2007,26(5):106-107.

[4] 焦玉民,蘇凡囤,張琦,等.基于EON的挖掘機虛擬訓練系統(tǒng)[J].中國制造業(yè)信息化,2009,38(7):38-42.

JIAO Yumin,SU Fantun,ZHANG Qi,et al.Virtual training sy stem of excavator based on EON[J].Manufacture Information Engineering of China,2009,38(7):38-42.

[5] WANG G G.Definition clarification and review on virtual prototyping[J].ASME Journal of Computing and Information Science in Engineering,2002,2(3):232-236.

[6] 王松山,郝建平.基于交互特征的虛擬維修樣機建模[J].計算機仿真,2004,21(12):139-142.

WANG Songshan,HAO Jianping.Interaction feature-based modeling for virtual maintenance prototype[J].Computer Simulation,2004,21(12):139-142.

[7] 郝建平.虛擬維修仿真理論與技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

HAO Jianping.Theory and technology on virtual maintenance simulation[M].Beijing:National Defence Industry Press,2008.

[8] FARIN G.Curves and surfaces fo r computer aided geometric design[M].2nd ed.San Diego:Academic Press,1990.

[9] 韓慶瑤,趙保亞,譚建鑫.N URBS曲線曲面重構(gòu)的方法[J].機械設(shè)計與制造,2006(3):137-139.

HAN Qingyao,ZHAO Baoya,TAN Jianxin.The reconstruction method of N URBS curves and surface[J].Mechanical Design and Manufactory,2006(3):137-139.

[10] CHOI B K.Surface modeling for CAD/CAM[M].New York:Elsevier Science Publishers,1991.

[11] 張茂軍.虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)[M].北京:科學出版社,2001.

ZHANG M aojun.Virtual reality sy stem[M].Beijing:Science Press,2001.

[12] 韋有雙,楊湘龍,王飛.虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.

WEI Youshuang,YANG Xianglong,WANG Fei.Virtual reality and system simulation[M].Beijing:National Defence Industry Press,2004.

[13] GREEN M,SHAW C.Virtual reality and highly interactive three dimensional user interfaces:a technical outline[R].Alberta:Department of Computing Science,University of Alberta Edmonton,1999.

[14] DOBKIN D P,KIRKPART RICK D G.A linear algorithm for determining the separation of convex polyhedron[J].Journal of Algorithms,1985,6:381-392.

[15] CHAZELLE B.An optimal algo rithm for intersection three-dimensional convex polyhedron[J].Society for Industrial and Applied Mathematics,1992,21(4):586-591.

[16] CAMERON S.Collision detection by four-dimensional intersection testing[J].IEEE T ransaction on Robotics and Automation,1990,6(3):291-302.

[17] CANNY J F.Collision detection for moving polyhedron[J].IEEE Transactions on PAMI,1986,8(2):200-209.

[18] REDON S,KHEDDA R A,COQ UILLA RT S.Contact:arbitrary in-between motions for continuous collision detection[C]//P roceedings of the IEEE.Roman:[s.n.].2001:106-111.

[19] LIN M C,GOT TSCHA LK S.Collision detection between geometric models:a survey[C]//Proceedings of IMA Conference on Mathematics of Surfaces.[s.l.]:Sringer-Verlag,1998:37-56.

[20] JIMENEZ P,THOM AS F,TORRAS C.Collision detection:a survey[J].Computers and G raphics,2001,25(2):269-285.

[21] 張?zhí)燧x,劉穎,朱元昌.UML在裝備虛擬維修訓練系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用[J].軍械工程學院學報,2004,16(1):56-59.

ZHANG Tianhui,LIU Ying,ZHU Yuanchang.Application of UM L in the design of virtual maintain-train system[J].Journal of Ordnance Engineering College,2004,16(1):56-59.

[22] 周忠寶,肖磊,金光,等.基于SPNA T的維修過程建模與仿真方法研究[J].計算機工程與應(yīng)用,2008,44(32):210-212.

ZHOU Zhongbao,XIAO Lei,JIN Guang,et al.Research on repair process modeling and simulation methods based on SPNA T[J].Computer Engineer and Applications,2008,44(32):210-212.

[23] 蔣雙雙,劉鵬遠.一種基于Petri網(wǎng)的虛擬維修過程建模方法[J].系統(tǒng)仿真學報,2007,19(11):2488-2491.

JIANG Suangsuang,LIU Pengyuan.Method of process-modeling in virtual maintenance based on petri net[J].Journal of System Simulation,2007,19(11):2488-2491.

[24] 岳陽,呂川,馬麟.基于M TN的維修工作建模與仿真技術(shù)研究[J].計算機仿真,2006,23(10):45-48.

YUE Yang,LV Chuan,MA Lin.Modeling and simulating technology of maintenance task based on M TN[J].Computer Simulaiton,2006,23(10):45-48.

[25] 陳學楚.現(xiàn)代維修理論[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

CHEN Xuechu.M odern maintenance theory[M].Beijing:National Defence Industry Press,2003.

[26] DEFAZIO T L,WHITNEY D E.Simplified generation of all mechanical assembly sequence[J].IEEE T rans.Robotics and Automn,1987,3(6):640-658.

[27] HENRIOUD J M,BOURJAU LT A.Computer aided assembly process planning[J].Journal of Engineering Manufacture,1992,206(B1):188-199.