馮帆，杜江，喬虎，白瑀

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機械產(chǎn)品裝配信息在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的表達

馮帆，杜江*，喬虎，白瑀

（西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

為了解決機械產(chǎn)品在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中信息表達不完備、用戶交互性能差的問題，以虛擬現(xiàn)實環(huán)境中裝配信息表達的特點為基礎(chǔ)，分析虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的裝配信息，并結(jié)合虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的需求對裝配信息進行重組；同時考慮裝配信息特點和虛擬現(xiàn)實環(huán)境的要求建立虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，設(shè)計實現(xiàn)了鼠標(biāo)－鍵盤－菜單控制及視線控制兩種交互方式，完成裝配信息表達。實驗結(jié)果表明，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以完整表達機械產(chǎn)品裝配信息，合理的交互方式可以幫助虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)對裝配信息進行準(zhǔn)確表達。

機械產(chǎn)品；裝配信息；虛擬現(xiàn)實

機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)精密、配合復(fù)雜，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與裝配工藝設(shè)計技術(shù)的結(jié)合將為機械設(shè)計人員及裝配工藝設(shè)計人員提供方便、直觀、快捷且具有高度還原性和真實性的虛擬裝配規(guī)劃環(huán)境，并能有效將裝配工藝設(shè)計過程與仿真過程結(jié)合，實現(xiàn)在裝配工藝設(shè)計過程中對方案合理性進行實時檢驗。在虛擬現(xiàn)實環(huán)境[1]中對產(chǎn)品的裝配信息進行表達是實現(xiàn)虛擬裝配的前提和基礎(chǔ)，而良好的交互性能是虛擬裝配系統(tǒng)的內(nèi)在要求，同時也對裝配信息的表達產(chǎn)生影響。

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于機械產(chǎn)品的裝配信息表達有利于機械行業(yè)培訓(xùn)的專業(yè)化、智能化和便捷化。目前對于裝配信息的提取技術(shù)已有較廣泛深入的研究，文獻[2]提供一種基于Pro/E的裝配信息提取技術(shù)；文獻[3]提出將虛擬裝配中的產(chǎn)品屬性與行為信息分為產(chǎn)品層、特征層、幾何拓?fù)鋵蛹帮@示層；文獻[4]研究了虛擬裝配系統(tǒng)中尺寸公差、形位公差的數(shù)學(xué)模型與表示模型的表示方法。對于虛擬裝配的交互方式，文獻[5-6]開發(fā)了基于Kinect體感技術(shù)的虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)；文獻[7]設(shè)計了利用數(shù)據(jù)手套進行虛擬裝配的交互方式。文獻[8]在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中實現(xiàn)了發(fā)動機的虛擬拆裝?？梢钥闯?，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械產(chǎn)品裝配方面已有應(yīng)用，但目前市場上還未見到針對機械產(chǎn)品裝配的成熟產(chǎn)品，可見機械產(chǎn)品裝配信息在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的表達還未達到預(yù)期效果。

本文對機械產(chǎn)品的裝配信息進行了深入分析，并結(jié)合虛擬現(xiàn)實環(huán)境要求對裝配信息進行重組，利用Unity 3D引擎，針對機械產(chǎn)品設(shè)計了Windows平臺下的虛擬裝配信息表達系統(tǒng)，并利用鼠標(biāo)、手柄、虛擬現(xiàn)實頭盔等外部輸入設(shè)備提出了不同的人機交互方式，目的是讓機械產(chǎn)品的裝配信息在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中得到完整準(zhǔn)確的表達，幫助用戶在充分理解機械產(chǎn)品裝配信息的同時，獲得更具沉浸感的體驗。

1 虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的裝配信息類型

傳統(tǒng)概念的裝配有兩種：一是在三維CAD軟件中的虛擬裝配，用戶進行虛擬裝配時僅需了解零件之間的裝配關(guān)系，系統(tǒng)會根據(jù)這些關(guān)系將零件裝配到合適位置；二是在現(xiàn)實中的零件裝配，需要零件間的裝配關(guān)系及裝配工藝信息，裝配工人需要按照裝配關(guān)系進行裝配，裝配操作需要符合裝配工藝要求。

搭建虛擬現(xiàn)實裝配環(huán)境需要的信息如下：

（1）虛擬場景信息，是指執(zhí)行裝配操作的虛擬環(huán)境信息。與三維CAD軟件中的虛擬裝配不同，虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的虛擬裝配場景需要保證合理性，包括環(huán)境的合理性和尺寸的合理性。環(huán)境的合理性是指虛擬場景應(yīng)接近現(xiàn)實中對該產(chǎn)品進行裝配時的環(huán)境，尺寸的合理性是指虛擬場景中的物體需要與其他物體及被裝配物體保持合理的比例關(guān)系。虛擬場景信息是為用戶帶來真實感與沉浸感的基礎(chǔ)。

（2）裝配模型信息，即被裝配產(chǎn)品的詳細信息。包括：模型基本數(shù)據(jù)信息，反映被裝配產(chǎn)品的外形、尺寸、精度、特征等信息，作為虛擬場景信息的參照；裝配關(guān)系信息，反映各零件之間的配合關(guān)系及配合方式；裝配工藝信息，反映裝配的方法、工藝要求等；實際產(chǎn)品信息，反映被裝配產(chǎn)品的外觀及材質(zhì)信息，是渲染出真實產(chǎn)品模型的基礎(chǔ)。

（3）零部件動作信息，是指裝配過程中產(chǎn)品零件及裝配工具的位置及方向的變化方式信息。裝配是按照一定工藝及順序?qū)⒘慵M合成產(chǎn)品的過程，其中涉及多個零件與工具的移動與旋轉(zhuǎn)，零部件動作信息包括產(chǎn)品零件及裝配工具的運動方式信息，同時也包括零件及工具運動的時刻、時長等信息。

（4）交互信息，是指用戶在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中對產(chǎn)品進行裝配的操作方式與信息反饋。明確交互信息是為了保證用戶在使用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)時可以準(zhǔn)確便捷地執(zhí)行操作，提升用戶體驗。

2 裝配信息的重組與表達

根據(jù)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)特點，結(jié)合虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的裝配信息，在設(shè)計虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)時可劃分成模型部分、場景部分和交互部分三部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）模型部分，主要包括產(chǎn)品模型和場景模型兩方面。產(chǎn)品模型表達裝配模型信息、場景模型反映虛擬場景信息。機械產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)精密、尺寸精度要求高，需要合理裝配，一般采用Solidworks、Catia、Pro/E等軟件進行零件建模并進行裝配；場景模型是為用戶提供更真實的沉浸式體驗而建立的機械產(chǎn)品展示場景，一般使用3Dmax軟件進行場景建模，具有良好的曲面建模能力、可操作性強，適用于常用的室內(nèi)設(shè)計建模。建立好的模型需要導(dǎo)入到Unity 3D軟件中以完成虛擬現(xiàn)實場景的制作。

（2）場景部分，是指在Unity3D軟件中進行虛擬現(xiàn)實場景的制作。首先將模型擺放在合適位置，搭建成完整的模型展示場景，其次通過Unity 3D對模型進行渲染，保證場景模型和產(chǎn)品模型具有良好的視覺效果，最后調(diào)整場景內(nèi)攝像機的位置，使用戶可以通過虛擬現(xiàn)實頭盔觀察到合適的場景。場景部分著重表達虛擬場景信息及零部件動作信息。

（3）交互部分，主要包括產(chǎn)品拆裝的動畫及邏輯順序判斷及用戶與產(chǎn)品拆裝之間的人機交互。用戶與虛擬現(xiàn)實場景之間的交互可以增加用戶的代入感和控制感，增強用戶的操作興趣以及學(xué)習(xí)效果，進一步發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)與傳統(tǒng)展示方式的優(yōu)勢。除此之外，機械產(chǎn)品的裝配和拆卸必須要按照一定順序進行，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，因此需要建立后臺邏輯判斷機制，保證拆卸和裝配的順序。交互部分的設(shè)計需要充分表達虛擬裝配中的交互信息。

圖1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文利用Unity 3D引擎對虛擬現(xiàn)實場景進行開發(fā)。Unity 3D具有強大的渲染功能，同時可通過Monodevelop平臺編寫腳本實現(xiàn)功能需求，制作的場景可直接發(fā)布到Windows平臺，同時支持與不同的虛擬現(xiàn)實播放設(shè)備的實時連接。本文采用Oculus DK2作為播放設(shè)備。

制作虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的具體步驟如下：①在Solidworks中建立機械產(chǎn)品模型，導(dǎo)入3Dmax中轉(zhuǎn)換成.fbx格式，再在3Dmax中建立場景模型，并與機械產(chǎn)品模型共同導(dǎo)入到Unity 3D的Hierarchy模塊中；②將事先繪制好的材質(zhì)貼圖導(dǎo)入到Unity3D中，并利用其對模型進行渲染，調(diào)整場景中的燈光；③將名為OVRCamera的Oculus SDK導(dǎo)入Unity 3D中，該SDK整合了雙目攝像機功能，可以直接在Oculus播放設(shè)備中觀看具有雙目視覺效果的虛擬現(xiàn)實場景；④利用iTween插件對產(chǎn)品的拆裝路徑進行繪制與規(guī)劃；⑤根據(jù)機械產(chǎn)品的拆裝原則與方法，利用Unity 3D中的腳本控制系統(tǒng)制作邏輯順序判斷系統(tǒng)，再根據(jù)該邏輯順序利用Unity 3D中的Canvas工具制作交互菜單；⑥通過控制腳本使攝像機位置的移動與外設(shè)輸入設(shè)備相匹配；⑦進行系統(tǒng)測試，測試結(jié)果良好后通過Unity 3D打包并發(fā)布到Windows平臺。

3 交互部分設(shè)計

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與傳統(tǒng)的二維圖像或動畫演示相比，最突出特點就是具有交互性。交互技術(shù)的合理應(yīng)用可以增加用戶的沉浸感、提升用戶體驗，同時幫助用戶更加充分地了解機械產(chǎn)品的內(nèi)部構(gòu)造。本文以一級齒輪減速器為例在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中設(shè)計了不同的交互方式。

裝配信息表達的準(zhǔn)確性要求在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下保證交互系統(tǒng)符合機械產(chǎn)品拆裝工藝要求，因此在進行交互系統(tǒng)設(shè)計時，需要對用戶的操作進行約束，通過腳本控制對減速器拆裝的邏輯順序進行判斷。虛擬現(xiàn)實中動畫的播放需要一定觸發(fā)條件，因此可將前一個動畫的播放結(jié)束特征作為后一個動畫的播放前提條件。

本系統(tǒng)采用讀寫配置文件方式進行邏輯判斷，當(dāng)?shù)谝徊讲鹧b動畫完成后將在系統(tǒng)中自動生成帶有標(biāo)識位配置文件，當(dāng)用戶執(zhí)行第二步拆裝動畫時系統(tǒng)會自動讀取之前生成的配置文件中的標(biāo)識位，若讀取到的標(biāo)識位數(shù)據(jù)與程序設(shè)定相同時系統(tǒng)則判定為可以執(zhí)行該步驟的動畫，否則便不能播放。播放第二步動畫后系統(tǒng)便自動改寫配置文件中的標(biāo)識位信息，以便后一步動畫的讀取。

以上文所述拆裝邏輯順序判斷系統(tǒng)為基礎(chǔ)，分別設(shè)計了鼠標(biāo)－鍵盤－菜單交互系統(tǒng)及實現(xiàn)控制交互系統(tǒng)。

3.1 鼠標(biāo)－鍵盤－菜單交互系統(tǒng)

在Unity 3D軟件中可以利用Canvas工具制作交互菜單。根據(jù)機械實驗教學(xué)課程要求，將一級齒輪減速器的拆卸分解為螺栓拆卸、上蓋拆卸、齒輪嚙合動畫、主動輪拆卸、從動輪拆卸五個步驟，同時在進行動畫播放時需要隨時暫停和開始，播放完成后如需再次觀看還需對場景進行重置，因此共需要八個按鍵。通過Canvas制作的按鍵可以添加腳本控制動作的觸發(fā)。將提前編譯好的拆裝動畫腳本及邏輯判斷腳本掛載到對應(yīng)的按鍵上，通過顏色變化以區(qū)分選中與非選中狀態(tài)，鼠標(biāo)移入按鍵區(qū)域則將按鍵顏色更改為紅色以表示選中狀態(tài)，通過鼠標(biāo)點擊按鍵進行觸發(fā)。經(jīng)過測試，在虛擬現(xiàn)實頭盔中并不能直接看到鼠標(biāo)指針，因此需要再制作一個按鍵以代替鼠標(biāo)指針，制作完成后的交互界面如圖2所示。

圖2 鼠標(biāo)－鍵盤－菜單交互界面

在角色運動控制方面，系統(tǒng)使用鍵盤控制。由于虛擬現(xiàn)實頭盔具有內(nèi)置陀螺儀，本身便可實現(xiàn)鏡頭的旋轉(zhuǎn)功能，因此需要添加鏡頭的移動功能，包括前、后、左、右、上、下六個方向的移動。本文使用w、a、s、d四個按鍵分別控制鏡頭的前、后、左、右四個方向的運動，通過q、e兩個按鍵控制鏡頭的升高和下降。

通過鍵盤控制運動的部分代碼如下：

float translation1=Input.GetAxis ("Vertical") *speed1;

float translation2=Input.GetAxis ("Horizontal")*speed2;

translation1*=Time.deltaTime;

translation2*=Time.deltaTime;

float translation3=-speed3*Time.deltaTime;

float translation4=speed3*Time.deltaTime;

transform.Translate (0, 0, translation1);

transform.Translate (translation2, 0, 0);

if (Input.GetKey (KeyCode.Q)){

transform.Translate (0,translation3,0);

}

if (Input.GetKey (KeyCode.E)){

transform.Translate (0, ranslation4,0);

}

3.2 視線控制交互系統(tǒng)

視線控制交互系統(tǒng)是通過用戶的視線瞄準(zhǔn)對象并觸發(fā)動作的交互方式。視線由頭部姿態(tài)和眼球方向共同決定，當(dāng)眼球相對頭部靜止時通過改變頭部姿態(tài)來改變視線方向，當(dāng)頭部靜止時刻通過改變眼球方向來改變視線方向[9]。

目前的虛擬現(xiàn)實播放設(shè)備還無法對用戶眼球旋轉(zhuǎn)方向進行捕捉，但設(shè)備內(nèi)安裝有內(nèi)置陀螺儀，頭部運動可被陀螺儀捕捉，并使視野內(nèi)場景隨頭部運動而變化，理論上用戶可以觀察到場景內(nèi)的所有物體，這是利用用戶視線對物體動作進行控制的前提條件。根據(jù)此特點，可以將用戶視線簡化為頭部發(fā)出的一條直線，據(jù)此設(shè)計的交互方式為當(dāng)用戶的視線聚焦到某一物體上時使該物體執(zhí)行合理的動作。該交互方式的本質(zhì)是將用戶視線作為選擇工具，將物體作為功能按鈕，通過視線對按鈕進行選取與觸發(fā)，使按鈕執(zhí)行預(yù)設(shè)的功能。為避免用戶的誤操作，還可對按鈕的觸發(fā)設(shè)定延遲，即用戶需要”凝視”一段時間后系統(tǒng)再判定按鈕被觸發(fā)。

在Unity3D環(huán)境下，用戶的視野即是呈現(xiàn)在攝像機中的場景內(nèi)容，因此攝像機方向與用戶視線方向一致。以攝像機中心為原點、以攝像機正方向為方向繪制一條射線，即為用戶的視線模型，該射線將始終通過用戶視野的中心。

在Unity3D中繪制射線的代碼如下：

myTransform.forward=centerEye.forward;

myTransform.position=centerEye.position+(centerEye.forward*fixedDepth);

Ray ray=newRay(centerEye.position,centerEye.forward);

RaycastHit hit=new RaycastHit();

Physics.Raycast(ray,out hit);

Debug.DrawLine(ray.origin, hit.point);

由于視線控制系統(tǒng)沒有實體硬件操作，為使用戶對自身操作有清晰認(rèn)識，需建立完善的用戶反饋機制。首先通過代碼繪制的射線無法被用戶觀察到，但由于其始終通過用戶視野中心的特性可以通過添加對象的方式標(biāo)記視野的中心。Unity 3D中的Canvas功能支持添加圖片到用戶視野內(nèi)，并使其隨視野變化始終保持在視野中心位置；其次由于觸發(fā)延遲的設(shè)置，用戶需明確認(rèn)識是否選中按鈕及距離觸發(fā)的剩余時間；基于以上要求，系統(tǒng)采用圓形進度條形式進行反饋。初始狀態(tài)下進度條處于隱藏狀態(tài)，當(dāng)射線移動到按鈕上后，原本位于視野中心的準(zhǔn)星被圓形進度條覆蓋，以表示選中按鈕，同時進度條開始計數(shù)，待計數(shù)達到100后按鈕功能被觸發(fā)，進度條被再次隱藏。用戶反饋機制是交互系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，實現(xiàn)完整的用戶反饋對系統(tǒng)整體交互性能的提升具有重要意義。

4 系統(tǒng)測試與評價

將兩種交互系統(tǒng)打包并發(fā)布到Windows平臺，將虛擬現(xiàn)實頭盔與計算機連接，進行測試。測試結(jié)果證明均可在Windows平臺上穩(wěn)定流暢運行，裝配信息表達準(zhǔn)確，可實現(xiàn)按照工藝要求與邏輯順序?qū)C械產(chǎn)品進行裝配與拆卸。

在裝配信息表達方面，首先為用戶搭建機械產(chǎn)品實驗室環(huán)境場景，其中桌子、柜子、墻體、標(biāo)語等信息均符合現(xiàn)實環(huán)境中的比例，為保證用戶體驗的沉浸感建立基礎(chǔ)；其次，采用機械實驗中常用的一級齒輪減速器模型，產(chǎn)品的外形、尺寸、特征、材質(zhì)等信息通過虛擬現(xiàn)實環(huán)境得到準(zhǔn)確表達，同時零部件的裝配關(guān)系、裝配工藝等信息均可通過該系統(tǒng)表現(xiàn)；第三，零部件的動作信息通過制作的運動動畫得到表現(xiàn)，包括拆卸過程中工具與零部件的運動及不同零件運動時的互相影響，均可通過虛擬現(xiàn)實動畫的形式直觀地呈現(xiàn)在用戶眼前，比二維動畫更加清晰、準(zhǔn)確、便于理解；第四，用戶可以方便地對場景中的元素進行操控以完成機械產(chǎn)品的拆卸，交互信息也得到了充分的表達。

圖3為鼠標(biāo)－鍵盤－菜單交互系統(tǒng)測試示意。系統(tǒng)交互性能良好，操作感強，運行流暢。用戶可以通過該系統(tǒng)清楚地了解該機械產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及拆裝工藝順序。但由于用戶視線的移動需要鍵盤控制，移動速度與角度旋轉(zhuǎn)速度均為系統(tǒng)開發(fā)時預(yù)設(shè)的固定值，用戶難以通過該系統(tǒng)模擬人體本身的運動狀態(tài)，因此會在一定程度上影響用戶的沉浸感。

圖4為視線控制交互系統(tǒng)測試示意圖。系統(tǒng)操作方便，用戶提示明確清晰，距離感應(yīng)器可以更好地模擬用戶的運動，通過頭部轉(zhuǎn)動用戶可以更加便捷地控制該系統(tǒng)。但該交互系統(tǒng)受制于距離感應(yīng)器的感應(yīng)范圍，無法捕捉大幅度的人體運動，從而導(dǎo)致用戶不能通過某些特定角度觀察機械產(chǎn)品的拆裝過程，如用戶無法通過自身運動得到桌子背后的觀察角度。

因此，對于不同機械產(chǎn)品展示系統(tǒng)，可以充分利用兩種交互方式的優(yōu)缺點進行設(shè)計。對于大型機械設(shè)備展示系統(tǒng)，可以利用鼠標(biāo)－鍵盤－菜單的交互方式，以便用戶在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)內(nèi)漫游；對于小型機械產(chǎn)品展示系統(tǒng)可以利用視線控制的交互方式，以增強用戶的沉浸感，使用戶對系統(tǒng)的控制更加方便。

圖3 鼠標(biāo)－鍵盤－菜單交互系統(tǒng)測試

圖4 視線控制交互系統(tǒng)測試

5 小結(jié)

對于機械產(chǎn)品在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的展示、裝配、拆卸而言，完整地表達產(chǎn)品的虛擬場景信息、裝配模型信息、零部件動作信息和交互信息至關(guān)重要，任何信息的缺失均會導(dǎo)致裝配信息表達的不完整，從而影響準(zhǔn)確性與真實性，降低用戶體驗的沉浸感。交互方式作為影響用戶體驗的重要因素，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)者需要慎重考慮已有裝配信息，進行分析研究，作為依據(jù)選擇適合當(dāng)前模型及場景的交互方式。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種新興的視覺體驗方式，獨特的沉浸式體驗可以大幅度提升機械裝配產(chǎn)品在教學(xué)、展示、培訓(xùn)方面的效率與用戶體驗。本文所提出的虛擬現(xiàn)實中裝配信息的表達方法與人機交互方式可以為用戶帶來更具操作感的沉浸式體驗，提升學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效率，為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械行業(yè)的應(yīng)用提供借鑒。

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Expression of Mechanical Product Assembly Information in Virtual Reality Environment

FENG Fan，DU Jiang，QIAO Hu，BAI Yu

(School of Mechatronic Engineering, Xi’an Technology University, Xi’an 710021,China)

The purpose of the study is to solve the problem of incomplete information expression and poor user interaction experience in the virtual reality environment of mechanical products. Based on the characteristics of assembly information in the virtual reality environment, this paper analyzes the assembly information in the virtual reality environment and reconstructs the assembly information in accordance to the requirements of the virtual reality system. At the same time, considering the characteristics of assembly information and the requirement of the virtual reality environment, a virtual reality system is established. Two interactive modes, the mouse-keyboard-menu control and the sight-line control, are designed and implemented to complete assembly information expression. The result shows that the virtual reality system can completely express the assembly information of the mechanical products, and the reasonable interaction can help the virtual reality system to accurately express the assembly information.

mechanical products；assembly information；virtual reality

TP391

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.11.002

1006－0316 (2018) 11－0006－06

2018－06－01

國家自然科學(xué)基金資助項目（51705392）；西安工業(yè)大學(xué)校長基金資助項目（XAGDXJJ16004）

馮帆（1993－），男，陜西西安人，碩士研究生，主要研究方向為機械信息化方向。

通訊作者：杜江（1971－），男，陜西西安人，博士，副教授，主要研究方向為CAD/CAE。