蔡海毅

摘 要

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品設(shè)計理念、生產(chǎn)方法發(fā)生翻天覆地的變化。越來越多的企業(yè)在鉆掘機械設(shè)計中充分利用VRML虛擬現(xiàn)實技術(shù)，并取得顯著成效，推動機械制造業(yè)又好又快發(fā)展。本文重點探討VRML的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑用升降梯設(shè)計中的應(yīng)用問題。

關(guān)鍵詞

VRML;虛擬現(xiàn)實技術(shù);建筑用升降梯;具體應(yīng)用

中圖分類號： TP391.9 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 01

新形勢下，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械設(shè)計領(lǐng)域得到了有效應(yīng)用，且取得顯著成效，社會各界也高度重視這一技術(shù)的應(yīng)用。但是，由于我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)起步晚，尚處于初級發(fā)展階段，其中仍存在諸多問題亟待解決。接下來，談?wù)劵赩RML的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的建筑用升降梯設(shè)計的幾點思考。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)相關(guān)概述

1.1 虛擬現(xiàn)實的內(nèi)涵

虛擬現(xiàn)實，又名人工環(huán)境，簡稱“VR技術(shù)”，最早在20世紀80年代初，由美國拉尼爾提出。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一項高、精、尖的科技，集人工智能、顯示技術(shù)、傳感技術(shù)、計算機圖形技術(shù)和仿真技術(shù)于一體的高技術(shù)模擬系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心在于利用計算機營造一種“切身體驗”的立體三維空間環(huán)境，具體來說，虛擬實現(xiàn)的概念涉及以下幾點：第一，模擬環(huán)境。具體指計算機生成的雙視點的、實時動態(tài)在嗅覺、觸覺和聽覺的立體逼真圖像。但模擬環(huán)境既可以是基于某種特定現(xiàn)實的真實世界，也能是虛擬的世界。第二，自然技能。具體指人的眼睛、動作行為，通過計算機進行處理成和參與動作相適應(yīng)的信息數(shù)據(jù)，并能夠?qū)崟r回應(yīng)參與者的輸入。第三，感知。具體指完美的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)具備人所具有的所有感知，包括視覺、觸覺、聽覺、運動，甚至是味覺等所有感知。第四，傳感設(shè)備，又稱“三維交互設(shè)備”。一般包括三維鼠標、頭盔數(shù)據(jù)手套等穿戴在人身上的裝置，也包括地板壓力傳感器等實際存在的傳感裝置。

常規(guī)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構(gòu)成要素包括計算機、輸入設(shè)備、演示設(shè)備以及諸多軟件系統(tǒng)等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一大顯著特征就是人機交互性。為確保人機之間能夠有效、充分的交互信息，而設(shè)計輸入設(shè)備、演示設(shè)備，從而有效識別人類的諸多輸入命令，并作出反饋信息，進而提升仿真效果。不同的項目，可以基于實際情況，有針對性的選用跟蹤器、三維立體聲音生成裝置、傳感手套等工具。

1.2 VRML虛擬現(xiàn)實技術(shù)的各種特征

第一，沉浸感。又名“存在感”，具體來說就是參與者能夠在虛擬環(huán)境中感知到的存在的真實程度，成熟的模擬環(huán)境通常能夠到用戶無法分辨真假的程度;第二，自主性。具體指虛擬環(huán)境中特殊物體根據(jù)實際世界物理運動規(guī)律動作的程度;第三，交互性。一般來說，交互性包括兩大塊，其一，操作人員基于虛擬環(huán)境獲得的反饋程度，其二，針對虛擬環(huán)境中物體，參與者的可操作性程度;第四，多感知性。具體指不僅包括常規(guī)計算機技術(shù)劇本的視覺感知，還包括運動、觸覺、聽覺感知，甚至還有嗅覺、未決感知。成熟的虛擬現(xiàn)實技術(shù)具備人所具備的所有感知功能。

1.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的現(xiàn)實意義

第一，場景渲染的實時性。眾所周知，VRML虛擬技術(shù)的圖形渲染是實時性的，這就使得虛擬環(huán)境中人機具備交互性。通常來說，VRML虛擬技術(shù)存在6個自由度，可利用視點變換的方法讓用戶漫游于虛擬環(huán)境中，也可以利用6個自由度來對虛擬場景進行有效觀測，且VRML虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以利用多種傳感器節(jié)點、內(nèi)插節(jié)點來有效提升其自身交互性。

第二，VRML是基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)。VRML虛擬技術(shù)作為一種三維立體圖形、渲染圖形描述性語言，通過該技術(shù)所產(chǎn)生的WRL文件也是用于記錄虛擬場景的描述，而非真實存在的模型，如此一來，相比其他圖形媒體，VRML的文件所占內(nèi)存很小，網(wǎng)絡(luò)傳輸十分便利。

第三，VRML是以客戶服務(wù)器模式為基礎(chǔ)的訪問方式。VRML文件，視頻、音頻、圖片等支持資源主要由服務(wù)期提供，用戶利用客戶端連接網(wǎng)絡(luò)訪問并下載自己需要的文件，然后利用本地VRML瀏覽器交互式訪問文件中所描述的虛擬環(huán)境。因為瀏覽器是本地平臺提供的，因此，讓平臺無關(guān)性得以實現(xiàn)。

2 VRML的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在鉆掘機械設(shè)計中的具體應(yīng)用

（1）基于VRML虛擬現(xiàn)實技術(shù)的鉆掘機械設(shè)計流程。

（2）下文基于上述論述，提出通過網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用鼠標、顯示器、鍵盤的基于VRML虛擬現(xiàn)實技術(shù)的鉆掘機械設(shè)計流程。

第一，結(jié)合具體的設(shè)計要求來構(gòu)建模型是達到仿真控制的基礎(chǔ)和前提。一般來說，虛擬現(xiàn)實建模方式主要有：首先，利用VB、VC++等諸多工具來建立模型;其次，利用SDK、WTK等虛擬現(xiàn)實軟件來進行開發(fā);另外，利用3DMAX、Solid Works等第三方軟件來建立模型，接著以虛擬現(xiàn)實文件格式來進行導(dǎo)出。我們所說的第三方軟件具備建模、工程分析、仿真對諸多功能，且最后能以虛擬現(xiàn)實文件格式進行導(dǎo)出，因此，為提升建模質(zhì)量，我們選擇通過第三方軟件來開展建模工作。

第二，初步建好零件模型以后，我們再著手虛擬裝配工作，在此過程中，我們需要干涉檢查各個零部件，上述通過第三方軟件建立的模型，通常都能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬裝配。如，利用Solid Works軟件建立好全部零件模型以后，我們直接開展虛擬裝配工作并進行干涉檢查。

第三，在裝配工作結(jié)束以后，我們就能利用建模軟件的接口將整體裝配體模型導(dǎo)進專門的工程分析仿真軟件中去，并進行深入分析。通過ADAMS軟件開展動力學(xué)、動力學(xué)仿真分析，通過ANSYS軟件來開展有限元分析。

第四，如果所有仿真分析結(jié)果都能滿足要求，那么就可以進入優(yōu)化設(shè)計工作流程。針對整個系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和機械機構(gòu)等，利用Matlab等軟件來開展優(yōu)化設(shè)計工作。

第五，在優(yōu)化設(shè)計工作結(jié)束以后，我們就能將虛擬模型導(dǎo)進虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)內(nèi)，就虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)來說，硬件設(shè)備只涉及鍵盤、鼠標與顯示器等工具，因此，還需要通過Java、VC++、VB等軟件與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)接口相結(jié)合來設(shè)計人機界面。

第六，結(jié)束虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)計以后，就能夠利用計算機來直接和客戶通信，客戶只要在計算機上安裝虛擬現(xiàn)實瀏覽器，就能夠利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)來觀看并操作產(chǎn)品，并及時反饋信息，然后就能夠結(jié)合用戶反饋的信息來有針對性的調(diào)整、完善產(chǎn)品設(shè)計，一直到客戶滿意為止，結(jié)束以后再進入制造流程。

3 VRML技術(shù)開發(fā)實例

VRML的造型功能十分多樣，一共有10個Geometry節(jié)點，通過Geometry節(jié)點、描述物體性質(zhì)的Appearance節(jié)點能夠建立不同形態(tài)的立體物品;通過View point節(jié)點與Light節(jié)點能夠構(gòu)建視點與光照;通過Audio Clip節(jié)點與Sound節(jié)點能夠給三維立體世界添加音頻。VRML能夠提供各種各樣的傳感器與內(nèi)插節(jié)點，進而不斷提升其交互性。如，Position Interpolator、Orientation Interpolator、Plance Sensor等節(jié)點能夠營造形象、生動的空間效果，Script節(jié)點為VRML創(chuàng)造出更優(yōu)質(zhì)、更強大的空間控制。Script節(jié)點通過Jav Script語言來編寫程序，進而有效增加VRML功能，換言之，工作人員利用Script節(jié)點能夠建立新的內(nèi)插節(jié)點、新的傳感節(jié)點，并實現(xiàn)對系統(tǒng)虛擬環(huán)境的有效驅(qū)動與控制，進而不斷提升虛擬環(huán)境與用戶的交互性。通常來說，可從以下幾個方面來進行創(chuàng)建：第一，通過3D MAX建立虛擬場景和有關(guān)零件，具體來說，3D MAX能夠優(yōu)質(zhì)、高效且迅速建立三維立體模型，還能添加動畫、光效等輔助功能，還具備輸出wrl格式的功能。第二，利用VRML Pad來編寫自定義行為、修改虛擬場景和零部件。通過3D MAX輸出的文件，盡管可以在網(wǎng)上發(fā)布，但因為場景內(nèi)部交互行為較差、零部件不足等原因，因此還需要對已生成的wrl文件代碼不斷完善。工作人員可以利用VRML Pad編輯器來不斷提升代碼編寫效率與水平。第三，通過IE+Cortona插件對漫游系統(tǒng)進行發(fā)布，VRML文件是代碼形式，必須通過VRML瀏覽器進行解釋，才能形成具有交互性的虛擬空間，在具體操作過程中，應(yīng)盡可能選擇操作便捷、渲染功能強的Cortona瀏覽器。

4 基于VRML虛擬現(xiàn)實技術(shù)的建筑用升降機設(shè)計實例

我們利用上述理論知識，基于VRML虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計一建筑用升降機，并構(gòu)建虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。具體流程為：第一，利用Solid Works2010軟件來針對鉆機模型的零件、裝配體建立模型，并利用Solid Works自身的動力學(xué)、運動學(xué)軟件來開展分析工作，然后利用ANSYS12.0軟件來針對一些核心、關(guān)鍵零部件開展有限元分析工作，最終把整個模型導(dǎo)進虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。本文中涉及的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是利用VB6.0與VRML來共同建立虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)瀏覽器。

5 結(jié)束語

綜上所述，VRML虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一門涉及諸多學(xué)科內(nèi)容的價值高、發(fā)展?jié)摿Υ蟮男滦图夹g(shù)，在社會大生產(chǎn)的諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的網(wǎng)絡(luò)化、人機交互等在用升降梯涉及方面的應(yīng)用非常少。從目前發(fā)展趨勢來看，用升降梯的實現(xiàn)智能化、自動化發(fā)展已是大勢所趨，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用會給鉆戒機械設(shè)計創(chuàng)造一場前所未有的發(fā)展變革。

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