基于某履帶式自行裝備負(fù)重輪虛擬拆裝實(shí)現(xiàn)

段 玭 ， 吳 濤 ， 黃 磊 ， 蔡朝陽 ， 劉 飛

（1.總裝工程兵駐武漢地區(qū)軍代室 湖北 武漢 430073；2.總裝備部工程兵軍事代表局 北京 100850）

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是高技術(shù)武器裝備的戰(zhàn)爭(zhēng)，也是高損耗的戰(zhàn)爭(zhēng)。隨著作戰(zhàn)理論的發(fā)展，裝備的維修保障也發(fā)生了深刻的變革，這對(duì)指揮員提出了更高的要求。只有熟練掌握武器裝備的各種維修技能才能對(duì)裝備維修、戰(zhàn)場(chǎng)搶修等實(shí)施正確的指揮。然而，高技術(shù)武器裝備造價(jià)昂貴、品種繁多且數(shù)量較為稀少，傳統(tǒng)的維修訓(xùn)練方式——實(shí)裝維修不利于裝備戰(zhàn)斗力的保持。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)裝備維修系統(tǒng)[1]，可使指揮員在不動(dòng)用實(shí)際裝備的情況下，開展維修活動(dòng)、積累裝備維修經(jīng)驗(yàn)。虛擬拆裝的研究是實(shí)現(xiàn)虛擬維修的前提，是整個(gè)維修過程的基礎(chǔ)。本論文正是以某履帶式自行裝備負(fù)重輪的拆卸為例，探討了裝備拆裝具體的實(shí)現(xiàn)過程。

1 拆裝實(shí)現(xiàn)的軟、硬件環(huán)境

文中采用3D Max、Multigen Creator構(gòu)建虛擬部件模型，并進(jìn)行模型優(yōu)化、賦予自由度和約束[2]，最后利用視景仿真工具 Multigen Vega的 API函數(shù)庫進(jìn)行MFC編程[3]，對(duì)模型進(jìn)行管理及驅(qū)動(dòng)。文中基于Vega/VC++開發(fā)環(huán)境中[4]，利用虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備Immersion公司的賽伯手套（Cyber Glove）、5DT數(shù)據(jù)頭盔以及 FOB位置跟蹤器（Flock of Birds）等交互設(shè)備，如圖1～圖3所示，對(duì)虛擬部件進(jìn)行控制，完成拆裝過程。

圖1 賽伯手套Fig.1 Cyber glove

2 負(fù)重輪拆裝過程實(shí)現(xiàn)

圖2 5DT頭盔顯示器Fig.2 5DT helmet

圖3 FOB位置跟蹤器Fig.3 FOB position tracker

無論實(shí)裝維修或虛擬維修都是建立在熟練的拆裝技術(shù)基礎(chǔ)上的，絕大部分維修都要進(jìn)行各別零部件的拆裝，才能進(jìn)行檢查維修以及維護(hù)保養(yǎng)，所以拆裝過程的真實(shí)性與精確性決定了虛擬維修的成功與否[5]。整個(gè)拆裝過程我們大體分為兩部分，即拆的過程和裝的過程，假定裝是拆的逆過程，那么只需要實(shí)現(xiàn)零件從整個(gè)部件上拆下的過程就完成了拆裝的要求。文中正是基于實(shí)際考慮，實(shí)現(xiàn)了某履帶式自行裝備虛擬拆裝過程。

2.1 虛擬負(fù)重輪建模

負(fù)重輪是維修人員需要定期檢查和維護(hù)的部件，當(dāng)發(fā)生負(fù)重輪與懸掛裝置有松動(dòng)、回繞式擋油環(huán)密封不好、橡膠分離或大塊脫落、輪轂過熱和中間負(fù)重輪不著地或用大撬杠可撬起等情況時(shí)，就需要對(duì)負(fù)重輪進(jìn)行拆裝。

2.1.1 自行裝備負(fù)重輪本體建模

自行裝備行動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)重輪每輛炮車共有12個(gè)，分左右兩邊，固定在平衡肘上[6]，其正視圖如圖4所示。圖5為本論文建立的負(fù)重輪模型。

圖4 負(fù)重輪正視圖Fig.4 Elevation of loading wheel

圖5 負(fù)重輪模型Fig.5 Model of loading wheel

圖6 懸掛裝置構(gòu)造圖Fig.6 Structure of hanging device

圖7 懸掛裝置模型Fig.7 Model of hanging device

2.1.2 懸掛裝置建模

負(fù)重輪固定在懸掛裝置上，拆卸時(shí)需要體現(xiàn)出負(fù)重輪從懸掛裝置上脫離出來的動(dòng)作 （懸掛裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示），所以有必要對(duì)懸掛裝置進(jìn)行建模。懸掛裝置模型如圖7所示。

2.2 拆裝工具建模

主要建立了5噸千斤頂、扭矩扳手和撬棍[7]。復(fù)雜工具千斤頂模型如圖8所示。

圖8 5噸千斤頂Fig.8 Model of jack

2.3 拆裝過程仿真

2.3.1 拆裝想定設(shè)計(jì)

本文仿真假定：有一部裝備發(fā)生故障需要維修，已經(jīng)知道負(fù)重輪掛膠有橡膠分離甚至大塊的脫落，影響正常行駛，需要將負(fù)重輪拆下并進(jìn)行更換。本次故障維修活動(dòng)主要涉及的就是負(fù)重輪拆卸和安裝。在維修過程中認(rèn)為安裝是拆卸的逆[8]，所使用的專用工具有5噸千斤頂、扭矩扳手和撬棍，所需人員：2人。拆裝順序和內(nèi)容如圖9和表1所示。

2.3.2 拆裝流程設(shè)計(jì)

圖10是負(fù)重輪虛擬拆裝活動(dòng)流程圖。

圖9 負(fù)重輪拆裝順序示意圖Fig.9 Process of assembly and disassembly

表1 維修活動(dòng)內(nèi)容Tab.1 Maintenance content

圖10 負(fù)重輪虛擬拆裝活動(dòng)流程圖Fig.10 Flow of assembly and disassembly

圖11 負(fù)重輪虛擬拆裝界面Fig.11 User interface

2.3.3 程序?qū)崿F(xiàn)

在Visual C++6.0集成開發(fā)環(huán)境中，運(yùn)用MFC消息響應(yīng)機(jī)制，本文對(duì)負(fù)重輪拆裝活動(dòng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[9]。圖11是負(fù)重輪虛擬拆裝界面。

3 結(jié) 論

綜上所述，虛擬拆裝是一個(gè)非常復(fù)雜的活動(dòng)，一個(gè)簡(jiǎn)單的拆裝過程需要分解成幾個(gè)小的動(dòng)作單元，利用數(shù)據(jù)手套獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確的碰撞檢測(cè)和一定的虛擬物體定位技術(shù)等才能實(shí)現(xiàn)。其中，它需要頻繁的碰撞檢測(cè)和操作動(dòng)作的識(shí)別，因此高效的碰撞檢測(cè)算法和拆裝動(dòng)素算法在虛擬維修中是必須解決的問題，而且還必須要有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫支撐，包括所有零部件和工具模型的建立、拆裝順序?qū)＜規(guī)斓拇罱?。本文正是基于前人研究的基礎(chǔ)之上，利用穩(wěn)定的、健壯的算法實(shí)現(xiàn)了靈活的虛擬拆裝，主要完成了以下3點(diǎn)：

1）實(shí)現(xiàn)了某履帶式自行裝備負(fù)重輪虛擬拆裝；

2）構(gòu)建了拆裝工具模型，定義了運(yùn)動(dòng)序列和路徑；

3）本文所建立的虛擬拆裝系統(tǒng)，為其他武器裝備乃至地方工業(yè)產(chǎn)品的虛擬裝配提供了開發(fā)平臺(tái)。

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