虛擬維修關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要：介紹了虛擬維修系統(tǒng)構(gòu)成所需的四大模塊，分別對虛擬維修關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入分析，重點(diǎn)研究了虛擬維修系統(tǒng)如何建模、信息怎樣表達(dá)、如何規(guī)劃技術(shù)、干涉問題的解決以及修理工具的制作。

關(guān)鍵詞：虛擬維修；系統(tǒng)建模；信息表達(dá)；碰撞檢測；工具制作

中圖分類號：TP391.9

自從20世紀(jì)80年代末虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality簡稱VR）的概念提出以來，虛擬現(xiàn)實(shí)作為一門新興學(xué)科正在蓬勃發(fā)展。虛擬維修技術(shù)是建立在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展起來的，用來解決維修性和維修訓(xùn)練的技術(shù)手段，是利用維修仿真軟件對產(chǎn)品進(jìn)行虛擬的維修分析，發(fā)現(xiàn)可能存在的維修問題。后還可運(yùn)用于維修訓(xùn)練領(lǐng)域，可指導(dǎo)維修人員進(jìn)行維修，對維修人員進(jìn)行維修的培訓(xùn)[1]。虛擬維修技術(shù)是多種技術(shù)的融合，包括系統(tǒng)建模、信息表達(dá)、工藝規(guī)劃、干涉分析、維修工具制作等。

1 虛擬維修系統(tǒng)

一般虛擬維修系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括四部分：（1）維修總體信息的輸入，包括各種維修屬性；（2）進(jìn)行虛擬維修時(shí)周圍的環(huán)境狀態(tài)；（3）進(jìn)行虛擬維修時(shí)，需要的各種外部設(shè)備；（4）虛擬維修數(shù)據(jù)庫。如圖1所示[2]：

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 建模技術(shù)之虛擬維修。虛擬維修系統(tǒng)模型可以看作是實(shí)際維修系統(tǒng)的描述、造型、模仿或抽象，通過實(shí)物、圖形或符號來代表維修樣機(jī)、人及環(huán)境等組成部分之間的相互關(guān)系。三維建模是虛擬維修的基礎(chǔ)，建模的好壞直接關(guān)系到交互性和沉浸感的實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)建模技術(shù)大多停留在點(diǎn)、線框、表面和實(shí)體建模的基礎(chǔ)上，主要處理的是產(chǎn)品的純幾何信息、物理信息和行為信息。考慮到虛擬維修的特點(diǎn)，新一代特征建模更為有效。很多商業(yè)化三維CAD軟件如Solidworks、pro/Engineer、UG等都可以用來建立實(shí)體模型。

2.2 表達(dá)技術(shù)之虛擬維修。虛擬維修中除了要描述各零件的基本屬性外，還應(yīng)表達(dá)部件存的相互之間的關(guān)系，應(yīng)描述各零部件之間的相互關(guān)聯(lián)的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)。裝配體的信息包括以下三方面[3]：（1）零部件本身的屬性，包括物理、幾何、工程設(shè)計(jì)等屬性信息；（2）裝配體之間的裝配關(guān)系：1）零件與零件之間的相對位置與相對方向關(guān)系，2）零件與裝配體之間的相對關(guān)系；（3）裝配體各層次關(guān)系信息：裝配體的層次信息可由裝配樹來表達(dá)。由圖2，裝配體由若干層子的子裝配體組成，子裝配體又由下一層次的子裝配體或各零件組成，呈樹狀結(jié)構(gòu)。裝配樹可直觀描述裝配關(guān)系及順序。

2.3 規(guī)劃技術(shù)之虛擬維修。虛擬維修規(guī)劃包括維修順序規(guī)劃和維修路徑規(guī)劃等。在進(jìn)行虛擬維修過程中，由操作人員對虛擬裝備進(jìn)行拆卸、維修和安裝。整個(gè)交互式過程被虛擬維修系統(tǒng)記錄下來，從而記錄了順序、路徑、工具、維修方法、維修時(shí)間等信息。

虛擬維修系統(tǒng)包括沉浸式與非沉浸式兩種。規(guī)劃主要用于非沉浸式，但隨著虛擬裝備系統(tǒng)龐大，零部件數(shù)量多，拆裝順序的組合方式也迅速增長。而且許多維修方式與經(jīng)驗(yàn)很難通過編程和公式來進(jìn)行描述。環(huán)境的描述、設(shè)計(jì)分析也需要準(zhǔn)確。對維修過程序列進(jìn)行規(guī)劃是研究虛擬維修規(guī)劃的重點(diǎn)內(nèi)容?？刹捎肁ND/OR圖、有向圖、連接圖、混合圖和Petri網(wǎng)等方法對拆裝過程序列進(jìn)行分析、規(guī)劃。綜合各圖法特點(diǎn)，目前虛擬維修過程規(guī)劃研究最常用的為Petri網(wǎng)方法，該方法可對虛擬維修規(guī)劃進(jìn)行定量與定型分析，便于擴(kuò)展，有良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

虛擬維修環(huán)境的信息如果已知，采用全局路徑規(guī)劃；如果虛擬維修環(huán)境的信息未知或部分環(huán)境未知，則采用局部路徑規(guī)劃。對于全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃所采用算法有所不同，目前對于非沉浸式虛擬維修的全局路徑規(guī)劃采用的算法有：拓?fù)浞?、?gòu)形空間法、柵格法、概率路徑圖法以及可視圖法。對于非沉浸式虛擬維修的局部路徑規(guī)劃采用的算法有：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法、遺傳算法、模糊邏輯算法以及人工勢場法等。

2.4 干涉問題分析之虛擬維修。在對虛擬維修系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要對零部件之間干涉問題進(jìn)行分析。而碰撞檢測則是干涉分析中的一種較有效的技術(shù)。碰撞檢測可影響虛擬系統(tǒng)環(huán)境的真實(shí)感和沉浸感，是面向?qū)ο笕藱C(jī)交互的技術(shù)基礎(chǔ)。碰撞檢測可分為靜態(tài)碰撞檢測和動態(tài)碰撞檢測兩種。在對裝備零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用靜態(tài)干涉檢驗(yàn)，靜態(tài)檢驗(yàn)零部件之間相對位置間隙及干涉情況，根據(jù)檢驗(yàn)分析結(jié)果再對零部件設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。在對裝備可裝配性進(jìn)行設(shè)計(jì)評估時(shí)，采用動態(tài)干涉檢驗(yàn)零部件裝配時(shí)之間的約束關(guān)系、裝配路徑以及裝配關(guān)系，從而對拆裝和維修姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整、修改。并且算法也分靜態(tài)算法和動態(tài)算法兩種。目前，研究較多的為離散型動態(tài)碰撞檢測算法，因?yàn)樵撍惴ǖ膶?shí)時(shí)性能夠滿足虛擬維修系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)需求。離散型碰撞檢測的方法通常是利用三維幾何體進(jìn)行求交，或利用零部件二維投影的圖像和深度來進(jìn)行求交，從而判斷干涉與否。眾多算法中，采用層次結(jié)構(gòu)模型，基于圖形的碰撞檢測應(yīng)用最為廣泛。該方法的幾何對象由體積略微大于幾何體的包圍盒來描述，并且僅對包圍盒重疊部分進(jìn)行測試，得到相交結(jié)論。這樣的幾何模型被層次結(jié)構(gòu)逐漸逼近，最終得到維修裝備的幾何特性[4]。

2.5 工具的制作之虛擬維修。在實(shí)際對裝備進(jìn)行拆裝、修理中，維修工具必不可少，特別是一些特殊零部件必須采用專用工具操作才能完成。因此在對裝備進(jìn)行虛擬維修過程中，采用工具來對裝備進(jìn)行拆裝、維修，例如采用工具完成緊固件的拆卸、抓取、移動以及安裝等操作，需采用虛擬工具來完成特定的操作，才能更真實(shí)地反映虛擬維修過程。在維修工具建模時(shí)，常采用關(guān)節(jié)模型、邏輯模型、顯示模型、碰撞模型等對虛擬維修工具進(jìn)行描述。在虛擬維修工具操作方面，需要對工具的位置和可操作空間進(jìn)行分析和描述。虛擬維修過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及到的維修裝配工具很多，在對維修工具進(jìn)行制作時(shí)，應(yīng)充分的考慮到各零部件之間的相對運(yùn)動約束關(guān)系，以及維修工具與維修對象之間的約束關(guān)系，從而才能對維修工具的操作進(jìn)行約束和設(shè)計(jì)。要考慮到維修工具首先要選擇維修對象，并與對象固定聯(lián)接后進(jìn)行驅(qū)動。在使用維修工具過程中，維修系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測維修對象的狀態(tài)，一旦裝配或修理動作完成，停止對工具的操作，維修過程結(jié)束。除此以外，還需考慮與維修對象碰撞檢測、約束識別、抓取、釋放等方面的問題。

3 結(jié)束語

虛擬維修技術(shù)是熱門而又前沿的技術(shù)，采用虛擬維修技術(shù)可有效降低維修訓(xùn)練成本，在裝備設(shè)計(jì)與維修領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本文對虛擬維修的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的探討，給出了虛擬維修技術(shù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

[1]WanH G，Gao SM， Peng Q S. Virtual Assembly In ACAVE Environment [A].In： Proceedings of the Seventh International Conference on Computer Aided Design and Computer Graphics[C].Kunming：International Academic Publishers，2001：552-557.

[2]成小英.綠色維修理論及其評價(jià)體系研究[D].安徽理工大學(xué)，2004（04）：28-30.

[3]陳定方等著.虛擬設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[4]馬麟.虛擬維修過程模型的研究[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2005.

作者單位：95890部隊(duì)政治處，武漢 430033