電梯安裝虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)技術(shù)研究

杜寶江，王衍昊，倪佳偉，杜秋雨

(上海理工大學(xué) 機械學(xué)院，上海 200093)

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電梯安裝虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)技術(shù)研究

杜寶江，王衍昊，倪佳偉，杜秋雨

(上海理工大學(xué) 機械學(xué)院，上海 200093)

從電梯設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點和電梯現(xiàn)場安裝的培訓(xùn)內(nèi)容入手，針對傳統(tǒng)的電梯安裝培訓(xùn)方式無法滿足企業(yè)快速培養(yǎng)出電梯安裝相關(guān)人才的問題，提出了構(gòu)建用于電梯現(xiàn)場安裝培訓(xùn)的虛擬指導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計方案。以電梯現(xiàn)場安裝為例闡述虛擬指導(dǎo)系統(tǒng)的構(gòu)建，包括設(shè)備虛擬樣機的建立和優(yōu)化方法、交互式虛擬場景的功能實現(xiàn)方法。通過VRML和協(xié)同技術(shù)，建立一個交互式虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)來幫助操作人員及學(xué)員掌握電梯的安裝工藝。該虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)為電梯安裝培訓(xùn)提供了有效的工具，大幅提高了技術(shù)人員的培訓(xùn)效率。

電梯；虛擬培訓(xùn)；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；交互技術(shù)

電梯作為日常生活中必不可少的機電設(shè)備，電梯安裝的質(zhì)量對保證其可靠運行與使用安全尤為重要。傳統(tǒng)的電梯安裝培訓(xùn)方法，除了理論學(xué)習(xí)外，就是由兩三名有經(jīng)驗的師傅帶著一名學(xué)徒在現(xiàn)場施工學(xué)習(xí)。電梯的施工安裝并不像流水線般的操作單一，其環(huán)節(jié)多且復(fù)雜。電梯的質(zhì)量直接影響到使用者的生命財產(chǎn)安全，影響電梯質(zhì)量的主要因素除了電梯的加工制造技術(shù)外，還包括電梯的安裝質(zhì)量。因此，電梯的安裝維護人員必須經(jīng)過相關(guān)的培訓(xùn)[1-5]。

本文結(jié)合虛擬培訓(xùn)的優(yōu)勢，依據(jù)電梯設(shè)備現(xiàn)場安裝工藝的特點，用計算機仿真電梯設(shè)備零部件的運動，實現(xiàn)了對在施工過程中電梯零部件安裝動作的仿真。通過建立電梯工作的一個虛擬環(huán)境，來模擬電梯實際安裝和維護過程，構(gòu)造了一個高效、逼真的交互操作環(huán)境，使學(xué)員達到身臨其境的感覺。以實際電梯設(shè)備的構(gòu)造和運行原理、安裝調(diào)試工藝及操作方法為參考建立虛擬樣機，并且對虛擬樣機模型進行優(yōu)化處理，提高了模型的加載速度，增強了系統(tǒng)循行的流暢度。

1 系統(tǒng)的設(shè)計流程

(1)構(gòu)建虛擬樣機。構(gòu)建裝備包含的所有機械零件的三維模型，通過虛擬裝配實現(xiàn)虛擬樣機，建立運動模型。實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與圖形數(shù)據(jù)參數(shù)的聯(lián)動，實現(xiàn)可視化虛擬裝配關(guān)系、運動關(guān)系自運行和交互運行功能；(2)生成及控制虛擬場景。讓用戶能夠真正沉浸于一個由計算機生成的逼真、自然的交互式虛擬環(huán)境中；(3)設(shè)計培訓(xùn)內(nèi)容。根據(jù)培訓(xùn)任務(wù)和需要制定培訓(xùn)內(nèi)容框架，為了提高學(xué)習(xí)效率，將培訓(xùn)系統(tǒng)分為3種模式：演示模式、學(xué)習(xí)模式和考試模式。設(shè)計人性化的人機操作界面；(4)系統(tǒng)集成控制。將整個系統(tǒng)的開發(fā)過程中，以主線的方式將各個模塊的管理、更新、分塊、關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)共享等功能組裝在整個開發(fā)程序里。

通過該系統(tǒng)，學(xué)員可以全面了解設(shè)備的工作過程、結(jié)構(gòu)和工作原理，學(xué)習(xí)設(shè)備的操作、維護及典型故障檢修，掌握安全知識，并可對學(xué)員的學(xué)習(xí)效果進行考核。由于系統(tǒng)包含了機械裝備的所有三維模型、結(jié)構(gòu)及工作原理，因此本系統(tǒng)還可以對設(shè)計和制造人員進行培訓(xùn)[6]。

圖1 總體系統(tǒng)流程圖

2 電梯設(shè)備虛擬樣機的建立

2.1 電梯虛擬樣機的建立方法

虛擬指導(dǎo)系統(tǒng)中所需的虛擬樣機，主要用于向受訓(xùn)人員展示電梯設(shè)備的構(gòu)造和運行原理、安裝調(diào)試工藝及操作方法等，因此首先要了解電梯設(shè)備施工工藝的相關(guān)知識，參考相應(yīng)的技術(shù)資料建立各零件模型，然后將這些零件分別裝配成部件，為之后的運動定義給出完整的零部件約束關(guān)系。虛擬樣機的建立不僅包含了零部件的大小、形狀、位置等信息，還包括零部件的信息、零部件間的裝配關(guān)系，連鎖關(guān)系信息[7-9]。

按照模型樹狀結(jié)構(gòu)層次圖自下向上的順序，構(gòu)建機械設(shè)備包含的所有機械零件的三維模型，通過虛擬裝配構(gòu)建虛擬樣機。

根據(jù)機械設(shè)備的圖紙數(shù)據(jù)獲得設(shè)備零部件的三維尺寸和形狀，使用按照制造企業(yè)現(xiàn)行應(yīng)用的數(shù)字化設(shè)計軟件SolidWorks創(chuàng)建零部件。目前大型機械設(shè)備在設(shè)計階段通常都已有三維模型存在，如可直接獲得，對模型進行優(yōu)化并按命名規(guī)范給模型重新命名即可。

在設(shè)置完虛擬對象的形狀和外觀后，就要構(gòu)建動態(tài)樣機。構(gòu)建動態(tài)樣機主要用于確定三維對象在世界坐標(biāo)系中的位置，及其在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的運動。所構(gòu)建的動態(tài)樣機涉及到的物體的主要特性包括：位置改變、碰撞、捕獲、表面變形等。其中，物體位置包括物體的移動、旋轉(zhuǎn)和縮放。在視景仿真中，需要用到對象的絕對坐標(biāo)和相對坐標(biāo)。一般情況下，給每個對象都賦予一個坐標(biāo)系統(tǒng)，稱之為對象坐標(biāo)系統(tǒng)，這個對象坐標(biāo)系統(tǒng)會隨著物體的移動而改變。

最后通過I/O映射關(guān)系的設(shè)置，定義電氣控制邏輯與機械部分運動間的控制，實現(xiàn)可控虛擬樣機的構(gòu)建。從而滿足虛擬培訓(xùn)中實時仿真的需求。

2.2 電梯虛擬樣機模型的優(yōu)化處理

影響系統(tǒng)運行速度的主要因素是模型數(shù)據(jù)量過大，這是由于模型過于精細造成的。影響模型逼真性的重要因素之一是其細節(jié)程度。但是，建立虛擬模型的目的是為了給在培訓(xùn)中演示機械設(shè)備在虛擬環(huán)境中的運行狀況，并同時響應(yīng)主程序中的命令實現(xiàn)交互任務(wù)。因此在建模時不能只注重虛擬環(huán)境及虛擬樣機的逼真性，過分強調(diào)建模細節(jié)，對于所有結(jié)構(gòu)和表面特征都采用多邊形來實現(xiàn)，將導(dǎo)致場景數(shù)據(jù)庫龐大，系統(tǒng)運行速度下降，嚴重影響整個系統(tǒng)的綜合性能，并會增大工作量。

SolidWorks 本身可以通過不同的方法減小模型文件的大小。為使SolidWorks文件壓縮至原文件的十幾分之一或更小，其解決辦法有減少模型多邊形數(shù)、紋理映射表現(xiàn)模型細節(jié)和刪除冗余多邊形等。

3 交互式虛擬場景的生成及控制

3.1 虛擬場景的功能分析

電梯的虛擬場景最終是為學(xué)員學(xué)習(xí)施工流程而服務(wù)的，所以，在開始相關(guān)的具體制作之前，需要進行該模塊的功能分析，隨后制定出一套制作流程，接著再按照制作流程具體實施。

電梯的虛擬培訓(xùn)，主體在于學(xué)員，由學(xué)員通過相關(guān)的操作借助于虛擬場景的反饋從而達到學(xué)習(xí)的目的，而這個學(xué)習(xí)的目的主要在于電梯的施工流程培訓(xùn)，總結(jié)為功能圖如圖2所示。

圖2 虛擬培訓(xùn)流程

3.2 虛擬場景中虛擬樣機的處理方法

由于電梯的虛擬樣機模型眾多，使得虛擬樣機的數(shù)據(jù)文件很大，描述每個零部件模型的面片數(shù)也較多，如果將整個虛擬樣機一次性導(dǎo)入系統(tǒng)中，必然造成運行速度緩慢，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，所以本系統(tǒng)采用動態(tài)導(dǎo)入、動態(tài)調(diào)用的方法。

對于電梯的培訓(xùn)系統(tǒng)來講，施工是在不同樓層進行的，所以由于視點的關(guān)系，在當(dāng)前樓層施工時并不是所有的零部件都是處于可見的狀態(tài)。展示不出的零件模型無需調(diào)用，以免增加系統(tǒng)的負擔(dān)。

將零件模型導(dǎo)入VRML的場景中以后，先使用PROTO語句將模型進行封裝，并對原有模型進行適當(dāng)?shù)男薷囊允蛊溲b配或運動可用，再利用Externproto動態(tài)導(dǎo)入實現(xiàn)。Externproto語句允許程序引用VRML中外部文件定義的原型根據(jù)要求做一些節(jié)點的改變。以電梯機房擱機主梁為例，其語法結(jié)構(gòu)如下

Externproto gejizhuliang #定義原型節(jié)點名稱

[ exposedField SFFloat transparency #域或事件的自定義

exposedField SFColor emissiveColor

exposedField SFVec3f translation

]

“jifangbijiangejizhuliang.wrl” #外部節(jié)點的資源定位

其中，Externproto Name 為引用的外部節(jié)點的名稱，Name可以使用與外部節(jié)點定義不同的節(jié)點名稱，但域和事件的名稱和類型必須與引用的外部節(jié)點中的定義一樣。

上述程序段確定了“jifangbujian”原型的3個域：transparency，emissiveColor和translation，其字段類型分別為SFFloat、SFColor、SFVec3f。要使模型能連續(xù)不斷地改變狀態(tài)，首先要有一個連續(xù)不斷的事件源、一個能處理事件的Script節(jié)點。所以，“gejizhuliang”原型所要包含的節(jié)點就有：Transform節(jié)點、Material節(jié)點、TimeSensor節(jié)點、Script節(jié)點4種。原型確定好后如果不經(jīng)引用，將不會生成場景。

4 交互式動作制作方法

如果僅是觀看施工流程的動作，培訓(xùn)效果肯定不夠理想，所以需要加入學(xué)員模擬施工操作的模塊，即交互式動作[10]。

電梯虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)實現(xiàn)的人機交互主要是通過軟件來實現(xiàn)的交互方法，利用現(xiàn)有的二維交互設(shè)備進行對三維交互機械裝備的模擬與仿真，實現(xiàn)二維屏幕坐標(biāo)到三維空間坐標(biāo)的映射，從而實現(xiàn)對三維環(huán)境中的虛擬機械裝備進行操作。該種交互式操作方法符合學(xué)員的習(xí)慣，便于操作和掌握，無需對培訓(xùn)系統(tǒng)的使用做專門培訓(xùn)[11]。

在電梯虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中，機械裝備的交互任務(wù)一般包括對電梯模型的導(dǎo)入、操作等，其中主要涉及模型的選取、平移、選擇、縮放等操作，同時還要進行視點變換和系統(tǒng)控制等。一般情況下，一個完整的交互任務(wù)往往由若干個子任務(wù)交替或配合地進行完成，將任務(wù)分解到交互設(shè)備，需要經(jīng)過以下幾步：(1)選取視點變化工具；(2)移動視點到機械裝備所在的界面；(3)選擇需要移動的機械裝備；(4)選取機械裝備的移動工具；(5)移動機械裝備到指定位置。

圖3 電梯交互任務(wù)分析

拾取虛擬場景中機械裝備的三維模型是虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中重要的交互任務(wù)之一，在虛擬場景交互操作如平移、選擇等都是以準(zhǔn)確拾取機械裝備模型為基礎(chǔ)的。三維拾取操作的本質(zhì)可以看作是三維圖形顯示的逆過程，即鼠標(biāo)在二維屏幕上點擊的點落入模型實體在屏幕中的投影區(qū)時，該點所在的圖元稱為最前端圖元，應(yīng)用程序通過返回該圖元對應(yīng)的三維實體模型及相關(guān)的信息來實現(xiàn)鼠標(biāo)對該圖元所在實體的拾取。三維空間中三維拾取的方法主要有采用構(gòu)造的樹狀結(jié)構(gòu)模型和直接通過鼠標(biāo)點擊拾取物體模型兩種方法。本系統(tǒng)采用通過鼠標(biāo)點擊拾取的方法。通過獲取鼠標(biāo)在屏幕上的點擊點，經(jīng)屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到投影點，以視點為起點，經(jīng)投影點構(gòu)造一條垂直指向屏幕的射線，然后經(jīng)投射變換、坐標(biāo)變換獲得一條位于模型空間的射線，由于所有模型都位于視錐之內(nèi)，因此只需判斷這條射線與場景中的哪個模型相交，經(jīng)過選擇即可獲取所需模型[12-15]。

5 結(jié)束語

本文針對電梯現(xiàn)場安裝虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，討論了虛擬樣機工作原理的自動生成方法、交互式運動仿真自動生成方法、虛擬樣機實時控制與驅(qū)動技術(shù)，提高了對施工安裝相關(guān)人員的培訓(xùn)效率、增強了培訓(xùn)效果、降低了培訓(xùn)成本，為實際樣機的開發(fā)提供了參考。

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Research on Virtual Training System for Elevator Installation

DU Baojiang，WANG Yanhao，NI Jiawei，DU Qiuyu

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Based on the analysis of elevator structure and the training content of elevator installation, this paper offers a scheme of virtual training system for elevator installation, solving the problem that the traditional elevator installation training methods cannot fully meet the rapid developing demands for personnel training. Taking the elevator installation as an example, this paper expounds the construction of the virtual guidance system, including the establishment of the virtual prototype of the device and the optimization method and the function of the interactive virtual scene. An interactive virtual training system is established through VRML and collaborative technology to help operators and students master the installation process of the elevator. This virtual training system provides a powerful tool for elevator installation and training which greatly improves the training efficiency of the technical staff.

elevator; virtual training; virtual reality technology; prototype

2016- 07- 16

王衍昊(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：計算機輔助設(shè)計等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.032

TP273+.22

A

1007-7820(2017)06-115-04