基于Unity的模型虛擬裝配系統(tǒng)研究

孔偉晶 王鴻偉 王榮海

摘 要：為了改善Pro/E等軟件進(jìn)行零件裝配不夠直觀，以及僅面向單個(gè)產(chǎn)品的虛擬裝配系統(tǒng)花費(fèi)成本高且適用性低的問題，本文將虛擬裝配技術(shù)用于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的過程，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品裝配過程可視化，具有即導(dǎo)即用的特點(diǎn)，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。使用Unity引擎，以及HTC Vive頭盔式顯示器，進(jìn)行模型的組裝與拆卸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究，提出了多零件模型在虛擬環(huán)境中定位與復(fù)位的實(shí)現(xiàn)方法，初步實(shí)現(xiàn)虛擬裝配過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：模型導(dǎo)入即可使用，并可在虛擬環(huán)境下進(jìn)行基本組裝與拆卸操作。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；Unity；HTC Vive；虛擬裝配

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助工具，以及仿真軟件雖然可以為設(shè)計(jì)者提供模擬裝配操作，但是也具有場(chǎng)景不夠直觀的弊端，使得實(shí)際生產(chǎn)的產(chǎn)品與模擬裝配的產(chǎn)品之間存在差異，影響產(chǎn)品投入使用。

在傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中要進(jìn)行模擬裝配操作，而這個(gè)過程主要是根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，以及模型大小比例實(shí)現(xiàn)。由于開發(fā)者的理論知識(shí)有限，而且建模之后的模型零件的裝配操作更注重零件之間的裝配約束關(guān)系而忽略了裝配順序，偏離實(shí)際裝配過程。這就決定了無法在模擬裝配過程中解決所有的問題，在產(chǎn)品實(shí)際投入市場(chǎng)之前，還需要多次進(jìn)行實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)，經(jīng)過測(cè)試解決虛擬與現(xiàn)實(shí)之間的差異。整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的維護(hù)在開發(fā)周期中耗時(shí)大，需要進(jìn)行一次又一次的設(shè)計(jì)更新來解決新發(fā)現(xiàn)的問題，如此便會(huì)造成時(shí)間消耗大、投入大，不利于產(chǎn)品更新?lián)Q代頻繁的新時(shí)代下企業(yè)的需求[1，2]。

虛擬裝配技術(shù)的出現(xiàn)為盡早在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)問題與解決問題提供了可能，在真實(shí)感上比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件效果好，但是僅面向單個(gè)產(chǎn)品的虛擬裝配系統(tǒng)花費(fèi)成本高且適用性低，針對(duì)此問題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了面向大眾的虛擬裝配系統(tǒng)，具有即導(dǎo)即用的特點(diǎn)[3]。

2 模型虛擬裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（Design and

implementation of model virtual assembly system）

對(duì)VR場(chǎng)景預(yù)先進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，幫助體驗(yàn)者了解整體結(jié)構(gòu)，也有助于開發(fā)者在整體開發(fā)過程中對(duì)整體結(jié)構(gòu)有一定的把握，有助于開發(fā)者對(duì)界面功能與樣式的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)共分為三個(gè)場(chǎng)景，主場(chǎng)景為main menu，子場(chǎng)景為拆卸場(chǎng)景和組裝場(chǎng)景。主場(chǎng)景模擬展廳效果，通過對(duì)模型進(jìn)行簡單操作了解模型結(jié)構(gòu)。然后在拆卸場(chǎng)景進(jìn)行虛擬拆卸操作，在組裝場(chǎng)景進(jìn)行虛擬組裝操作。用戶通過控制手柄點(diǎn)擊主場(chǎng)景main menu的拆卸或者組裝按鈕進(jìn)入拆卸或組裝場(chǎng)景[4]。

2.1 主場(chǎng)景功能設(shè)計(jì)

2.1.1 主場(chǎng)景主要功能

啟動(dòng)Unity模型自動(dòng)旋轉(zhuǎn)（模擬展廳效果）[5，6]。

①按動(dòng)手柄Trigger鍵點(diǎn)擊按鍵可對(duì)模型進(jìn)行模型移位、放大、縮小、復(fù)位操作。

②拖動(dòng)滑塊位置改變模型旋轉(zhuǎn)的速度。

③拉動(dòng)左右兩邊邊框可滑動(dòng)文字進(jìn)行閱讀。左邊為模型位置信息、大小信息、旋轉(zhuǎn)信息，一旦移動(dòng)模型數(shù)據(jù)就刷新，右邊為“魔釘”簡介。

④點(diǎn)擊組裝、拆卸按鈕可跳轉(zhuǎn)場(chǎng)景。

⑤場(chǎng)景啟動(dòng)自動(dòng)找到特定名字模型自加組件并將模型定位到場(chǎng)景中心位置。

2.1.2 自加組件功能

主場(chǎng)景主要是模擬展廳的效果，可以給用戶帶來互動(dòng)體驗(yàn)，提升新鮮感，同時(shí)展示完整模型的效果，為后續(xù)組裝做準(zhǔn)備。為給用戶提供方便，減輕每次改變模型時(shí)需要手動(dòng)添加組件的麻煩，經(jīng)過代碼控制可實(shí)現(xiàn)在場(chǎng)景啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)尋找指定名字的模型然后檢測(cè)是否添加組件，一旦檢測(cè)到?jīng)]有添加，就自動(dòng)加上相應(yīng)的組件。用戶只需要在導(dǎo)入模型時(shí)將模型名字改為固定的名字即可。主場(chǎng)景可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)添加MeshRenderer、碰撞體BoxCollider、剛體Rigidbody、抓取Draggable。只有組件添加之后才可以實(shí)現(xiàn)模型在展臺(tái)上旋轉(zhuǎn)不會(huì)掉落，通過手柄進(jìn)行抓取的功能。

2.1.3 場(chǎng)景轉(zhuǎn)換功能

中間Canvas主要是進(jìn)行場(chǎng)景轉(zhuǎn)換，提供用戶從主場(chǎng)景轉(zhuǎn)換到組裝、拆卸場(chǎng)景的渠道，其次，還提供了模型放大、縮小的按鈕。Canvas下提供一個(gè)可控制模型旋轉(zhuǎn)速度的滑塊，用戶可調(diào)節(jié)到適合觀看的旋轉(zhuǎn)速度。為了界面的美觀度，用多個(gè)image進(jìn)行疊加，添加精靈格式的圖片，改善頁面顯示效果。

場(chǎng)景轉(zhuǎn)換功能是通過按鈕連接場(chǎng)景轉(zhuǎn)換代碼實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)檢測(cè)到手柄點(diǎn)擊了按鈕，就立即執(zhí)行所連接的函數(shù)的操作指令。用戶通過手柄Trigger鍵點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)頁面跳轉(zhuǎn)。

模型放大、縮小功能和頁面跳轉(zhuǎn)功能都是通過按鈕連接相應(yīng)代碼實(shí)現(xiàn)的。

2.2 拆卸場(chǎng)景功能設(shè)計(jì)

2.2.1 拆卸場(chǎng)景主要功能

①按動(dòng)手柄Trigger鍵點(diǎn)擊按鍵可對(duì)模型進(jìn)行模型零件移位、放大、縮小、復(fù)位操作。

②點(diǎn)擊可跳轉(zhuǎn)到主場(chǎng)景。

③通過拖動(dòng)零件的方式實(shí)現(xiàn)模型拆卸，可近距離觀看。

④用戶在操作過程中隨時(shí)可保存，reset之后為上次點(diǎn)擊保存的模型位置。

⑤場(chǎng)景啟動(dòng)自動(dòng)找到特定名字模型自加組件并將模型定位到場(chǎng)景中心位置，并顯示模型位置信息、大小信息、旋轉(zhuǎn)信息，一旦移動(dòng)模型數(shù)據(jù)就刷新。

拆卸過程如圖1所示。

2.2.2 多零件復(fù)位功能

本場(chǎng)景主要是提供用戶對(duì)模型的零件進(jìn)行拆解，更加深入了解模型的內(nèi)部構(gòu)造，考慮到用戶在進(jìn)行對(duì)模型進(jìn)行位置調(diào)節(jié)的時(shí)候會(huì)進(jìn)行誤操作，將當(dāng)前用戶認(rèn)為適合觀看的位置可進(jìn)行實(shí)時(shí)保存便成為急需解決的問題。針對(duì)這個(gè)問題，提供了多零件可復(fù)位功能。用戶可點(diǎn)擊保存按鈕對(duì)當(dāng)前模型的各個(gè)零件進(jìn)行位置、大小、旋轉(zhuǎn)角度的保存，當(dāng)用戶點(diǎn)擊reset按鈕時(shí)，會(huì)檢測(cè)當(dāng)前是否點(diǎn)擊了保存按鈕，如果未點(diǎn)擊保存（countsave=0）按鈕，則調(diào)用reset1函數(shù)給當(dāng)前模型各零件初始啟動(dòng)時(shí)參數(shù)，若檢測(cè)到已經(jīng)點(diǎn)擊保存，則更新用戶上次點(diǎn)擊保存按鈕時(shí)保存的參數(shù)值。

在對(duì)模型復(fù)位之前要對(duì)當(dāng)前各零件位置信息進(jìn)行保存，首先要在start函數(shù)內(nèi)保存各零件位置初始值，其次，要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前是否點(diǎn)擊了保存按鈕，若點(diǎn)擊保存按鈕，則立即保存當(dāng)前位置。由于模型位置信息并不是簡單的一元數(shù)組，而是由x、y、z三元數(shù)據(jù)共同控制模型位置，通過定義一個(gè)三元向量存儲(chǔ)模型各個(gè)零件的位置（用Vector3）。由于unity中模型旋轉(zhuǎn)角度信息由四元數(shù)共同控制，通過定義一個(gè)四元數(shù)組存儲(chǔ)各零件的旋轉(zhuǎn)角度信息（Quaternion）。運(yùn)用List數(shù)組的優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可按需動(dòng)態(tài)增加。所以要根據(jù)countsave次數(shù)找到上次保存的零件信息的初始保存位置，根據(jù)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型復(fù)位。即listi=i+（countsave-1）*modelcount。

2.2.3 多零件模型位置顯示功能

為了用戶與設(shè)計(jì)者便于得到模型所在位置信息，提供了模型位置信息在用戶VR界面可顯示的功能。位置信息包括模型位置信息、大小信息、旋轉(zhuǎn)信息，一旦移動(dòng)模型數(shù)據(jù)就刷新數(shù)據(jù)，保證用戶可以實(shí)時(shí)地得到模型信息，為模型移位操作，以及了解模型復(fù)位、定位原理提供了方便。信息可通過右邊滑塊滑動(dòng)，在信息較多的情況更加適用。由于模型數(shù)據(jù)隨時(shí)需要刷新，所以整個(gè)多零件模型位置顯示代碼都必須在Update函數(shù)里面，保證刷新的實(shí)時(shí)性[7]。

2.3 組裝場(chǎng)景功能設(shè)計(jì)

2.3.1 組裝場(chǎng)景主要功能

①按動(dòng)手柄Trigger鍵點(diǎn)擊按鍵可對(duì)模型進(jìn)行模型零件移位、放大、縮小、復(fù)位、保存操作。

②點(diǎn)擊可跳轉(zhuǎn)到主場(chǎng)景。

④通過拖動(dòng)零件實(shí)現(xiàn)模型組裝，可近距離觀看。

⑤切換到此場(chǎng)景零件自動(dòng)定位。

⑥用戶在操作過程中隨時(shí)可保存，reset之后為剛才保存的模型位置。

⑥場(chǎng)景顯示模型位置信息、大小信息、旋轉(zhuǎn)信息，一旦移動(dòng)模型數(shù)據(jù)就刷新。

組裝過程如圖2所示。

2.3.2 多零件自定位

由于組裝場(chǎng)景需要排列待組裝的零件，所以提供了組裝場(chǎng)景啟動(dòng)之后模型各個(gè)零件會(huì)自定位的功能。組裝場(chǎng)景和拆卸場(chǎng)景最大的區(qū)別就是自定位。拆卸場(chǎng)景只需要將整體零件定位即可，而組裝場(chǎng)景要多零件定位使其有空隙整齊的擺放，便于用戶進(jìn)行選取與抓取操作。

用戶在導(dǎo)入模型的時(shí)候就要首先做好模型零件導(dǎo)入手動(dòng)改名操作，將每一個(gè)零件的名字按照數(shù)字0、1、2、3、4、5、6改成順序改名，并將整個(gè)模型名改成“model”，Unity便可以根據(jù)名字尋找到制定的零件獲取其位置信息并根據(jù)程序指令進(jìn)行定位。

首先，將名為“0”的零件進(jìn)行定位，直接制定一個(gè)固定的位置，作為本場(chǎng)景中其他零件定位的一個(gè)參照物，為了零件擺放的美觀度與整齊度，“0”所在位置大致在整個(gè)場(chǎng)景的中心點(diǎn)。然后名字所表示數(shù)字為偶數(shù)的零件依次排列在中間零件的右邊，名字所表示數(shù)字為奇數(shù)的零件依次排列在中間零件的左邊。對(duì)下一個(gè)零件名為“1”的模型進(jìn)行定位時(shí)，因?yàn)槎际窃诘谝慌?，所以y、z軸的數(shù)據(jù)不需要改變，只需要將x軸位置減去“0”的x軸大小的一半再減去“1”自己本身的x軸大小的一半，以上為兩個(gè)模型中心點(diǎn)之間的最短距離，為了更好分隔兩個(gè)零件，在以上的基礎(chǔ)上再減去0.1，為相鄰的兩個(gè)零件之間的固定間隔，即：

fx_kk-size[i].x/2*scale[i].x-size[i-1].x/2*scale[i-1].x-0.1f （1）

本式中scale[i].x是考慮到用戶在組裝過程中可能會(huì)進(jìn)行放大縮小操作，與相應(yīng)的大小倍數(shù)相乘即為此零件x軸的實(shí)際距離，即：

零件的實(shí)際大小=零件的尺寸*零件的縮放 （2）

根據(jù)此規(guī)律一直將零件排列下去。

第一排在排列過程中會(huì)一直進(jìn)行是否超出展臺(tái)大小的測(cè)試，如果超出，此時(shí)就開始進(jìn)行第二排定位。為了場(chǎng)景的真實(shí)性，當(dāng)檢測(cè)到第一排排列好之后，就對(duì)展臺(tái)進(jìn)行放大操作，保證整個(gè)場(chǎng)景的美觀度。

對(duì)第二排進(jìn)行定位，與第一排相似，首先對(duì)中間位置的零件進(jìn)行定位，然后第二排的各個(gè)零件才能以中間零件位置作為參照按照程序依次定位下去。首先要考慮兩排之間的距離問題，中心位置與第一排相比不變的是x、y軸的數(shù)據(jù)，變化的是z軸數(shù)據(jù)，為了美觀，每一排零件的z軸位置都是一致的，第二排也不例外，但是由于第一排零件大小不固定，這就預(yù)示著不能采用根據(jù)上一排零件的z軸大小去確定第二排的z軸位置，為此，在第一排零件進(jìn)行定位的同時(shí)，就在尋找一個(gè)最大的z軸值maxsize，第二排中間z軸位置根據(jù)得到的maxsize值來進(jìn)行定位就可以保證兩排零件之間沒有重合，加上0.1作為零件間隔增加排列整齊性，即：

model0.transform.position.z+0.1f+size[i].z/2*scale[i].z+maxsize/2 （3）

第二排同樣是通過偶數(shù)名零件排在中間零件右邊，奇數(shù)名零件排在中間零件左邊進(jìn)行依次定位。

零件定位原理如圖3所示。

本場(chǎng)景目前只提供兩排模型的定位，一是因?yàn)榱慵滦∏蓵?huì)不便于抓取，造成使用的不方便，二是因?yàn)槟Ｐ头胖锰嘤谡箯d會(huì)很凌亂，對(duì)視覺造成障礙。在對(duì)零件進(jìn)行第二排排列的時(shí)候同樣會(huì)進(jìn)行是否超出展臺(tái)的檢測(cè)，如果超出，此時(shí)會(huì)輸出報(bào)錯(cuò)信息，提醒用戶將模型縮小后再重新進(jìn)行定位操作。

模擬兩排自定位效果如圖4與圖5所示。

2.4 實(shí)際功能與應(yīng)用

本系統(tǒng)利用虛擬裝配技術(shù)，使用Unity引擎，以及HTC Vive頭盔式顯示器進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究?？梢詫?shí)現(xiàn)用戶與自己導(dǎo)入的模型進(jìn)行虛擬組裝、拆卸交互操作，交互過程具有更多的自由性，而且改變了傳統(tǒng)在軟件進(jìn)行的裝配操作，帶來更具有真實(shí)感的VR體驗(yàn)。

首先，可以在工業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中及時(shí)糾錯(cuò)。通過在VR觀看，以及虛擬組裝操作在投入制造之前檢查出設(shè)計(jì)、制造中可能出現(xiàn)的問題，及時(shí)采取必要的措施，提高設(shè)計(jì)成功率。還能更方便的根據(jù)市場(chǎng)的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)的更新，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭力，更快的適應(yīng)市場(chǎng)。并且由于整個(gè)場(chǎng)景是虛擬的，只需要提供三維模型，不用進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，消耗的資源相對(duì)較少，為企業(yè)降低成本。

其次，虛擬裝配也可用于高校教育，帶來與傳統(tǒng)教學(xué)模式不同的交互式、可見性的VR體驗(yàn)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，帶來更加直觀的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，學(xué)生可以進(jìn)行多次組裝操作練習(xí)熟練度，免去了實(shí)際組裝完成后還需將零件拆除才能進(jìn)行下一次組裝的麻煩。虛擬裝配對(duì)于新時(shí)代VR深入教育事業(yè)有深遠(yuǎn)的意義。

3 結(jié)論（Conclusion）

虛擬現(xiàn)實(shí)給人們帶來更加方便化、沉浸式的體驗(yàn)，VR可用于工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與裝配操作過程，本系統(tǒng)采用虛擬裝配技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)用戶與自己導(dǎo)入的模型進(jìn)行虛擬組裝、拆卸交互操作，設(shè)計(jì)了模型可在虛擬展廳展示的功能，實(shí)現(xiàn)了Unity啟動(dòng)模型自加組件，零件自定位，以及零件組裝過程中實(shí)時(shí)復(fù)位操作，具有即導(dǎo)即用的特點(diǎn)，應(yīng)用面廣，成本低。新產(chǎn)品設(shè)計(jì)者可以更快速、直觀的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。但是，本系統(tǒng)因?yàn)槭峭ㄟ^手柄進(jìn)行操作，靈敏度不及手指，零件抓取之后進(jìn)行位置調(diào)整時(shí)不好控制，在交互方面需要進(jìn)一步完善。再次，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中碰撞的設(shè)計(jì)不合理，模型容易穿出展臺(tái)，以及模型中心點(diǎn)不確定造成的自定位偏差問題都需要進(jìn)一步解決。

雖然VR設(shè)備在硬件上尚有不足，由于其方便性、沉浸式、真實(shí)性的體驗(yàn)契合了用戶的需求，VR逐漸成為全球新一代信息技術(shù)的焦點(diǎn)。在VR基礎(chǔ)上的虛擬裝配技術(shù)作為新興行業(yè)其發(fā)展過程不會(huì)是一帆風(fēng)順，必然是曲折向前的，當(dāng)硬件設(shè)備趨近于成熟時(shí)，虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)與教育領(lǐng)域的應(yīng)用將帶來新的變革。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] Zhang Hui.Head-mounted display-based intuitive virtual reality training system for the mining industry[J].International Journal of Mining Science and Technology，2017，27（04）：717-722.

[2] Zun-rong Wang，Ping Wang，Liang Xing，et al.Leap Motion-based virtual reality training for improving motor functional recovery of upper limbs and neural reorganization in subacute stroke patients[J].Neural Regeneration Research，2017，12（11）：1823-1831.

[3] LIU Zhenyu，TAN Jianrong，DUAN Guifang，et al.Force Feedback Coupling with Dynamics for Physical Simulation of Product Assembly and Operation Performance[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2015，28（01）：164-172.

[4] 褚晶瑩.基于UNITY3D技術(shù)的VR展臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].吉林大學(xué)，2016：22-30.

[5] 肖灑.VR技術(shù)在展示設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D].山東工藝美術(shù)學(xué)院，2016：25-35.

[6] Jun Liu，Lin Xuan Zhang，Bing Cui.Real-Time Semi-Physical Simulation of Industry Design System Based on Virtual Reality Technology[J].Applied Mechanics and Materials，2014，607：413-416.

[7] 倪萌.基于Unity3D的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配訓(xùn)練考評(píng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京工業(yè)大學(xué)，2014：1-4.

作者簡介：

孔偉晶（1996-），女，本科生.研究領(lǐng)域：虛擬現(xiàn)實(shí).

王鴻偉（1980-），男，碩士，講師.研究領(lǐng)域：虛擬現(xiàn)實(shí)，數(shù)據(jù)挖掘，電子商務(wù).本文通訊作者.

王榮海（1972-），男，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，虛擬現(xiàn)實(shí)，軟件工程.