機(jī)械產(chǎn)品裝配信息在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的表達(dá)

馮帆，杜江，喬虎，白瑀

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機(jī)械產(chǎn)品裝配信息在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的表達(dá)

馮帆，杜江*，喬虎，白瑀

（西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

為了解決機(jī)械產(chǎn)品在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中信息表達(dá)不完備、用戶(hù)交互性能差的問(wèn)題，以虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中裝配信息表達(dá)的特點(diǎn)為基礎(chǔ)，分析虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的裝配信息，并結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的需求對(duì)裝配信息進(jìn)行重組；同時(shí)考慮裝配信息特點(diǎn)和虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的要求建立虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了鼠標(biāo)－鍵盤(pán)－菜單控制及視線控制兩種交互方式，完成裝配信息表達(dá)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以完整表達(dá)機(jī)械產(chǎn)品裝配信息，合理的交互方式可以幫助虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配信息進(jìn)行準(zhǔn)確表達(dá)。

機(jī)械產(chǎn)品；裝配信息；虛擬現(xiàn)實(shí)

機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)精密、配合復(fù)雜，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與裝配工藝設(shè)計(jì)技術(shù)的結(jié)合將為機(jī)械設(shè)計(jì)人員及裝配工藝設(shè)計(jì)人員提供方便、直觀、快捷且具有高度還原性和真實(shí)性的虛擬裝配規(guī)劃環(huán)境，并能有效將裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程與仿真過(guò)程結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)方案合理性進(jìn)行實(shí)時(shí)檢驗(yàn)。在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境[1]中對(duì)產(chǎn)品的裝配信息進(jìn)行表達(dá)是實(shí)現(xiàn)虛擬裝配的前提和基礎(chǔ)，而良好的交互性能是虛擬裝配系統(tǒng)的內(nèi)在要求，同時(shí)也對(duì)裝配信息的表達(dá)產(chǎn)生影響。

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的裝配信息表達(dá)有利于機(jī)械行業(yè)培訓(xùn)的專(zhuān)業(yè)化、智能化和便捷化。目前對(duì)于裝配信息的提取技術(shù)已有較廣泛深入的研究，文獻(xiàn)[2]提供一種基于Pro/E的裝配信息提取技術(shù)；文獻(xiàn)[3]提出將虛擬裝配中的產(chǎn)品屬性與行為信息分為產(chǎn)品層、特征層、幾何拓?fù)鋵蛹帮@示層；文獻(xiàn)[4]研究了虛擬裝配系統(tǒng)中尺寸公差、形位公差的數(shù)學(xué)模型與表示模型的表示方法。對(duì)于虛擬裝配的交互方式，文獻(xiàn)[5-6]開(kāi)發(fā)了基于Kinect體感技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了利用數(shù)據(jù)手套進(jìn)行虛擬裝配的交互方式。文獻(xiàn)[8]在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的虛擬拆裝。可以看出，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品裝配方面已有應(yīng)用，但目前市場(chǎng)上還未見(jiàn)到針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品裝配的成熟產(chǎn)品，可見(jiàn)機(jī)械產(chǎn)品裝配信息在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的表達(dá)還未達(dá)到預(yù)期效果。

本文對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的裝配信息進(jìn)行了深入分析，并結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境要求對(duì)裝配信息進(jìn)行重組，利用Unity 3D引擎，針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)了Windows平臺(tái)下的虛擬裝配信息表達(dá)系統(tǒng)，并利用鼠標(biāo)、手柄、虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔等外部輸入設(shè)備提出了不同的人機(jī)交互方式，目的是讓機(jī)械產(chǎn)品的裝配信息在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中得到完整準(zhǔn)確的表達(dá)，幫助用戶(hù)在充分理解機(jī)械產(chǎn)品裝配信息的同時(shí)，獲得更具沉浸感的體驗(yàn)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的裝配信息類(lèi)型

傳統(tǒng)概念的裝配有兩種：一是在三維CAD軟件中的虛擬裝配，用戶(hù)進(jìn)行虛擬裝配時(shí)僅需了解零件之間的裝配關(guān)系，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這些關(guān)系將零件裝配到合適位置；二是在現(xiàn)實(shí)中的零件裝配，需要零件間的裝配關(guān)系及裝配工藝信息，裝配工人需要按照裝配關(guān)系進(jìn)行裝配，裝配操作需要符合裝配工藝要求。

搭建虛擬現(xiàn)實(shí)裝配環(huán)境需要的信息如下：

（1）虛擬場(chǎng)景信息，是指執(zhí)行裝配操作的虛擬環(huán)境信息。與三維CAD軟件中的虛擬裝配不同，虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的虛擬裝配場(chǎng)景需要保證合理性，包括環(huán)境的合理性和尺寸的合理性。環(huán)境的合理性是指虛擬場(chǎng)景應(yīng)接近現(xiàn)實(shí)中對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行裝配時(shí)的環(huán)境，尺寸的合理性是指虛擬場(chǎng)景中的物體需要與其他物體及被裝配物體保持合理的比例關(guān)系。虛擬場(chǎng)景信息是為用戶(hù)帶來(lái)真實(shí)感與沉浸感的基礎(chǔ)。

（2）裝配模型信息，即被裝配產(chǎn)品的詳細(xì)信息。包括：模型基本數(shù)據(jù)信息，反映被裝配產(chǎn)品的外形、尺寸、精度、特征等信息，作為虛擬場(chǎng)景信息的參照；裝配關(guān)系信息，反映各零件之間的配合關(guān)系及配合方式；裝配工藝信息，反映裝配的方法、工藝要求等；實(shí)際產(chǎn)品信息，反映被裝配產(chǎn)品的外觀及材質(zhì)信息，是渲染出真實(shí)產(chǎn)品模型的基礎(chǔ)。

（3）零部件動(dòng)作信息，是指裝配過(guò)程中產(chǎn)品零件及裝配工具的位置及方向的變化方式信息。裝配是按照一定工藝及順序?qū)⒘慵M合成產(chǎn)品的過(guò)程，其中涉及多個(gè)零件與工具的移動(dòng)與旋轉(zhuǎn)，零部件動(dòng)作信息包括產(chǎn)品零件及裝配工具的運(yùn)動(dòng)方式信息，同時(shí)也包括零件及工具運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻、時(shí)長(zhǎng)等信息。

（4）交互信息，是指用戶(hù)在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行裝配的操作方式與信息反饋。明確交互信息是為了保證用戶(hù)在使用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)時(shí)可以準(zhǔn)確便捷地執(zhí)行操作，提升用戶(hù)體驗(yàn)。

2 裝配信息的重組與表達(dá)

根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)特點(diǎn)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的裝配信息，在設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)時(shí)可劃分成模型部分、場(chǎng)景部分和交互部分三部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）模型部分，主要包括產(chǎn)品模型和場(chǎng)景模型兩方面。產(chǎn)品模型表達(dá)裝配模型信息、場(chǎng)景模型反映虛擬場(chǎng)景信息。機(jī)械產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)精密、尺寸精度要求高，需要合理裝配，一般采用Solidworks、Catia、Pro/E等軟件進(jìn)行零件建模并進(jìn)行裝配；場(chǎng)景模型是為用戶(hù)提供更真實(shí)的沉浸式體驗(yàn)而建立的機(jī)械產(chǎn)品展示場(chǎng)景，一般使用3Dmax軟件進(jìn)行場(chǎng)景建模，具有良好的曲面建模能力、可操作性強(qiáng)，適用于常用的室內(nèi)設(shè)計(jì)建模。建立好的模型需要導(dǎo)入到Unity 3D軟件中以完成虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的制作。

（2）場(chǎng)景部分，是指在Unity3D軟件中進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的制作。首先將模型擺放在合適位置，搭建成完整的模型展示場(chǎng)景，其次通過(guò)Unity 3D對(duì)模型進(jìn)行渲染，保證場(chǎng)景模型和產(chǎn)品模型具有良好的視覺(jué)效果，最后調(diào)整場(chǎng)景內(nèi)攝像機(jī)的位置，使用戶(hù)可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔觀察到合適的場(chǎng)景。場(chǎng)景部分著重表達(dá)虛擬場(chǎng)景信息及零部件動(dòng)作信息。

（3）交互部分，主要包括產(chǎn)品拆裝的動(dòng)畫(huà)及邏輯順序判斷及用戶(hù)與產(chǎn)品拆裝之間的人機(jī)交互。用戶(hù)與虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景之間的交互可以增加用戶(hù)的代入感和控制感，增強(qiáng)用戶(hù)的操作興趣以及學(xué)習(xí)效果，進(jìn)一步發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)展示方式的優(yōu)勢(shì)。除此之外，機(jī)械產(chǎn)品的裝配和拆卸必須要按照一定順序進(jìn)行，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，因此需要建立后臺(tái)邏輯判斷機(jī)制，保證拆卸和裝配的順序。交互部分的設(shè)計(jì)需要充分表達(dá)虛擬裝配中的交互信息。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文利用Unity 3D引擎對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Unity 3D具有強(qiáng)大的渲染功能，同時(shí)可通過(guò)Monodevelop平臺(tái)編寫(xiě)腳本實(shí)現(xiàn)功能需求，制作的場(chǎng)景可直接發(fā)布到Windows平臺(tái)，同時(shí)支持與不同的虛擬現(xiàn)實(shí)播放設(shè)備的實(shí)時(shí)連接。本文采用Oculus DK2作為播放設(shè)備。

制作虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的具體步驟如下：①在Solidworks中建立機(jī)械產(chǎn)品模型，導(dǎo)入3Dmax中轉(zhuǎn)換成.fbx格式，再在3Dmax中建立場(chǎng)景模型，并與機(jī)械產(chǎn)品模型共同導(dǎo)入到Unity 3D的Hierarchy模塊中；②將事先繪制好的材質(zhì)貼圖導(dǎo)入到Unity3D中，并利用其對(duì)模型進(jìn)行渲染，調(diào)整場(chǎng)景中的燈光；③將名為OVRCamera的Oculus SDK導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中，該SDK整合了雙目攝像機(jī)功能，可以直接在Oculus播放設(shè)備中觀看具有雙目視覺(jué)效果的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景；④利用iTween插件對(duì)產(chǎn)品的拆裝路徑進(jìn)行繪制與規(guī)劃；⑤根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品的拆裝原則與方法，利用Unity 3D中的腳本控制系統(tǒng)制作邏輯順序判斷系統(tǒng)，再根據(jù)該邏輯順序利用Unity 3D中的Canvas工具制作交互菜單；⑥通過(guò)控制腳本使攝像機(jī)位置的移動(dòng)與外設(shè)輸入設(shè)備相匹配；⑦進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果良好后通過(guò)Unity 3D打包并發(fā)布到Windows平臺(tái)。

3 交互部分設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)的二維圖像或動(dòng)畫(huà)演示相比，最突出特點(diǎn)就是具有交互性。交互技術(shù)的合理應(yīng)用可以增加用戶(hù)的沉浸感、提升用戶(hù)體驗(yàn)，同時(shí)幫助用戶(hù)更加充分地了解機(jī)械產(chǎn)品的內(nèi)部構(gòu)造。本文以一級(jí)齒輪減速器為例在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了不同的交互方式。

裝配信息表達(dá)的準(zhǔn)確性要求在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下保證交互系統(tǒng)符合機(jī)械產(chǎn)品拆裝工藝要求，因此在進(jìn)行交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)用戶(hù)的操作進(jìn)行約束，通過(guò)腳本控制對(duì)減速器拆裝的邏輯順序進(jìn)行判斷。虛擬現(xiàn)實(shí)中動(dòng)畫(huà)的播放需要一定觸發(fā)條件，因此可將前一個(gè)動(dòng)畫(huà)的播放結(jié)束特征作為后一個(gè)動(dòng)畫(huà)的播放前提條件。

本系統(tǒng)采用讀寫(xiě)配置文件方式進(jìn)行邏輯判斷，當(dāng)?shù)谝徊讲鹧b動(dòng)畫(huà)完成后將在系統(tǒng)中自動(dòng)生成帶有標(biāo)識(shí)位配置文件，當(dāng)用戶(hù)執(zhí)行第二步拆裝動(dòng)畫(huà)時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀取之前生成的配置文件中的標(biāo)識(shí)位，若讀取到的標(biāo)識(shí)位數(shù)據(jù)與程序設(shè)定相同時(shí)系統(tǒng)則判定為可以執(zhí)行該步驟的動(dòng)畫(huà)，否則便不能播放。播放第二步動(dòng)畫(huà)后系統(tǒng)便自動(dòng)改寫(xiě)配置文件中的標(biāo)識(shí)位信息，以便后一步動(dòng)畫(huà)的讀取。

以上文所述拆裝邏輯順序判斷系統(tǒng)為基礎(chǔ)，分別設(shè)計(jì)了鼠標(biāo)－鍵盤(pán)－菜單交互系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)控制交互系統(tǒng)。

3.1 鼠標(biāo)－鍵盤(pán)－菜單交互系統(tǒng)

在Unity 3D軟件中可以利用Canvas工具制作交互菜單。根據(jù)機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程要求，將一級(jí)齒輪減速器的拆卸分解為螺栓拆卸、上蓋拆卸、齒輪嚙合動(dòng)畫(huà)、主動(dòng)輪拆卸、從動(dòng)輪拆卸五個(gè)步驟，同時(shí)在進(jìn)行動(dòng)畫(huà)播放時(shí)需要隨時(shí)暫停和開(kāi)始，播放完成后如需再次觀看還需對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行重置，因此共需要八個(gè)按鍵。通過(guò)Canvas制作的按鍵可以添加腳本控制動(dòng)作的觸發(fā)。將提前編譯好的拆裝動(dòng)畫(huà)腳本及邏輯判斷腳本掛載到對(duì)應(yīng)的按鍵上，通過(guò)顏色變化以區(qū)分選中與非選中狀態(tài)，鼠標(biāo)移入按鍵區(qū)域則將按鍵顏色更改為紅色以表示選中狀態(tài)，通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鍵進(jìn)行觸發(fā)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，在虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔中并不能直接看到鼠標(biāo)指針，因此需要再制作一個(gè)按鍵以代替鼠標(biāo)指針，制作完成后的交互界面如圖2所示。

圖2 鼠標(biāo)－鍵盤(pán)－菜單交互界面

在角色運(yùn)動(dòng)控制方面，系統(tǒng)使用鍵盤(pán)控制。由于虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔具有內(nèi)置陀螺儀，本身便可實(shí)現(xiàn)鏡頭的旋轉(zhuǎn)功能，因此需要添加鏡頭的移動(dòng)功能，包括前、后、左、右、上、下六個(gè)方向的移動(dòng)。本文使用w、a、s、d四個(gè)按鍵分別控制鏡頭的前、后、左、右四個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)q、e兩個(gè)按鍵控制鏡頭的升高和下降。

通過(guò)鍵盤(pán)控制運(yùn)動(dòng)的部分代碼如下：

float translation1=Input.GetAxis ("Vertical") *speed1;

float translation2=Input.GetAxis ("Horizontal")*speed2;

translation1*=Time.deltaTime;

translation2*=Time.deltaTime;

float translation3=-speed3*Time.deltaTime;

float translation4=speed3*Time.deltaTime;

transform.Translate (0, 0, translation1);

transform.Translate (translation2, 0, 0);

if (Input.GetKey (KeyCode.Q)){

transform.Translate (0,translation3,0);

}

if (Input.GetKey (KeyCode.E)){

transform.Translate (0, ranslation4,0);

}

3.2 視線控制交互系統(tǒng)

視線控制交互系統(tǒng)是通過(guò)用戶(hù)的視線瞄準(zhǔn)對(duì)象并觸發(fā)動(dòng)作的交互方式。視線由頭部姿態(tài)和眼球方向共同決定，當(dāng)眼球相對(duì)頭部靜止時(shí)通過(guò)改變頭部姿態(tài)來(lái)改變視線方向，當(dāng)頭部靜止時(shí)刻通過(guò)改變眼球方向來(lái)改變視線方向[9]。

目前的虛擬現(xiàn)實(shí)播放設(shè)備還無(wú)法對(duì)用戶(hù)眼球旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行捕捉，但設(shè)備內(nèi)安裝有內(nèi)置陀螺儀，頭部運(yùn)動(dòng)可被陀螺儀捕捉，并使視野內(nèi)場(chǎng)景隨頭部運(yùn)動(dòng)而變化，理論上用戶(hù)可以觀察到場(chǎng)景內(nèi)的所有物體，這是利用用戶(hù)視線對(duì)物體動(dòng)作進(jìn)行控制的前提條件。根據(jù)此特點(diǎn)，可以將用戶(hù)視線簡(jiǎn)化為頭部發(fā)出的一條直線，據(jù)此設(shè)計(jì)的交互方式為當(dāng)用戶(hù)的視線聚焦到某一物體上時(shí)使該物體執(zhí)行合理的動(dòng)作。該交互方式的本質(zhì)是將用戶(hù)視線作為選擇工具，將物體作為功能按鈕，通過(guò)視線對(duì)按鈕進(jìn)行選取與觸發(fā)，使按鈕執(zhí)行預(yù)設(shè)的功能。為避免用戶(hù)的誤操作，還可對(duì)按鈕的觸發(fā)設(shè)定延遲，即用戶(hù)需要”凝視”一段時(shí)間后系統(tǒng)再判定按鈕被觸發(fā)。

在Unity3D環(huán)境下，用戶(hù)的視野即是呈現(xiàn)在攝像機(jī)中的場(chǎng)景內(nèi)容，因此攝像機(jī)方向與用戶(hù)視線方向一致。以攝像機(jī)中心為原點(diǎn)、以攝像機(jī)正方向?yàn)榉较蚶L制一條射線，即為用戶(hù)的視線模型，該射線將始終通過(guò)用戶(hù)視野的中心。

在Unity3D中繪制射線的代碼如下：

myTransform.forward=centerEye.forward;

myTransform.position=centerEye.position+(centerEye.forward*fixedDepth);

Ray ray=newRay(centerEye.position,centerEye.forward);

RaycastHit hit=new RaycastHit();

Physics.Raycast(ray,out hit);

Debug.DrawLine(ray.origin, hit.point);

由于視線控制系統(tǒng)沒(méi)有實(shí)體硬件操作，為使用戶(hù)對(duì)自身操作有清晰認(rèn)識(shí)，需建立完善的用戶(hù)反饋機(jī)制。首先通過(guò)代碼繪制的射線無(wú)法被用戶(hù)觀察到，但由于其始終通過(guò)用戶(hù)視野中心的特性可以通過(guò)添加對(duì)象的方式標(biāo)記視野的中心。Unity 3D中的Canvas功能支持添加圖片到用戶(hù)視野內(nèi)，并使其隨視野變化始終保持在視野中心位置；其次由于觸發(fā)延遲的設(shè)置，用戶(hù)需明確認(rèn)識(shí)是否選中按鈕及距離觸發(fā)的剩余時(shí)間；基于以上要求，系統(tǒng)采用圓形進(jìn)度條形式進(jìn)行反饋。初始狀態(tài)下進(jìn)度條處于隱藏狀態(tài)，當(dāng)射線移動(dòng)到按鈕上后，原本位于視野中心的準(zhǔn)星被圓形進(jìn)度條覆蓋，以表示選中按鈕，同時(shí)進(jìn)度條開(kāi)始計(jì)數(shù)，待計(jì)數(shù)達(dá)到100后按鈕功能被觸發(fā)，進(jìn)度條被再次隱藏。用戶(hù)反饋機(jī)制是交互系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)完整的用戶(hù)反饋對(duì)系統(tǒng)整體交互性能的提升具有重要意義。

4 系統(tǒng)測(cè)試與評(píng)價(jià)

將兩種交互系統(tǒng)打包并發(fā)布到Windows平臺(tái)，將虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔與計(jì)算機(jī)連接，進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果證明均可在Windows平臺(tái)上穩(wěn)定流暢運(yùn)行，裝配信息表達(dá)準(zhǔn)確，可實(shí)現(xiàn)按照工藝要求與邏輯順序?qū)C(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行裝配與拆卸。

在裝配信息表達(dá)方面，首先為用戶(hù)搭建機(jī)械產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室環(huán)境場(chǎng)景，其中桌子、柜子、墻體、標(biāo)語(yǔ)等信息均符合現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的比例，為保證用戶(hù)體驗(yàn)的沉浸感建立基礎(chǔ)；其次，采用機(jī)械實(shí)驗(yàn)中常用的一級(jí)齒輪減速器模型，產(chǎn)品的外形、尺寸、特征、材質(zhì)等信息通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境得到準(zhǔn)確表達(dá)，同時(shí)零部件的裝配關(guān)系、裝配工藝等信息均可通過(guò)該系統(tǒng)表現(xiàn)；第三，零部件的動(dòng)作信息通過(guò)制作的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)得到表現(xiàn)，包括拆卸過(guò)程中工具與零部件的運(yùn)動(dòng)及不同零件運(yùn)動(dòng)時(shí)的互相影響，均可通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)的形式直觀地呈現(xiàn)在用戶(hù)眼前，比二維動(dòng)畫(huà)更加清晰、準(zhǔn)確、便于理解；第四，用戶(hù)可以方便地對(duì)場(chǎng)景中的元素進(jìn)行操控以完成機(jī)械產(chǎn)品的拆卸，交互信息也得到了充分的表達(dá)。

圖3為鼠標(biāo)－鍵盤(pán)－菜單交互系統(tǒng)測(cè)試示意。系統(tǒng)交互性能良好，操作感強(qiáng)，運(yùn)行流暢。用戶(hù)可以通過(guò)該系統(tǒng)清楚地了解該機(jī)械產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及拆裝工藝順序。但由于用戶(hù)視線的移動(dòng)需要鍵盤(pán)控制，移動(dòng)速度與角度旋轉(zhuǎn)速度均為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)預(yù)設(shè)的固定值，用戶(hù)難以通過(guò)該系統(tǒng)模擬人體本身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此會(huì)在一定程度上影響用戶(hù)的沉浸感。

圖4為視線控制交互系統(tǒng)測(cè)試示意圖。系統(tǒng)操作方便，用戶(hù)提示明確清晰，距離感應(yīng)器可以更好地模擬用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)用戶(hù)可以更加便捷地控制該系統(tǒng)。但該交互系統(tǒng)受制于距離感應(yīng)器的感應(yīng)范圍，無(wú)法捕捉大幅度的人體運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致用戶(hù)不能通過(guò)某些特定角度觀察機(jī)械產(chǎn)品的拆裝過(guò)程，如用戶(hù)無(wú)法通過(guò)自身運(yùn)動(dòng)得到桌子背后的觀察角度。

因此，對(duì)于不同機(jī)械產(chǎn)品展示系統(tǒng)，可以充分利用兩種交互方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于大型機(jī)械設(shè)備展示系統(tǒng)，可以利用鼠標(biāo)－鍵盤(pán)－菜單的交互方式，以便用戶(hù)在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)內(nèi)漫游；對(duì)于小型機(jī)械產(chǎn)品展示系統(tǒng)可以利用視線控制的交互方式，以增強(qiáng)用戶(hù)的沉浸感，使用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)的控制更加方便。

圖3 鼠標(biāo)－鍵盤(pán)－菜單交互系統(tǒng)測(cè)試

圖4 視線控制交互系統(tǒng)測(cè)試

5 小結(jié)

對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的展示、裝配、拆卸而言，完整地表達(dá)產(chǎn)品的虛擬場(chǎng)景信息、裝配模型信息、零部件動(dòng)作信息和交互信息至關(guān)重要，任何信息的缺失均會(huì)導(dǎo)致裝配信息表達(dá)的不完整，從而影響準(zhǔn)確性與真實(shí)性，降低用戶(hù)體驗(yàn)的沉浸感。交互方式作為影響用戶(hù)體驗(yàn)的重要因素，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者需要慎重考慮已有裝配信息，進(jìn)行分析研究，作為依據(jù)選擇適合當(dāng)前模型及場(chǎng)景的交互方式。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新興的視覺(jué)體驗(yàn)方式，獨(dú)特的沉浸式體驗(yàn)可以大幅度提升機(jī)械裝配產(chǎn)品在教學(xué)、展示、培訓(xùn)方面的效率與用戶(hù)體驗(yàn)。本文所提出的虛擬現(xiàn)實(shí)中裝配信息的表達(dá)方法與人機(jī)交互方式可以為用戶(hù)帶來(lái)更具操作感的沉浸式體驗(yàn)，提升學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效率，為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用提供借鑒。

[1]杜志俊. 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用[J]. 機(jī)械，2007（S1）：43-45.

[2]桑小沖，周華林，左敦穩(wěn)，閆靜，薛善良. 面向虛擬裝配的裝配信息自動(dòng)提取技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 中國(guó)制造業(yè)信息化，2010，39（19）：33-36，40.

[3]劉振宇，譚建榮，張樹(shù)有. 面向虛擬裝配的產(chǎn)品層次信息表達(dá)研究[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2001（3）：223-228.

[4]張向華，戴國(guó)洪. 虛擬裝配系統(tǒng)中精度信息表達(dá)方法的研究[J]. 機(jī)床與液壓，2008（9）：20-23.

[5]廖宏建，曲哲. 基于Kinect體感交互技術(shù)的虛擬裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30（7）：98-102.

[6]楊藝，許源，張俊杰，劉燕. 基于Kinect與虛擬現(xiàn)實(shí)的社區(qū)家庭康復(fù)系統(tǒng)的研制[J]. 微型電腦應(yīng)用，2014，30（3）：32-34.

[7]王靦. 基于VR展示與交互的教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2013.

[8]楊雪松. 基于Unity 3D的發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬拆裝系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)械，2016，43（1）：32-35，73.

[9]溫晴川，達(dá)飛鵬，方旭. 基于雙目立體視覺(jué)的視線跟蹤系統(tǒng)標(biāo)定[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（10）：160-170.

Expression of Mechanical Product Assembly Information in Virtual Reality Environment

FENG Fan，DU Jiang，QIAO Hu，BAI Yu

(School of Mechatronic Engineering, Xi’an Technology University, Xi’an 710021,China)

The purpose of the study is to solve the problem of incomplete information expression and poor user interaction experience in the virtual reality environment of mechanical products. Based on the characteristics of assembly information in the virtual reality environment, this paper analyzes the assembly information in the virtual reality environment and reconstructs the assembly information in accordance to the requirements of the virtual reality system. At the same time, considering the characteristics of assembly information and the requirement of the virtual reality environment, a virtual reality system is established. Two interactive modes, the mouse-keyboard-menu control and the sight-line control, are designed and implemented to complete assembly information expression. The result shows that the virtual reality system can completely express the assembly information of the mechanical products, and the reasonable interaction can help the virtual reality system to accurately express the assembly information.

mechanical products；assembly information；virtual reality

TP391

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.11.002

1006－0316 (2018) 11－0006－06

2018－06－01

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51705392）；西安工業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)基金資助項(xiàng)目（XAGDXJJ16004）

馮帆（1993－），男，陜西西安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械信息化方向。

通訊作者：杜江（1971－），男，陜西西安人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)镃AD/CAE。