基于AR技術(shù)的三維交互式虛擬裝配系統(tǒng)設(shè)計

阮瑩

摘? 要： 針對傳統(tǒng)虛擬裝配系統(tǒng)交互匹配度偏低的問題，設(shè)計一個基于AR技術(shù)的三維交互式虛擬裝配系統(tǒng)。選用數(shù)字圖像融合機、環(huán)形投影屏幕等作為顯示層系統(tǒng)硬件，中控系統(tǒng)、光學(xué)追蹤器和體感控制器作為交互層系統(tǒng)硬件，圖形工作站、視頻切換器、磁盤作為數(shù)據(jù)層系統(tǒng)硬件構(gòu)成虛擬裝配系統(tǒng)操作平臺。利用該平臺選用SolidWorks 軟件，根據(jù)實體物品比例制作虛擬裝配組件模型，搭建“虛擬手”模型并設(shè)置交互程序，對三維模型進行裝配碰撞檢測，實現(xiàn)基于AR技術(shù)的虛擬裝配系統(tǒng)設(shè)計。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的虛擬裝配系統(tǒng)與傳統(tǒng)虛擬裝配系統(tǒng)相比，其交互匹配度提高了13.18%。由此可見，所設(shè)計的三維交互式虛擬裝配系統(tǒng)裝配操作能力更優(yōu)越。

關(guān)鍵詞： 虛擬裝配系統(tǒng); 三維交互; AR技術(shù); 系統(tǒng)設(shè)計; 虛擬建模; 仿真實驗

中圖分類號： TN911.73?34; TP391.9? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）06?0149?03

Design of 3D interactive virtual assembly system based on AR technology

RUAN Ying

（Wuhan College， Wuhan 430212， China）

Abstract： As the low interactive matching degree of traditional virtual assembly system， a 3D interactive virtual assembly system based on AR technology is designed. The digital image fusion machine， annular projection screen and so on are selected as the hardware of the display layer system， the central control system， optical tracker and somatosensory controller are used as the hardware of the interactive layer system， and the graphics workstation， video switcher and disk are used as the hardware of the data layer system to constitute the operating platform of the virtual assembly system. With the platform， the SolidWorks software is selected to make the virtual assembly component model on the basis of the proportion of physical objects， construct the "virtual hand" model and set up interactive programs. The assembly collision detection for the 3D model is conducted to realize the design of virtual assembly system based on AR technology. The experimental results show that the interactive matching degree of the designed virtual assembly system is 13.18% higher than that of the traditional virtual assembly system. It can be seen that the designed 3D interactive virtual assembly system has better assembly operation ability.

Keywords： virtual assembly system; 3D interaction; AR technology; system design; virtual modeling; simulation experiment

0? 引? 言

隨著社會的不斷進步與發(fā)展，以敏捷的制造技術(shù)為基礎(chǔ)的交互式虛擬裝配系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，給各個行業(yè)的發(fā)展帶來了新的技術(shù)支持。而隨著各類產(chǎn)品的不斷優(yōu)化升級，對這些產(chǎn)品進行組件裝配難度也隨之提高，傳統(tǒng)的虛擬裝配系統(tǒng)的裝配控制能力，已經(jīng)不能對更加精細(xì)化的物品進行細(xì)致裝配，不能滿足企業(yè)的需求[1]。因而在提升裝配精度以及裝配效率的基礎(chǔ)上，設(shè)計一個基于AR技術(shù)的三維交互式虛擬裝配系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)實現(xiàn)實時虛擬成像、人機交互以及數(shù)據(jù)分析，通過更加快速準(zhǔn)確的虛擬裝配，找到虛擬組件中存在問題的部分，加以改善;并且利用此系統(tǒng)能夠進行裝配程序設(shè)計，加強實體物品裝配時的裝配速度和準(zhǔn)確度，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，促進社會經(jīng)濟發(fā)展[2]。

1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

將三維交互作為設(shè)計核心，進行虛擬裝配系統(tǒng)硬件設(shè)計。當(dāng)前的虛擬裝配系統(tǒng)主要利用虛擬裝配平臺，對物品進行三維立體投影、體感交互、實時檢測、系統(tǒng)匯報等操作。因此針對虛擬裝配系統(tǒng)設(shè)計虛擬裝配平臺硬件，該虛擬系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1? 虛擬裝配系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)

此次設(shè)計的虛擬裝配系統(tǒng)硬件主要對三層功能進行管控，分別為顯示層、交互層以及數(shù)據(jù)層。顯示層中的硬件主要有多通道數(shù)字圖像融合機、環(huán)形投影屏幕、工程投影機以及立體眼鏡，該顯示層的功能是顯示立體的虛擬圖像，操作者則利用立體眼鏡對該虛擬圖像進行觀察，體驗虛擬投影下的實驗內(nèi)容。交互層中的系統(tǒng)硬件包括中控系統(tǒng)、光學(xué)追蹤器和體感控制器，其主要功能是實時采集操作者與虛擬物品之間的交互信息數(shù)據(jù)，例如操作者手部的點選、移動、抓取、投放等動作。而數(shù)據(jù)層中的硬件主要包括圖形工作站、視頻切換器、磁盤等，其功能是將交互層中采集的數(shù)據(jù)信息進行預(yù)處理，生成虛擬圖像[3]。

傳統(tǒng)的虛擬裝配系統(tǒng)交互層中設(shè)有鼠標(biāo)鍵盤等設(shè)備，但隨著技術(shù)的革新，所設(shè)計的虛擬裝配系統(tǒng)硬件則選用體感交互設(shè)備圖像工作站[4]。

2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1? 制作虛擬裝配組件模型

設(shè)計虛擬裝配系統(tǒng)軟件，首先進行虛擬物品組件制作，對于虛擬物品組件的制作選用SolidWorks 軟件進行物品三維建模;而進行虛擬物品建模時，則需要考慮實體物品的實際尺寸來設(shè)計模型的比例。因此虛擬物品模型的比例計算公式為：

式中：[λ]表示虛擬物品的三維成像比例尺;[λ′]表示被虛擬實體物品的實際比例尺;[σ]表示推薦常數(shù);[M]表示針對實體物品建立的矩陣;[DetM]表示實體物品在矩陣[M]中的行列式;[TrM]表示實體物品矩陣[M]中的運動痕跡;[k]表示響應(yīng)參數(shù)。根據(jù)該成像比例尺利用SolidWorks 軟件進行虛擬設(shè)計，得到如圖2所示的設(shè)計模型圖[5]。

從圖2可以看出，根據(jù)計算得到的比例尺，對實體物品的截面進行設(shè)計得到圖A，對長寬高進行計算得到圖B圖C，最終生成圖D中的虛擬物品模型。利用SolidWorks軟件將所設(shè)計的虛擬物品模型以STL的文件格式導(dǎo)入到3ds MAX軟件中。該軟件將其轉(zhuǎn)換為FBX格式再導(dǎo)入Unity3d軟件中。Unity3d軟件自動生成一個文件夾，保存3ds MAX軟件編輯好的模型數(shù)據(jù)信息。用3ds MAX軟件打開Unity3d軟件中儲存的各個虛擬部件模型，利用其渲染優(yōu)化技術(shù)進行模型貼圖，得到整體實物模型框架后進行模型細(xì)節(jié)優(yōu)化處理，實現(xiàn)對虛擬裝配組件的制作[6?7]。

2.2? 裝配檢測

此操作中利用虛擬手對上述制造的虛擬組件模型進行操作。設(shè)計一個基于AR技術(shù)的三維交互程序，該程序的第一步是對虛擬手進行建模，需要從幾何建模和動態(tài)建模兩方面入手，進行人體手部組織結(jié)構(gòu)和運動特點分析，再利用三維建模軟件以面向?qū)ο蟮姆椒?gòu)建虛擬手幾何模型。人手實際骨骼和建立的手部模型如圖3所示[8]。

根據(jù)控制虛擬手的運動自由度，計算模型手的運動軌跡為：

式中：[d]表示手模型的運動軌跡;[t]表示手模型的運動位姿參數(shù);[a0，a1，a2，…，an]表示手模型的運動路徑位移參數(shù)[9]。

根據(jù)手指運動自由度進行模型搭建，以每一關(guān)節(jié)點作為運動中心，設(shè)置x為橫軸進行伸屈運動設(shè)計，y為縱軸進行收放運動設(shè)計，z為垂軸進行旋轉(zhuǎn)運動設(shè)計。令每一個小骨骼模型以關(guān)節(jié)點為原點，沿著上述3個數(shù)軸進行運動設(shè)計得到虛擬手模型。利用3ds MAX軟件多變形建模構(gòu)建比例為1∶1的虛擬手模型，模仿真實人手在裝配過程中的運動軌跡[10]。對環(huán)形投影屏幕上的基于AR技術(shù)的三維虛擬圖形進行碰撞檢測，如圖4所示。

3? 仿真實驗

為了檢驗所設(shè)計的虛擬裝配系統(tǒng)的可視化過程仿真、三維結(jié)構(gòu)動態(tài)裝配演示以及交互匹配能力，利用三維仿真軟件Virtools進行仿真實驗。將所設(shè)計的虛擬裝配系統(tǒng)與傳統(tǒng)的虛擬裝配系統(tǒng)進行對比，得出實驗結(jié)果并進行數(shù)據(jù)分析。

3.1? 實驗準(zhǔn)備

將進行數(shù)據(jù)對比的零部件信息儲存到Virtools數(shù)據(jù)庫中，形成直觀的數(shù)據(jù)儲存結(jié)構(gòu)，對該結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)進行獲取、儲存、刪改以及匹配，以此作為虛擬裝配系統(tǒng)仿真實驗的基礎(chǔ)。設(shè)置仿真實驗平臺中的Virtools軟件參數(shù)，如表1所示。

在上述參數(shù)設(shè)置完畢基礎(chǔ)上，建立信息匹配模型，該模型的各項屬性如表2所示。實驗平臺設(shè)置完畢后，將兩種虛擬裝配系統(tǒng)安裝到實驗平臺中，開始進行實驗。將所設(shè)計的裝配系統(tǒng)操作作為實驗組，將傳統(tǒng)系統(tǒng)測試作為參照組，對測試結(jié)果進行分析。

3.2? 結(jié)果分析

利用設(shè)計的實驗平臺，分別運行兩種虛擬裝配系統(tǒng)，對實體物品進行模型搭建、虛擬裝配，得到如圖5、圖6所示的操作頁面。

根據(jù)操作示意圖可知，該組件模型共包含64個單獨的零件模型。將這些單個零件模型進行組件裝配，實驗組的虛擬裝配系統(tǒng)操作順利，裝配程序連貫，可看出其可視化過程仿真、三維結(jié)構(gòu)動態(tài)裝配演示以及交互匹配能力較強;而傳統(tǒng)系統(tǒng)操作下的對照組操作中，由于三維減速器組件搭建不合理，導(dǎo)致組件模型之間發(fā)生干擾，零件裝配不到位導(dǎo)致裝配失敗。為了更直觀地得到分析結(jié)果，對兩種系統(tǒng)操作的交互匹配能力進行統(tǒng)計，如表3所示。

根據(jù)計算，在64個單獨零件模型裝配過程中，所設(shè)計的裝配系統(tǒng)將64個零件模型裝配完成，建立了完整的物品虛擬模型;而傳統(tǒng)的虛擬裝配系統(tǒng)在裝配第51個零件模型時發(fā)生模型不匹配。經(jīng)計算，所設(shè)計的系統(tǒng)交互匹配度比傳統(tǒng)系統(tǒng)高出13.18%。

4? 結(jié)? 語

本文設(shè)計基于AR技術(shù)的虛擬裝配系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)強化組件之間的尺寸契合度，提升實際物品的裝配速度，滿足市場需求的同時提高企業(yè)經(jīng)濟效益。當(dāng)前的系統(tǒng)設(shè)計還不夠完善，今后還要著重技術(shù)革新，進一步提升裝配效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 文懷興，黃正祥.基于Virtools并聯(lián)機床虛擬裝配系統(tǒng)的研究[J].制造技術(shù)與機床，2017，12（9）：91?94.

[2] 劉然，范秀敏，尹旭悅，等.AR輔助裝配中基體及零件位姿組合估計方法[J].機械設(shè)計與研究，2018，34（6）：127?133.

[3] 來孝楠，楊兆建，謝嘉成，等.面向多平臺的礦山機械零部件數(shù)字化設(shè)計與虛擬裝配系統(tǒng)[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2018，36（2）：84?88.

[4] 張海月，司占軍.MakerBot3D打印機虛擬裝配系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].包裝工程，2017，75（9）：255?258.

[5] 文懷興，岳瑞芳，杜晨振.基于EON的機器人虛擬裝配系統(tǒng)的研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2019（1）：143?145.

[6] 鮑勁松，李志強，項前，等.半實物虛擬裝配的建模、演化與應(yīng)用[J].機械工程學(xué)報，2018，54（11）：447?449.

[7] 萬隆君，涂婉麗，徐軼群，等.基于VR技術(shù)的船舶管路裝配虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計[J].中國造船，2017，58（1）：186?192.

[8] 余日季，蔡敏，蔣帥.基于移動終端和AR技術(shù)的博物館文化教育體驗系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用研究[J].中國電化教育，2017（3）：31?35.

[9] 曾瑞，羅亞泓.基于AR技術(shù)的高校嵌入式圖書館導(dǎo)覽系統(tǒng)設(shè)計[J].圖書情報工作，2018，62（20）：57?64.

[10] 王聰，苑迎，彭三城，等.基于拓?fù)漕A(yù)配置的公平虛擬網(wǎng)絡(luò)映射算法[J].計算機研究與發(fā)展，2017，54（1）：212?220.