基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備智能維修

賈甜

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

本文通過對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的類別進(jìn)行簡要介紹，以及對現(xiàn)有設(shè)備維修的情況進(jìn)行分析，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入設(shè)備維修中，對基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備智能維修的操作流程和體系架構(gòu)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程虛擬維修，實(shí)現(xiàn)操作者足不出戶對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程維修的目的。

1 必要性研究

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality VR)技術(shù)通過對實(shí)際行為活動的仿真，對用戶的實(shí)時行為作出響應(yīng)，并通過交互設(shè)備，使用戶與虛擬對象進(jìn)行實(shí)時交互。維修是對產(chǎn)品使用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析處理，從而使產(chǎn)品保持良好的工作狀態(tài)所采取的措施。虛擬維修則是依托于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建包含實(shí)際產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)與操作者三維仿真模型的虛擬場景，對整個人機(jī)交互維修過程進(jìn)行仿真的綜合性技術(shù)。

VR技術(shù)的引入將為產(chǎn)品維修帶來一種新的思路，其主要優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)：

（1）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就引入維修性問題，指導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)，貫穿產(chǎn)品的全生命周期。

（2）指導(dǎo)維修，對產(chǎn)品工作中可能出現(xiàn)的維修情況在虛擬環(huán)境下進(jìn)行模擬仿真，選擇最優(yōu)維修方案，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)維修。

（3）在維修仿真中充分考查人機(jī)工效問題，從而實(shí)現(xiàn)人一機(jī)一環(huán)境相統(tǒng)一、相協(xié)調(diào)。

2 研究現(xiàn)狀

根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)和人機(jī)交互方式的不同，可以把常見的各種類型的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)劃分為桌面虛擬現(xiàn)實(shí)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)或混合虛擬現(xiàn)實(shí)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)等類別。

桌面虛擬現(xiàn)實(shí)主要應(yīng)用于CDA設(shè)計(jì)、桌面游戲等，用戶真實(shí)體驗(yàn)感較差；沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)常用于新品研發(fā)，具有良好的用戶體驗(yàn)，可使用戶完全沉浸在虛擬世界中，但是由于成本較高，使用范圍受到限制；增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)可使用戶同時感知虛擬場景和現(xiàn)實(shí)世界；分布式虛擬現(xiàn)實(shí)一般應(yīng)用于復(fù)雜的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，一般和沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合使用，也被應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)上的多人游戲等。目前虛擬現(xiàn)實(shí)維修主要集中在虛擬場景的維修培訓(xùn)、維修模擬，并未將虛擬場景與現(xiàn)實(shí)場景結(jié)合，實(shí)現(xiàn)通過操作虛擬場景來維修現(xiàn)實(shí)的設(shè)備；其次，現(xiàn)有的遠(yuǎn)程維修主要實(shí)現(xiàn)通過計(jì)算機(jī)控制，對機(jī)械手等裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，進(jìn)行維修，并未與VR外設(shè)等進(jìn)行結(jié)合。

3 研究內(nèi)容

本文主要提出將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與設(shè)備遠(yuǎn)程維修相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備智能維修的操作流程，通過對虛擬現(xiàn)實(shí)維修操作流程的分析以及對現(xiàn)有設(shè)備維修體系的研究，設(shè)計(jì)出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備智能維修體系架構(gòu)。從而實(shí)現(xiàn)用戶通過使用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備完成對設(shè)備的遠(yuǎn)程智能維修的目的。

3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)維修操作流程

本文主要提出將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與設(shè)備遠(yuǎn)程維修相結(jié)合的方式，通過對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以及現(xiàn)有的遠(yuǎn)程維修對于機(jī)器手臂的操作的結(jié)合，設(shè)計(jì)出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備智能維修的操作流程，如圖1所示。

圖1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備智能維修操作流程圖

如圖1中所示，操作者通過佩戴傳感設(shè)備、位置追蹤器在交互界面進(jìn)行操作，計(jì)算機(jī)對操作者的位置動作等信息進(jìn)行實(shí)時跟蹤記錄，通過虛擬樣機(jī)建模、虛擬場景建模、虛擬人建模，與數(shù)據(jù)庫交互。計(jì)算機(jī)通過操作者行為信息進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)操作者在VR維修指導(dǎo)下，操作虛擬機(jī)械手臂以及虛擬機(jī)器人對維修場景進(jìn)行模擬操作，同時系統(tǒng)通過對操作者所操作的虛擬機(jī)器人及機(jī)械手臂進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對真實(shí)維修場景下的機(jī)器人及機(jī)械手臂的實(shí)時操作，實(shí)現(xiàn)虛擬遠(yuǎn)程維修。

3.2 虛擬現(xiàn)實(shí)維修體系架構(gòu)

通過對虛擬現(xiàn)實(shí)維修操作流程的分析以及對現(xiàn)有設(shè)備維修體系的研究，設(shè)計(jì)出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備智能維修體系架構(gòu)。如圖2所示。虛擬現(xiàn)實(shí)維修體系主要由四個模塊組成，分別為技術(shù)支持模塊、虛擬操作系統(tǒng)模塊、現(xiàn)實(shí)維修模塊以及維修監(jiān)控分析模塊。

技術(shù)支持模塊用于對虛擬操作系統(tǒng)提供技術(shù)支持，包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、故障檢測技術(shù)等。

圖2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備智能維修體系架構(gòu)圖

虛擬操作系統(tǒng)由三個層次組成，分別是支持層、虛擬操作層、界面層。支持層是對虛擬操作層的技術(shù)支持，包括VR外設(shè)（VR眼鏡、數(shù)據(jù)手套等）、位置追蹤器、網(wǎng)絡(luò)、傳感設(shè)備等。虛擬操作層主要是操作者對虛擬設(shè)備維修的虛擬操作。界面層人機(jī)交互的界面，用于顯示出各個操作模塊，例如故障分析模塊、維修工具模塊、檢測工具模塊、任務(wù)模塊等。

現(xiàn)實(shí)維修模塊是機(jī)器人以及機(jī)械手臂對維修現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行維修操作。維修監(jiān)控分析模塊是對虛擬操作系統(tǒng)以及現(xiàn)實(shí)維修模塊的實(shí)時監(jiān)控與分析，通過對維修異常監(jiān)控、維修進(jìn)度監(jiān)控、維修狀態(tài)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對操作者以及對真實(shí)維修場景中的機(jī)器人以及機(jī)械手臂的監(jiān)控，同時，操作者以及機(jī)器人、機(jī)械手臂的實(shí)時信息也會反饋給監(jiān)控模塊，便于對操作者的維修進(jìn)行調(diào)整。

在基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備智能維修體系架構(gòu)中，技術(shù)支持模塊為虛擬操作系統(tǒng)模塊提供技術(shù)支持。虛擬操作模塊為現(xiàn)實(shí)維修模塊提供維修指導(dǎo)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，同時，現(xiàn)實(shí)維修模塊將維修的實(shí)時信息反饋給虛擬操作模塊。維修監(jiān)控分析模塊可對虛擬操作系統(tǒng)以及現(xiàn)實(shí)維修模塊的實(shí)時監(jiān)控與分析，同時，操作者以及機(jī)器人、機(jī)械手臂的實(shí)時信息也會反饋給監(jiān)控模塊，便于對操作者的維修進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)語

本文通過對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分類進(jìn)行簡要介紹，以及現(xiàn)有設(shè)備維修的情況進(jìn)行分析，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入設(shè)備維修中，對基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備智能維修的操作流程和體系架構(gòu)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程虛擬維修，實(shí)現(xiàn)操作者足不出戶對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程維修的目的。