基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備智能維修

安太玉

（長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校 吉林省永吉縣 130011）

隨著科技水平的不斷進(jìn)步，虛擬顯示技術(shù)也得到了極大的發(fā)展，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)人們可以簡化設(shè)備智能的維修流程，能夠有效的優(yōu)化模擬設(shè)備維修環(huán)境，本文將針對基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備只智能維修進(jìn)行探究。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種新興的科技，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也被稱作VR如今已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活之中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠利用電子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能，為人們呈現(xiàn)出完整完善的虛擬圖像，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用視覺、聽覺、觸覺、力覺、味覺、嗅覺以及人感覺來誘導(dǎo)人的第一直覺帶來的虛幻環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality)又稱靈境技術(shù)是利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套（柄）等傳感設(shè)備，或利用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，便可以進(jìn)入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，進(jìn)行實(shí)時交互，感知和操作虛擬世 界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備智能維修中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠使用計(jì)算機(jī)代替實(shí)際的生產(chǎn)產(chǎn)品，通過計(jì)算機(jī)的仿真模擬手段來代替設(shè)備維修過程中有關(guān)設(shè)備性能與評價的分析工作，提高了設(shè)備的維修質(zhì)量。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠使工作人員在設(shè)備生產(chǎn)的早期發(fā)現(xiàn)設(shè)備中存在的不足與問題，提高設(shè)備的生產(chǎn)質(zhì)量，并進(jìn)一步改善設(shè)備的功能，并且維修專家可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起一套較為完整的設(shè)備操作使用流程，并且還可以根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)出一整套設(shè)備智能維修操作方式，促進(jìn)設(shè)備智能維修的工作質(zhì)量。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對于普通的維修工人而言，其強(qiáng)大的模擬能力能夠模擬出在各類環(huán)境下設(shè)備維修的真實(shí)情況，提高維修人員的設(shè)備維修水平及應(yīng)對能力，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用也具備維修高效、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等多種優(yōu)點(diǎn)，隨著設(shè)備的科技含量提升，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)會為設(shè)備維修提供更加強(qiáng)有力的維修保障，解決設(shè)備中存在的多種復(fù)雜問題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在發(fā)展過程中，國外的技術(shù)發(fā)展較為迅猛，我國由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展時間較短，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)據(jù)國外國家還有一定的距離，如今我國的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)多用于軍事武器研究用途，并取得了一定的成績。但是通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備智能維修技術(shù)來看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)如今只能夠針對較為單一的零件或幾何空間內(nèi)具備一定的使用效果，能夠?qū)崿F(xiàn)的維修也僅僅是仿真故障零件的替換，因此加強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的系統(tǒng)功能與降低虛擬維修應(yīng)用成本成為了研究人員的主要研究目標(biāo)，提高虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備智能維修能力，保障虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互性與沉浸感。

2 虛擬維修框架搭建

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念分析中可以得知，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種較為實(shí)用的新型科技技術(shù)，想要進(jìn)行虛擬維修工作，研究人員應(yīng)當(dāng)首先搭建起虛擬維修框架。

2.1 PC框架設(shè)計(jì)

PC框架是指應(yīng)用電腦技術(shù)實(shí)現(xiàn)只能顯示設(shè)備智能維修的工作，在建立PC 框架的過程中，研究人員應(yīng)當(dāng)對兩個問題進(jìn)行深入的探究，首先在設(shè)計(jì)過程中由于工業(yè)企業(yè)都配備有一定的PC 設(shè)備，所以在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)PC 設(shè)備進(jìn)行框架的搭建工作，PC 框架搭建過程中研究人員還應(yīng)當(dāng)考慮成本的投入問題，為了降低相應(yīng)的成本所以PC 機(jī)中不能夠添加額外的輔助設(shè)備。這就要求PC 研究人員應(yīng)當(dāng)熟練使用系統(tǒng)的操作與編程，其次系統(tǒng)在進(jìn)行構(gòu)建的過程中，研究人員還應(yīng)當(dāng)考慮系統(tǒng)的兼容性，實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)計(jì)高效有機(jī)的融合在一起的框架搭建目標(biāo)。上述兩種問題都是PC 框架搭建中的難點(diǎn)，由于PC 設(shè)備的限制，會大大減少維修人員的沉浸式體驗(yàn)，同時降低了一部分人機(jī)交互體驗(yàn)，針對復(fù)雜的設(shè)備而言，如何保障大規(guī)模場景繪制工作，如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時刷新界面提高維修人員的沉浸式體驗(yàn)，提高人機(jī)交互性能成為了瓶頸問題，針對這些問題，研究人員在PC 框架搭建過程中應(yīng)當(dāng)首先為計(jì)算機(jī)安裝虛擬工具，提高PC 框架搭建的質(zhì)量。

2.2 虛擬工具安裝

研究人員應(yīng)當(dāng)首先安裝模型轉(zhuǎn)化器，模型轉(zhuǎn)化器是指將3D 模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換的一種模擬工具，模型轉(zhuǎn)化器通過CAD 系統(tǒng)中提供的數(shù)據(jù)資料，分析出產(chǎn)品的故障以及故障產(chǎn)生的原因，并且利用排除的方式以及設(shè)備維修中所需的工具與技術(shù)等信息記錄在任務(wù)描述文件之中，模型轉(zhuǎn)化器能夠?qū)⑦@些信息轉(zhuǎn)化成虛擬的樣機(jī)，形成一個3D 虛擬圖像，之后研究人員還需要利用交互管理器，提高維修人員的人機(jī)交互體驗(yàn)，通過鼠標(biāo)鍵盤等設(shè)備的滾動，3D 模型會進(jìn)行自由的切換，并且還能夠通過鼠標(biāo)鍵盤的操作實(shí)現(xiàn)3D 模型零件的拆解、安裝、瀏覽等多種功能，為了進(jìn)一步保障3D 圖像的清晰度，設(shè)計(jì)人員還需要利用場景優(yōu)化器對3D 模型設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化處理，在這個過程中需要盡可能地減少三角面片的數(shù)量。三角面片是一種重要的設(shè)備參考數(shù)量，三角面片數(shù)量的降低會影響到模型的精確程度，所以在進(jìn)行3D 模型圖像優(yōu)化的過程中，研究人員既要保障模型的清晰程度，還需要保障模型的精確度[1]。采用場景優(yōu)化的過程中運(yùn)用剔除法對層次細(xì)節(jié)技術(shù)進(jìn)行處理，保障虛擬場景能夠自動適應(yīng)圖形簡化與圖形渲染的需求，從而使工具能夠在PC 設(shè)備中被良好的使用。同時還要增加定位導(dǎo)航系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)備智能維修過程種，由于使用鼠標(biāo)操控，所以圖形定位存在諸多不便，對于較為復(fù)雜的設(shè)備維修而言，由于一部分維修人員維修經(jīng)驗(yàn)不足，很難找到需要維修的部位，想要快速到達(dá)指定部位就需要應(yīng)用到定位導(dǎo)航系統(tǒng)的幫助，通過定位導(dǎo)航系統(tǒng)操作人員可以輸入相應(yīng)的信息與維修規(guī)程，系統(tǒng)將自動搜索除指定的零件，并且還能夠自動調(diào)節(jié)零件的顯示位置，保障維修人員能夠擁有最良好的觀察維修視角。

3 模擬樣機(jī)建模及模型優(yōu)化

通過前文的分析可以得知，虛擬顯示技術(shù)設(shè)備智能維修需要應(yīng)用到許多虛擬工具，這些虛擬工具能夠有效地提高虛擬技術(shù)設(shè)備智能維修的質(zhì)量，下面將針對虛擬工具中虛擬樣機(jī)建模及優(yōu)化措施進(jìn)行討論。

3.1 虛擬樣機(jī)建模

進(jìn)行虛擬維修之前，研究人員應(yīng)當(dāng)首先建設(shè)虛擬樣機(jī)模型，虛擬樣機(jī)指的是通過虛擬手段建設(shè)出一個仿真的數(shù)據(jù)模型，這種模型能夠在一定程度上代替“真實(shí)模型”，維修人員可以通過模型的研究分析數(shù)據(jù)，對設(shè)備中產(chǎn)生故障的部位進(jìn)行定點(diǎn)維修工作。通過虛擬樣機(jī)建設(shè)模擬出一個最貼近設(shè)備真實(shí)情況的場景，提高維修人員的沉浸式維修體驗(yàn)[2]。所以在建模過程中，需要用到多粒度建模技術(shù)，這種技術(shù)是指用不同抽象程度與不同粒度對模型進(jìn)行構(gòu)建的一個過程，這種方式能夠?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行抽象化處理，從不同的抽象層次對較為復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行推理與分析工作，并且這種虛擬樣機(jī)建模還能夠?qū)Ξa(chǎn)品分出層次，使用人只需要在系統(tǒng)中輸入設(shè)備的應(yīng)用背景、工作條件、設(shè)計(jì)目標(biāo)等，多粒度建模技術(shù)便可以進(jìn)行較為抽象的思考，從而生成適合的模型層次，虛擬樣機(jī)建模還可以生成信息評價系統(tǒng)，對于設(shè)備的運(yùn)行情況與設(shè)備的維修情況開展評價，增強(qiáng)了虛擬建模的實(shí)用性。

3.2 模型方案

模型方案包含在粒度設(shè)計(jì)之中，也是一種能夠抽象分析的軟件系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以將模型的細(xì)節(jié)總體分為大小兩個部分，若模型描述的較為模糊，其粒子就會變大變粗，若模型描述細(xì)致，那么其顆粒度則越小，例如部件的模型就比零件的模型顆粒度大，再例如設(shè)計(jì)概念就比設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)的顆粒度大，這種建模方案也成為了一種被廣泛應(yīng)用的設(shè)計(jì)方案之一。同時多粒度模型縱向細(xì)節(jié)的程度要比橫向細(xì)節(jié)的程度高，通過上述的分析可以得知維修人員可以根據(jù)設(shè)備的維修需求精準(zhǔn)描述零部件，并對想要維修的部分進(jìn)行細(xì)致的描述，這樣模型可以生成的更加詳細(xì)具體，提高設(shè)備智能維修質(zhì)量。

3.3 場景優(yōu)化處理

場景優(yōu)化處理分為兩個部分，分別是圖像的前置處理以及系統(tǒng)運(yùn)行中的實(shí)時處理，前置處理過程中系統(tǒng)首先接到處理指令，進(jìn)行較為原始的建模工作，并根據(jù)維修任務(wù)以及維修的流程對維修模型中多余的原件進(jìn)行剔除，使模型更加精確化。同時根據(jù)描述的不同確定粒度的大小，對于不需要的零件或模型進(jìn)行輪廓代替處理工作，提高了圖像生成的精確性。在這種運(yùn)行優(yōu)化過程中主要包含兩個優(yōu)化緩解，第一種為LOD 圖像優(yōu)化處理技術(shù)，LOD 技術(shù)即Levels of Detail 的簡稱，意為多細(xì)節(jié)層次。LOD 技術(shù)指根據(jù)物體模型的節(jié)點(diǎn)在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度，決定物體渲染的資源分配，降低非重要物體的面數(shù)和細(xì)節(jié)度，從而獲得高效率的渲染運(yùn)算[3]。其次是隱藏剔除技術(shù)，通過上文分析可以得知，隱藏剔除能夠減少三角形面片的數(shù)量，提高圖像的精確性與直觀性，這兩種圖像處理手段在一定上實(shí)現(xiàn)了圖像的渲染工作，并且提高了圖像的直觀性。

4 定位導(dǎo)航處理

定位導(dǎo)航處理能夠有效地提高維修效率，幫助維修人員在復(fù)雜的維修圖像中找到需要維修的目標(biāo)對象，下面將分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)備智能維修中定位當(dāng)行處理技術(shù)。

4.1 模型檢索

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在維修的過程之中，強(qiáng)調(diào)了人機(jī)交互體驗(yàn)，為了提高虛擬維修的效率，工作人員需要針對故障部件進(jìn)行快速定位工作，對于零部件構(gòu)造較為簡單的設(shè)備而言，維修人員應(yīng)當(dāng)記住零部件的型號，或者名稱，將零部件的代號或者名稱直接輸入值搜索框中搜索即可實(shí)現(xiàn)零件的精準(zhǔn)導(dǎo)航定位目標(biāo)。但是對于零件構(gòu)造較為復(fù)雜的設(shè)備而言，由于設(shè)備中零部件過多，且構(gòu)成較為復(fù)發(fā)，維修人員很難清晰的記得每個機(jī)械的編號，所以致使維修人員記憶過程中往往只能記住零部件大概的位置或者大致的作用，這就導(dǎo)致系統(tǒng)在零部件定位過程中會存在一定的偏差錯誤，模糊搜索技術(shù)成為了模型檢索中最重要的技術(shù)難題[4]。

4.2 視點(diǎn)位置自動生成

在維修人員尋找到相對應(yīng)的模型之后，系統(tǒng)將會把設(shè)備零件展現(xiàn)在維修人員的眼前，并自動調(diào)節(jié)至最佳視角，為了追求更好的呈像方式，研究人員可以首先建立起OBB 包圍盒，OBB 包圍盒的分類眾多，最常見的包圍盒算法有AABB 包圍盒，包圍球，方向包圍盒OBB 以及固定方向凸包FDH。OBB 是較為常用的包圍盒類型。它是包含該對象且相對于坐標(biāo)軸方向任意的最小的長方體。OBB最大特點(diǎn)是它的方向的任意性，這使得它可以根據(jù)被包圍對象的形狀特點(diǎn)盡可能緊密的包圍對象，但同時也使得它的相交測試變得復(fù)雜。OBB 包圍盒比AABB 包圍盒和包圍球更加緊密地逼近物體，能比較顯著地減少包圍體的個數(shù)，從而避免了大量包圍體之間的相交檢測。但OBB 之間的相交檢測比AABB 或包圍球體之間的相交檢測更費(fèi)時。FDH 是一種特殊的凸包，繼承了AABB 簡單性的特點(diǎn)，但其要具備良好的空間緊密度，必須使用足夠多的固定方向，被定義為包含該對象且它的所有面的法向量都取自一個固定的方向集合的凸包[5]。FDH 比其他包圍體更緊密地包圍原物體，創(chuàng)建的層次樹也就有更少的節(jié)點(diǎn)，求交檢測時就會減少更多的冗余計(jì)算，但相互間的求交運(yùn)算較為復(fù)雜。所以再利用OBB 包圍盒的過程中，操作若關(guān)注到某個操作細(xì)節(jié)或操作連接時，可以用OBB 包圍盒進(jìn)行確定，提高零件的細(xì)節(jié)呈現(xiàn)質(zhì)量。

4.3 視點(diǎn)位置確定

在確定好圖像的方向之后，相關(guān)人員還要針對視點(diǎn)位置進(jìn)行確定，這也是人機(jī)交互中比較重要的一個部分，視點(diǎn)應(yīng)當(dāng)擺放在適當(dāng)?shù)奈恢?，被搜索的目?biāo)在呈現(xiàn)過程中既不能夠被無用的模型所遮擋。同時還要保障適當(dāng)?shù)爻氏窬嚯x，提高呈像質(zhì)量，并且在整個呈像過程中，相關(guān)人員還應(yīng)當(dāng)保障圖像的完整性。

5 結(jié)束語

通過基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備智能維修可以得知，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種新型的科技技術(shù)，這種技術(shù)不僅能夠提高維修人員的設(shè)備維修質(zhì)量，還可以減少維修成本。在應(yīng)用過程中研究人員應(yīng)當(dāng)首先搭建模擬維修框架，在模擬框架搭建完成之后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還要在PC 中加入相應(yīng)的圖像處理系統(tǒng)，PC 圖像處理系統(tǒng)安裝完成之后應(yīng)對模擬樣機(jī)建模及模型進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化工作，并提升虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)備智能維修中的定位導(dǎo)航處理技術(shù)水平，提升設(shè)備的智能維修質(zhì)量。