虚拟装配技术的研究综述

第21卷第8期系统仿真学报©Vol.21No.82009年4月JournalofSystemSimulationApr.,2009·2267·虚拟装配技术的研究综述夏平均1,2，陈朋2，郎跃东2，姚英学2，唐文彦1（1.哈尔滨工业大学电气学院，哈尔滨150001；2.哈尔滨工业大学机电学院，哈尔滨150001）摘要：虚拟装配是虚拟现实技术在制造业的典型应用。从虚拟装配环境、虚拟装配关键技术、虚拟装配应用系统三个方面对虚拟装配技术的研究状况进行了分析和综述。探讨了现有虚拟装配环境系统的不足，研究了两种考虑人体活动的新型虚拟装配环境系统。总结了虚拟装配各关键技术的研究和应用概况，重点分析了虚拟环境下的装配建模、约束定位、工艺规划、人机因素等技术研究状况，指出了目前面临的主要问题。最后介绍了几种最近几年出现的典型虚拟装配应用系统，并指出了将来的发展方向。关键词：虚拟装配；虚拟环境；人体活动；综述中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1004-731X(2009)08-2267-06StudyonVirtualAssemblyTechnology:aSurveyXIAPing-jun1,2,CHENPeng2,LANGYue-dong2,YAOYing-xue2,TANGWen-yan1(1.SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HIT,Harbin150001,China;2.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,HIT,Harbin150001,China)Abstract:Virtualassemblyisthetypicalapplicationofvirtualrealitytechnologyindesignandmanufacturing.Virtualassemblytechnologywassummarizedandanalyzedfromthreeaspects:virtualassemblyenvironment,virtualassemblykeytechnologies,andvirtualassemblyapplicationsystems.Aimingattheshortcomingsoftraditionalvirtualassemblyenvironment,thetwonewvirtualenvironmentsystemsconsideringhumanactivitieswerestudied.Thekeytechnologiesofvirtualassemblysystems,theirresearchesandapplicationsweresummarized,andsomeimportanttechnologiesincludingassemblymodelinginvirtualenvironment,constraint-basedpositioning,assemblyprocessplanningandhumanfactorsevaluationwerestudiedcomprehensively.Atlast,thetypicalvirtualassemblyapplicationsystemsarisinginrecentyearswereintroducedandtheresearchdirectionsinfuturewerepointedout.Keywords:virtualassembly;virtualenvironment;humanergonomics;survey引言1虚拟装配是虚拟现实技术在制造业的典型应用，它从产品装配设计的角度出发，利用虚拟现实技术建立一个具有听觉、视觉、触觉的多模式虚拟环境，借助于虚拟现实的输入输出设备，设计者在虚拟环境中人机交互式地进行装配和拆卸操作，检验和评价产品的装配性能，从而生成经济、合理、实用的装配方案。虚拟装配对优化产品设计、避免或减少物理模型制作、缩短装配周期、降低装配成本，提高装配操作人员的培训速度、提高装配质量和效率具有重要意义。1虚拟装配的主要研究方面本文将虚拟装配的研究分为三个方面：虚拟装配环境研究、虚拟装配关键技术研究和虚拟装配应用系统的研究，如图1所示。虚拟装配环境的研究是基础和前提，一个良好的虚拟环境平台能使虚拟操作能符合实际装配过程，仿真结果对实际生产更具有指导意义。虚拟装配关键技术的研究是核心，着重解决虚拟装配过程中的各项关键使能技术。两者相收稿日期：2007-08-31修回日期：2008-01-09基金项目：总装“十五”计划预研“数字化预装配技术”(41318.1.1.2)；“十一五”计划预研“卫星虚拟装配技术及其应用”(513200203)作者简介：夏平均(1978-),男,湖北黄冈人,博士,讲师,研究方向为数字化设计与制造、虚拟现实技术及其应用;陈朋(1981-),男,黑龙江人,博士生,研究方向为虚拟装配。结合决定着虚拟装配应用系统是否成功和有实际意义。2虚拟装配环境的研究虚拟装配离不开虚拟现实环境，现有的虚拟装配环境可分为如下几类：桌面式系统、头盔式系统、CAVE式系统和大屏幕投影式系统。桌面式系统采用普通计算机或低端图形工作站来产生三维虚拟场景，并把计算机的显示器作为用户观察虚拟场景的窗口，参与者通过佩戴立体眼镜可以看到三维立体图像。这种方式成本低廉、使用简单、操作方便，缺点是沉浸感比较差。头盔式系统利用头盔显示器和数据手套等交互设备把用户的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，从而使用户真正成为系统的一个参与者，产生的沉浸感比较强。但由于现有虚拟现实硬件能力的不足，导致目前头盔式显示器存在约束感较强，分辨率偏低等问题，长时间易引起疲劳虚拟装配应用系统虚拟装配关键技术虚拟装配环境图1虚拟装配研究的主要方面第21卷第8期Vol.21No.82009年4月系统仿真学报Apr.,2009·2268·等。CAVE系统的主体是一个房间，房间的每一面墙、天花板、地板均由大屏幕组成，高分辨率的投影仪将图像投影到这些屏幕上，用户戴上立体眼镜便能看到立体图像。CAVE系统实现了大视角、全景、立体且支持多人共享的一个虚拟环境，但其价格昂贵，要求更大的空间和更多的硬件设备，同时参与者仍被限制在一个有限的狭小空间内，受现实世界强的限制，不能大距离行走。大屏幕投影系统通常将多台投影仪拼接起来形成一个逻辑上统一的大屏幕，从而实现大面积、高分辨率的显示，可以产生大视角、高亮度和高分辨率的立体图像，可提供几十人沉浸其中，参与人员佩戴立体眼镜即可感受到周围的虚拟场景，使参与者仿佛置身于真实的客观世界中，因此可以产生很强的沉浸感。大屏幕式投影系统目前主要包括平面式系统和柱面式系统，主要缺点是成本太高，技术难度大，边缘融合、曲面校正、图像拼接等关键问题需要解决。以上几种虚拟装配环境存在的共同问题是操作人员或者被限制在原地不动，或者只能在有限的空间内行走，而现实世界中，人应该能够在更广阔的空间内活动，现有虚拟装配环境与之相比存在较大差距。特别是在大型复杂产品（如飞机、火箭、卫星等）的装配规划与训练中，这一问题更加突出。在大型产品的装配过程中，产品的主体框架并不能随意移动，而要求工作人员在不同工作位置和设备之间往返或进入产品内部以完成相应零部件的装配工作。传统形式的虚拟装配环境很少考虑参与人员的实际活动范围，忽略了操作人员在虚拟环境中的运动感知问题，操作人员或者只能限制在固定位置不动，如头戴立体眼镜坐在显示器前进行虚拟操作；或者只能在有限范围内活动，如进入CAVE环境中，只能在有限的房间大小范围内活动。为了解决上述问题，英国Warwick大学研制了一种新型的虚拟装配环境系统——Cybersphere[2]。采用半透明的球体作为显示装置，放置在可以自由旋转的支架上，操作者处于球体内部，直接与球内表面接触，完成自由行走的功能。计算机根据操作者的肢体动作产生不断变化的图像，并通过投影系统显示在球体表面，操作者通过立体眼镜看到立体图像。这种方式虽然实现了操作者在虚拟环境中的自由行走，图2虚拟装配环境——CyberSphere但存在如下缺陷：①由于球体完全封闭，操作者与外界联系的各种交互设备必须采用无线连接方式，需要单独开发；②操作者要背负如电源之类的设备，增加了负担；③由于球体要承受人的重量并且在支架上不断旋转，同时还需要在上面投影，故材料强度和光学性能要求高，制作难度较大。哈尔滨工业大学也设计了一种可实现操作者自由行走的新型虚拟装配环境系统[2]，如图3所示，也采用球形幕作为显示装置，操作者的自由行走通过专门设计的全方位反行走机构完成。操作者头部、手部与双脚分别装有3-D位置跟踪器反映其位姿变化，通过佩戴立体眼镜、数据手套与虚拟环境交互。操作者在该平台上可以实现直线行走和转向动作，计算机系统根据接收到的3-D位置跟踪器信号，控制全方位反行走机构的运动，并生成不断变化的三维图像，通过投影系统显示到球形幕上，从而生成沉浸感较强的虚拟环境，为大型复杂产品的装配设计、规划和训练提供高逼真度的仿真平台。1地基；2墙壁；3天花板；4投影仪；5球形显示屏；6操作者；7运动感知器；8运动控制计算机；9曲面投影校正单元；10图形工作站；11虚拟场景图3考虑人体活动的新型虚拟装配环境3虚拟装配关键技术的研究作为新兴的研究领域，虚拟装配技术的发展与虚拟现实技术、计算机技术、人工智能技术、工艺设计技术等多学科紧密相关，涉及的关键技术包括装配建模、约束定位、评价决策、人机功效等多个方面，如图4所示，我们将其分为三类，第一类关键技术主要包括仿真与可视化、装配建模、约束定位、碰撞检测、路径规划等，这类技术目前基本成熟，在工业生成中得到广泛应用。第二类关键技术包括公差质量分析、工装夹具设计、工艺规划、人机交互等，这类技术目前只能说初步成熟，在工业生产中还未获得大量应用。第三类技术主要包括过程控制与优化、产品设计改进、人机功效分析、装配知识与智能等方面，这类技术目前还不成熟，在工业实际中未获得应用。表1为目前各关键技术研究概况。根据对虚拟装配的影响程度，下面对几个重要的关键技术分别来进行论述。3214567891110第21卷第8期Vol.21No.82009年4月夏平均，等：虚拟装配技术的研究综述Apr.,2009·2269·仿真与可视化关键技术装配建模约束定位碰撞检测工装夹具人机交互路径规划公差质量工艺规划知识智能设计改进评价决策过程优化人机功效图4虚拟装配涉及的关键技术表1虚拟装配关键技术的研究概况关键技术重要程度研究数量技术成熟度应用情况仿真可视化+++++++++++++++++装配建模+++++++++++++++++约束定位++++++++++++++++++碰撞检测+++++++++++++++路径规划++++++++++++++++评价决策+++++++++++++公差质量++++++++++工装夹具+++++++++工艺规划+++++++++++++++人机交互++++++++++++过程优化++++++设计改进+++++人机功效+++++++知识智能+++++++(1)虚拟环境下的装配建模技术装配建模是虚拟装配的基础和信息来源，虚拟环境下的产品装配建模和CAD系统存在很大不同，国内外很多学者进行了研究。美国芝加哥Illinois大学Banejnee等[3]最早提出面向虚拟装配的基于场景图的装配信息模型，将零件的优先约束关系、事件控制等约束信息封装在场景图的零件节点中，在进行交互式装配序列规划时，通过检查零件节点的约束状态来避免不可行的装配操作。该方法实现起来便于与虚拟环境软件集成，但用户需要预先定义大量装配优先关系，前期工作量十分繁琐。浙江大学刘振宇等[4]提出了面向虚拟装配的层次信息模型，将CAD系统的零件设计信息以中性文件的形式进行存储，在虚拟环境中通过读取中性文件获取零件设计信息，并将零件信息分为零件层、特征层、几何层与显示层，通过数