面向工业培训应用的虚拟现实装配系统研究

　　摘 要： 将虚拟现实技术运用到工业培训中可以弥补传统工业培训指导性不强、耗费资源度大等缺点。文中以工业模具装配为例，利用改进后的预分割OBB碰撞检测算法结合Petri网对模具的装配序列和装配实现方法进行了研究，描述了基于HTC Vive虚拟现实头盔和Unity3d，3ds MAX等软件开发的虚拟现实模具装配系统。最后，通过装配系统训练模块对面向工业培训中的虚拟现实交互训练功能的研究和实现进行详细的描述，结果表明虚拟现实装配系统的研究对工业培训指导有着很大的意义。

　　关键词： 虚拟现实; 装配系统; 交互技术; 工业培训; OBB碰撞检测; Petri网

　　Abstract： The application of virtual reality technology in industrial training can make up for the shortcomings of traditional industrial training， such as poor instruction and high resource consumption. Taking industrial mold assembly as an example， the assembly sequence and assembly implement method of mold are studied by using the improved pre?segment OBB collision detection algorithm in combination with Petri net， a virtual reality mold assembly system developed on the basis of HTC Vive virtual reality helmet， Unity3d， 3DMAX and other software is described in this paper. The research and implementation process of virtual reality interactive training function in industrial training are described in detail by means of assembly system training module. The experimental results show that the research of the virtual reality assembly system is of great significance to industrial training guidance.

　　Keywords： virtual reality; assembly system; interaction technology; industrial training; OBB collision detection; Petri net

　　《工程与试验》(季刊)创刊于1961年，由中国仪器仪表学会试验机分会、长春试验机所主办。本刊秉承“宣传贯彻科学技术是第一生产力的思想。

　　0 引 言

　　创新是企业在当今全球市场取得成功的关键。通过有效地应用新技术和新工艺来解决当前工程设计实践中所面临的挑战在获得竞争优势[1]。虚拟现实(VR)应用技术旨在利用计算机技术对现实或者虚拟的世界进行仿真。随着科学技术的发展，虚拟现实技术在娱乐、动画、医疗康复和工业培训中都得到了广泛运用[2]，它可以呈现出现实世界里获取不到的额外信息，使得在虚拟场景里的学习环境更加丰富有趣[3]。在工业制造业，为了降低成本、提高生产效率和产品质量，虚拟现实技术已经逐渐运用到工业生产培训中，尤其在高新技术行业，虚拟现实技术带来的作用是其他技术无法比拟的。因此，越来越多的学者开始关注如何制作出一种现实感强、体验度高的虚拟场景，配合高逼真度的三维重建模型进行工业培训[4]。

　　本文利用了Petri网对模具装配序列进行了系统的规划，并针对装配过程中的基于传统OBB碰撞检测算法的缺陷作出了改进，提出了一种预分割OBB碰撞检验，使得装配效果更加贴近真实，并由此建立模具虚拟装配系统，结合HTC Vive和Unity交互技术，完成模具虚拟装配。

　　1 面向工业培训应用的虚拟现实系统

　　虚拟现实装配系统一般用于工业培训，它是一个集教学、训练、考核为一体的机械零件装配仿真系统，其中训练模块的设计最为重要，要仔细研究零件的装配序列和装配路径规划[5]，并验证装配设计和操作在现实中确实可行，通过显示器可视化显示装配过程，利用外部输出设备作为交互工具来对虚拟场景的零件模型按照要求进行装配[6]。但是，大部分传统的虚拟装配系统都是通过PC端构建虚拟场景，然后用鼠标对场景内的工业零件实现抓取、拖拽、安装等交互功能。这样的虚拟装配系统不能让用户切身体验到现实装配的感觉，而且对零件细节的观察也不够直观，有些细小的零件的装配过程并不能生动形象的体现出来[7]。从装配员工的角度来讲，必须全方位地对装配零件进行观察以确保装配过程万无一失，因此采用光学式的头戴显示器设备更具有优势。由于虚拟装配的原则是通过完成每一个装配零件空间位置以及姿态的调整，不断地对零件进行旋转移动，从而达到虚拟实验的目的，因此对交互设备的定位精度要求就很高。考虑到装配过程中零件数量较多布局可能比较分散，本研究中选择定位更加准确追踪范围更广阔的HTC Vive作为实现装配功能的交互设备。选用HTC Vive的理由如下：

　　1) HTC Vive作为头盔式显示器佩戴在用户的头部，其显示器所映射出来的画面会实时的跟着头部的运动而切换，而且手柄也会被定位器基站捕捉到在显示器里面显示，如同切身实地的在对零件进行操作。用户也可以在虚拟场景中获取相应零件的语音或者文字装配指导信息，无需将视线在手册和装配场景之间切换，从而将注意力集中在装配任务上。

　　2) HTC Vive强大的Lighthouse定位技术属于激光掃描定位技术，通过两颗激光传感器来识别头盔上的位置追踪传感器获取影像位置和方向信息，它几乎没有延迟[8]，不怕遮挡，定位精度可达到mm级别，所以HTC Vive给用户带来了非常好的沉浸感，长时间佩戴也很少出现眩晕效果。

　　2 基于碰撞检测算法装配过程规划

　　2.1 基于Petri网的装配序列规划

　　由于装配过程是不可逆的，必须按照一定的装配顺序逐步的将离散的零件装配成一个整体，该原理和排列组合问题的原理极为相似。因此，可以通过Petri网解决离散事件系统对装配序列进行规划。本次装配模具分为上模和下模，建立Petri网装配过程模型。模具组成零件如表1所示。

　　根据模具的装配要求，分析各个零件在三维空间里的装配位置以及零件之间的相互约束关系建立Petri网装配序列模型，如图1所示。

　　对关联矩阵进行分析，结合装配属性，得到的模具下模装配序列为：大底板?凹模板?螺钉?销钉?限位柱?浮升销组件?凹模镶块?步距感应器。上模装配序列为：导柱?导正钉?卸料板盖板?固定板?冲头?上模座。最后上下合模完成整个模具的装配。

　　2.2 基于方向包围盒算法(OBB)的碰撞检测

　　在虚拟现实装配过程中，为了减少装配零件的碰撞和避免相互穿透效果的出现，需要对这些零件进行碰撞检测。OBB(方向包围盒)树用于包围盒的层次结构中，以检测对象之间的冲突，它是基于模型点的协方差矩阵来生成的，碰撞检测过程主要是判断对象的OBB树是否重叠，如果没有重叠，说明对象没有发生相互碰撞，如果发生重叠，则继续检测下一层OBB树，直至算法完成。由于装配过程零件会发生旋转，倒置等动作，OBB包围盒的方向会随着物体状态改变作出调整，因此选择此算法进行碰撞检测。

　　2.2.1 传统的OBB树算法

　　文献[9]提出了传统的OBB树算法，其主要分为两步：方向包围盒的计算和构建包围盒二叉树。方向包围盒的计算过程如下：假设模型是由多个三角形组成，定义第m个三角形的顶点为pm，qm和rm，利用顶点的均值和协方差矩阵计算所有的三角顶点，通过式(1)可以计算出平均值μ，式(2)可以得到协方差矩阵[Cjk]。

　　包围盒二叉树的构建遵循自上而下的方法，首先，用一个垂直于轴的平面分割包围盒的最长轴。然后根据三角形的中心点位置对每个三角形进行分类，一部分三角形在左边，其他的在右边。如果出现：

　　1) 树已经达到一定的高度;

　　2) 包围盒上的三角形的数目比前缀值低;

　　3) 包围盒内的三角形沿任意轴都不可分割的情况，则停止构建。创建方向包围盒树的步骤如图2所示，每一步都会对包围盒进行优化，最后获得一组类似于原始网格的包围盒。

　　2.2.2 预分割策略改进OBB树算法

　　在许多情况下，由于装配模具包含许多附属零件，碰撞发生区域较窄，如果来对整个模具进行碰撞检测，包围盒内存在许多间隙会降低算法的效率如图3所示。

　　利用传统的OBB树算法对零件建立包围盒出现了许多空白区域，其他装配零件进入到这些区域但未与零件直接接触就会产生碰撞效果。因此使用预分割的方法来对传统OBB树算法进行改进，主要分为以下5步：

　　1) 根据模具表面可以构建出多个包围盒，并把这些包围盒放到队列Q中。

　　2) 选出Q中的第一个包围盒B，如果Q为空，则进入到步骤4)。

　　3) 从队列Q中选出一个包围盒Pi，并在B和Pi之间建立一个包围盒D，若[VOL(D)VOL(B)+VOL(Pi)+1<ε](ε为事先定义好的阈值)，删除包围盒Pi，将包围盒D放到队列Q的末端，否则将包围盒B放到包围盒队列T中。

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文章名称： 面向工业培训应用的虚拟现实装配系统研究

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