虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)，又稱靈境技術(shù)，是20世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)全新的實(shí)用技術(shù)。VR技術(shù)可將復(fù)雜物體可視化，囊括計(jì)算機(jī)、電子信息、仿真技術(shù)于一體。

本文提出了一種實(shí)現(xiàn)協(xié)同裝配過(guò)程VR的方法，以盡可能高的沉浸度復(fù)制裝配過(guò)程為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)裝配過(guò)程的分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)特定的VR系統(tǒng)架構(gòu)，使工業(yè)裝配過(guò)程更加安全，并減少了人與機(jī)器人之間的障礙。

協(xié)同設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)支持協(xié)同工作的一個(gè)重要領(lǐng)域，它是由異地不同領(lǐng)域的設(shè)計(jì)者所采用的群體工作方式。協(xié)同裝配是協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)的重要研究方向，其中涉及的技術(shù)多數(shù)集中在系統(tǒng)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。

協(xié)同裝配以其較高的靈活性填補(bǔ)了全自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)與手工裝配之間的空白，但該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性存在很大的不確定性。

VR技術(shù)提供了分析與風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的協(xié)作裝配系統(tǒng)的可能性，并且將操作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的各種問(wèn)題以及解決方法全面考慮，從而可以應(yīng)用于協(xié)同裝配業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

VR的發(fā)展及其應(yīng)用

過(guò)去的40年中，VR技術(shù)不斷發(fā)展，被美國(guó)國(guó)家工程院稱為21世紀(jì)人類面臨的14項(xiàng)主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。

時(shí)至今日，VR已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、工業(yè)、軍事、生物、氣象、建筑等領(lǐng)域。在工業(yè)應(yīng)用中，它主要用于保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間。

由于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的應(yīng)用領(lǐng)域眾多，必須在這些領(lǐng)域中進(jìn)行進(jìn)一步的區(qū)分。

軟件開(kāi)發(fā)、金融產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、工業(yè)設(shè)計(jì)等開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的工作流非常適合VR系統(tǒng)模擬實(shí)現(xiàn)，這些產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的每個(gè)子領(lǐng)域都可以通過(guò)VR中的擴(kuò)展視圖實(shí)現(xiàn)特定的優(yōu)勢(shì)。

工作流程通常需要在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行培訓(xùn)。

使用虛擬工作環(huán)境預(yù)先測(cè)試新的工作流程，在不妨礙生產(chǎn)或消耗材料的情況下，可以讓操作者提前獲得有效、安全工作所需的技能，也可以在沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)的情況下測(cè)試危險(xiǎn)的過(guò)程，防止事故發(fā)生。

輸出和輸入設(shè)備

根據(jù)選定的標(biāo)準(zhǔn)和場(chǎng)景對(duì)視覺(jué)輸出設(shè)備和流程要求進(jìn)行評(píng)估，并將評(píng)估結(jié)果應(yīng)用于應(yīng)用場(chǎng)景、概念驗(yàn)證和培訓(xùn)。

視覺(jué)輸出設(shè)備的評(píng)估

根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估可視化輸出設(shè)備：

1）在VR中進(jìn)行一對(duì)一顯示時(shí)，必須提供水平查看范圍。

2）復(fù)雜性是通過(guò)組件的數(shù)量以及設(shè)置所需的知識(shí)來(lái)評(píng)估的。

3）機(jī)動(dòng)性是根據(jù)系統(tǒng)的大小和可運(yùn)輸性以及組裝和拆卸所需的時(shí)間來(lái)評(píng)估的。

4）根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，沉浸程度的高低對(duì)仿真的成功與否起著決定性的作用。它取決于視野、互動(dòng)的可能性、從現(xiàn)實(shí)到VR的移動(dòng)轉(zhuǎn)移，以及現(xiàn)實(shí)世界仍然可以感知的范圍。

5）對(duì)于VR中需要多個(gè)用戶協(xié)同工作的任務(wù)，必須為所有用戶提供一個(gè)無(wú)故障的立體圖像。

VR模擬的過(guò)程對(duì)輸入設(shè)備的選擇有很大的影響，輸入設(shè)備的一般要求是根據(jù)操作的確定邊界條件推導(dǎo)出來(lái)的。

1）觸覺(jué)反饋在執(zhí)行活動(dòng)時(shí)，不同的力或扭矩會(huì)影響用戶。

2）跟蹤VR中執(zhí)行的操作至少需要交互設(shè)備的位置，有些活動(dòng)需要更全面的跟蹤。

3）人機(jī)工程學(xué)工具的形狀也必須由交互設(shè)備映射，特別是在基于工具使用的活動(dòng)中，交互設(shè)備模擬各自的表單或者行為。

過(guò)程相關(guān)需求的評(píng)估是基于應(yīng)用領(lǐng)域的。使用VR系統(tǒng)對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行可視化，需要提前確定需要達(dá)到的結(jié)果。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)或概念證明的額外可視化目標(biāo)，應(yīng)選擇適合各種活動(dòng)的交互設(shè)備。

用于訓(xùn)練技能的VR系統(tǒng)對(duì)模擬活動(dòng)的符合性要求較高。有必要盡可能真實(shí)地使用交互設(shè)備描述活動(dòng)。

因此，系統(tǒng)應(yīng)盡可能準(zhǔn)確地滿足裝配過(guò)程的具體環(huán)境需求。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組件的選擇與確定

基于分析和評(píng)估得出的需求，可以確定VR系統(tǒng)所需的組件，這些組件能夠表示協(xié)作裝配過(guò)程。該方法本質(zhì)上由3個(gè)步驟組成。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

具體步驟可以描述如下：

首先，從活動(dòng)列表中刪除并釋放重復(fù)操作；其次，將清單縮減到將類似的操作組合在一起并且只發(fā)生一次的程度；最后，在選擇輸入設(shè)備時(shí)也要考慮活動(dòng)的順序，因?yàn)楦淖冚斎牍ぞ?，即不符合裝配工具的調(diào)整可能會(huì)扭曲仿真。

系統(tǒng)架構(gòu)

目前比較常見(jiàn)的協(xié)同裝配體系結(jié)構(gòu)有以下2種類型：

1）集中式結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理功能全部集中在服務(wù)器上，客戶端只有交互界面顯示、人機(jī)交互等簡(jiǎn)單功能，簡(jiǎn)單易并發(fā)控制，但客戶端與服務(wù)器端存在很大的通信延遲；

2）復(fù)制式結(jié)構(gòu)

客戶端完成包括指令分析執(zhí)行和場(chǎng)景顯示等操作，服務(wù)器端則執(zhí)行消息轉(zhuǎn)發(fā)等簡(jiǎn)單功能。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)具有負(fù)載低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是過(guò)程的并發(fā)控制比集中式困難。

綜合分析上述2種體系結(jié)構(gòu)的特性，在傳統(tǒng)集中式體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)客戶端和服務(wù)器端分別進(jìn)行擴(kuò)展修改和功能重置，提出“混合式”的協(xié)同體系架構(gòu)。

實(shí)現(xiàn)協(xié)同裝備的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)架構(gòu)

在該系統(tǒng)架構(gòu)中，除了傳統(tǒng)架構(gòu)包含的基本單元以外，客戶端還有1個(gè)本地任務(wù)處理單元和1個(gè)本地模型處理單元。

1）輸入單元和輸出單元完成基本的輸入輸出任務(wù)；

2）本地任務(wù)處理單元對(duì)集成的任務(wù)進(jìn)行分類，根據(jù)屬性或者特點(diǎn)將其上傳到服務(wù)器端或在客戶端執(zhí)行；

3）本地模型處理單元負(fù)責(zé)管理客戶的模型，將當(dāng)前裝配場(chǎng)景以場(chǎng)景樹(shù)的形式記錄下來(lái)；

4）服務(wù)器端處理客戶端提交的裝配任務(wù)，主要包含：

任務(wù)處理單元對(duì)客戶端的任務(wù)進(jìn)程進(jìn)行排序，根據(jù)任務(wù)的類別分配優(yōu)先級(jí)并分別進(jìn)行調(diào)度，然后將大任務(wù)分解為一系列小而具體的任務(wù)并提交客戶端進(jìn)行執(zhí)行；

沖突控制單元具有控制沖突、檢測(cè)碰撞和裝配約束等功能，負(fù)責(zé)在協(xié)作裝配過(guò)程中發(fā)現(xiàn)沖突并避免沖突操作；

仿真計(jì)算單元負(fù)責(zé)利用仿真計(jì)算算法完成各個(gè)單元的仿真實(shí)現(xiàn)，是本系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)。

這類協(xié)同架構(gòu)兼具集中式和復(fù)制式架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：服務(wù)器端具有協(xié)同控制能力。同時(shí)，大量協(xié)同操作的任務(wù)可以在客戶端進(jìn)行本地處理和執(zhí)行，為實(shí)施協(xié)同裝配提供了良好的操作基礎(chǔ)。

上述架構(gòu)中2個(gè)單元之間需要使用交互設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)操作。對(duì)每一種選定的交互設(shè)備，都必須考慮它適合于其他活動(dòng)的程度，此外，必須考慮到一些交互設(shè)備只部分適合于單個(gè)輸出設(shè)備。

在許多方面，虛擬現(xiàn)實(shí)代表了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)的自然演變。它的優(yōu)勢(shì)在于提供了一種全新的視角來(lái)觀察產(chǎn)品以及產(chǎn)品被制造的過(guò)程。

虛擬裝配可以幫助工程師在不需要實(shí)際原型的情況下進(jìn)行產(chǎn)品可視化，從而對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)做出決策。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以用于研究人工裝配任務(wù)的效率瓶頸和潛在的人機(jī)工程學(xué)問(wèn)題。

它的價(jià)值在于允許設(shè)計(jì)師將從開(kāi)始到結(jié)束的整個(gè)裝配過(guò)程進(jìn)行可視化，這樣工程師能夠在虛擬環(huán)境中測(cè)試設(shè)計(jì)決策，允許自動(dòng)任務(wù)分析和過(guò)程映射，在確定裝配過(guò)程之前進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)的評(píng)估，并提供一種通過(guò)CAD系統(tǒng)鏈接對(duì)過(guò)程信息進(jìn)行可視化的新方法。

虛擬現(xiàn)實(shí)也可以是一個(gè)強(qiáng)大的訓(xùn)練工具，特別是對(duì)于裝配應(yīng)用來(lái)說(shuō)。如：

1）通過(guò)使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)驗(yàn)證汽車裝配過(guò)程，福特將生產(chǎn)線的意外傷害率減少了70%；

2）諾丁漢大學(xué)的李強(qiáng)提出了一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，用于增強(qiáng)夾具設(shè)計(jì)和裝配的過(guò)程；

3）沙特國(guó)王大學(xué)的研究人員創(chuàng)建了一個(gè)球閥總成和汽車門(mén)總成的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬，以補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)的cad/cam環(huán)境。

結(jié)論

本文給出了一種實(shí)現(xiàn)協(xié)同裝配過(guò)程的VR系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，為了對(duì)系統(tǒng)的選擇做出初步的評(píng)價(jià)，該方法進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化。

一個(gè)很有前景的場(chǎng)景是通過(guò)改變VR系統(tǒng)中人類和機(jī)器人之間的合作程度來(lái)評(píng)估協(xié)作裝配工作，以選擇最有效的變體，此外還可以設(shè)想檢查不同安全技術(shù)的影響。

對(duì)于這些進(jìn)一步的研究，在選擇部件時(shí)也應(yīng)該考慮到工人和機(jī)器人之間的全身接觸。

未來(lái)可以進(jìn)行參與者研究來(lái)驗(yàn)證結(jié)果。本文對(duì)評(píng)價(jià)不同作業(yè)性能的交互裝置的要求是基于對(duì)作業(yè)的理論考慮和確定的邊界條件。

在研究范圍內(nèi)，每個(gè)活動(dòng)都可以在VR中使用不同的交互設(shè)備進(jìn)行。這可以用來(lái)評(píng)估需求是否正確，此外，還可以為每個(gè)操作生成適當(dāng)?shù)慕换ピO(shè)備的精確列表。

未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)有：

1）將RFID技術(shù)與虛擬裝配技術(shù)融合到一起，實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)協(xié)同裝配技術(shù)。

通過(guò)RFID定位技術(shù)獨(dú)有的特性展示出在裝配過(guò)程中對(duì)零件位置追蹤的優(yōu)勢(shì)與便利。虛擬現(xiàn)實(shí)協(xié)同裝配技術(shù)能與用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)溝通，解決用戶個(gè)性化需求，而且能有效解決錯(cuò)裝、漏裝現(xiàn)象的發(fā)生。

2）基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬裝配會(huì)應(yīng)用得更加廣泛。

隨著“工業(yè)4.0”和《中國(guó)制造2025》的提出，現(xiàn)代制造業(yè)迫切需要向智能化發(fā)展。

實(shí)現(xiàn)智能制造的前提之一在于信息連通性，基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)MR（Mixed Reality）的協(xié)同制造可令工作人員透過(guò)混合實(shí)境裝置取得背景數(shù)據(jù)無(wú)縫、直觀的視覺(jué)線索，從物聯(lián)網(wǎng)和人工智能系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，協(xié)助員工實(shí)時(shí)在工作中將關(guān)鍵數(shù)據(jù)可視化。

MR技術(shù)作為一種高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)，將在智能制造系統(tǒng)中負(fù)責(zé)提供人與智能設(shè)備之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話接口。
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