基于虛擬現實技術的工程機械三維裝配培訓平臺設計

李力

（湖南工業職業技術學院電氣工程系，湖南長沙，410208）

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基于虛擬現實技術的工程機械三維裝配培訓平臺設計

李力

（湖南工業職業技術學院電氣工程系，湖南長沙，410208）

［摘要］針對當前工程機械培訓中實踐操作培訓手段落后等問題，本文以中聯L B4000瀝青攪拌站為例，采用虛擬現實技術，設計了一個用于工程機械行業技術服務人員實踐操作培訓的交互式工程機械三維虛擬裝配平臺，該系統主要由基于3D Max的中聯LB4000瀝青攪拌站三維模型、基于OSG的虛擬裝配軟件系統和裝配指導輔助系統及相關硬件支持設備組成，為職業類院校及培訓機構提供了一種現場感較強的培訓方式。

［關鍵詞］虛擬現實技術；三維裝配；工程機械

Research on 3D Assembly Training Platform of Engineering Machinery Based on Virtual Reality Technology

LI Li
(Hunan Industry Polytechnic, Changsha410208, Hunan)

［Abstract］According to the problems in the current engineering mechanical training, such as the backward training means of practical operation and so on,this paper takes Zoomlion LB4000 asphalt mixing station as an example, adopts the virtual reality technology, and designs an interactive 3D virtual assembly platform for the practical operation training of technicians in engineering machinery industry, which is mainly based on the Zoomlion LB4000 asphalt mixing station 3D model of 3D Max and the OSG virtual assembly software system and the aided assembly instruction system and related hardware support device, providing the vocational colleges and training institutions with a training method of a strong scene feeling.

［Key words］virtual reality technology; 3D assembly; engineering machinery

近年來，隨著建設工程的規模越來越大，對建筑質量要求越來越高，大量的工程機械被用于各種工程中，隨之而來的是工程機械企業及用戶單位對裝配、操作和維修等技術服務人員極大需求。然而，由于工程機械整體結構較為復雜、價格昂貴、體積重量大、占用空間也比較大，這使得相應專業技術服務人員的培訓工作往往停留在理論知識培訓上，實踐操作訓練直接在工作崗位上完成，由于其缺乏現場經驗，這類人員在工作初期極易出現失誤，甚至發生安全事故，造成生命和財產損失。所以，當前迫切需要對現有技術培訓手段進行更新，特別是需要有一種能方便初級學員進行實踐操作培訓的手段。

針對目前現狀，本文以中聯L B4000瀝青攪拌站為例，采用虛擬現實技術，擬設計和開發一套用于工程機械行業技術服務人員實踐操作培訓的交互式工程機械三維虛擬裝配平臺，以解決當前培訓中實踐操作培訓手段落后等問題，特別是為職業類院校提供一種現場感較強的培訓方式。

本系統主要由基于3D Max的中聯LB4000瀝青攪拌站三維模型、基于OSG的虛擬裝配軟件系統和裝配指導輔助系統及相關硬件支持設備組成。

1三維模型的建立

以中聯重科LB4000瀝青攪拌站為樣機，采用3DMax建模軟件以1：1的比例建立瀝青攪拌站的三維模型，并建立瀝青攪拌站周邊場景和天空。本文中，LB4000瀝青攪拌站由攪拌系統、計量系統、熱骨料系統、熱料篩分機……裝載機、運輸車等26個大部件組成。在3D Max中建模完成后，導出所有部件及場景的IVE格式文件，供OSG調用。

圖1 LB4000瀝青攪拌站3D模型及場景

2虛擬裝配程序的設計

OSG（Open Scene Graph）是一個基于工業圖形標準Open GL的高層次圖形開發API接口，即三維渲染引擎，它提供了一系列可供3D程序開發者使用的功能接口，包括3D和2D數據文件的加載、紋理字體支持，細節層次（LOD）控制、多線程及分頁處理等。基于上述特點，本文采用OSG+MFC的系統架構來進行虛擬裝配軟件的設計。

2.1虛擬裝配系統的設計

虛擬裝配系統的設計包括三維模型驅動的設計、裝配界面的設計以及管理界面的設計。系統的軟件架構如圖2所示。

圖2虛擬裝配系統軟件構架

2.1.1三維模型驅動的設計

本文采用OSG作為虛擬裝配系統的三維模型驅動引擎，程序根據裝配界面接受到的操作指令在虛擬場景中驅動對應部件的三維模型完成裝配動作，在虛擬裝配過程中，模型的驅動及刷新交由OSG內核完成，為了獲得較好的虛擬裝配視覺效果，兩個問題比較關鍵：三維模型的安裝路徑和相機運動軌跡及其角度切換。本文中，三維部件模型的安裝路徑動畫采用OSG中動畫更新回調算法，在回調算法中定義和注冊動畫頻道，依據26個部件模塊的安裝特性，依次設計了其裝配動畫及播放方式，在OSG動畫頻道實現安裝路徑動畫。相機的設置包括相機的運動軌跡和角度的切換，瀝青混凝土攪拌站體積較大，為了能在安裝過程中能更好的觀察安裝角度，在裝配過程中需不斷的調整相機的位置及角度，使當前正在安裝的部件模塊處于顯示屏幕的中間位置，有利于觀察判斷。為了保證裝配畫面的流暢和穩定，相機觀察點（eye）的移動軌跡采用插值的算法得到，相機的焦點（center）設置在當前正在安裝的部件模塊的中心位置，在確定起始位置和終點位置后，分別對相機觀察點和相機焦點的運動軌跡做插值計算，經對比，線性插值得到運動軌跡效果較好，畫面流暢、抖動較少，圖像效果比較好，同時需要注意的是，應當綜合考慮顯示效果的需要和計算機硬件性能，適當的調整軌跡點的插值密度。

2.1.2裝配界面的設計

為了方便管理人員進行管理，本系統設計了管理員設置功能，在該對話框中，管理員可將系統設置工作在訓練模式或者考核模式下，還可以查詢所有學員的成績及排名情況等。

裝配軟件的界面是基于MFC設計的，界面中，包括3個三維顯示窗口，分別是位于界面右上角的下一待安裝部件提示框；左下角的當前安裝部件安裝位置提示框和三維虛擬裝配主界面，3個二維顯示窗口，分別是右下角的所選部件文字說明框；右下角附近的裝配持續時間、已安裝部件數和待安裝數顯示框；右上角的待安裝部件文字提示欄，所有26個部件的二維圖片布置在顯示界面的下端，供學員點擊選擇。

圖3裝配操作界面

2.1.3管理界面的設計

由于本系統主要用于初級學員的裝配培訓，因此學員的學號及成績管理需要設計專門的對話框，用于培訓過程中對參與學員的學號及其裝配成績進行統計和記錄，界面如下圖所示：

圖4管理對話框

3硬件配置

作為軟件的運行基礎，本系統的硬件主要由高性能計算機構成，作為教師演示端，顯示部分可配置高清晰度顯示屏，輸入設備可為普通鼠標或者觸摸屏，在有限的條件下，也可以在普通計算機機房中運行。

4結語

本文以中聯L B4000瀝青攪拌站為例，采用虛擬現實技術，實現了交互式工程機械三維虛擬裝配，為職業類院校及培訓機構提供了一種極具科技感和現場感的培訓方式。隨著研究的深入以及工程實踐的需要，利用虛擬現實技術進行瀝青混凝土攪拌站的操作虛擬仿真及其設備故障診斷維修將是重要的研究方向。

[參考文獻]

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[2]楊萍，謝慧清.虛擬裝配中碰撞檢測的研究[J].科學技術與工程，2007，（06）.

[3]劉濤，王增波，李占利.碰撞檢測過程中的包圍盒技術及應用研究[J].西安科技大學學報，2006，（03）.

［作者簡介］李力（1983-），男，湖南長沙人，湖南工業職業技術學院電氣工程系講師，研究方向：虛擬現實。

［收稿日期］2015-10-27

［中圖分類號］TP391.9

［文獻標識碼］A

［文章編號］1671-5004（2016）01-0020-02