基于虛擬現實技術的設備智能維修

賈甜

（中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001）

本文通過對虛擬現實技術的類別進行簡要介紹，以及對現有設備維修的情況進行分析，將虛擬現實技術引入設備維修中，對基于虛擬現實技術的設備智能維修的操作流程和體系架構進行分析與設計，實現對設備的遠程虛擬維修，實現操作者足不出戶對設備進行遠程維修的目的。

1 必要性研究

虛擬現實(Virtual Reality VR)技術通過對實際行為活動的仿真，對用戶的實時行為作出響應，并通過交互設備，使用戶與虛擬對象進行實時交互。維修是對產品使用過程中出現的問題進行分析處理，從而使產品保持良好的工作狀態所采取的措施。虛擬維修則是依托于虛擬現實技術，構建包含實際產品數字樣機與操作者三維仿真模型的虛擬場景，對整個人機交互維修過程進行仿真的綜合性技術。

VR技術的引入將為產品維修帶來一種新的思路，其主要優勢有以下幾點：

（1）在產品設計之初就引入維修性問題，指導產品研發，貫穿產品的全生命周期。

（2）指導維修，對產品工作中可能出現的維修情況在虛擬環境下進行模擬仿真，選擇最優維修方案，進而指導現實維修。

（3）在維修仿真中充分考查人機工效問題，從而實現人一機一環境相統一、相協調。

2 研究現狀

根據應用目標和人機交互方式的不同，可以把常見的各種類型的虛擬現實技術劃分為桌面虛擬現實、沉浸式虛擬現實、增強現實或混合虛擬現實、分布式虛擬現實等類別。

桌面虛擬現實主要應用于CDA設計、桌面游戲等，用戶真實體驗感較差；沉浸式虛擬現實常用于新品研發，具有良好的用戶體驗，可使用戶完全沉浸在虛擬世界中，但是由于成本較高，使用范圍受到限制；增強虛擬現實可使用戶同時感知虛擬場景和現實世界；分布式虛擬現實一般應用于復雜的桌面虛擬現實系統，一般和沉浸式虛擬現實結合使用，也被應用于互聯網上的多人游戲等。目前虛擬現實維修主要集中在虛擬場景的維修培訓、維修模擬，并未將虛擬場景與現實場景結合，實現通過操作虛擬場景來維修現實的設備；其次，現有的遠程維修主要實現通過計算機控制，對機械手等裝置進行遠程控制，進行維修，并未與VR外設等進行結合。

3 研究內容

本文主要提出將虛擬現實技術與設備遠程維修相結合的方式，設計出基于虛擬現實技術的設備智能維修的操作流程，通過對虛擬現實維修操作流程的分析以及對現有設備維修體系的研究，設計出基于虛擬現實技術的設備智能維修體系架構。從而實現用戶通過使用虛擬現實設備完成對設備的遠程智能維修的目的。

3.1 虛擬現實維修操作流程

本文主要提出將虛擬現實技術與設備遠程維修相結合的方式，通過對虛擬現實技術中沉浸式虛擬現實系統以及現有的遠程維修對于機器手臂的操作的結合，設計出基于虛擬現實技術的設備智能維修的操作流程，如圖1所示。

圖1 基于虛擬現實技術的設備智能維修操作流程圖

如圖1中所示，操作者通過佩戴傳感設備、位置追蹤器在交互界面進行操作，計算機對操作者的位置動作等信息進行實時跟蹤記錄，通過虛擬樣機建模、虛擬場景建模、虛擬人建模，與數據庫交互。計算機通過操作者行為信息進行人機交互，實現操作者在VR維修指導下，操作虛擬機械手臂以及虛擬機器人對維修場景進行模擬操作，同時系統通過對操作者所操作的虛擬機器人及機械手臂進行實時監控，實現對真實維修場景下的機器人及機械手臂的實時操作，實現虛擬遠程維修。

3.2 虛擬現實維修體系架構

通過對虛擬現實維修操作流程的分析以及對現有設備維修體系的研究，設計出基于虛擬現實技術的設備智能維修體系架構。如圖2所示。虛擬現實維修體系主要由四個模塊組成，分別為技術支持模塊、虛擬操作系統模塊、現實維修模塊以及維修監控分析模塊。

技術支持模塊用于對虛擬操作系統提供技術支持，包括虛擬現實技術、增強現實技術、故障檢測技術等。

圖2 基于虛擬現實技術的設備智能維修體系架構圖

虛擬操作系統由三個層次組成，分別是支持層、虛擬操作層、界面層。支持層是對虛擬操作層的技術支持，包括VR外設（VR眼鏡、數據手套等）、位置追蹤器、網絡、傳感設備等。虛擬操作層主要是操作者對虛擬設備維修的虛擬操作。界面層人機交互的界面，用于顯示出各個操作模塊，例如故障分析模塊、維修工具模塊、檢測工具模塊、任務模塊等。

現實維修模塊是機器人以及機械手臂對維修現場的設備進行維修操作。維修監控分析模塊是對虛擬操作系統以及現實維修模塊的實時監控與分析，通過對維修異常監控、維修進度監控、維修狀態監控實現對操作者以及對真實維修場景中的機器人以及機械手臂的監控，同時，操作者以及機器人、機械手臂的實時信息也會反饋給監控模塊，便于對操作者的維修進行調整。

在基于虛擬現實技術的設備智能維修體系架構中，技術支持模塊為虛擬操作系統模塊提供技術支持。虛擬操作模塊為現實維修模塊提供維修指導，并進行遠程控制，同時，現實維修模塊將維修的實時信息反饋給虛擬操作模塊。維修監控分析模塊可對虛擬操作系統以及現實維修模塊的實時監控與分析，同時，操作者以及機器人、機械手臂的實時信息也會反饋給監控模塊，便于對操作者的維修進行調整。

4 結語

本文通過對虛擬現實技術的分類進行簡要介紹，以及現有設備維修的情況進行分析，將虛擬現實技術引入設備維修中，對基于虛擬現實技術的設備智能維修的操作流程和體系架構進行分析與設計，實現對設備的遠程虛擬維修，實現操作者足不出戶對設備進行遠程維修的目的。