具有虛擬人的大型工業裝備虛擬裝配系統研究

劉黎麗，楊宏偉

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

在制造業中，虛擬裝配系統成為一個備受關注的研究熱點。然而，現有的虛擬裝配系統大多只關注物料的裝配，而忽視了人在裝配過程中的作用。為了解決這個問題，本文旨在研發一種具有虛擬人的大型工業裝備虛擬裝配系統，以實現更逼真的虛擬裝配過程。該系統的研發將采用最新的人機交互技術，以及逼真的三維人體模型和運動模型。通過將虛擬人與大型工業裝備相結合，可以更加真實地模擬人在裝配過程中的動作和行為，從而使得虛擬裝配過程更加逼真、直觀。該系統的研發對于提高大型工業裝備的制造效率和裝配質量具有重要意義。本文將深入探討一種創新的虛擬裝配系統開發方案，該方案采用三維引擎驅動虛擬人進行虛擬裝配。通過使用先進的虛擬現實技術，我們可以創建一個逼真的虛擬環境，讓用戶能夠以自然的方式與虛擬對象進行交互。在虛擬裝配系統中，虛擬人將發揮重要作用，它們可以模擬真實人類的動作和行為，從而在虛擬環境中實現更加真實和自然的裝配過程。這種虛擬裝配系統不僅具有廣泛的應用前景，如在汽車制造、機械設計等領域，而且還有助于提高生產效率、降低成本以及減少錯誤率。

1 研究綜述

基于前文對研究背景的介紹，我們提出研發一個具有虛擬人的大型工業裝備虛擬裝配系統（以下簡稱“虛擬裝配系統”），其能夠集中匯總各類不同復雜機械裝置的結構設計成果，能夠高可視化展示裝置結構設計成果，能夠高效虛擬設計并演示裝配流程，能夠進行虛擬人機工效分析，并且能夠為結構設計校驗提供有效技術手段。針對上述對虛擬裝配系統的功能規劃，我們策劃了該系統的總體開發方案（如圖1 所示）。首先，綜合采用三維引擎、異構程序開發和關系型數據庫等技術，構造一個能夠多維觀察、施加影響、動態反饋的用于高效展示反應堆系統的虛擬空間；然后，實現對三維設計的空間布置與裝配過程中發生的干涉校驗功能；進而應用虛擬人機工程技術在虛擬場景中構建虛擬人模擬真實的裝配過程，實現工效學分析方法對進行裝配的虛擬人進行分析；最終，完成基于工效分析結果和干涉校驗結果的裝配流程自動規劃功能的開發。

2 技術方案

根據研究綜述中對虛擬裝配系統總體開發方案的策劃，在虛擬裝配系統的開發中，明確了四方面的技術研究工作。首先，我們進行了模型轉換研究，以實現從三維CAD 模型到虛擬環境的平滑轉換。其次，我們對引擎進行了二次開發，以提高其性能和適應虛擬裝配的需求。接著，我們進行了核心功能的開發，包括虛擬零件的管理、裝配和模擬等功能。最后，我們開展了虛擬人技術的開發，以提供更真實、更自然的交互體驗。通過這些技術的研究和開發，我們成功地構建了完整的虛擬裝配系統。

2.1 模型轉換

三維引擎與工業三維設計軟件之間存在顯著的區別。為了實現三維引擎對各種采用工業三維設計軟件生成的模型的兼容，需要進行一系列的處理和轉換。首先，需要進行坐標修正和數據優化，坐標修正是指對轉換后的模型進行精確的坐標定位，以確保模型的精確性和完整性。其次，是完成三維模型數據優化，在保證模型細節和精度的同時，減少模型的數據量，提高模型的運行效率。最后，還需要進行視覺效果優化，包括模型的光照、材質、顏色等視覺效果進行調整和處理，以實現更逼真的視覺效果。通過這些步驟，可以實現三維引擎對各類采用工業三維設計軟件生成的模型的支持。

2.2 引擎二次開發

作為一類高度內聚的三維圖形驅動程序，三維引擎顯示效果出眾、運行效率很高。但要在虛擬設計中準確體現幾何體參數變化，合理仿真物理熱工過程，有效輸出虛擬環境中的各類數據，實時反饋外界控制指令，便捷更改和記錄場景中的各種信息，就需要對三維引擎進行二次開發。

2.3 虛擬人開發

在虛擬裝配場景中，“人”的作用必不可少，沒有“人”參與，虛擬裝配就只有單一的演示作用，無法真實反映反應堆系統的裝配過程。場景中的“人”稱為虛擬人，是“人”在虛擬環境中的幾何特征與行為特征的表示。虛擬人機工程是指在虛擬環境中構建人-機器-環境系統，研究人和機器、環境的相互作用及合理結合，使設計的機器、環境適應人的心理、生理特征。因此，必須在虛擬裝配場景中引入虛擬人模型，對虛擬人作業時的動作、姿勢進行設計，并且進行虛擬人機工效分析，使虛擬裝配更加貼近工程實際。

（1）虛擬人幾何建模。虛擬人體幾何建模就是建立適合研究需要的人體可視化幾何模型，幾何模型按其描述和存儲幾何信息的特征，通常有棒狀模型、實體模型和曲面模型。基于虛擬裝配系統對虛擬人的實際需求，選擇表面模型作為人體幾何模型。在3ds Max 中，通過骨骼蒙皮的方式來進行人體建模。首先，通過網格建模創建人體的表皮模型，然后創建角色模型的骨骼，接下來便是將模型與骨骼綁定在一起，綁定的過程稱為“蒙皮”。骨骼被蒙皮后，可以使人物的模型隨骨骼一起運動，并在骨骼運動時產生相應的變形。在創建表皮模型時，人體尺寸（如身高、坐高、臂長、腳長等）參考《中國成年人人體尺寸》(GB10000-88)中的人體基本設計參數，以符合中國成年人的人體尺寸標準，人體外觀參照堆工部工作人員在不同工作場景中的服裝穿著，以真實地呈現人物外觀。

（2）虛擬人動作建模。人體運動建模根據動作產生的原理不同可分為關鍵幀技術、運動學技術、動力學技術和動作捕捉技術。在3ds Max 中，采用最典型的骨骼驅動變形（SDD）方法，虛擬人的姿態通過骨骼綁定三角面網格來表示，借助骨骼的旋轉帶動網格表面發生變形，從而逼真地模擬出人體的各種動作。3ds Max 的骨骼系統是建立在正向和反向運動基礎上，因此只需按照人物的動作標準設計關鍵幀，即可完成人物的動作建模。

（3）人機互動。完成虛擬人模型轉換后，將虛擬人模型文件中與人相關的蒙皮節點、動畫節點以及材質節點復制到三維場景對應的引擎模型文件中，可將虛擬人模型融合到虛擬三維場景中，通過選擇執行虛擬人帶有的動作，如行走、雙手抬舉、雙手旋轉等，便可完成虛擬人在裝配過程中需要執行的動作。在虛擬裝配操作中，除了實現動作演示，還必須實現虛擬人與虛擬物體的互相作用，例如，當虛擬人推動虛擬物體時，虛擬物體應該發生位移，又如，當虛擬人扭動開關時，開關應該發生旋轉。這就要求三維場景中的虛擬人和虛擬物體具備真實世界的物理屬性，如重力、相互作用力、運動特性等。要實現虛擬人與虛擬場景中的物體互動，必須借助物理引擎。Nvidia PhysX 是NVIDIA 設計的執行復雜物理運算的技術，可以對物體賦予重力、摩擦力等屬性，其原理是對構成虛擬場景進行模擬，根據物體的運動特性，再分析物體運動過程中的受力情況，計算出其應有的物理特性，得出新的虛擬場景。引擎內部集成了PhysX 的物理運算技術，將PhysX 引擎的功能封裝成一個一個的功能節點，在虛擬場景中，根據需要對虛擬人或虛擬物體賦予物理節點，就可實現虛擬人與虛擬物體的互動。

（4）人機工效分析。在虛擬裝配系平臺中引入人機功效學，通過分析虛擬人的可視性、可達性、舒適性、疲勞程度以及安全性等人機因素，可以對裝配工藝中的作業順序、方法、姿勢和作業量等進行分析優化，提高工人的安全性和舒適性，從而提高工作效率。可視性指工人能夠看得到目標零部件以及自己的操作動作，在虛擬裝配系統中，可以直接調用引擎中視角屬性來查看虛擬人在不同位置、不同姿態時的視覺范圍，從而判斷是否滿足視覺可達性。可達性是指工人具有足夠的操作空間，在虛擬裝配系統中，使用包絡來分析虛擬人的可達性，包絡空間表示虛擬人左右手可以到達的作業域，虛擬人的可達包絡線完全覆蓋工人將要拿取的零件，表示工人的可達性。在虛擬裝配系統中，通過載入常用的人機工效分析公式，例如，RULA 分析、提舉分析、推/拉分析、搬運分析、生物力學分析等，計算出表示人體疲勞程度的相關參數，進行人機功效分析。

2.4 核心功能開發

虛擬裝配是平臺的核心功能，通過虛擬裝配系統，可自定義三維模型的裝配流程，可按照定義的裝配流程進行裝配演示，可實現對設備模型的校驗和空間干涉校驗。裝配流程設計包括裝配順序設定、路徑設定、視角設定。優先級設定負責設定三維模型的裝配順序，在虛擬裝配系統中，可自動生成裝配順序，也可自定義裝配順序，在生成裝配順序時，使用者可針對每步安裝錄入工時、注意事項等關鍵性參數，用于指導安裝。路徑設定可為每個裝配步驟中的每個模型設定裝配路徑，虛擬裝配系統提供自動設定裝配路徑和自定義裝配路徑兩種方式。自動設定裝配路徑可一鍵為所有裝配步驟生成固定的裝配路徑，自定義裝配路徑可為單個裝配步驟中的每個模型零件定義運動路徑，通過設定每個零件在每個時刻的位置坐標和角度坐標來實現。視角設定可設定裝配演示時相機的位置，虛擬裝配系統提供自動設定裝配視角和自定義裝配視角兩種方式。自動設定裝配視角可選擇一鍵為所有安裝步驟生成視角。自定義視角可通過拖動鼠標左鍵為某一裝配順序設定自由視角。裝配流程定義完成后，虛擬裝配系統支持按照定義的裝配順序、裝配路徑、裝配時間自動演示裝配過程，可選擇演示整個或部分裝配過程，演示時，用戶界面針對每個安裝步驟呈現文字說明，如該步驟所安裝的模型零件名稱、該安裝步驟的注意事項等。同時，虛擬裝配系統支持將每個安裝步驟完成后模型呈現的效果進行截圖，所生成圖片用于后續生成裝配說明文檔。干涉校驗可實現對設備模型的校驗和空間干涉校驗，可對整個或部分裝配過程進行干涉校驗。虛擬裝配系統中，通常將裝配設計和干涉校驗交替進行，先進行裝配設計，然后在裝配演示中進行干涉校驗，若未發生干涉，那么裝配設計可作為最終設計，若發生干涉，那么需要重新進行裝配設計。

3 技術創新點

通過對比與分析，發現該虛擬裝配系統的研究思路和方法可以有效地提高大型工業裝備虛擬裝配正確性、有效性與可用性。具體來說，我們的方法具有以下五方面創新。

（1）可完成設備與系統可視化建模，可基于各項目現有的三維設計軟件繪制的三維模型，對這些三維模型的格式進行匯總、轉換和統一，并經過處理，完成設備和系統的三維建模。（2）可實現基于設備、系統三維模型的虛擬裝配功能，可通過虛擬人機工程、干涉檢驗完成裝配流程設計。可以預演裝配過程，以動態演示的方式逐步驟演示設備安裝流程，指導設備安裝。在后期的研發中，可通過運動捕捉設備，實時獲取人的運動數據，用獲取數據來指導虛擬人運動，實現非現指導安裝。（3）可基于虛擬人機工程和設施運行控制室中的硬件開關、旋鈕、機械儀表等硬件及數字儀控系統等三維模型，實現虛擬運行仿真功能。（4）可構建帶有三維動態劑量分布（劑量場）的核設施退役虛擬場景，借助人機交互設備，模擬人在現場的操作過程，估算人員受照劑量，對退役流程和具體步驟進行演練和評估。（5）可結合工況仿真程序實現仿真結果的高視效顯示，將仿真程序運行過程中產生的實時數據、歷史數據，設施設備的操作記錄、維護數據，在三維場景中進行合理展示與交互，實現核設施的高視效工況分析系統的開發。

4 結語

本文介紹了一種具有虛擬人的大型工業裝備虛擬裝配系統的研究方案，該系統采用三維引擎驅動虛擬人進行虛擬裝配，可以更加真實地模擬人在裝配過程中的動作和行為，從而使得虛擬裝配過程更加逼真、直觀。該系統的研發對于提高大型工業裝備的制造效率和裝配質量具有重要意義，同時還可以廣泛應用于培訓、教學、產品設計和評估等領域，為制造業的發展帶來更多的便利和創新。展望未來，隨著科技的不斷進步，虛擬現實技術將越來越成熟，虛擬裝配系統也將得到進一步的發展和完善。未來，虛擬人技術將更加逼真，智能化程度更高，能夠更好地模擬人類的動作和行為，從而在虛擬裝配系統中發揮更大的作用。同時，隨著人工智能、機器學習等技術的不斷發展，虛擬裝配系統將更加智能化，能夠自動識別和解決裝配過程中的問題，從而提高裝配效率和準確性。