面向虛擬裝配培訓的約束引導通道輕量化構建方法

摘 要：隨著虛擬現實技術日益成熟，其在工業制造領域得到了廣泛的應用，為產品可裝配性驗證和裝配培訓提供了新的途徑。現階段虛擬裝配培訓領域的研究主要集中在虛擬環境的真實感設計、用戶界面與交互設計、硬件設計與優化等方面，其中存在對算法實時性和硬件設備計算性能要求高的問題。文章提出一種面向虛擬裝配培訓的約束引導通道輕量化構建方法，解耦約束引導通道的模型構建和引導使用兩個階段，采用離線預先計算約束引導通道的方法，提高了在線檢測碰撞階段效率和實時性；結合WebGL技術的跨平臺優勢，復用前序裝配工藝仿真數據，提升了虛擬裝配場景的可交互性。

關鍵詞：Three.js；虛擬裝配培訓；三維可視化；輕量化構建方法

中圖分類號：TP305 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）14-0054-05

A Lightweight Construction Method for Constraint-guided Channel for Virtual Assembly Training

CHENG Sibo， LI Zhi， Baiao

（Institute of Machinery Manufacturing Technology， China Academy of Engineering Physics， Mianyang 621900， China）

Abstract： Nowadays， Virtual Reality technology is becoming more and more mature and widely used in industrial manufacturing field， which provides a new way for product assemblability verification and assembly training. At this stage， the research in the field of virtual assembly training mainly focuses on the design of virtual environment realism， user interface and interaction design， hardware design and optimization. However， there is the problem of high requirements for algorithms' real-time performance and computational performance of hardware devices. This paper proposes a lightweight construction method of constraint-guided channel for virtual assembly training， decoupling the two phases of model construction and guidance use of constraint-guided channel， adopting the method of offline pre-calculation of constraint-guided channel， improving the efficiency and real-time performance of online detection collision phase. It combines the cross-platform advantage of WebGL technology， reuses the simulation data of the previous assembly process， and improving the interactivity of the virtual assembly scene.

Keywords： Three.js; virtual assembly training; 3D visualization; lightweight construction method

0 引 言

裝配是按照規定的技術要求和相關工藝，將零部件進行配合和連接，使之成為半成品或成品的工藝過程[1]。它是整個制造過程中最后也是最重要的一個環節，對產品性能、開發周期以及成本起著決定性的作用。在當代裝備制造領域，裝配工作量占據整個產品生產工作量的20%～70%之間[2]，因此，有必要對裝配人員進行專業培訓。裝配培訓主要分為兩個主要方面，即裝配流程培訓和裝配操作培訓。前者主要通過視覺和聽覺的方式使得受訓者對整體裝配流程進行了解和學習，經歷了工藝文件、PPT、師徒教學、IETM等發展階段。后者通過觸覺的方式，使受訓者能夠感受到裝配過程中的實際“手感”，建立操作記憶，發展經歷了實物模擬件和虛擬裝配等方式。

值得注意的是，采用實物模擬件的培訓方式存在成本較高、且無法迅速適應設計的變更的問題。由于模擬件可能與實際裝配產品細節存在差異，因而其培訓效果較為有限。隨著計算機技術的迅速發展以及人機交互方式的不斷演進，虛擬裝配培訓成為廣受關注的技術。

1 虛擬裝配培訓研究現狀

虛擬裝配（Virtual Assembly， VA）作為虛擬現實技術（Virtual Reality， VR）在產品裝配領域的典型應用，通過利用計算機圖形模擬真實裝配場景，結合顯示設備和人機交互設備，為用戶提供了一種身臨其境的高度沉浸感，能夠在數字化環境中對產品裝配過程進行模擬和優化，提前檢查零部件之間的干涉和碰撞，預先解決裝配中可能出現的問題[3-4]。

徐特等[5]基于數字化虛擬仿真技術，成功實現了在實際裝配前即可發現裝配工藝不足的目標。然而，該方法主要依賴于軟件的干涉檢查和目視性分析，局限于對固定裝配路徑約束下的碰撞預警，對于不會發生碰撞的場景下，受限狹窄空間等條件下可裝配性和裝配難度難以評估，理想裝配路徑和實際操作空間存在差距。魏士松等[6]設計并開發了一款基于桌面虛擬現實設備的航天器維修仿真系統。通過六自由度操控筆實現輸入，該系統在人機交互時僅考慮了筆通過射線碰撞檢測與模型交互，但忽略了在模型移動過程中模型之間的碰撞，導致與實際維修存在一定的差異性。這些研究凸顯了虛擬裝配技術在提高設計效率和裝配質量方面的巨大潛力，但同時也強調了在實際應用中仍需解決的挑戰和限制。

鑒于前述研究中存在的問題，可以通過多個模型間的實時碰撞檢測實現，然而該方法對軟件算法的實時性與硬件設備的計算性能要求較高。本文旨在提出一種面向虛擬裝配培訓的約束引導通道輕量化構建方法，解耦約束引導通道的模型構建和引導使用兩個階段，采用離線預先計算約束引導通道的方法，提高在線檢測碰撞階段效率和實時性。該通道描述了標準裝配路徑上每一點法平面內的可操作范圍。在通道建立后，可以將在線實時碰撞檢測從多個模型間減少到通道模型和裝配零件兩個模型，減少了對算法實時性和高性能計算機的需求。該通道構建方法在基于WebGL的Three.js上實現驗證，無須配置復雜的開發環境，具有跨平臺輕量化構建和集成的優點。

2 關鍵技術

OpenGL（Open Graphics Library）[7]是用于渲染2D、3D矢量圖形的跨語言、跨平臺的應用程序編程接口（API）。這個接口由近350個不同的函數調用組成，用來繪制從簡單的圖形到比較復雜的三維景象，允許開發者利用硬件加速來進行圖形渲染。WebGL（Web Graphics Library）[8]是一種3D繪圖協議，這種繪圖技術標準允許把JavaScript和OpenGL ES 2.0結合在一起，通過增加OpenGL ES 2.0的一個JavaScript綁定，WebGL可以為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，這樣Web開發人員就可以借助系統顯卡來在瀏覽器里更流暢地展示3D場景和模型了，還能創建復雜的導航和數據視覺化。Three.js [9]是基于WebGL的用于創建Web上交互式3D圖形的跨平臺輕量級JavaScript庫，封裝了3D圖形編程中常用對象，提供如粒子系統、后期處理效果、陰影效果、紋理映射、動畫等功能強大且易于使用的庫，允許開發者輕松創建如雨、雪、光暈、平行光陰影等復雜效果，簡化了在瀏覽器中創建和展示3D圖形的過程，廣泛應用于游戲開發、數據可視化、模型加載和特殊效果渲染等領域。

與傳統的OpenGL和WebGL開發相比，開發人員不需要高級的計算機圖形學知識，只需通過易于使用的API接口實現渲染器、場景、攝像機和光源等對象的圖形渲染，入門難度更低，但可擴展性更強，提高了開發效率和易用性，降低了時間成本。

3 裝配培訓約束引導通道構建方法

3.1 約束引導通道模型

約束引導通道描述了標準裝配路徑上每一點法平面內的可操作范圍，當裝配零件偏離標準裝配路徑時，在視覺上給予可視化提醒，包括閃爍變色等；在觸覺上給予力反饋引導，包括震動和與偏離距離成正相關的反方向阻尼。分析可知，操作零件在標準裝配路徑上的不同位置允許偏離程度不同，其幾何模型應為變截面曲面。對其進行定義可以使用參數方程，設θ為角度參數，θ ∈ （0，2π）；A為法平面采樣精度系數，B為曲線采樣精度系數，fθ為法平面實際采樣值，ft為曲線實際采樣點，（x0（ ft ），y0（ ft ），z0（ ft ））為變截面曲面的軸線參數方程，t ∈ （-∞，+2∞）；S（s）為在軸線上位置為ft處的截面形狀，s ∈ （0，1）；裝配培訓難度的參數方程為（Ux（u），Uy（u），Uz（u）），u ∈ （0，1），給出定義如式（1）至式（5）：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

基于上述約束引導通道的幾何模型定義，給出其物理模型定義，如式（6）和式（7）：

（6）

（7）

其中，在裝配培訓難度參數為u，操作零件的空間位置為（x，y，z），姿態為（rx，ry，rz）時，F為力反饋引導函數模型，L為視覺提醒函數模型。

3.2 數據源

產品的裝配制造階段處于整個產品制造過程的后期，其前序階段包含了模型設計階段，結構和工藝仿真階段。本文基于單一數據源[10]思想，從裝配制造過程的前序裝配工藝仿真階段中獲取已有的模型數據、標準裝配路徑和工藝要求等，用于構建面向虛擬裝配培訓的約束引導通道，減輕數據準備的重復工作，同時也充分保證數據一致性、可靠性和靈活性。

3.3 應用場景

裝配操作培訓主要有兩方面內容，一方面是對操作流程進行示教，一方面是對操作的動作進行練習。進行裝配操作練習時，標準裝配路徑是理想情況下的安裝軌跡，而實際移動軌跡會與之產生偏差。為避免實際裝配時操作零件與周圍零件之間產生碰撞，僅給定標準裝配路徑是不滿足要求的，需要基于標準裝配路徑和與其他零件的相對位置關系計算出路徑上每一點的允許偏離程度。將所有路徑點上的允許偏離程度進行整合處理，構建完整的約束引導通道。

約束引導通道的應用場景如圖1所示，中間深色曲線為標準裝配路徑，兩側淺色曲線之間為建立的約束引導通道區域。當操作零件位置偏離標準裝配路徑達到如圖中位置a所示，即與約束引導通道相交時，給予視覺提醒如圖中點劃線所示；當裝配零件偏離標準裝配路徑，如圖中位置b所示，給予力反饋引導，包括震動和與偏離距離成正相關的反方向阻尼。

3.4 構建方法

約束引導通道的構建方法如圖2所示。

首先從前序的裝配工藝仿真中獲取標準裝配路徑點坐標、場景模型數據和其空間位姿表示為式（8）至式（10）：

（8）

（9）

（10）

其中，模型數據由四部分組成，face為模型的面片數組；vertice為幾何體對象中的頂點坐標；normal為用于描述頂點的朝向；uv定義了模型表面上的每個頂點與紋理之間的映射關系。獲取上述數據后，在三維場景中重構零件模型，并使用Catmull-Rom算法[11]對標準裝配路徑點擬合出平滑的3D樣條曲線。將曲線上的點到曲線某一端點（起點）的弧長與曲線的總弧長的比值arcRatio作為變量，如式（11）所示，迭代可以獲取整條曲線上的點：

（11）

圖3中arcRatio的計算值即為迭代到B點時的計算值。根據arcRatio獲取相對應的樣條曲線上的點坐標arcPoint和曲線在該點的切向量 如式（12）和式（13）所示：

（12）

（13）

取向量 ，滿足 ，如圖3所示，則 表示為：

（10）

將向量 繞著向量 旋轉θ，旋轉角度范圍涵蓋從0到2π，得到的新向量 作為射線交互的方向，樣條曲線上的arcPoint作為射線起點，獲取與場景模型的相交信息，若相交，保存相交點坐標、射線方向以及交點與起點距離，繼續獲取樣條曲線上的下一點，并重復上述操作，完成遍歷整條曲線后，根據設定的裝配培訓難度，完成對整條通道構建。

4 方法實現

4.1 實現平臺

實驗平臺性能參數如下：CPU為8核16線程，基本時鐘頻率為2.9 GHz；RAM為16 GB，頻率3 200 Hz；GPU為6 GB，擁有1 920個CUDA內核。

4.2 實現方案及效果

本研究采用Three.js進行實現驗證。圖4所示為約束引導通道單點截面實現示意圖：圖中黑色小球所示為設定的標準裝配路徑點；網格模型為隨機生成擺放的多種模型，包括圓環、球、正方體、圓柱體等，以評估在復雜場景下的可行性；穿過標準裝配路徑點的實線表示基于標準裝配路徑關鍵點擬合的3D樣條曲線；平面代表當前裝配操作經過點對應的法平面。法平面內，對射線與模型的交點和相交方向進行了可視化處理，并根據最小相交距離及設定的裝配培訓難度，繪制不同半徑的同心圓，標注可移動范圍，用于提示與理想裝配路徑的偏差是否超過設定閾值。圖5所示為完整約束引導通道的構建，設定的裝配培訓難度在各個方向上均為0.1，即截面圓半徑為該截面與場景模型相交距離最小值的1/10。從圖中可以發現，不同位置的允許偏離程度不同。裝配操作培訓時，視覺上可以更直觀地實現提示效果；在線碰撞檢測時，可以將實時碰撞檢測從多個模型間減少到通道模型和裝配零件兩個模型，減少了對算法實時性和高性能計算機的需求，并為后續觸覺上的反饋引導提供基礎。

本樣例對所提出的約束引導通道方法進行了驗證，以確保其滿足輕量化的需求。在驗證平臺上，在滿足144 Hz的刷新率的情況下，CPU占用率維持在10%以下，內存占用率保持在約300 MB左右，GPU占用率控制在30%以內。

4.3 復雜度分析

分析圖2可知，該構建方法存在兩層嵌套循環，即單點截面構建的時間復雜度為O（n），完整約束引導通道構建的時間復雜度為O（n2）。在解耦約束引導通道的模型構建和引導使用兩個階段后，離線單點截面構建時間與法平面采樣精度系數A有關，完整約束引導通道構建時間與法平面采樣精度系數A和曲線采樣精度系數B有關，二者均與場景數量無關，如圖6所示。

在約束引導通道的在線使用階段，可以將在線實時碰撞檢測從多個模型間減少到通道模型和裝配零件兩個模型。與傳統多模型碰撞檢測在不同場景模型數量下單位時間內在線碰撞檢測次數對比如圖7所示。由圖可知，該方法減少了對算法實時性和硬件設備高性能計算的需求，適用于復雜場景。

5 結 論

本文提出的面向虛擬裝配培訓的約束引導通道輕量化構建方法，解耦了約束引導通道的模型構建和引導使用兩個階段，采用離線預先計算約束引導通道的方法，以空間換時間，減少了對算法實時性和硬件設備高性能計算的需求，適用于復雜場景，提高了在線檢測碰撞階段效率和實時性。該方法在基于WebGL的Three.js上實現驗證，無須配置復雜的開發環境，具有跨平臺輕量化構建和集成的優點。

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作者簡介：程思博（1998.12—），男，滿族，遼寧本溪人，碩士在讀，研究方向：制造信息化、虛擬現實、裝配培訓。

收稿日期：2024-01-11

基金項目：國家自然科學基金（51705485）；裝配工藝優化項目（K1217-1923-TCA）；國防基礎科研項目（JCKY2020212B003）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.14.011