用于装配方法的虚拟现实样机设计综述

摘要：装配规划和评价是产品设计过程中的重要组成部分，这个过程中将会确定一个新产品的每个零部件如何装配起来。一个设计得当的装配过程应当考虑许多因素，比如：最优装配时间和顺序，工装夹具的要求，人体工程学，操作者安全性，以及可行性等等。现有的计算机辅助虚拟装配工具，要么是集中精力在零部件和夹具的几何体展示以及评估间隙和公差上，要么是使用模拟的人体模型来近似人在装配过程中的交互。虚拟现实技术拥有可以辅助将自然的人的动作整合进计算机辅助装配规划环境中的潜能。这将允许对装配人员操作和装配零件的能力进行评估，从而减少产品设计的时间和成本。这篇论文提供了虚拟现实方向的研究的综述，整理了其中不同的实现方法。最后给出了未来相关研究的核心需求以及方向。

1. 概述

创新是一家公司能在当今世界市场中生存下来的重要条件。通过有效地将新技术和新流程应用于当前工程设计实践中面临的挑战，公司可以获得竞争优势。这其中的机遇包含在产品设计的方方面面（人体工程学，制造，维护，产品生命周期等等），在产品开发过程的早期阶段具有最大的潜在影响。样机制作和评估是现代产品创造过程中不可或缺的一个步骤。尽管计算机建模和分析实践现在已经被应用于制造的不同的阶段，但是“一产品一样机”的模式使得现有典型设计过程非常的耗时和昂贵。

工业上需要新的技术来帮助设计师更快、更有力地作出决策。VR技术在过去的20年间已经进化到了一个更加成熟的阶段，改变了科学家和工程师对计算机进行数学仿真，数据可视化和决策制定的看法。VR技术结合了多个人机接口来提供丰富的感受（视觉，触觉，听觉），给予用户者宛如真实世界的体验。这将使得用户能够在虚拟场景中获得完全浸入式体验，并且通过自然的人体动作进行交互。它的终极目标是提供一种“无形的接口”，允许用户像真实世界一样的和虚拟环境进行交互。所以VR技术自然成为了执行需要频繁和直观的人工操作的仿真任务的理想的工具，比如组装方法样机。

研究界已经提出了几种虚拟装配的定义。比如在1997年Jayaram等人将虚拟装配定义为“在没有产品的物理实现和过程保护的情况下，通过分析、预测模型、可视化和数据表示，使用计算机工具来做出或“协助”进行与装配相关的工程决策”。Kim和Vance在2003年则将其定义为“使用三维仿真，用户界面和自然人体动作实现CAD模型零件的装配的能力”，这个定义包含了对沉浸式界面和自然交互的需求，是虚拟装配的核心部分。随着VR的不断发展，我们希望能够扩展之前的定义，提供更全面的描述。

本文中的虚拟装配将定义为能够通过模拟真实环境行为和部件交互来装配物理模型的虚拟表示，从而减少对物理装配样机的需求，进而能够在计算机生成的沉浸式环境中做出更全面的设计/装配决策的能力。

1. 为什么要进行虚拟装配？

装配过程规划是产品生产的一个重要步骤。在这个过程中，描述不同的零件间如何装

配在一起的装配操作细节将正式确定。众所皆知，装配过程往往占了产品设计中成本的大部分。因此在设计前期开发出一个适合的装配方案至关重要。一个好的装配计划应该考虑最小装配时间，低成本，人机工程学以及操作安全，。

现在专业的装配规划人员普遍使用传统的方式进行规划，也就是将三维CAD模型在2D电脑屏幕上进行装配测试，从而评估新产品的零件几何结构和确定装配顺序。物理上的样机将作最终的验证，由工人进行构建和组装，识别装配过程或产品设计中的任何问题。 随着装配任务日渐复杂，这种规划方式将会耗费更多时间，成本，并且容易出错。

计算机辅助装配规划(CAAP)是一个活跃的研究领域，致力于开发自动生成合适装配序列的技术，该技术主要基于几何特征的智能识别和分组。这些方法依赖于产品几何结构的详细信息，但是并没有考虑到其中需要的装配人员的专业知识， 这些主要基于经验的知识可能影响整个装配过程，并且很难去捕捉和正式化，还可能相当广泛。Ritchie等人【1】提出了使用浸入式虚拟现实技术来进行装配设计规划，系统的功能他们通过使用工业环境中的一个先进机电产品进行展示。Holt等人则提出【16】规划过程的一个关键部分是在规划中纳入人类专家，他们的观点建立在关于认知工效学与人因工程学的研究上，认为将人因排除在装配规划之外可能导致不正确或效率低下的运作。计算机辅助装配规划的另一个局限性在于当装配的零件数量增多时，可能的装配顺序方案会按指数方式增长，因此找出给定产品最佳装配顺序的描述标准会越来越难。【17】。由这些可以再次得出，人体输入是得到一个划算并且成功的装配顺序解的关键。

现代CAD系统同样也被应用于装配过程规划。CAD系统需要用户来确定配合零件的装配信息，这个过程通过人工选择配合面，轴或边界来进行装配。因此这些接口并没有反映出人体与复杂零件间的交互。对于复杂装配而言，这种零件-零件规格技术会导致预见单个配合规格对装配过程其他部分的影响很困难，例如，在维护期间确保零件更换的可行性，或评估更改装配序列的效果。这种基于计算机的系统同样难以处理与人机工程学相关的问题，如难以实现装配操作等。

VR技术在模拟这种先进的3D人机交互中发挥着至关重要的作用，它为用户提供了多种不同类型的感觉(视觉、听觉和触觉)，在计算机生成的场景中营造出一种更强的临场感。虚拟装配模拟允许设计人员在早期设计阶段将概念导入虚拟环境，并执行装配/拆卸评估，而这原本只有在较晚的时候才可能实现（第一个样机完成），应用虚拟样机可以使得设计变更很容易地纳入概念设计阶段，从而优化设计过程，有助于装配设计(DFA)。利用触觉技术，设计师可以触摸和感受复杂CAD模型的零件，并使用自然和直观的人体运动与其进行交互。实时计算的碰撞力和接触力可以通过机器设备传递给操作者，使操作者能够感受到装配过程中模拟的物理接触。此外，虚拟现实技术能够将现实行为可视化并分析复杂人体交互使得虚拟装配仿真对于识别装配相关问题(如不适合的到达角度，工装间隙不足，以及零件过定位等等)非常理想。虚拟装配模拟还允许设计者进行装配工装和夹具需求分析。

除了制造业，虚拟装配系统同样能被应用于在服务和可维护性操作中可能出现的问题（例如需要频繁更换的部件无法触及等等）。通过邀请车间有经验的装配工人来装配新的设计并为设计变更提供反馈意见，可以获得难以记录的专家装配知识和经验。拆卸和回收这些因素也能在最初的设计阶段被考虑进去，从而实现环境意识设计。虚拟装配训练可以提供一个线下平台进行装配工人训练，这点对于很危险或复杂的装配任务尤为的重要。

为了模拟物理模型，为装配方法提供可靠的评估环境，虚拟装配系统必须能够准确地模拟与虚拟部件的真实世界交互，以及它们的物理表现和属性【20】。为了替代或减少当前的样机设计实践，虚拟装配仿真应该能够同时处理虚拟装配操作中所需的几何学和主观的评估要求。Boothroyd等人所描述的更加主观的装配评价方式如下：

• 零件一个手能拿得下么？
• 零件是嵌套关系还是缠绕关系？
• 零件的抓取和操作是否困难？
• 是否需要搬运工具？
• 操作零件，工具和手是否有障碍？
• 配合表面的视觉是否有限制？
• 在后续的操作中，是否需要按住零件以保持零件的方向或位置?
• 零件容易对齐和定位吗？
• 充分的插入所造成的阻力是否会导致人工装配的困难？

如果设计成功，该功能可以为许多有用的虚拟环境提供基础，这些虚拟环境将处理产品生命周期的各个方面的要求，如人机工程学、工作站布局、工装设计、线下培训、维护和服务性原型设计。（如图1所示）

1. 虚拟装配-所面临的挑战

为了实现虚拟装配仿真，几个技术难关必须得攻克，也就是：精确的碰撞检测，部件间约束检测与管理，真实的物理仿真，CAD和VR系统间的数据传输，直观的物体操作（包括力反馈）等等。在下一节中，将描述这些挑战，并总结每个领域中以前的方法。

3.1碰撞检测

虚拟装配仿真比起虚拟漫游而言所面临的更大的挑战在于其需要频繁的人机交互，并且涉及复杂模型的实时仿真。现实世界中的装配任务需要与周围的物体进行广泛的交互，包括抓取零件，实际地操纵它们，最后将它们放置到所需的位置和方向。因此，要想成功地对这样复杂的交互过程进行建模，虚拟环境不仅需要模拟真实的视觉，还需要对虚拟对象的真实零件属性进行建模。比如当外力施加时，物体的图形表示不应该相互穿透，而应该表现的更加真实。实现这一点的第一步在于进行零件间准确的碰撞检测【22】。

现代CAD系统通常用于产品开发中，它包含精确的几何模型，这些模型由边界表示法(B-Rep)实体模型的层次集合构成，这些实体模型以被裁剪的参数化NURBS曲面为边界。这些模型表示通常会为了展示而进行细分，生成的多边形图形表示可用于碰撞检测。然而，表示复杂零件形状所需的相对较高的多边形数通常会导致检测碰撞的计算时间相对较长。在虚拟环境中交互仿真是关键，动力学物体间快速并且准确的碰撞检测是一个具有挑战性的问题。

现在已经开发了许多使用不同对象表示的碰撞检测算法。北卡罗来纳大学的研究人员设计了几种使用多边形数据进行碰撞检测的算法，包括I- collision [23]， SWIFT [24]，RAPID [25], V-collide [26], SWIFT [27], and CULLIDE [28]。其他也有些被提出来用于沉浸式VR应用的算法，比如V-Clip[29] and VPS [30]。【31,32】中可以找到对于碰撞检测算法的更加全面的综述，【33】中可以找到碰撞检测方法的分类。

使用了碰撞算法可以防止部件间的互相穿透。然而碰撞检测不向用户提供关于如何改变零件的位置和方向可以使其对齐以完成装配操作的反馈【34】。在装配过程中实现部件定位的技术有两大类，分别是基于物理的建模和基于约束的建模。基于物理的建模模拟了虚拟场景中部件的真实行为。部件在实时计算的模拟物理交互的帮助下被装配在一起。第二种技术利用了与现代CAD系统相似的几何约束。在这种方法中，零件之间应用了同轴、共面等几何约束，从而降低了自由度，便于完成手上的装配任务。

3.2部件间约束检测和管理

针对这些涉及物理建模的问题（不稳定、难以获得交互更新率、准确性等），现在已经提出了几种利用几何约束进行虚拟装配的方法。基于约束的建模方法使用部件间的几何约束(通常是预定义的和导入的，或者动态定义的)来确定组件之间的关系。一旦约束被定义和应用了，一个约束解算器将会计算新的减少后的自由度，以及物体的相应动作。

文献中存在大量关于几何约束系统求解的研究，数值约束求解方法将约束转化为代数方程组。这些方程将在之后通过像牛顿-拉普森【35】这样的迭代法求解，同时要处理可能的指数级数量的解的话，方程需要好的初始值。虽然使用这种方法的求解器能够处理大型非线性系统，但是大多数求解器在处理过约束和欠约束的实例【36】方面存在困难，而且计算开销大，不适合虚拟装配等交互式应用【37】。构造约束方法则是基于这样一个事实，即在原理上，大多数工程图纸的配置可以用标准的绘图技术在绘图板上解决【38】。在规则-构造方法中，“解算器使用重写规则来发现和执行构造步骤”。虽然复杂的约束很容易处理，但是这些方法的大量计算需求(搜索和匹配)使它们不适用于实际应用【39】。这个方法的例子在【40-42】中有阐述。图-构造方法是基于分析约束的图，基于这个分析，就可以生成一系列构造步骤，然后按照这些步骤将各个零部件相对放置。图构造方法快速、有条理，为开发鲁棒算法提供了方法【38,39,43,44】。在【36】中对各种约束求解技术进行了广泛的回顾和分类。

• 1. 基于物理的建模

基于物理的建模方法依赖于模拟虚拟场景中装配零件的物理约束，物理建模可以显著增强用户的在沉浸感和交互性上的感受，特别是在需要高密度操作的应用中【45】。：基于物理的算法模拟作用在物体上的力，以模拟真实的行为。这种算法根据物体的物理性质以及作用在物体上的力和力矩，求解物体在每一步的运动方程。

基于物理的建模算法可以根据使用的方法分为三类，分别是罚力法、脉冲法和解析法。在罚力法中，使用了弹簧阻尼系统来防止模型之间的相互穿透。当有穿透发生时，弹簧阻尼器将会抵抗这个过程【30,46】。基于罚力的方法易于实现，且计算成本低廉，但其问题是弹簧刚度过高，会导致刚性方程难以求解【47】。基于脉冲的方法【48-50】使用碰撞脉冲模拟物体之间的相互作用。该方法将静态接触建模为物体之间发生的一系列高频碰撞脉冲。基于脉冲的方法比基于罚力的方法更具有稳定性和鲁棒性。然而，这些方法在处理稳定且同时发生的接触(如静止的块堆栈)以及在某些情况下(如滑动)的静摩擦建模方面存在问题【51】。解析法则是检测是否相互穿透。如果发现，该算法会将状态回溯到刚刚发生穿透的时间点前。在接触点的基础上求解一个约束方程系统，从而在每个接触点处产生接触力和脉冲【54】。该方法计算结果非常准确，但同时发生多个触点时需要大量的计算时间。

因此，尽管基于物理建模的各种算法已经发展了多年，但交互式、准确地模拟复杂部件之间的真实行为仍然是一项具有挑战性的任务。

1. 虚拟装配的应用综述

基于约束建模和基于物理建模的进展为虚拟装配仿真领域的大量研

英语原文共 40 页

资料编号：[4765]