復雜裝備虛擬拆卸/裝配訓練及考核技術

康興無，黃順勇，王永年，李 勇

(第二炮兵工程學院，西安 710025)

針對部隊對于復雜裝備的訓練實際條件約束，為了提高裝備拆卸/裝配訓練的實時性、經(jīng)濟性以及操作人員的技術水平，利用虛擬現(xiàn)實技術及系統(tǒng)仿真軟件，對復雜裝備的拆卸/裝配訓練進行虛擬，開發(fā)出虛擬拆卸/裝配考核系統(tǒng)，得到形象的、人為控制的交互式訓練，提供現(xiàn)代化的、經(jīng)濟實用的維修訓練手段，具有極其顯著的經(jīng)濟效益。

1 虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術［1］(virtual reality，VR)是20 世紀末才發(fā)展起來的一門嶄新的綜合性信息技術。它融合了計算機圖形學、數(shù)字圖像處理、人工智能、多媒體技術、傳感器、計算機軟硬件、網(wǎng)絡以及并行處理技術等多個技術分支的最新發(fā)展成果，以生成逼真的三維虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實主要通過建立一個文字(Text)、聲音(Audio)、視頻(Video)、圖形(Graph)、圖像(Image)、動畫(Animation)等不同信息為一體的人機交互系統(tǒng)，創(chuàng)建出一個內(nèi)容豐富、色彩繽紛、圖文并茂、動靜相融的虛擬情景，促使人的腦、眼、手、口等多種器官接受感知，使人能產(chǎn)生一種“真實”的感覺。利用虛擬現(xiàn)實技術，可以驗證設備裝配設計和拆卸裝配操作的正確性，及早發(fā)現(xiàn)在設計中的問題，對產(chǎn)品的模型進行修改，并通過可視化技術顯示拆卸裝配的全過程。利用虛擬現(xiàn)實技術進行設備的拆卸/裝配訓練考核會有很好的應用前景。

目前，虛擬現(xiàn)實技術在拆卸和裝配領域的應用大都是分別進行研究，很少有對于拆卸和裝配進行整體研究的，雖說裝配是拆卸的逆過程，但在各自的過程中還存在著一些不同的地方。

在傳統(tǒng)的工程實際中，技術人員大都是通過分析二維工程圖紙以及工藝規(guī)劃來進行拆卸與裝配工作，虛擬拆卸裝配是將虛擬的過程與直接的操作方式結合在一起，提供實物拆卸裝配的過程模擬。虛擬考核系統(tǒng)則是在虛擬環(huán)境中對操作人員拆卸、裝配掌握的熟練程度進行考查，通過利用虛擬現(xiàn)實技術建立的虛擬系統(tǒng)，操作人員能夠在虛擬的環(huán)境中觀察拆卸/裝配的演示過程、通過模擬操作熟練拆卸、裝配過程并可以對操作人員操作步驟的正誤、熟練程度階段性進行考核。通過訓練考核系統(tǒng)，使操作人員熟練掌握拆卸/裝配的操作技能，對于結構復雜的裝備及難度較大、成本高的拆卸裝配任務進行模擬訓練能更好的保護裝備外還能提高訓練效率和質(zhì)量。

2 虛擬拆裝訓練考核系統(tǒng)功能及實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的功能

系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能主要有:

1)漫游及多視角觀測。漫游即是在工作的環(huán)境中，操作人員通過鼠標或其他設備通過一定的路徑和視角觀察整體模型。通過選擇模型的主要部件，從多個角度以多種方式進行觀測，更詳細的了解模型結構。當然為了式操作人員能更為直觀準確的熟悉模型，利用EON軟件添加語音、文字等，介紹各個模型部件的功能和信息。

2)拆卸及裝配過程演示。在對新手的訓練時可以通過界面點擊進入拆卸和裝配過程的演示，使受訓者能夠直觀觀察到拆卸裝配的過程，并能熟練掌握拆卸/裝配步驟。

3)虛擬拆卸/裝配訓練。通過觀測模型拆卸/裝配演示過程，根據(jù)零件類型，裝配約束關系的判斷對零件進行拆卸/裝配，通過拆卸/裝配訓練讓操作人員更加詳細了解模型內(nèi)部結構，熟練掌握拆卸/裝配順序。

4)訓練考核。對操作人員訓練進行到一定階段后，為了解受訓人員熟練程度和操作水平，可以通過考核系統(tǒng)對操作人員進行考核，主要是拆卸/裝配順序的正誤，操作的快慢進行整體評價，在操作中如果出現(xiàn)操作錯誤，系統(tǒng)將記錄并使受訓人員無法進行下一步操作。

2.2 系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.2.1 系統(tǒng)的開發(fā)過程

虛擬拆卸/裝配訓練考核系統(tǒng)開發(fā)主要包括建模［2-3］和交互2部分內(nèi)容。較常使用的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)平臺軟件有:World Toolkit、Vega、Ngrain、VRtools、EON reality 等，其中EON軟件可以快速簡單地將生產(chǎn)研發(fā)與行銷整合的三維工具，可以用于制作產(chǎn)品的虛擬演示，適用于Script編程交互開發(fā)方面。EON能方便地與3Dmax、Pro/E、AutoCAD等許多3D建模軟件結合的開發(fā)工具。通常是選擇3Dmax、Pro/E、AutoCAD等軟件進行精確建模，通過模型轉(zhuǎn)換將模型轉(zhuǎn)換為可進行材質(zhì)和貼圖的處理格式，利用3Dmax、Photoshop對模型進行材質(zhì)處理，使模型美化，更具有真實感，通過EON進行虛擬環(huán)境的建立和模型驅(qū)動，然后利用Delphi軟件搭建系統(tǒng)的框架界面，從而開發(fā)出一套可以應用于教學演示、操作訓練、考核的虛擬拆卸/裝配考核系統(tǒng)。其開發(fā)過程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)過程

2.2.2 系統(tǒng)的總體框架結構

虛擬訓練系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)3部分組成。軟件系統(tǒng)中運用Auto CAD進行三維建模，之后通過3d max對所建模型進行優(yōu)化處理，采用Delphi7.0搭建系統(tǒng)框架界面，在EON Studio開發(fā)平臺中設計虛擬訓練程序，在系統(tǒng)框架界面中嵌套EonX控件，這樣就可以在沒安裝EON Studio軟件的情況下使用EON虛擬程序［4-5］;硬件系統(tǒng)主要包括計算機、感知系統(tǒng)(顯示設備、語音系統(tǒng)、操縱裝置)控制臺等;數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)則包括操作規(guī)程、部件功能等信息。虛擬訓練考核系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 虛擬拆卸/裝配訓練考核系統(tǒng)框架圖

2.2.3 基本交互功能的設計

該系統(tǒng)的基本交互功能有，操作演示、操作說明、拆卸/裝配錯誤提示、模型復位、常見故障說明等，其實現(xiàn)步驟如下:

1)為每個帶操作部件添加 Clicksensor、Dragseletor、Place、RigidBody等功能節(jié)點，在 Camera節(jié)點下添加 Drag-ManagerNode，用于管理Dragseletor節(jié)點。

2)增加Script節(jié)點到Seene模擬樹下任意位置，打開編輯器利用VbScript或JavaScript語言編寫程序以實現(xiàn)待定的功能。對于拆卸訓練系統(tǒng)，其交互功能的復雜性，其實現(xiàn)也是利用到Script節(jié)點，并通過上述所提到的2種語言進行功能的延伸和擴展。其調(diào)試實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 腳本節(jié)點調(diào)試實現(xiàn)流程

3)添加2Dtext、TextBox、Tooltip等節(jié)點到相應模型節(jié)點下，寫入需要說明的內(nèi)容，如:零部件名稱、常見故障等信息。

4)零件邏輯關系連線。將SimulationTree模擬樹視窗中需要添加邏輯關系的元件、節(jié)點拖入到Routes邏輯關系對話框中，并設定各元件、節(jié)點間的邏輯關系。基本操作界面及邏輯關系連接對話框如圖4、5所示。

2.2.4 訓練考核系統(tǒng)的實現(xiàn)

設定復雜裝備或該裝備的某一部件拆卸/裝配過程的操作順序，以及對各零部件間增加約束，使操作人員能夠按照復雜裝備的操作流程進行訓練，受訓人員通過系統(tǒng)點擊進入各部件的訓練模式，即可進行訓練。在操作過程中對于錯誤操作系統(tǒng)利用TextBox節(jié)點給出相應提示，操作人員可以根據(jù)提示進行正確操作。操作人員嚴格按照訓練過程中的操作流程對裝備進行拆卸/裝配，從而熟悉操作流程，了解裝備結構。圖6為拆卸訓練過程截圖。

通過讓受訓人員對復雜裝備或該裝備的某一部分進行拆卸/裝配時，受訓人員點擊界面進入考核系統(tǒng)，受訓人員選擇拆卸考核或裝配考核后點擊開始按鈕，進入考核并觸發(fā)計時器開始計時。設定當受訓人員的操作錯誤時，不能進行下一步操作，并記錄錯誤操作次數(shù)。完成考核界面將現(xiàn)實錯誤操作次數(shù)以及整個操作所用時間。由施訓單位根據(jù)不同設備的復雜程度以及受訓人員考核結果綜合評定并受訓人員的最終成績。

3 結束語

隨著科學水平及信息化水平的不斷提高，虛擬現(xiàn)實技術對于復雜裝備的開發(fā)研究以及投入使用后的維修、訓練、功能演示等復雜問題的解決十分有用，具有廣泛的應用前景，因此利用虛擬現(xiàn)實技術對復雜裝備的拆裝訓練及考核系統(tǒng)，克服了裝備數(shù)量、維修費用、訓練環(huán)境等許多不利因素所帶來的影響，同時虛擬訓練考核系統(tǒng)可以運用到復雜裝備的預先研究及裝備沒有裝備到部隊時的訓練中。所以，虛擬訓練考核系統(tǒng)極大地降低了預研、訓練、維修工作的費用，為裝備提供現(xiàn)代化、經(jīng)濟適用的保障訓練手段，具有顯著的社會與經(jīng)濟效用。

［1］張占龍.虛擬現(xiàn)實技術概述［J］.計算機仿真，2005(3):1-3.

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［3］歐海英，付戰(zhàn)平.虛擬裝配技術在裝配任務培訓中的應用［J］.科學技術與工程，2009(13):3667-3671.

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［5］王嵐，劉怡，梁忠先.虛擬現(xiàn)實 EON Studio應用教程［M］.天津:南開大學出版社，2007.