VRML的虛擬現實技術在用升降梯設計中的應用分析

蔡海毅

摘 要

隨著虛擬現實技術的快速發展，工業生產過程中的產品設計理念、生產方法發生翻天覆地的變化。越來越多的企業在鉆掘機械設計中充分利用VRML虛擬現實技術，并取得顯著成效，推動機械制造業又好又快發展。本文重點探討VRML的虛擬現實技術在建筑用升降梯設計中的應用問題。

關鍵詞

VRML;虛擬現實技術;建筑用升降梯;具體應用

中圖分類號： TP391.9 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 01

新形勢下，虛擬現實技術在機械設計領域得到了有效應用，且取得顯著成效，社會各界也高度重視這一技術的應用。但是，由于我國虛擬現實技術起步晚，尚處于初級發展階段，其中仍存在諸多問題亟待解決。接下來，談談基于VRML的虛擬現實技術的建筑用升降梯設計的幾點思考。

1 虛擬現實技術相關概述

1.1 虛擬現實的內涵

虛擬現實，又名人工環境，簡稱“VR技術”，最早在20世紀80年代初，由美國拉尼爾提出。虛擬現實技術是一項高、精、尖的科技，集人工智能、顯示技術、傳感技術、計算機圖形技術和仿真技術于一體的高技術模擬系統，虛擬現實技術的核心在于利用計算機營造一種“切身體驗”的立體三維空間環境，具體來說，虛擬實現的概念涉及以下幾點：第一，模擬環境。具體指計算機生成的雙視點的、實時動態在嗅覺、觸覺和聽覺的立體逼真圖像。但模擬環境既可以是基于某種特定現實的真實世界，也能是虛擬的世界。第二，自然技能。具體指人的眼睛、動作行為，通過計算機進行處理成和參與動作相適應的信息數據，并能夠實時回應參與者的輸入。第三，感知。具體指完美的虛擬現實技術應具備人所具有的所有感知，包括視覺、觸覺、聽覺、運動，甚至是味覺等所有感知。第四，傳感設備，又稱“三維交互設備”。一般包括三維鼠標、頭盔數據手套等穿戴在人身上的裝置，也包括地板壓力傳感器等實際存在的傳感裝置。

常規的虛擬現實系統構成要素包括計算機、輸入設備、演示設備以及諸多軟件系統等。虛擬現實技術的一大顯著特征就是人機交互性。為確保人機之間能夠有效、充分的交互信息，而設計輸入設備、演示設備，從而有效識別人類的諸多輸入命令，并作出反饋信息，進而提升仿真效果。不同的項目，可以基于實際情況，有針對性的選用跟蹤器、三維立體聲音生成裝置、傳感手套等工具。

1.2 VRML虛擬現實技術的各種特征

第一，沉浸感。又名“存在感”，具體來說就是參與者能夠在虛擬環境中感知到的存在的真實程度，成熟的模擬環境通常能夠到用戶無法分辨真假的程度;第二，自主性。具體指虛擬環境中特殊物體根據實際世界物理運動規律動作的程度;第三，交互性。一般來說，交互性包括兩大塊，其一，操作人員基于虛擬環境獲得的反饋程度，其二，針對虛擬環境中物體，參與者的可操作性程度;第四，多感知性。具體指不僅包括常規計算機技術劇本的視覺感知，還包括運動、觸覺、聽覺感知，甚至還有嗅覺、未決感知。成熟的虛擬現實技術具備人所具備的所有感知功能。

1.3 虛擬現實技術的現實意義

第一，場景渲染的實時性。眾所周知，VRML虛擬技術的圖形渲染是實時性的，這就使得虛擬環境中人機具備交互性。通常來說，VRML虛擬技術存在6個自由度，可利用視點變換的方法讓用戶漫游于虛擬環境中，也可以利用6個自由度來對虛擬場景進行有效觀測，且VRML虛擬現實技術可以利用多種傳感器節點、內插節點來有效提升其自身交互性。

第二，VRML是基于網絡的虛擬現實技術。VRML虛擬技術作為一種三維立體圖形、渲染圖形描述性語言，通過該技術所產生的WRL文件也是用于記錄虛擬場景的描述，而非真實存在的模型，如此一來，相比其他圖形媒體，VRML的文件所占內存很小，網絡傳輸十分便利。

第三，VRML是以客戶服務器模式為基礎的訪問方式。VRML文件，視頻、音頻、圖片等支持資源主要由服務期提供，用戶利用客戶端連接網絡訪問并下載自己需要的文件，然后利用本地VRML瀏覽器交互式訪問文件中所描述的虛擬環境。因為瀏覽器是本地平臺提供的，因此，讓平臺無關性得以實現。

2 VRML的虛擬現實技術在鉆掘機械設計中的具體應用

（1）基于VRML虛擬現實技術的鉆掘機械設計流程。

（2）下文基于上述論述，提出通過網絡應用鼠標、顯示器、鍵盤的基于VRML虛擬現實技術的鉆掘機械設計流程。

第一，結合具體的設計要求來構建模型是達到仿真控制的基礎和前提。一般來說，虛擬現實建模方式主要有：首先，利用VB、VC++等諸多工具來建立模型;其次，利用SDK、WTK等虛擬現實軟件來進行開發;另外，利用3DMAX、Solid Works等第三方軟件來建立模型，接著以虛擬現實文件格式來進行導出。我們所說的第三方軟件具備建模、工程分析、仿真對諸多功能，且最后能以虛擬現實文件格式進行導出，因此，為提升建模質量，我們選擇通過第三方軟件來開展建模工作。

第二，初步建好零件模型以后，我們再著手虛擬裝配工作，在此過程中，我們需要干涉檢查各個零部件，上述通過第三方軟件建立的模型，通常都能夠實現虛擬裝配。如，利用Solid Works軟件建立好全部零件模型以后，我們直接開展虛擬裝配工作并進行干涉檢查。

第三，在裝配工作結束以后，我們就能利用建模軟件的接口將整體裝配體模型導進專門的工程分析仿真軟件中去，并進行深入分析。通過ADAMS軟件開展動力學、動力學仿真分析，通過ANSYS軟件來開展有限元分析。

第四，如果所有仿真分析結果都能滿足要求，那么就可以進入優化設計工作流程。針對整個系統、控制系統、液壓系統和機械機構等，利用Matlab等軟件來開展優化設計工作。

第五，在優化設計工作結束以后，我們就能將虛擬模型導進虛擬現實系統內，就虛擬現實系統來說，硬件設備只涉及鍵盤、鼠標與顯示器等工具，因此，還需要通過Java、VC++、VB等軟件與虛擬現實系統接口相結合來設計人機界面。

第六，結束虛擬現實系統設計以后，就能夠利用計算機來直接和客戶通信，客戶只要在計算機上安裝虛擬現實瀏覽器，就能夠利用虛擬現實系統來觀看并操作產品，并及時反饋信息，然后就能夠結合用戶反饋的信息來有針對性的調整、完善產品設計，一直到客戶滿意為止，結束以后再進入制造流程。

3 VRML技術開發實例

VRML的造型功能十分多樣，一共有10個Geometry節點，通過Geometry節點、描述物體性質的Appearance節點能夠建立不同形態的立體物品;通過View point節點與Light節點能夠構建視點與光照;通過Audio Clip節點與Sound節點能夠給三維立體世界添加音頻。VRML能夠提供各種各樣的傳感器與內插節點，進而不斷提升其交互性。如，Position Interpolator、Orientation Interpolator、Plance Sensor等節點能夠營造形象、生動的空間效果，Script節點為VRML創造出更優質、更強大的空間控制。Script節點通過Jav Script語言來編寫程序，進而有效增加VRML功能，換言之，工作人員利用Script節點能夠建立新的內插節點、新的傳感節點，并實現對系統虛擬環境的有效驅動與控制，進而不斷提升虛擬環境與用戶的交互性。通常來說，可從以下幾個方面來進行創建：第一，通過3D MAX建立虛擬場景和有關零件，具體來說，3D MAX能夠優質、高效且迅速建立三維立體模型，還能添加動畫、光效等輔助功能，還具備輸出wrl格式的功能。第二，利用VRML Pad來編寫自定義行為、修改虛擬場景和零部件。通過3D MAX輸出的文件，盡管可以在網上發布，但因為場景內部交互行為較差、零部件不足等原因，因此還需要對已生成的wrl文件代碼不斷完善。工作人員可以利用VRML Pad編輯器來不斷提升代碼編寫效率與水平。第三，通過IE+Cortona插件對漫游系統進行發布，VRML文件是代碼形式，必須通過VRML瀏覽器進行解釋，才能形成具有交互性的虛擬空間，在具體操作過程中，應盡可能選擇操作便捷、渲染功能強的Cortona瀏覽器。

4 基于VRML虛擬現實技術的建筑用升降機設計實例

我們利用上述理論知識，基于VRML虛擬現實技術設計一建筑用升降機，并構建虛擬現實系統。具體流程為：第一，利用Solid Works2010軟件來針對鉆機模型的零件、裝配體建立模型，并利用Solid Works自身的動力學、運動學軟件來開展分析工作，然后利用ANSYS12.0軟件來針對一些核心、關鍵零部件開展有限元分析工作，最終把整個模型導進虛擬現實系統。本文中涉及的虛擬現實系統是利用VB6.0與VRML來共同建立虛擬現實系統瀏覽器。

5 結束語

綜上所述，VRML虛擬現實技術是一門涉及諸多學科內容的價值高、發展潛力大的新型技術，在社會大生產的諸多領域得到廣泛應用。但是，虛擬現實技術中的網絡化、人機交互等在用升降梯涉及方面的應用非常少。從目前發展趨勢來看，用升降梯的實現智能化、自動化發展已是大勢所趨，虛擬現實技術的應用會給鉆戒機械設計創造一場前所未有的發展變革。

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