液壓調(diào)平舉升平臺虛擬拆裝系統(tǒng)研究

［摘 要］ 在維修和培訓(xùn)過程中，機電產(chǎn)品的虛擬拆裝系統(tǒng)可以降低對硬件設(shè)備的依賴，能夠減少設(shè)備的損耗。通過研究液壓調(diào)平舉升平臺的VR（Virtual Reality）拆裝系統(tǒng)，分析其結(jié)構(gòu)組成和工作原理，基于Unity3D開發(fā)環(huán)境，編寫交互腳本，以HTC Vive Pro2.0作為交互設(shè)備，完成了三維模型的構(gòu)建與處理、虛擬場景的設(shè)計、碰撞檢測、拆裝序列規(guī)劃、交互功能的設(shè)計、用戶界面的設(shè)計以及拆裝功能的設(shè)計，開發(fā)出沉浸式人機交互的虛擬拆裝系統(tǒng)，實現(xiàn)場景漫游、結(jié)構(gòu)認知、拆裝引導(dǎo)和虛擬拆裝訓(xùn)練等功能。實驗結(jié)果表明：所開發(fā)的虛擬拆裝系統(tǒng)沉浸性良好，交互方便，虛擬拆裝訓(xùn)練效率高。

［關(guān)鍵詞］ 虛擬現(xiàn)實； 虛擬拆裝； 人機交互； 液壓調(diào)平舉升平臺

［中圖分類號］ TP391.9 ［文獻標(biāo)識碼］ A

液壓調(diào)平舉升平臺應(yīng)用十分廣泛，如：軍事上應(yīng)用于導(dǎo)彈車、雷達車、火炮車等高科技裝備；工業(yè)中應(yīng)用于高空作業(yè)機、起重機、挖掘機等工程機械。而基于傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品拆裝維修及培訓(xùn)存在著設(shè)備資源緊張、設(shè)備損耗大以及場地空間限制等諸多問題[1-2]。隨著計算機技術(shù)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，利用虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術(shù)的虛擬裝配（virtual assembly，VA）技術(shù)逐漸成為解決機電產(chǎn)品維修和培訓(xùn)過程中諸多困難的有效輔助方法[3-4]。

馮桂珍[5]采用Unity3D構(gòu)建出了Android端獨立運行APP的減速器虛擬拆裝系統(tǒng)，實現(xiàn)了減速器的結(jié)構(gòu)認知、虛擬拆裝等功能。吳波[6]以HoloLens設(shè)備為人機交互設(shè)備，搭建出了汽車主減速器的虛擬裝配系統(tǒng)。萬隆君[7]針對貨船動力艙管路系統(tǒng)復(fù)雜易導(dǎo)致產(chǎn)品返工的難題，構(gòu)建出動力艙管路虛擬裝配系統(tǒng)。丁毓峰[8]基于B/S架構(gòu)搭建了機械設(shè)備的虛擬拆裝教學(xué)實訓(xùn)系統(tǒng)，實現(xiàn)了機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)認知、場景交互、產(chǎn)品拆裝和WebUnity3D交互等功能。王建華[9]以汽車零部件為研究對象進行虛擬拆裝，采用頭戴式設(shè)備與Unity3D實現(xiàn)人機交互。孫本固[10]采用Leap Motion作為硬件設(shè)備，開發(fā)出了具有自然、直接交互的減速器虛擬裝配實驗系統(tǒng)。Ouyang[11]采用Unity3D構(gòu)建了交互式化工三維虛擬教學(xué)實訓(xùn)平臺，實現(xiàn)了化工廠部分設(shè)備的結(jié)構(gòu)認知、工作原理演示以及虛擬拆裝等功能模塊。

基于此，本文將計算機圖形技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到機電產(chǎn)品拆裝維修和培訓(xùn)中，基于Unity3D虛擬現(xiàn)實開發(fā)引擎和HTC Vive Pro2.0頭戴式交互設(shè)備，開發(fā)出液壓調(diào)平舉升平臺沉浸式人機交互的虛擬拆裝系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計

1.1 研究思路

以液壓調(diào)平舉升平臺為研究對象，開發(fā)出具有沉浸性、交互性以及構(gòu)想性的[12]液壓調(diào)平舉升平臺虛擬拆裝實驗仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)基于MVC的設(shè)計模式，從模型的構(gòu)建與處理、虛擬場景設(shè)計、碰撞檢測、拆裝序列規(guī)劃、交互功能的設(shè)計、UI界面設(shè)計以及拆裝功能的設(shè)計等方面出發(fā)，實現(xiàn)液壓調(diào)平舉升平臺的虛擬場景漫游、結(jié)構(gòu)認知、拆裝演示、拆裝練習(xí)以及拆裝實訓(xùn)等功能。系統(tǒng)設(shè)計總體框架如圖1所示。

1.2 開發(fā)平臺及工具

系統(tǒng)采用Unity3D作為軟件平臺，結(jié)合Solidworks、3ds Max以及Photoshop建立平臺虛擬拆裝模型，通過VS2019編寫C#腳本，以HTC Vive Pro2.0作為硬件平臺。開發(fā)平臺、工具及其對應(yīng)功能如表1所示。

2 系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于軸對齊包圍盒的碰撞檢測技術(shù)

虛擬環(huán)境中物體與物體間，及手柄與物體間的碰撞檢測采用層次包圍盒法。層次包圍盒法包含包圍球法、定向包圍盒法、軸對齊包圍盒法以及離散定向多胞形法。它的基本思想是使用體型略大于模型，且具有較為簡單特征的幾何體代替模型進行相交測試，對計算機性能要求相對較低，在虛擬場景中對物體進行的各項操作均依賴于碰撞檢測。如圖2所示，系統(tǒng)采用軸對齊包圍盒碰撞檢測算法（AABB）給物體添加盒狀碰撞體（Box Collider），其中心位置—半徑其中，xmax，xmin，ymax，ymin，zmax，zmin分別表示零部件包圍盒的端點在x，y，z坐標(biāo)軸上投影的最大值和最小值。軸對齊包圍盒相交的條件為：如果兩個包圍盒在x、y、z坐標(biāo)軸上的二維投影都有重疊，才判定兩包圍盒相交。由于AABB構(gòu)造簡單，測試計算量小，速度快，故采用此包圍盒來進行碰撞檢測。

2.2 基于順序碰撞法的拆裝序列規(guī)劃技術(shù)

在平臺零部件拆裝序列方面，采用順序碰撞法。該方法是運用給零部件上鎖的思想，只有位于當(dāng)前拆裝序列的零部件拆裝完成后才能解鎖拆裝序列中的下一零部件，使其位于可拆裝狀態(tài)。即便用戶用手柄觸同時碰到多個位于不同拆裝序列的零部件，系統(tǒng)也只會響應(yīng)當(dāng)前拆裝序列零部件的拆裝行為，保證了拆裝順序的合理性，避免了任意拆裝零部件帶來的邏輯混亂。順序碰撞法的算法流程如圖3所示。

液壓調(diào)平舉升平臺基于順序碰撞法的手動裝配的部分代碼如下所示：

∥當(dāng)手柄射線與物體發(fā)生碰撞，且符合拆裝序列規(guī)劃時，播放該物體裝配動畫

private void SteamVrLaserPointer_PointerClick（object sender，PointerEventArgs e）

{

if（e.target.transform.tag == this.tag）

{

if（this.transform.GetComponentlt;Animatorgt;（）！ = 1）

{

if（isPlay == true）

{

This.transform.GetComponentlt;Animatorgt;（）.enabled = true;

}

else

{

Debug.Log（“裝配順序錯誤！”）;

}

}

}

}

3 系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)流程

1）參考液壓調(diào)平舉升平臺的二維圖紙和三維實體，利用Solidworks三維建模軟件按照1∶1比例構(gòu)建液壓調(diào)平舉升平臺的三維模型，然后導(dǎo)入3ds Max中優(yōu)化渲染，利用Photoshop進行貼圖繪制。

2）將制作好的三維模型和貼圖導(dǎo)入Unity3D進行虛擬場景的設(shè)計。主要包括沉浸式空間的構(gòu)建、三維模型的導(dǎo)入后處理及虛擬場景設(shè)置。

3）使用VS編寫C#腳本，實現(xiàn)系統(tǒng)中場景的交互、零部件及整體結(jié)構(gòu)的展示、文字提示、語音播放、動畫播放、虛擬拆裝學(xué)習(xí)以及虛擬拆裝實訓(xùn)等功能。

4）通過Unity3D平臺將液壓調(diào)平舉升平臺虛擬拆裝系統(tǒng)發(fā)布到PC端調(diào)試。

5）利用頭戴式設(shè)備HTC Vive Pro2.0的頭盔和手柄對液壓調(diào)平舉升平臺虛擬拆裝系統(tǒng)進行沉浸式的人機交互。

3.2 三維模型的構(gòu)建與輕量化處理

液壓調(diào)平舉升平臺三維幾何模型的準備主要包括三維幾何模型的構(gòu)建與輕量化處理兩個過程。首先使用Solidworks軟件基于自下而上的方式來構(gòu)建平臺的三維模型，然后以*.Step格式導(dǎo)出至3ds Max中進行面片的優(yōu)化和渲染。由于Unity3D中虛擬模型所表達的信息與Solidworks構(gòu)建的三維模型是存在較大差別的，Solidworks中的三維模型比Unity3D中的虛擬模型所包含的信息更加全面，而虛擬系統(tǒng)對計算機有很高的加載速度和實時渲染的性能要求，因此需要在3ds Max中對三維模型輕量化處理，刪減Solidworks模型的次要冗余信息，優(yōu)化三維模型面片數(shù)，調(diào)整面閾值和邊閾值，使得三維模型零部件在保持原來形狀和大小的情況下，面片數(shù)降到最低。最后，將優(yōu)化好的三維幾何模型以“*.FBX”格式導(dǎo)出至Unity3D中，即完成了三維幾模型的準備工作。

液壓調(diào)平舉升平臺集自動調(diào)平、天線舉升與翻轉(zhuǎn)于一體，通過各個油缸的伸縮實現(xiàn)快速、高精度的調(diào)平。整體結(jié)構(gòu)（圖4）主要由支撐平臺、舉升油缸、舉升平板、舉升框架、支撐腿等部分組成。

3.3 虛擬場景的設(shè)計

3.3.1 沉浸式空間的構(gòu)建 采用HTC Vive Pro2.0頭戴式顯示器進行開發(fā)。該設(shè)備需結(jié)合Steam軟件和SteanVR插件一起使用。SteamVR插件是基于Unity3D開發(fā)頭戴式設(shè)備HTC Vive應(yīng)用程序的必要插件，其中包含很多設(shè)備控制器的預(yù)制模型和控制腳本，可以很大程度上提高虛擬現(xiàn)實開發(fā)的效率。系統(tǒng)采用SteamVR插件中內(nèi)置交互系統(tǒng)的Player預(yù)制體來模擬頭盔顯示器在虛擬場景中的Camera功能及手柄操作功能，用戶帶上頭盔可以感受到真實的沉浸效果。

3.3.2 三維模型的導(dǎo)入后處理 三維模型導(dǎo)入虛擬環(huán)境后，需進行英文重命名以及層次結(jié)構(gòu)預(yù)制體的制作，以便于后續(xù)零部件虛擬拆裝功能的實現(xiàn)與管理。層次結(jié)構(gòu)采用層次樹的結(jié)構(gòu)來描述模型的拆裝層次關(guān)系。層次樹的根節(jié)點代表目標(biāo)整體，中間層節(jié)點代表部件，底層節(jié)點代表零件。液壓調(diào)平舉升平臺由液壓缸腿、支撐底座、搖臂轉(zhuǎn)動機構(gòu)、平行四邊形舉升框架、舉升缸等部件組成，而各部件又包含多個零件。

此外，還需對目標(biāo)拆裝位置的零部件進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，制作拆裝引導(dǎo)信息。將導(dǎo)入的零部件模型在場景中實例化，用戶開始選擇零部件并進行標(biāo)定，以確定其位置信息和方位信息。當(dāng)所有的零部件標(biāo)定完成后，在Profab文件夾內(nèi)生成目標(biāo)拆裝位置的預(yù)制體，以便于拆裝實訓(xùn)場景根據(jù)此信息進行平臺的拆裝。

3.3.3 虛擬場景設(shè)置 為了提高平臺虛擬拆裝過程的沉浸感，需創(chuàng)建與真實環(huán)境相似的虛擬場地模型。在場景中需要添加光源和天空盒，使得系統(tǒng)運行時整個場景看起來更加真實有效，場景的層次感更加豐富。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，需要構(gòu)建不同的虛擬場景，如系統(tǒng)主場景、結(jié)構(gòu)認知場景、自動拆卸/裝配場景、手動拆卸/裝配場景、拆卸/裝配實訓(xùn)場景。系統(tǒng)的主場景為進入系統(tǒng)最初的場景，是整個系統(tǒng)的樞紐，可以跳轉(zhuǎn)至其他子場景中，其他子場景也可以返回至主場景。不同場景之間的關(guān)系如圖5所示。

3.4 交互功能的設(shè)計

在進行VR拆裝系統(tǒng)開發(fā)涉及用戶與虛擬場景的交互時，采用SteamVR插件的內(nèi)置交互系統(tǒng)InteractionSystem實現(xiàn)虛擬場景中的觸碰式UI、跳躍瞬移、物體抓取等基本交互功能。

3.4.1 觸碰式UI 觸碰式UI的設(shè)計是利用SteamVR插件中的SteamVR_LaserPointer腳本來發(fā)射射線指向UI實現(xiàn)交互的。具體操作是在場景中添加Player預(yù)制體，并在Player的LeftHand或RightHand手柄控制器上添加SteamVR_LaserPointer腳本，使得手柄可以發(fā)射射線，然后在UI的Button上掛載BoxCollider碰撞體，并添加編寫的PlayerInteractive腳本來響應(yīng)SteamVR_LaserPointer腳本事件。PlayerInteractive中包含可以檢測射線進入（OnEnter）、射線點擊（OnClick）、射線離開（OnUp）等事件的響應(yīng)。手柄與UI的交互為扣動手柄的扳機鍵來實現(xiàn)的，當(dāng)手柄發(fā)射的射線指到按鈕上，在按鈕出現(xiàn)顏色變化時扣動手柄的扳機鍵，將觸發(fā)按鈕響應(yīng)事件。

3.4.2 跳躍瞬移 用戶在虛擬場景中采用瞬移的方式實現(xiàn)快速移動。具體操作是在場景中添加Teleporting預(yù)制體，然后創(chuàng)建一個平面Teleporting Area作為可傳送移動的區(qū)域，并為其添加Teleport Area腳本，在系統(tǒng)運行后，按下手柄的Trackpad鍵，手柄發(fā)射跳躍瞬移曲線，松開Trackpad鍵后即可瞬移到曲線末端所指向的區(qū)域。

3.4.3 物體抓取 與物體的交互主要是對物體的抓取、丟棄等。實現(xiàn)與物體交互的核心組件為SteamVR的內(nèi)置交互系統(tǒng)InteractionSystem里面的Interactable、Hand以及Throwable等腳本組件。具體開發(fā)過程是在交互物體上添加BoxCollider碰撞體，然后添加Throwable腳本組件，這時會自動為該交互物體添加Rigidbody、Interactable、Velocity Estimator等腳本組件，同時在手柄上添加SteamVR_Behaviour_Pose和Hand腳本組件。當(dāng)手柄觸碰到物體后，物體表面出現(xiàn)高亮的輪廓，按下手柄的Trigger鍵后可抓取移動物體，松開Trigger鍵后物體會被丟棄。

3.5 圖形用戶界面設(shè)計

液壓調(diào)平舉升平臺虛擬拆裝系統(tǒng)的UI界面設(shè)計基于Unity3D自帶的UGUI，系統(tǒng)場景交互界面的設(shè)計主要運用UGUI中的Text組件、Image組件和Button按鈕組件。

整個虛擬拆裝系統(tǒng)中每個場景都有一個單獨的UI界面，如圖6所示為主場景UI界面。UI界面的功能是實現(xiàn)場景之間的跳轉(zhuǎn)以及退出系統(tǒng)，其具體功能如下。

1）跳轉(zhuǎn)至其他場景。采用SceneManager類來實現(xiàn)虛擬場景的切換，即需要在腳本文件中引用命名空間“using UnityEngine.UI”以及“using UnityEngine.SceneManagement”來引入SceneManager類，通過調(diào)用OnClick（）函數(shù)對手柄發(fā)射的射線與UI按鈕的點擊交互進行監(jiān)聽，使用SceneManager.LoadScene（）實現(xiàn)場景的加載。當(dāng)點擊名為“結(jié)構(gòu)認知”按鈕時，利用SceneManager.LoadScene（“equipmentIntroduction”），即可跳轉(zhuǎn)到“結(jié)構(gòu)認知”場景。

2）退出系統(tǒng)。主界面和每個子界面均有退出系統(tǒng)按鈕，而且子界面都有返回主界面按鈕。與第一種界面跳轉(zhuǎn)情況一致，退出系統(tǒng)的主要代碼如下：

public void ExitSystem（）

{

UnityEditor.EditorApplication.isPlaying = 1;

Application.Quit（）;

}

3.6 系統(tǒng)功能的設(shè)計與實現(xiàn)

平臺虛擬拆裝系統(tǒng)主要分為結(jié)構(gòu)認知、拆裝學(xué)習(xí)和拆裝實訓(xùn)三大功能模塊，而拆裝學(xué)習(xí)又可分為自動拆裝和手動拆裝兩個部分。這里，拆卸與裝配互為“倒裝”關(guān)系，拆卸為裝配的逆過程。

結(jié)構(gòu)認知是通過手柄射線與零部件進行觸碰交互。當(dāng)射線指向零部件時，按下手柄扳機鍵，此時在UI上顯示該零部件的名稱以及詳細信息，同時進行語音播報；當(dāng)射線離開零部件后，文字提示和語音播報也相應(yīng)消失。圖7為結(jié)構(gòu)認知展示圖。

自動拆裝是根據(jù)拆裝序列和預(yù)設(shè)的零部件拆裝動畫，通過代碼控制動畫播放的方式來實現(xiàn)平臺零部件的拆裝。拆裝過程中伴隨文字提示說明，如圖8為平臺零部件自動拆卸與自動裝配過程。

手動拆裝是通過手柄發(fā)射射線與待拆裝的零部件發(fā)生碰撞，根據(jù)拆裝序列，控制每個零部件動畫的播放來進行拆裝的。不同于自動拆裝，手動拆裝需要用戶一步步地來進行拆裝學(xué)習(xí)，與自動拆裝的拆裝演示相比更具學(xué)習(xí)性。圖9為手動拆裝算法流程。

拆裝實訓(xùn)是通過手柄抓取零部件的方式來進行液壓調(diào)平舉升平臺拆裝的。進入拆裝場景后，根據(jù)拆裝序列，在目標(biāo)拆裝位置會以零部件線框高亮顯示的方式來進行拆裝引導(dǎo)。當(dāng)抓取移動待拆裝零部件到目標(biāo)拆裝位置附近，待拆裝零部件與目標(biāo)拆裝位置距離d小于設(shè)定的閾值f時，待拆裝零部件自動吸附至目標(biāo)拆裝位置；若d大于f，待拆裝零部件將回到原位，則需繼續(xù)拖動該零部件，直到完成這一零部件的拆裝。拆裝完成后，預(yù)設(shè)出下一零部件的拆裝引導(dǎo)信息，重復(fù)先前的操作。圖10為拆裝實訓(xùn)過程。

3.7 系統(tǒng)打包發(fā)布測試

Unity3D具有很高的跨平臺性，可將開發(fā)完成的虛擬仿真系統(tǒng)發(fā)布至PC端和移動終端等多個平臺。以發(fā)布到PC端為例，首先保存項目和場景文件，打包生成“.exe”的可執(zhí)行文件，運行“.exe”文件即可在PC端實現(xiàn)虛擬拆裝仿真系統(tǒng)。在發(fā)布至PC端的基礎(chǔ)上，可通過與VR頭盔HTC Vive Pro2.0連接，利用頭盔位置跟蹤和手柄交互等功能與系統(tǒng)進行沉浸式的人機交互拆裝。圖11為打包發(fā)布及測試圖。

4 結(jié)論

沉浸式人機交互的虛擬拆裝系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)、實操培訓(xùn)等方式，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入機電產(chǎn)品的拆裝維修和訓(xùn)練中，基于Unity3D軟件平臺和HTC Vive Pro2.0硬件平臺，完成了液壓調(diào)平舉升平臺模型的構(gòu)建與處理、虛擬場景的設(shè)計、碰撞檢測、拆裝序列規(guī)劃、交互功能的設(shè)計、用戶界面的設(shè)計以及拆裝功能的設(shè)計。經(jīng)測試，系統(tǒng)為其他機電產(chǎn)品的拆裝維修和培訓(xùn)開辟了新的道路，為傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式帶來了新的思路，而且虛擬拆裝仿真系統(tǒng)培訓(xùn)周期短，成本低，效率高，具有廣泛的實際應(yīng)用價值。

本研究存在的不足之處是沒有設(shè)計拆裝工具來輔助拆裝。雖通過手柄抓取移動零部件的方式進行拆裝操作不會影響拆裝效率，但在體驗感方面與實際拆裝相比可能有所欠缺。因此，在今后的研究中，可以在虛擬拆裝過程中加入拆裝所需的扳手、螺絲刀等工具，更加生動形象地展示虛擬拆裝的過程。

［ 參 考 文 獻 ］

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Research on Virtual Disassembly and Assembly Systemof Hydraulic Leveling Lifting Platform

ZHAO Di， LU Zilong， ZHOU Zhongwang

（School of Mechanical Engineering， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068， China）

Abstract： The virtual disassembly and assembly system of electromechanical products can reduce the dependence on hardware equipment， and can reduce the loss of equipment in the process of maintenance and training. By studying the VR （Virtual Reality） disassembly and assembly system of the hydraulic leveling and lifting platform， the structure and working principle of the hydraulic leveling and lifting platform are analyzed. Based on the Unity 3D development environment， an interactive script is written， and HTC Vive Pro2.0 is used as the interaction equipment， construction and processing of 3D models， design of virtual scenes， collision detection， planning of disassembly and assembly sequences， design of interactive functions， design of user interface， and design of disassembly and assembly functions were completed， and a virtual disassembly system for immersive human computer interaction was developed. It can accomplish functions such as scene roaming， structural cognition， disassembly and assembly guidance， and virtual disassembly and assembly training. The experimental results show that the developed virtual disassembly and assembly system has good immersion， convenient interaction and high efficiency of virtual disassembly and assembly training.

Keywords： virtual disassembly and assembly; VR; human-computer interaction; hydraulic leveling and lifting platform

［責(zé)任編校： 張 眾］