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基于3D游戏引擎的虚拟机械装配训练系统
摘要：3D视频游戏是一种专为个人电脑设计，在图形渲染、真实世界物理模拟、人机交互和多用户通信等方面都具有强大功能的工具。基于3D游戏的这些优点，近几年，如何将它应用于其他重要领域得到了广泛的研究。这些应用程序通常集中在诸如真实世界场景重构之类的主题上，而这需要在游戏引擎本身上进行大量的开发工作。与此相反，虚拟教育和培训环境的发展需要将复杂的工程系统集成融入到游戏中，而这将带来更大的挑战，这些问题的存在导致了虚拟教育和培训这个主题不是人们关注的重点。这篇文章介绍了一个使用商用3D游戏引擎进行机械装配训练的虚拟环境的框架的搭建。这里展示的虚拟环境允许多个用户以协作的方式进行装配过程的模拟，并提供友好的人机交互，让用户经历一种沉浸式的用户体验。为了支持各种类型的装配，虚拟环境中使用了基于特征表示的装配体作为范例。CAD模型的组成，例如形状特征，零件，运动关节和子装配体都会被导入到虚拟环境中。这个框架是通过一个较为简单的装配过程来展现的，即行星齿轮系的装配。简要阐述了在本科机械工程实验室的研究成果。从研究结果来看，我们可以得出这样的结论:虚拟环境的对用户来说，有潜力成为一款有价值的教育和培训工具，帮助他们获得机械装配的技能，这些技能可以应用于制造、维护和修理等领域。
关键词:虚拟装配，虚拟环境，装配训练，装配约束，3D游戏引擎，轮系。
1．引言
近年来，虚拟环境的模拟现实的水平显著提高，从2D图纸发展到高度详细的3D可视化。这些和其他功能的展现导致了虚拟技术被认为是实践及解决许多项目问题的首选工具。基于虚拟环境的训练系统尤其适用模拟涉及危险任务的项目。此外，虚拟环境为使用真实物理系统进行培训提供了一种低成本替代方案。 另外，虚拟环境也被开发成为一种在安全的环境中教授实践和技术技能的有潜力的实行方案，并且它们允许用户从错误中学习，并且没有代价。随着技术的进步，它也被用在许多领域，包括教育，制造操作，复杂设备的维修，医药，建筑，城市规划，灾难反应和军事训练。最近，人们广泛地使用虚拟技术来创建数字原型，以节省用于产品开发和物理工件制造的时间和金钱。虚拟环境最显著的特点是，它们的设计目的是为用户提供一种沉浸感并促进用户和对象之间的互动。
多用户电脑游戏已经从新奇事物转变为日常生活的一部分，例如为所有年龄段的人提供学习设备。由于游戏技术的广泛普及，来自不同领域的研究人员一直在设计基于游戏模式的虚拟环境以改进教学及培训实践。这些系统必须结合教学策略和教育活动来实现教育目标。其中，一些系统的设计是在虚拟环境中重建某些真实场景，而另一些的设计则是创建新的虚拟环境来模拟真实环境。作为前者的例子，有报道称使用3D游戏进行操作训练，包括驾驶员和飞行员的训练，医疗训练以及军事技能和战术训练。后者的例子包括虚拟博物馆、虚拟建筑参观和虚拟教室。最近，通过将虚拟世界直接带入到教室，引入了多玩家在线加入虚拟教室学习的模式来取代幻灯片放映。从2007年开始，在初级工程课程中设计并实现了基于游戏系统的交互式工程实验室。近年来，一些学者已经开始开发基于Unity3D游戏引擎的虚拟装配系统，其他一些学者也利用Torque引擎开发了一个虚拟设计及评价系统。
对于这里介绍的基于虚拟环境的装配培训，许多其他因素都要被考虑，比如不同参与者所扮演的角色、机械的建模以及参与者与机械部件之间的交互动作。本文介绍了采用电脑游戏技术的不同方法，比如利用Source游戏引擎（曾用于设计“Half-Life”）开发用于机械装配培训的虚拟环境。对于虚拟机械装配环境的成功设计及实现，可以借鉴当代3D游戏行业和现代计算机辅助设计/制造研究的经验。
2. 文献综述
虚拟现实是一种计算机模拟技术，其关键要素是虚拟世界，沉浸感，感官反馈和交互性。 因此，虚拟环境可以被视为虚拟现实的一部分，只是它强调了虚拟世界和交互性。在本节中，我们将对虚拟现实相关文献进行分类。
2.1桌面计算机(非沉浸式)虚拟现实系统。
桌面计算机(非沉浸式)虚拟现实系统，用户可以在电脑屏幕上看到3D世界，并通过鼠标等控制设备在空间中运作。有时，用户也会戴上3D眼镜，以增强视觉深度，创造立体效果。到目前为止，许多桌面虚拟现实培训系统已经开发出来，因为它们不贵而且易于使用。例如，一个叫V-REALISM的桌面虚拟现实系统就被设计开发出来，它用于维修训练。它为维修工程师提供了一个桌面虚拟环境系统，用于实践在处于维修状态下的系统的不同拆卸操作。另一个例子是一个基于桌面的虚拟装配应用程序，称为虚拟装配设计环境(VEDA)，它使用基于物理模型的技术来对虚拟对象之间的状态建模。桌面虚拟现实系统也被作为一种3D建筑设计规划工具来使用，广泛应用于许多好莱坞电影、广告，同样包括教育领域。
桌面虚拟现实系统的另一个优势是虚拟现实建模语言(VRML)，它可以用来构建虚拟的3D场景，并被作为3D模型数据和虚拟世界通过互联网传输的标准。利用VRML和Java，来建立虚拟实验室实验的体系结构，在此基础上实现了各种虚拟实验仿真，包括虚拟流体力学实验室，可以模拟振动系统、光束偏转系统和工业仿真器系统。这个虚拟实验室提供了一个全功能的虚拟现实用户界面，允许学生进行交互式的实验配置和参数的设置。此外，通过测试学生对每个实验室所教的具体内容的概念的学习情况来评估学习结果。
2.2沉浸式 VR 系统
沉浸式虚拟现实系统，通常使用头盔显示器(HMD)或基于投影的显示系统，光纤光栅手套或手杖，建模软件(几何建模和基于物理的建模)以及定位跟踪设备或其他设备，使用户沉浸在虚拟世界中。在装配设计及训练的环境中，沉浸式虚拟现实技术的一个著名应用是虚拟装配设计环境(VADE)。VADE系统具有从CAD模型中提取装配信息的能力，并能捕获设计意图。例如，当用户选择一个组件来和另一个组件装配时，将加载各个组件的不同平面和轴之间的约束关系。通过把这些平面和轴对应连接起来后，这些组成部分就会受到约束，从而阻止某些相对运动。除了约束运动外，还采用了碰撞检测与重力效应相结合的方法，模拟了实际工业装配操作中的行为。通用装配模拟环境(VEGAS)系统为了实现人工抓取动作的模拟，会利用5DT的数据手套，还会利用了来自Boeing Corporation的VR Juggler软件用于虚拟环境管理和Voxmap PointShell 软件用于碰撞检测。VEGAS系统还为复杂装配模型和装配操作提供了完全沉浸式的洞穴自动虚拟环境（CAVETM），这为工程师提供了沉浸式的装配规划及训练环境。
增强现实(AR)是一种增强沉浸式VR系统的一种形式，它可以混合真实和虚拟世界以提高用户的沉浸感。这是通过将虚拟物体或信息线索放到用户感知的真实世界中实现的。AR的一个重要应用是空间信息系统，它用于探索城市和太空中的行星环境。AR的另一个重要应用是工业制造。 Boeing研究人员发现，AR技术可以提供一种有效的方法来模拟许多可能的场景和多种配置而无需人工制造物理对象。在教育领域，AR被用来加强工程制图的教学，使学生能够以一种更直观的方式，从不同的角度对他们的设计进行具体化并提供交互。然后，学生可以同时规划组装过程，检查组件之间的拟合和干涉。
2.3 半沉浸式 VR 系统
半沉浸式虚拟现实系统是虚拟现实技术领域相对较新的发展。它们提供了更大的存在感，及比非沉浸式系统更广泛的接受度。这种系统由一个相对高性能的图形计算系统组成，可以与大型显示器或大屏幕投影机系统结合，以增加用户体验的沉浸感或存在感。他们为用户提供了与IMAX影院类似的体验。观众不需要穿戴虚拟现实装备，如数据手套或头戴式显示器，因此他们仍然意识到是在虚拟环境之外的真实世界。半沉浸式虚拟现实的示例应用包括虚拟装配系统和飞行模拟。虽然半沉浸式虚拟现实系统比完全沉浸式系统有一些优势(它们的成本更低，更易于使用)，但它们也存在一些缺点，即有限的交互设备和多用户应用程序的问题。然而，即使在大多数情况下，虚拟现实被设计成以一种现实的方式来模拟现实世界，它仍然有一些缺点需要克服。首先，当虚拟现实消除了在虚拟环境中用户和/或对象之间的物理距离时，用户的真实身份就丢失了，从而降低了用户和虚拟现实本身的可信度。另一个缺点是用户在虚拟环境中不能像在现实世界中那样以自然的方式移动。它们要么被限制在一个固定的位置，要么只能在有限的空间中移动。此外，虚拟现实技术能够在空间和时间上协调用户的交互，但不能诱导用户的存在感。请注意，虚拟现实的上述缺点的实质是“虚拟”的。
使用先进的游戏技术实现的虚拟训练环境有可能得到不同行业的广泛接受。这些技术大大降低了计算机硬件成本，增加了将基于游戏的工具应用于实用应用的社会接受度，并促进已经接受这种技术的行业进行创新。现代游戏引擎通过支持头戴式耳机和麦克风来实现语言交流，使对虚拟角色移动和方位的控制可行，也可以根据用户的偏好选择虚拟角色的外貌，虚拟环境的设计由可通过鼠标或键盘来移动和抓取的模拟对象组成。此外，游戏引擎还配备了人工智能来引导游戏中电脑控制的玩家的虚拟角色，并增强玩家之间的社会动态。这为人机交互提供了一个新的原型，将玩家沉浸在游戏生成的场景中，并允许他们与计算机交互。当游戏者通过计算机交互时，先进的游戏技术实现了社会规则、规范以及期望这些对于人际关系至关重要的东西的价值。例如，Second Life中基于游戏角色的广告为品牌营销和互动广告为企业提供了一个有前景的传播渠道。虚拟发言人或虚拟销售代表被用作公司代表、个人购物助手、交流伙伴和推荐代理人，他们与虚拟零售店的参与者进行互动。
4机械装配序列的表示、生成和分析
4.1机械装配的元素
装配必须至少包含以下元素：
- 机械零件是固定的3D几何体，不能进一步拆卸(例如齿轮、轴或轴承)。
- 装配配置能表现组件（装配，子装配和零件）之间的层次关系。
- 零件连接要为连接副之间的连接点提供详细的信息。在基于特征的装配中，部件连接是在特征连接的基础上实现的。
本文以行星齿轮系系统为例，说明了该方法的有效性。虽然行星轮系是相当简单的装配，但它们涵盖了本文中介绍的主要概念。图1显示了行星齿轮装配的主要部件的爆炸视图。
图1：行星轮系爆炸图
4.2．CAD系统中的装配
在本文所述的研究中，基于行星齿轮系的现实装配序列建立了行星齿轮系的虚拟装配模型。行星齿轮系模型的装配数据包括:
- 关于行星齿轮系部件的信息，这些部件是三维组件，如齿轮、轴、底座等，用于开发装配树，以代表实际应用中需要的行星齿轮系统装配序列。
- 有关标准组件的信息，如螺母、螺栓、键、电机等。例如，这里用四个螺丝将底座固定在桌子上。
- 系统配置，它表示构件(装配体、子装配体和构件)之间的层次关系。
- 特征关联，它提供了在物理连接的组件之间的关联的详细信息，和没有物理连接的组件之间的关于装配特征的详细信息(见图2)。在图中，组件（装配体，子装配体和零件）用蓝色框和灰色背景表示，配合的装配特征用紫色六角形来定义行星齿轮系系统组件之间的连接关系，配合部件之间的配合约束和关节属性由橙色圆圈表示，运动副（旋转，棱柱，螺钉，平面，滑动面，滚动面等）的运动约束由蓝色矩形定义。
图2：行星齿轮架组件间的装配关系
根据关联的类型，物理连接组件的对可以分类如下：
- 固定连接（FC），如刚性节点。这个连接在物理上是连接和固定的。 在这里，例如，行星齿轮销以紧配合的方式插入行星架的孔中（见图2）。其中倒角孔的位置应使其朝上，以便可以方便地将销对准并插入孔中。
- 可移动连接(MC)，它描述了一对组件之间是可移动的物理连接。在这里，四个行星齿轮以松配合的方式和它们各自的行星齿轮销连接，行星齿轮销依次被插入行星架(见图2)。
- 没有物理连接的组件对可以分为以下几种:
- 两个构件之间的相对运动。在这里，行星齿轮架的四个行星齿轮同时与中心齿轮及外环齿轮啮合(见图2)。因此，这些行星齿轮在几何上被限制在两个表面上同时滚动。行星齿轮在环齿轮内侧的距离等于行星齿轮的旋转角度和齿圈半径的乘积。因此，有几种配置可以根据所选择的驱动齿轮和部件约束产生较大的速度比。
- 两个组件之间的相对位置和方向。这里,行星架的功能是保持行星齿轮间的距离固定，行星齿轮也等距分布在中心齿轮的四周，这样是为了分散传输的载荷。四个相同的行星齿轮被装配成和行星架一起绕轴旋转。每个行星齿轮都有一个旋转轴，它与行星架上对应的孔同心，从而让每个行星齿轮的可以和行星架一起绕旋转轴旋转。
- 装配特征是特殊的形状特征，它代表装配环境中感兴趣的组件区域。他们描述了组件连接的细节，例如组件的位置和方向，配合面，关节特征，相对自由度，插入轨迹，横截面属性和装配序列信息。图3描绘了齿圈基部组件和行星齿轮架组件之间的装配关系。
图3描述了每个有效的组件 - 连接器组合的特定连接。具体来说，行星架的输出轴直径必须等于齿圈的孔直径。输出轴的长度应大于孔的深度。为了允许相对运动，行星托架的输出轴和环形齿轮的内孔之间需要一个间隙配合。在游戏环境中，装配验证系统通过装配数据库检查连接信息和组件信息，以验证装配的可行性。一旦行星架的轴端插入孔中，轴的外表面和孔的内表面对齐，以便于将整个行星齿轮架组装到齿圈中。同时，行星齿轮的齿与外部环形齿轮的内部齿形空间对齐，以便将行星齿轮与外部环形齿轮啮合。在最后一步中，中心齿轮位于组件的中心，其齿与四个行星齿轮的齿对齐，以便于啮合和组装。 图4说明了行星齿轮系装置组件的最终结构。
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