复杂产品虚拟装配系统的人机交互技术

　　装配是产品开发活动中最具影响力的一个环节,据统计[1],在产品生产阶段,有1/3以上的人直接或间接从事与装配有关的活动,而装配费用则占整个生产成本的30% ~50%,对于飞机、船舶等复杂产品,这个比例会更高.传统人机交互系统借助于键盘、鼠标或专用的控制设备,用户发出指令,机器执行指令,人适应计算机.而虚拟现实技术强调的是计算机适应人,计算机可以识别人的位姿、手势,甚至人机可以“会话”,头盔、数据手套、数据衣等成为人机交互的基本手段.虚拟装配技术将虚拟现实技术用于生产装配环节中,可保证设计人员沉浸于虚拟环境中开展工作.从本质上讲虚拟装配主要实现两个层次的映射,即底层用产品虚拟模型映射产品物理模型,顶层用虚拟的装配仿真过程映射真实的物理装配过程[2].虚拟装配技术的研究开始于20世纪90年代,美国Northrop公司的自动飞机机身装配程序(AAAP)是较早的虚拟装配环境,它允许设计人员通过三维空间中实时操纵零部件对飞机装配中的装配策略、工具应用等进行验证.

　　VADE(VirtualAssemblyDesign Environment)是华盛顿州立大学与美国国家标准及技术研究院(NIST)合作开发的一个基于虚拟现实技术的虚拟装配设计环境[3].利用这个系统,设计人员在产品设计初期便可并行地考虑产品装拆相关环节,通过执行虚拟装配任务,建立产品的装配工艺信息,对虚拟装配环境中的装配体进行“预处理”,避免相应的设计缺陷.

　　1　虚拟装配人机交互技术关键因素

　　装配操作过程中的人机交互是进行虚拟装配研究面临的首要问题,开展虚拟装配研究必须建立一个适合所研究内容的、包含相关设备的人机交互系统,从而可以将操作者的运动等信息输入到系统,同时系统又可以满足用户多方面的感知需求[4].在虚拟装配环境中,用户交互的对象是零件或子装配,交互的过程就是建立这些对象间的复杂抽象关系的过程,直接操作建立在虚拟环境对对象复杂关系感知的基础上[5].人机交互中的选择、定位、定向、拖动等技术问题也是影响人机交互的一个关键因素.自然良好的人机交互性一直是人机交互技术所研究的关键问题,而对于交互的动态性和连续性的操作也成为了新的挑战和方向[6].

　　本文通过对虚拟装配系统的人机交互技术进行深入的研究,基于OpenGL开发了一套虚拟装配仿真系统VASS (Virtual Assembly SimulationSystem),该系统已被用于某大型机械设备的研制.VASS系统实现的主要功能为:

　　1)建立一种双机同步的desktop虚拟现实设备;

　　2)通过desktop实现虚拟装配仿真与运动仿真的立体沉浸感显示;

　　3)用户通过鼠标、6D跟踪器、数据手套实现人机自然交互及虚拟场景的场景浏览和视点转换操作,其系统结构图如图1所示.