基于虚拟现实技术的工厂布局和漫游系统∗∗

蔡 宝 朱文华 顾鸿良 孙张驰

(上海第二工业大学工程训练中心，上海201209)

虚拟现实(virtual reality，VR)是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中[1-3]。近年来将VR技术引进到智能工厂建设领域的研究成果颇为丰富。于强等人[4]研究了在三维交互式环境下进行工厂工艺布局，文怀兴等人[5]设计了基于Virtools的并联机床的虚拟装配系统，梁宏宝[6]等人讨论三维场景建模技术和三维场景优化技术，朱文华[7]等人开发了虚实结合的减速器工程训练系统，郭建[8]等人提出了一种针对机床虚拟仿真教学训练系统的开发方案，

总的说来，国内学者对虚拟漫游技术领域研究较多。本文以上海第二工业大学机械工程训练车间为例，进行车间实训机械设备场景漫游开发，首先建立各类机械设备的三维模型，进行贴图处理使得效果更加接近真实，在Unity3D软件下开发虚拟车间漫游系统，最后应用虚拟现实设备zSpace实现带有VR和AR功能的车床仿真系统。具体开发流程如图1所示。

1 建立系统框架

图1是虚拟工厂车间布局和漫游的系统框架，根据制定好的系统框架逐步进行开发。

2 软件简介

2.1 SketchUp 软件

SketchUp又称为草图大师[9]，是由Google公司开发的一款三维辅助设计软件。它是一套直接面向设计方案创作过程的设计工具，使得设计师可以直接在电脑上进行十分直观的构思。其主要优点:简单易用，建模快速，即见即得，即时交流，直接输出。

2.2 Unity3D 软件

Unity3D是由Unity Technologies公司开发的跨平台专业游戏引擎[10-11]，用户可以通过它轻松实现各种游戏创意和三维互动开发，创作出精彩的2D和3D仿真内容。

3 虚拟工厂模型建立

系统开发初始，首先对实际车间情况进行调研统计，尤其需要统计出车间内各类机械设备的数量和摆放情况。表1是统计的各类机械设备的数量和名称。

表1 工厂设备统计表

3.1 设备模型建立

由于Unity3D软件本身并不具备建模工程，首先运用SolidWorks软件建立各类设备的三维模型(如图2)，所有设备尺寸参数均通过实际测量得到，保证了模型的可靠性。

3.2 添加纹理和贴图

为了使虚拟模型更加接近实际模型，本文对模型进行详细的纹理贴图操作。首先用相机拍下实际机床的表面图案，将图像导入Photoshop软件中进行校正处理后作为素材，在SketchUp中进行贴图操作。图3是对普通车床操作面板贴图前后的效果比较，可以明显比较出经过处理的模型更加接近真实效果。

3.3 工厂漫游功能开发

手动漫游是最为常见的虚拟场景观察方式，通过上下左右键实现模型的左右移动和正向反向旋转。车间漫游场景如图4所示，典型程序如下:

if(Input.GetKey(KeyCode.A))

{

transform.Rotate(0， 20 ∗ Time.deltaTime ∗ speed， 0，Space.Self)；

}

为了能够更加清晰地观察到车间机械设备的模型，漫游系统设计了模型的缩放和旋转功能，通过调用射线函数和Lerp函数等进行实现。函数调用语句如下:

ray＝ Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition)；

transform.rotation ＝ Quaternion.Lerp(transform.rotation， mRotation，Time.deltaTime∗Damping)；

车间漫游通常需要整体浏览设备的布局情况，这时虚拟摄像机不能做到全局观察的效果。系统实现了车间小地图漫游技术(图5)，其主要功能有:(1)可实时显示当前所在场景中的方位。(2)可缩小和放大小地图方便漫游者了解当前位置。(3)可从正视和斜视两个角度设置地图观察方式。

3.4 工厂设备布局功能开发

虚拟工厂设计是指通过获取物理车间、生产线及物流等装备资料，利用三维设计工具对车间进行三维整体建模，建设智能制造数字化虚拟车间；虚拟工厂设备布局具有实时、交互式布局操作功能，能够在3D场景中进行布局分析。图6为系统开发的工厂机床自由布局界面，移动机床可自动测算该机床与相邻机床的距离并实时显示。图7为机床设备选择场景，场景中不仅可实现布局功能，亦可自由选择需要的机床并进行数据保存。

3.5 虚拟车床切削仿真功能开发

在虚拟仿真切削场景中，所有的切削工艺和机床运行数据均来自对实际切削数据的采集，包括车床基本尺寸参数和切削用量等数据，将采集好的动态数据通过贴图的方式显示在加工场景中。图8便是根据实际加工情况虚拟仿真的切削场景。

4 虚拟车间漫游VR系统开发

zSpace系统(图9)是整合现实世界工作环境的桌面虚拟现实系统。技术核心是高保真的立体显示系统，低延迟的跟踪系统。zSpace的核心技术包括:立体视觉、直接交互。应用zSpace进行虚拟现实系统开发，相对于Unity3D开发的系统，最重要的便是体现新系统自然的交互性、沉浸性的特点。

4.1 交互方式设计

传统的系统交互设计是通过调用UI函数实现，即通过鼠标点击按钮实现，这样虽然相比传统的多媒体课件略有智能感，但是无论从交互程度和沉浸程度均不能让学习者有身临其境之感。本节则尝试在zSpace中调用某些函数将实现物体对物体的交互方式。图10的交互方式为模型与模型交互实现车间第一视角漫游(系统为立体界面，拍摄画面重影)。

4.2 增强现实技术应用

系统除了具有虚拟现实功能，还兼有增强现实的功能。zView设备能分享VR中看到的立体模型，它以高清摄像头作为硬件，屏幕重叠技术作为软件，将zSpace画面进行重叠处理。该技术的目的是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。图11为虚拟车间中车床外部结构增强现实效果。

5 结语

虚拟制造系统的仿真开发具有一定的工程应用意义。本系统相比于传统的制造仿真系统在可视化、交互性等方面进行了创新，借助虚拟现实技术实现了工厂车间设备布局设计和机床仿真切削的数字化与立体可视化，使得操作者在使用该系统时具有更为强烈的沉浸感，大大增加了其人机使用性能。该系统开发的虚拟工厂车间漫游、虚拟机械设备布局等功能不仅能快速了解车间生产设备的布局情况，更有助于工厂管理者合理优化车间生产空间，起到了节省生产时间和提高制造效率的作用，能够为真实的生产制造过程提供较大的参考意义。

后续研究将虚拟现实手套与机床制造过程相结合，开发更为高级的人际交互，使得虚拟现实技术更好地服务于智能制造过程。

.知识窗.

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