具有虚拟人的大型工业装备虚拟装配系统研究

刘黎丽，杨宏伟

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

在制造业中，虚拟装配系统成为一个备受关注的研究热点。然而，现有的虚拟装配系统大多只关注物料的装配，而忽视了人在装配过程中的作用。为了解决这个问题，本文旨在研发一种具有虚拟人的大型工业装备虚拟装配系统，以实现更逼真的虚拟装配过程。该系统的研发将采用最新的人机交互技术，以及逼真的三维人体模型和运动模型。通过将虚拟人与大型工业装备相结合，可以更加真实地模拟人在装配过程中的动作和行为，从而使得虚拟装配过程更加逼真、直观。该系统的研发对于提高大型工业装备的制造效率和装配质量具有重要意义。本文将深入探讨一种创新的虚拟装配系统开发方案，该方案采用三维引擎驱动虚拟人进行虚拟装配。通过使用先进的虚拟现实技术，我们可以创建一个逼真的虚拟环境，让用户能够以自然的方式与虚拟对象进行交互。在虚拟装配系统中，虚拟人将发挥重要作用，它们可以模拟真实人类的动作和行为，从而在虚拟环境中实现更加真实和自然的装配过程。这种虚拟装配系统不仅具有广泛的应用前景，如在汽车制造、机械设计等领域，而且还有助于提高生产效率、降低成本以及减少错误率。

1 研究综述

基于前文对研究背景的介绍，我们提出研发一个具有虚拟人的大型工业装备虚拟装配系统（以下简称“虚拟装配系统”），其能够集中汇总各类不同复杂机械装置的结构设计成果，能够高可视化展示装置结构设计成果，能够高效虚拟设计并演示装配流程，能够进行虚拟人机工效分析，并且能够为结构设计校验提供有效技术手段。针对上述对虚拟装配系统的功能规划，我们策划了该系统的总体开发方案（如图1 所示）。首先，综合采用三维引擎、异构程序开发和关系型数据库等技术，构造一个能够多维观察、施加影响、动态反馈的用于高效展示反应堆系统的虚拟空间；然后，实现对三维设计的空间布置与装配过程中发生的干涉校验功能；进而应用虚拟人机工程技术在虚拟场景中构建虚拟人模拟真实的装配过程，实现工效学分析方法对进行装配的虚拟人进行分析；最终，完成基于工效分析结果和干涉校验结果的装配流程自动规划功能的开发。

2 技术方案

根据研究综述中对虚拟装配系统总体开发方案的策划，在虚拟装配系统的开发中，明确了四方面的技术研究工作。首先，我们进行了模型转换研究，以实现从三维CAD 模型到虚拟环境的平滑转换。其次，我们对引擎进行了二次开发，以提高其性能和适应虚拟装配的需求。接着，我们进行了核心功能的开发，包括虚拟零件的管理、装配和模拟等功能。最后，我们开展了虚拟人技术的开发，以提供更真实、更自然的交互体验。通过这些技术的研究和开发，我们成功地构建了完整的虚拟装配系统。

2.1 模型转换

三维引擎与工业三维设计软件之间存在显著的区别。为了实现三维引擎对各种采用工业三维设计软件生成的模型的兼容，需要进行一系列的处理和转换。首先，需要进行坐标修正和数据优化，坐标修正是指对转换后的模型进行精确的坐标定位，以确保模型的精确性和完整性。其次，是完成三维模型数据优化，在保证模型细节和精度的同时，减少模型的数据量，提高模型的运行效率。最后，还需要进行视觉效果优化，包括模型的光照、材质、颜色等视觉效果进行调整和处理，以实现更逼真的视觉效果。通过这些步骤，可以实现三维引擎对各类采用工业三维设计软件生成的模型的支持。

2.2 引擎二次开发

作为一类高度内聚的三维图形驱动程序，三维引擎显示效果出众、运行效率很高。但要在虚拟设计中准确体现几何体参数变化，合理仿真物理热工过程，有效输出虚拟环境中的各类数据，实时反馈外界控制指令，便捷更改和记录场景中的各种信息，就需要对三维引擎进行二次开发。

2.3 虚拟人开发

在虚拟装配场景中，“人”的作用必不可少，没有“人”参与，虚拟装配就只有单一的演示作用，无法真实反映反应堆系统的装配过程。场景中的“人”称为虚拟人，是“人”在虚拟环境中的几何特征与行为特征的表示。虚拟人机工程是指在虚拟环境中构建人-机器-环境系统，研究人和机器、环境的相互作用及合理结合，使设计的机器、环境适应人的心理、生理特征。因此，必须在虚拟装配场景中引入虚拟人模型，对虚拟人作业时的动作、姿势进行设计，并且进行虚拟人机工效分析，使虚拟装配更加贴近工程实际。

（1）虚拟人几何建模。虚拟人体几何建模就是建立适合研究需要的人体可视化几何模型，几何模型按其描述和存储几何信息的特征，通常有棒状模型、实体模型和曲面模型。基于虚拟装配系统对虚拟人的实际需求，选择表面模型作为人体几何模型。在3ds Max 中，通过骨骼蒙皮的方式来进行人体建模。首先，通过网格建模创建人体的表皮模型，然后创建角色模型的骨骼，接下来便是将模型与骨骼绑定在一起，绑定的过程称为“蒙皮”。骨骼被蒙皮后，可以使人物的模型随骨骼一起运动，并在骨骼运动时产生相应的变形。在创建表皮模型时，人体尺寸（如身高、坐高、臂长、脚长等）参考《中国成年人人体尺寸》(GB10000-88)中的人体基本设计参数，以符合中国成年人的人体尺寸标准，人体外观参照堆工部工作人员在不同工作场景中的服装穿着，以真实地呈现人物外观。

（2）虚拟人动作建模。人体运动建模根据动作产生的原理不同可分为关键帧技术、运动学技术、动力学技术和动作捕捉技术。在3ds Max 中，采用最典型的骨骼驱动变形（SDD）方法，虚拟人的姿态通过骨骼绑定三角面网格来表示，借助骨骼的旋转带动网格表面发生变形，从而逼真地模拟出人体的各种动作。3ds Max 的骨骼系统是建立在正向和反向运动基础上，因此只需按照人物的动作标准设计关键帧，即可完成人物的动作建模。

（3）人机互动。完成虚拟人模型转换后，将虚拟人模型文件中与人相关的蒙皮节点、动画节点以及材质节点复制到三维场景对应的引擎模型文件中，可将虚拟人模型融合到虚拟三维场景中，通过选择执行虚拟人带有的动作，如行走、双手抬举、双手旋转等，便可完成虚拟人在装配过程中需要执行的动作。在虚拟装配操作中，除了实现动作演示，还必须实现虚拟人与虚拟物体的互相作用，例如，当虚拟人推动虚拟物体时，虚拟物体应该发生位移，又如，当虚拟人扭动开关时，开关应该发生旋转。这就要求三维场景中的虚拟人和虚拟物体具备真实世界的物理属性，如重力、相互作用力、运动特性等。要实现虚拟人与虚拟场景中的物体互动，必须借助物理引擎。Nvidia PhysX 是NVIDIA 设计的执行复杂物理运算的技术，可以对物体赋予重力、摩擦力等属性，其原理是对构成虚拟场景进行模拟，根据物体的运动特性，再分析物体运动过程中的受力情况，计算出其应有的物理特性，得出新的虚拟场景。引擎内部集成了PhysX 的物理运算技术，将PhysX 引擎的功能封装成一个一个的功能节点，在虚拟场景中，根据需要对虚拟人或虚拟物体赋予物理节点，就可实现虚拟人与虚拟物体的互动。

（4）人机工效分析。在虚拟装配系平台中引入人机功效学，通过分析虚拟人的可视性、可达性、舒适性、疲劳程度以及安全性等人机因素，可以对装配工艺中的作业顺序、方法、姿势和作业量等进行分析优化，提高工人的安全性和舒适性，从而提高工作效率。可视性指工人能够看得到目标零部件以及自己的操作动作，在虚拟装配系统中，可以直接调用引擎中视角属性来查看虚拟人在不同位置、不同姿态时的视觉范围，从而判断是否满足视觉可达性。可达性是指工人具有足够的操作空间，在虚拟装配系统中，使用包络来分析虚拟人的可达性，包络空间表示虚拟人左右手可以到达的作业域，虚拟人的可达包络线完全覆盖工人将要拿取的零件，表示工人的可达性。在虚拟装配系统中，通过载入常用的人机工效分析公式，例如，RULA 分析、提举分析、推/拉分析、搬运分析、生物力学分析等，计算出表示人体疲劳程度的相关参数，进行人机功效分析。

2.4 核心功能开发

虚拟装配是平台的核心功能，通过虚拟装配系统，可自定义三维模型的装配流程，可按照定义的装配流程进行装配演示，可实现对设备模型的校验和空间干涉校验。装配流程设计包括装配顺序设定、路径设定、视角设定。优先级设定负责设定三维模型的装配顺序，在虚拟装配系统中，可自动生成装配顺序，也可自定义装配顺序，在生成装配顺序时，使用者可针对每步安装录入工时、注意事项等关键性参数，用于指导安装。路径设定可为每个装配步骤中的每个模型设定装配路径，虚拟装配系统提供自动设定装配路径和自定义装配路径两种方式。自动设定装配路径可一键为所有装配步骤生成固定的装配路径，自定义装配路径可为单个装配步骤中的每个模型零件定义运动路径，通过设定每个零件在每个时刻的位置坐标和角度坐标来实现。视角设定可设定装配演示时相机的位置，虚拟装配系统提供自动设定装配视角和自定义装配视角两种方式。自动设定装配视角可选择一键为所有安装步骤生成视角。自定义视角可通过拖动鼠标左键为某一装配顺序设定自由视角。装配流程定义完成后，虚拟装配系统支持按照定义的装配顺序、装配路径、装配时间自动演示装配过程，可选择演示整个或部分装配过程，演示时，用户界面针对每个安装步骤呈现文字说明，如该步骤所安装的模型零件名称、该安装步骤的注意事项等。同时，虚拟装配系统支持将每个安装步骤完成后模型呈现的效果进行截图，所生成图片用于后续生成装配说明文档。干涉校验可实现对设备模型的校验和空间干涉校验，可对整个或部分装配过程进行干涉校验。虚拟装配系统中，通常将装配设计和干涉校验交替进行，先进行装配设计，然后在装配演示中进行干涉校验，若未发生干涉，那么装配设计可作为最终设计，若发生干涉，那么需要重新进行装配设计。

3 技术创新点

通过对比与分析，发现该虚拟装配系统的研究思路和方法可以有效地提高大型工业装备虚拟装配正确性、有效性与可用性。具体来说，我们的方法具有以下五方面创新。

（1）可完成设备与系统可视化建模，可基于各项目现有的三维设计软件绘制的三维模型，对这些三维模型的格式进行汇总、转换和统一，并经过处理，完成设备和系统的三维建模。（2）可实现基于设备、系统三维模型的虚拟装配功能，可通过虚拟人机工程、干涉检验完成装配流程设计。可以预演装配过程，以动态演示的方式逐步骤演示设备安装流程，指导设备安装。在后期的研发中，可通过运动捕捉设备，实时获取人的运动数据，用获取数据来指导虚拟人运动，实现非现指导安装。（3）可基于虚拟人机工程和设施运行控制室中的硬件开关、旋钮、机械仪表等硬件及数字仪控系统等三维模型，实现虚拟运行仿真功能。（4）可构建带有三维动态剂量分布（剂量场）的核设施退役虚拟场景，借助人机交互设备，模拟人在现场的操作过程，估算人员受照剂量，对退役流程和具体步骤进行演练和评估。（5）可结合工况仿真程序实现仿真结果的高视效显示，将仿真程序运行过程中产生的实时数据、历史数据，设施设备的操作记录、维护数据，在三维场景中进行合理展示与交互，实现核设施的高视效工况分析系统的开发。

4 结语

本文介绍了一种具有虚拟人的大型工业装备虚拟装配系统的研究方案，该系统采用三维引擎驱动虚拟人进行虚拟装配，可以更加真实地模拟人在装配过程中的动作和行为，从而使得虚拟装配过程更加逼真、直观。该系统的研发对于提高大型工业装备的制造效率和装配质量具有重要意义，同时还可以广泛应用于培训、教学、产品设计和评估等领域，为制造业的发展带来更多的便利和创新。展望未来，随着科技的不断进步，虚拟现实技术将越来越成熟，虚拟装配系统也将得到进一步的发展和完善。未来，虚拟人技术将更加逼真，智能化程度更高，能够更好地模拟人类的动作和行为，从而在虚拟装配系统中发挥更大的作用。同时，随着人工智能、机器学习等技术的不断发展，虚拟装配系统将更加智能化，能够自动识别和解决装配过程中的问题，从而提高装配效率和准确性。