虚拟维修技术研究与展望

焦玉民,张 琦,屈宏伟

(1.解放军理工大学 工程兵工程学院,江苏 南京 210007;2.68243部队甘肃 嘉峪关735100)

随着计算机技术的突飞猛进,虚拟现实技术也日趋成熟.它由计算机模拟三维环境,借助必要设备以多种方式与虚拟环境中的操作对象进行交互,使用户在视觉、听觉、触觉上产生与真实操作环境相同的感受与体验.西方发达国家早在20世纪80年代,就把虚拟现实技术应用于飞行模拟训练,继而又应用于作战、后勤维修保障训练和机械产品设计生产等方面,以相对较低的投入换来了较高的效益.

虚拟现实技术的日趋成熟为虚拟维修技术的发展提供了有利条件,传统的维修通常是事后维修,维修工作难免存在滞后性,这样,就难以找到产品在论证设计阶段中存在的设计缺陷,进而把维修缺陷带入最终产品,而虚拟维修技术综合运用人工智能、计算机图形图像、虚拟现实等技术,全面逼真地反映产品维修和技术保障的实现过程,使得该技术在国防军事、教育教学和工业生产等领域得到了广泛的应用.有关虚拟维修技术的应用研究虽然已经开展了许多,但仍然没有1个确切的定义来描述它.国外有人将虚拟维修定义为使用虚拟现实技术来仿真维修工作,这种定义方式只是突出了虚拟现实技术的地位,而忽视了虚拟维修涉及的其他技术.也有人将通过远程网络连接来传递文本、声音、图片、视频等信息辅助维修工作的系统,称作虚拟维修系统[1].从本质上看,这种系统并没有涉及对象的维修性问题,可以定义为1种远程维修支援系统.文献[2]对虚拟维修给出如下定义:“虚拟维修是以计算机技术与虚拟现实技术为依托,在由计算机生成的、包含了产品数字样机与维修人员三维人体模型的虚拟场景中,通过驱动人体模型(包括采用人在回路的方式)来完成整个维修过程仿真的综合性应用技术”.从此定义可以看出虚拟维修包含了维修对象,维修人员,维修工具、设备与设施,维修作业过程信息等基本要素.

1 国内外研究现状

虚拟维修可以看作是采用虚拟现实技术来实现产品维修性设计、维修技术规程规划、维修保障系统设计的过程.通过对产品维修过程的仿真,使人从主观上产生虚拟产品及其维修过程的存在感.人可以沉浸在虚拟维修环境中,通过对产品维修预演,加深人们对产品维修的准确理解和直观感受.因此,现在许多国家和大学的研究机构都开展了虚拟现实技术在维修训练、维修性设计和保障性设计等方面的应用研究.

1.1 维修性设计、论证与评估

在产品设计初期,使用虚拟方法将设计过程和论证评估过程同时展开,将设计实验过程在计算机上进行实验模拟,克服了使用物理样机进行论证实验的不确定因素和资源消耗,这样可以逐步发现设计中存在的缺陷,在产品定型之前,形成1套系统完整的设计数据资料,有效地支持了产品的研发管理.

如2000年,美国空军研究实验室(AFRL)与通用电气公司(GE)公司、Lockheed Martin公司对维护手册的自动化开发方法进行了研究.该项目命名为SMG(Service Manual Generation).SMG是1种面向维修性工程的新框架.通过尽早地提供浸入感更强的维修过程观察手段,使维修性工程师可以省时、高效地发现并排除严重的产品设计缺陷,进而显著地减少了维护手册的开发时间与费用.

波音公司于20世纪90年代末建立了虚拟现实实验室,主要用于对联合攻击机(JSF)的保障性进行评估和试验.该实验室可以使设计人员在进行设计的同时就能够了解维修任务是否可行,在飞机设计定型之前,就可以发现潜在的保障性问题.该实验室的建成与投入使用,提高了JSF维修人员参与到设计过程早期阶段的能力,有效地避免了由于设计修改导致的时间和经济损失.

北京航空航天大学吕川教授及其研究小组开展了虚拟维修系统的研究,其主要研究是应用由美国宾夕法尼亚大学的人体建模和仿真中心开发的Jack系统(该系统具有通用的交互式环境,可用于控制铰接式几何图形,尤其重视对人体图形的控制)提供1个三维交互环境,用户从外部CAD系统输入图形生成工作空间,并在其中增加1个或多个人体模型,然后对维修过程特别是维修工艺实施过程,进行各种人的因素分析,规划虚拟环境下的人体的维修路径以及如何避碰.

1.2 训练保障

随着装备产品的技术含量越来越高,其技术保障难度越来越大,使用后往往需要投入较多的人力、物力、财力及场地资源,训练消耗大,安全性也得不到保证.虚拟维修训练使用数字样机替代物理样机,可以不受时间和环境因素的限制,在虚拟平台上导演出形象逼真的训练环境,新产品提供了安全、现代化、经济实用的保障维修手段,也为产品的使用可靠性提供强有力的支持.

虚拟维修技术最成功的应用是哈勃望远镜(HST)的修复与维护.为了在太空中完成哈勃望远镜的修复,美国宇航局(NASA)为执行任务的宇航员专门建立了HST的虚拟太空环境,在该环境下可以模拟各种维修活动.

我国也已成功地将虚拟现实技术应用于直升机虚拟仿真器、坦克虚拟仿真器、导弹虚拟仿真器、虚拟战场环境观察器等多个方面,但在虚拟维修训练方面的研究还处于起步阶段.军械工程学院在虚拟维修技术研究方面取得了一定的成果,其维修工程研究所主要研究内容包括了:维修人体建模技术、产品虚拟样机的建模技术、产品拆装过程建模、维修性分析与维修时间预计的集成等.其与北京航空航天大学、国防科技大学、中国兵器工业系统总体部联合开发的1套基于虚拟现实的维修性与维修工作分析及评价系统是国内相对成熟的1个虚拟维修系统.该研究所对虚拟维修训练技术也进行了研究,致力于开发1个通用的虚拟维修训练系统,目前已经取得了阶段性的成果[3].

2 虚拟维修技术主要内容及内涵

虚拟维修目前的应用模式大致可分为2种:虚拟人修理虚拟产品和真实人修理虚拟产品.根据虚拟维修的研究目的,可以将虚拟维修分为以产品设计为中心的虚拟维修和以维修保障系统设计为中心的虚拟维修两大类.依据不同的使用要求设计不同的维修内容,达到其研究目的.

2.1 虚拟维修应满足的要求

虚拟维修依托虚拟场景和数字样机技术来实现人机交互,但受到设备和技术条件上的限制,在操作方法和实现手段上都与实际维修过程存在着差别,为保证与真实维修过程的一致性和交互过程的真实性,更好地完成操作者和虚拟操作对象的信息交换,虚拟维修技术应满足以下几方面要求:①训练过程表达准确;②模型真实度等;③能对操作中出现的干涉、碰撞等提供报警信息并作出反应;④能对维修过程进行优化;⑤能对维修过程的质量进行评估.

2.2 虚拟维修的主要内容

维修是将产品恢复到规定状态的活动.在虚拟环境下,模型的建立和维修过程的实现有其特殊性,因此虚拟维修所涵盖的内容超越真实维修的内容范围,内容规划如图1所示,主要包括:①虚拟样机的建立.利用实体建模技术建立操作对象和虚拟环境模型库,建立部件信息、维修工艺和故障诊断专家知识数据库.②信息获取对模型、位姿、科目等信息进行获取,为维修训练的实现做准备.③模拟仿真过程的实施.依据维修内容规划,对虚拟人和维修过程进行模拟仿真,实现人机交互.④反馈评价.对位姿、碰撞、控制信息进行反馈,运用反馈信息对仿真训练效果评价考核[4].

图1 虚拟维修内容规划Fig.1 Contents planning of virtual maintenance

2.3 虚拟维修技术的内涵和现实意义

研究分析虚拟维修技术的内涵和现实意义对该技术的应用及发展具有重要意义.虚拟维修以虚拟平台为支撑,运用各学科技术交叉融合,为维修过程提供各项技术支持,其优势在于避免了实际资源的消耗,可对维修对象、维修设备及工具、维修场景环境和维修过程进行模拟,节省了大量的人力、物力、财力,同时也避免了操作事故和环境污染.逼真的虚拟环境及人机交互基本可以保证维修的真实度,在绝大多数领域,虚拟维修完全可以替代真实维修的全部过程.

除了维修过程本身,虚拟维修还可对产品的设计生产有着重要意义,在模拟实际维修过程的同时,可对产品进行必要的技术改造,实现对产品维修性、维修资源、人机工效等问题辅助分析和决策,以最经济合理的寿命周期费用保证产品良好的性能.

3 关键技术研究

3.1 数字样机技术

关于数字样机的定义有多种表示,其中比较全面合理的定义为:数字样机或虚拟样机,是1个产品实物的计算机仿真,它能被用于展示、分析和测试产品生命周期关联的各个方面,比如工程设计、制造、维护与回收,就像在真实的物理样机上进行的一样[5].

图2 数字样机体系结构框架Fig.2 Framework of digital prototype system

3.1.1 数字样机的内涵及体系结构

在虚拟维修训练系统中,构建适用于虚拟环境的数字样机,要求能在一定程度上具有与实装相似的几何与功能真实度,具有支持维修活动过程的空间、时间、自由度约束的运动特性和物理特性.结合虚拟现实系统,可以实现与维修相关活动或过程的模拟,进行维修训练与评估等.虚拟维修训练系统中的数字样机总体体系结构如图2所示.数字样机系统主要由几何建模系统、模型驱动仿真平台和数据系统组成.虚拟维修数字样机的零件几何数据可以通过CAD建模系统获取,例如零件的几何模型、材质、体积、质量、颜色等.只有这些信息还不足以构成整个系统,需要加入零件之间的装配约束关系,以及虚拟维修操作中的拆装序列模型、维修过程模型和人机交互模型等,这些信息可以通过模型驱动仿真平台进行完善[6].

3.1.2 数字样机建模过程

虚拟维修数字样机建模过程可以分为数据准备、样机建模和样机成熟3个阶段[7]:①数据准备阶段.从CAD设计系统提取CAD几何数据、装配关系等信息,根据装备、产品的各种维修任务,建立对应的维修任务和过程描述.②样机建模阶段.根据需要仿真的维修任务,确定虚拟样机的几何模型组成,进行CAD几何数据转换与简化处理,完成虚拟样机几何建模,这时生成的是不完整的虚拟维修样机.③样机成熟阶段.主要是进行虚拟维修过程建模、人机交互过程建模以及相关的应用模型建模,最后生成完整的面向维修任务的虚拟维修样机,输出到维修仿真系统.

3.2 几何建模

实体模型在虚拟维修训练环境中的有效表达是构建整个虚拟维修训练环境的重要因素,模型信息数据是否完整直接关系着交互的真实程度.针对不同的维修工作目的,对实体模型有着不同的要求,因此,建模方法也有所不同.

常用的实体建模方法有多边形造型和曲面造型.其中多边形建模、非均匀有理B样条(NON-Uniform Rational B-Spline,NURBS)曲面建模、细分曲面(Sub Division Surface)建模等比较常用.

(1)多边形建模.计算机图形学常将多边形也称作面[8].多边形建模适于创建形状规则、无曲面的对象.它的思想是将复杂对象看成是由很多块“面片”所包裹成或所构成的,用小平面来模拟曲面,做出各种形状的三维物体.小平面可以是三角形、矩形或其他多边形,但实际中多是三角形或矩形.多边形建模的主要优点是简单、方便和快速,但它难以生成光滑的曲面.故多边形建模技术适合于构造具有规则形状的零件,如平板类零件以及轴类零件多以此为基础建立.

(2)非统一有理样条曲线(NURBS)曲面建模.NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)是非统一有理样条曲线,NURBS由VERSPRILLE在其博士学位论文中提出.NURBS曲面建模的突出优点是:①可以精确地表示二次规则曲面,能用统一的数学形式表示规则曲面和自由曲面.②可通过控制点和权因子来灵活地改变形状.③对插入节点、修改、分割、几何插值等的处理工具比较有力.④具有透视投影变换和仿射变换的不变性.Bezier,B样条曲线和曲面可看作是NURBS的特例,多数B样条曲线曲面的性质及其相应的算法也适用于NURBS曲线曲面,便于继承和发展[9,10].NURBS曲面重建流程如图3所示.

(3)细分曲面建模.引入细分曲面技术进行三维建模主要是解决NURBS技术在建立曲面时面临的困难.它使用任意多面体作为控制网络,然后自动根据控制网格来生成平滑的曲面.细分曲面技术的网格可以是任意形状,因而可以很容易地构造出各种拓扑结构,并始终保持整个曲面的光滑性.细分曲面技术的另一个重要特点是“细分”,在物体的局部增加了细节,而不必增加整个物体的复杂程度,同时还能维持增加了细节的物体的光滑性.

图3 NURBS曲面重建流程图Fig.3 Reconstruction of NURBS surface

3.3 虚拟环境的构建和优化

虚拟维修环境的设计还需要构建虚拟场景和其他辅助资源,包括操作场地、维修工具、虚拟环境、虚拟人等.维修场景的构建技术是开发虚拟维修系统的关键技术之一.按照基于图形渲染技术生成虚拟场景的方法,一般要经过建立真实环境的抽象三维几何模型;然后给定观察坐标系,利用计算机的图形处理能力解决几何形状、着色、消隐、光照以及投影等一系列绘制过程,产生虚拟场景[11].虚拟维修环境设计基本流程可以表述为图4所示内容.

虚拟维修环境中的对象多数需要进行实体建模.但是如果所有模型都采用实体建模方法表现,给系统带来的运行负担是非常大的,必须采用合理的模型优化技术对复杂场景进行处理,基于单元分割、可见消隐、纹理映射、实例化和层次细节技术(LOD)等技术对模型结构、纹理、实体、场景等进行优化,可以提高系统运行速度和表现效果.

图4 虚拟维修环境的设计流程Fig.4 Design process of virtual maintenance environment

图5 交互概念模型Fig.5 Interaction conceptual model

3.4 交互模型建立

交互性是虚拟现实系统的主要特点之一,用户能够自然的与虚拟维修环境中的操作对象进行交互,通过多种感知渠道直接感受不同零部件运动的信息反馈,并利用人的智能与系统的计算能力进行信息融合,产生综合控制效果.

虚拟现实系统中的三维交互技术目前还处于起步研究阶段,没有形成完整统一的概念层次结构.根据目前的研究现状和相关论述[12]可以概括为图5所示的三维交互概念模型.

输入层包括键盘、鼠标等二维输入设备,还包括立体头盔、数据手套、数据衣等三维输入设备;事件层包括手势、位移、压力等状态改变事件;交互层主要包括三维动作描述,包括抓取、移动、旋转、释放等,在输入层的作用以及事件层的驱动下完成三维交互控制;接口层为适应三维输入设备,包括一系列的工具驱动引擎软件包;应用层包括交互控制的任务和研究目的等,诸如交互训练、仿真决策、教育娱乐等.

GREEN M说[13]:“三维交互的构造目前之所以具有相当大的难度,其原因正在于对底层交互任务的理解上.只有当这些底层的交互任务被定义和描述清楚后,才能合理而有效地进行三维交互技术、交互风格的研究和三维用户界面的构造.”

3.5 碰撞检测技术

虚拟维修中的碰撞问题包括碰撞检测和碰撞响应2部分.碰撞检测的目的是发现碰撞并报告碰撞体、碰撞位置、碰撞时间等信息;碰撞响应是根据不同应用目的,在碰撞发生后促使碰撞体和相关对象发生状态的改变,做出正确的反应,模拟真实的操作过程.

近年来,随着碰撞检测技术及其相关问题在虚拟仿真系统以及机器人运动规划等领域研究的不断深入,国内外相关研究领域提出了诸多有实际应用价值的碰撞检测算法,并开发出了许多成熟的碰撞检测工具包.根据不同的应用角度,其分类方法也是各有不同.

从时间域的角度来分,碰撞检测算法可以分为静态碰撞检测和动态碰撞检测算法,而动态检测算法又可根据时间的连续性分为离散碰撞检测和连续碰撞检测算法.静态碰撞检测算法是指当场景中物体在整个时间轴t上都不发生变化时,用来检测在这种静止状态下,各物体之间是否发生碰撞的算法[14,15].离散碰撞检测算法则是指在时间轴的每个离散点t0,t1,…,tn上不断地检测场景中所有物体之间是否发生碰撞的算法.而连续碰撞检测算法是指在1个连续的时间间隔[t0,tn]内,判断运动物体是否与其他物体相交的算法[16-18].

从空间域的角度来分,碰撞检测算法大体可分为两大类:一类是基于实体空间的碰撞检测算法,一类是基于图像空间的碰撞检测算法.基于实体空间的碰撞检测一直是研究的重点,目前已经将层次表示法、几何推理、代数范式、空间划分、解析方法和最优化方法等技术应用到碰撞检测中.在实体空间的碰撞检测研究方面,研究人员已经取得了相当多的成果[19,20].尤其是在空间分解法和层次包围盒法2个方面的研究比较成熟.空间分解法是将整个虚拟空间划分成体积相等的小单元格,只对占据了同一单元格或相邻单元格的对象进行相交测试.例如 k-d树(k-dimensional tree)、八叉树、BSP树(Binary Space Partition)、四面体网等.层次包围盒方法是用体积略大于几何对象而几何特性简单的包围盒近似的地描述复杂几何对象,只需对包围盒进行相交测试.比较典型的包围盒有沿坐标轴的包围盒(Axis-Aligned Bounding Boxes,AABB)、包围球(Spheres)、方向包围盒(Oriented Bounding Box,OBB)、固定方向凸包(Fixed Direction Convex Hull,FDH)等.基于图像空间的碰撞检测算法是一类比较新的碰撞检测算法,它一般是利用图形硬件对物体的二维图像采样和相应的深度信息来判别2个物体之间的相交情况,它能有效利用图形硬件的绘制加速功能来提高碰撞检测算法的效率.近几年图形硬件技术的飞速发展,图形加速卡在性能不断提高的同时甚至出现了可编程的功能,使得基于图像空间的碰撞检测算法进入了新的发展阶段[21].

3.6 虚拟维修过程规划与仿真技术研究

目前应用比较多的虚拟维修过程规划方法主要是使用UML(Unified Modeling Language,统一建模语言)技术[21]和改进的Petri网技术[22～24]进行装备维修过程建模.其中UML通过对象类图、用例视图、状态视图、顺序视图等的建立,比较明确地表示了整个系统所包含的对象和各对象所具有的功能,以及这些功能的流程和实现途径;传统的Petri网建模是比较复杂和难懂的,随着它在工业领域的应用,许多扩展形式诸如着色Petri网、元模型融合、退化令牌等技术在虚拟维修过程建模中应用较多.总体来说,上述方法在对复杂维修过程的建模方面有一定的贡献,但在实际应用时总是偏重于以产品的维修性设计为中心的应用.

图6 维修任务层次Fig.6 Maintenance level

3.6.1 维修任务分层描述

维修工程理论将维修任务分为维修事件、维修作业、基本维修作业3个层次.维修事件是指由于故障、虚警或按预定的维修计划进行的一系列或多种维修活动或维修作业,如故障定位、隔离、修理和功能检查等.维修作业是按给定的意图进行的一系列基本的维修作业.基本维修作业是1项维修作业可以分解成的工作单元,如拧螺母、装垫片等,它是维修分解的最低层次.维修任务的层次关系如图6所示.

3.6.2 拆装过程规划描述

进行虚拟装配操作时,用户佩戴数据手套、头盔是显示器等虚拟环境的输入输出设备后,就可以通过特定的操作界面获得存放在数据库中的关于装配零部件、工具信息,还可以通过操作界面以各种形式交互地操纵装配产品的各个部分.从虚拟装配的过程模式来看,以装配仿真为核心的虚拟装配与以“变装为拆”的装配规划为核心的虚拟装配是当前主流的虚拟拆装过程模式.①以装配仿真为核心的虚拟装配过程模式.首先在CAD系统中建立产品的装配模型,然后,在虚拟环境中模拟产品的实际装配过程,分析装配过程中零件的运动形态,检查装配过程中的干涉,评价装配过程中的人机因素,从而验证与改进产品的装配性能.②以“变装为拆”的装配规划为核心的虚拟装配过程模式.主要利用CAD系统装配建模提供的装配约束关系进行运动导航,即虚拟拆卸过程中根据零件所受的装配约束拆卸零件的可自由移动方向,并将零件的初始拆卸方向强制为其可自由移动的方向,直到零件与其约束零件完全脱离[25].

3.6.3 虚拟拆装序列规划

拆装序列规划是装配工艺规划的重要环节,长期以来,计算机辅助装配序列规划的研究主要集中于利用计算机对产品的几何拓扑结构和装配约束关系进行自动分析和推理,建立零部件间的装配顺序优先关系,从而找到所有几何上可行的装配序列,并通过某种评价机制进行优选[26,27].

非沉浸式虚拟维修系统的拆装序列规划依赖于生成拆装路径的算法,根据规划体对环境信息已知程度不同,全局路径规划和环境信息完全或部分未知的局部路径规划.沉浸式虚拟维修系统的拆装路径规划主要是对仿真过程中记录的路径进行平滑和优化,目的是使得处理后的路径直观、可行,并且能反映操作人员的交互意图,而不是寻找最优路径优化调整目前主要采用人机交互的方式进行,操作人员可对装配路径点进行插入、删除、直接插补、曲线插补等操作,以达到优化路径的目的.

4 虚拟维修技术展望

4.1 更完善的维修考核评价功能

维修考核评价水平的高低是衡量1个虚拟维修系统质量的关键指标,目前虚拟维修系统中的训练方法多种多样,但均是以提高训练熟练程度为主,并不能体现操作者的技能水平,对于虚拟维修过程的数据监控和数据挖掘技术应有待进一步研究.针对不同的评价指标,利用仿真实现对维修性进行定量分析仍是1个需要解决的问题.

4.2 更逼真的维修过程

维修过程的逼真程度依靠两个方面,实体三维模型和维修过程,特别对大型复杂装备,涵盖精密部件较多,维修工艺要求更高,这就要求对产品模型信息更加全面,模型优化方法要求更高,目前,虚拟产品模型在信息集成、数据存取机制等方面仍有待提高,以避免因部件信息的缺失造成维修的实用性差.此外,虚拟维修过程尚不能完全模拟真实维修过程,随着虚拟现实技术和人机交互技术的不断发展,虚拟维修的功能将越发完善.

4.3 通用化要求

虚拟维修技术涉及领域广,应用领域宽,各应用领域对产品的设计使用要求不尽相同,对这些要求和规范综合分析,改进虚拟维修过程规划和描述方法,提出合理的虚拟维修协同设计准则是发展的必然.

4.4 变形体维修

虚拟维修基本都是以刚性模型为研究对象,部分学者构建出土壤、流体等模型的算法,增强了虚拟维修训练的逼真程度,但对变形体,如软管、线缆等零件的维护拆装是虚拟维修中的难题,目前对于采用NURBS曲面建模只能描述其静态形状,难以模拟其维修过程.

4.5 更强人机交互

人机交互技术一直是虚拟维修技术中研究的热点问题,虽然已经提出了很多方法,但在目前的虚拟维修系统中,大多数情况下考虑的是用户和环境之间的交互,较少考虑物体的适当行为,增强型的虚拟现实技术致力于将三维模型叠加到现实景物上,引导操作人员完成维修任务.

5 结论

虚拟维修技术从诞生到现在,已经渗透到生产生活的各个领域,包括军事科技、航空航天、机械制造、生产建设等诸多行业.在产品设计生产制造领域,虚拟维修减少了设计生产的人力付出和财力付出,缩短了产品的研制周期,提高了产品的质量和使用可靠性;在维修训练领域,虚拟维修技术对解决产品投产后的使用、维修保障、功能演示等复杂问题上具有广泛的应用前景.

作为一门新兴的科学技术,广泛的应用领域证明了其巨大的前景和发展潜力,同样,深入研究虚拟维修技术特点及内涵,对其应用领域有着重要意义和参考价值.展望虚拟维修技术发展,提出目前存在的技术难题及需要深入探讨的关键技术,对虚拟维修技术发展有着显著的指导意义.

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