基于虚拟现实技术的设备智能维修

贾甜

（中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001）

本文通过对虚拟现实技术的类别进行简要介绍，以及对现有设备维修的情况进行分析，将虚拟现实技术引入设备维修中，对基于虚拟现实技术的设备智能维修的操作流程和体系架构进行分析与设计，实现对设备的远程虚拟维修，实现操作者足不出户对设备进行远程维修的目的。

1 必要性研究

虚拟现实(Virtual Reality VR)技术通过对实际行为活动的仿真，对用户的实时行为作出响应，并通过交互设备，使用户与虚拟对象进行实时交互。维修是对产品使用过程中出现的问题进行分析处理，从而使产品保持良好的工作状态所采取的措施。虚拟维修则是依托于虚拟现实技术，构建包含实际产品数字样机与操作者三维仿真模型的虚拟场景，对整个人机交互维修过程进行仿真的综合性技术。

VR技术的引入将为产品维修带来一种新的思路，其主要优势有以下几点：

（1）在产品设计之初就引入维修性问题，指导产品研发，贯穿产品的全生命周期。

（2）指导维修，对产品工作中可能出现的维修情况在虚拟环境下进行模拟仿真，选择最优维修方案，进而指导现实维修。

（3）在维修仿真中充分考查人机工效问题，从而实现人一机一环境相统一、相协调。

2 研究现状

根据应用目标和人机交互方式的不同，可以把常见的各种类型的虚拟现实技术划分为桌面虚拟现实、沉浸式虚拟现实、增强现实或混合虚拟现实、分布式虚拟现实等类别。

桌面虚拟现实主要应用于CDA设计、桌面游戏等，用户真实体验感较差；沉浸式虚拟现实常用于新品研发，具有良好的用户体验，可使用户完全沉浸在虚拟世界中，但是由于成本较高，使用范围受到限制；增强虚拟现实可使用户同时感知虚拟场景和现实世界；分布式虚拟现实一般应用于复杂的桌面虚拟现实系统，一般和沉浸式虚拟现实结合使用，也被应用于互联网上的多人游戏等。目前虚拟现实维修主要集中在虚拟场景的维修培训、维修模拟，并未将虚拟场景与现实场景结合，实现通过操作虚拟场景来维修现实的设备；其次，现有的远程维修主要实现通过计算机控制，对机械手等装置进行远程控制，进行维修，并未与VR外设等进行结合。

3 研究内容

本文主要提出将虚拟现实技术与设备远程维修相结合的方式，设计出基于虚拟现实技术的设备智能维修的操作流程，通过对虚拟现实维修操作流程的分析以及对现有设备维修体系的研究，设计出基于虚拟现实技术的设备智能维修体系架构。从而实现用户通过使用虚拟现实设备完成对设备的远程智能维修的目的。

3.1 虚拟现实维修操作流程

本文主要提出将虚拟现实技术与设备远程维修相结合的方式，通过对虚拟现实技术中沉浸式虚拟现实系统以及现有的远程维修对于机器手臂的操作的结合，设计出基于虚拟现实技术的设备智能维修的操作流程，如图1所示。

图1 基于虚拟现实技术的设备智能维修操作流程图

如图1中所示，操作者通过佩戴传感设备、位置追踪器在交互界面进行操作，计算机对操作者的位置动作等信息进行实时跟踪记录，通过虚拟样机建模、虚拟场景建模、虚拟人建模，与数据库交互。计算机通过操作者行为信息进行人机交互，实现操作者在VR维修指导下，操作虚拟机械手臂以及虚拟机器人对维修场景进行模拟操作，同时系统通过对操作者所操作的虚拟机器人及机械手臂进行实时监控，实现对真实维修场景下的机器人及机械手臂的实时操作，实现虚拟远程维修。

3.2 虚拟现实维修体系架构

通过对虚拟现实维修操作流程的分析以及对现有设备维修体系的研究，设计出基于虚拟现实技术的设备智能维修体系架构。如图2所示。虚拟现实维修体系主要由四个模块组成，分别为技术支持模块、虚拟操作系统模块、现实维修模块以及维修监控分析模块。

技术支持模块用于对虚拟操作系统提供技术支持，包括虚拟现实技术、增强现实技术、故障检测技术等。

图2 基于虚拟现实技术的设备智能维修体系架构图

虚拟操作系统由三个层次组成，分别是支持层、虚拟操作层、界面层。支持层是对虚拟操作层的技术支持，包括VR外设（VR眼镜、数据手套等）、位置追踪器、网络、传感设备等。虚拟操作层主要是操作者对虚拟设备维修的虚拟操作。界面层人机交互的界面，用于显示出各个操作模块，例如故障分析模块、维修工具模块、检测工具模块、任务模块等。

现实维修模块是机器人以及机械手臂对维修现场的设备进行维修操作。维修监控分析模块是对虚拟操作系统以及现实维修模块的实时监控与分析，通过对维修异常监控、维修进度监控、维修状态监控实现对操作者以及对真实维修场景中的机器人以及机械手臂的监控，同时，操作者以及机器人、机械手臂的实时信息也会反馈给监控模块，便于对操作者的维修进行调整。

在基于虚拟现实技术的设备智能维修体系架构中，技术支持模块为虚拟操作系统模块提供技术支持。虚拟操作模块为现实维修模块提供维修指导，并进行远程控制，同时，现实维修模块将维修的实时信息反馈给虚拟操作模块。维修监控分析模块可对虚拟操作系统以及现实维修模块的实时监控与分析，同时，操作者以及机器人、机械手臂的实时信息也会反馈给监控模块，便于对操作者的维修进行调整。

4 结语

本文通过对虚拟现实技术的分类进行简要介绍，以及现有设备维修的情况进行分析，将虚拟现实技术引入设备维修中，对基于虚拟现实技术的设备智能维修的操作流程和体系架构进行分析与设计，实现对设备的远程虚拟维修，实现操作者足不出户对设备进行远程维修的目的。