基于三維CAD模型的復雜機械設備拆裝智能誘導系統

　　為實(shí)現復雜機械設備三維設計與拆卸、裝配三維誘導的一體化，提出了基于三維CAD模型的復雜機械設備增強現實(shí)拆裝誘導框架，基于該框架提出了基于拆裝優(yōu)先關(guān)系分層網(wǎng)絡(luò )模型的拆裝順序誘導方法，該方法在初始化階段自動(dòng)生成樹(shù)狀拆裝優(yōu)先關(guān)系分層網(wǎng)絡(luò )模型，在設備拆裝過(guò)程中根據操作者的拆裝操作在線(xiàn)規劃拆裝順序，智能輸送相關(guān)誘導信息。提出了基于透視投影原理的三維誘導場(chǎng)景生成與顯示方法，能夠根據拆裝方向和零部件包圍盒的尺寸，利用透視投影原理將虛擬誘導場(chǎng)景定位在世界坐標系中，使虛擬誘導場(chǎng)景以合適的視角顯示在屏幕的指定位置上，提高了三維信息顯示的直觀(guān)性。最后建立了原型系統，驗證了以上理論和方法的可行性。

　　引言

　　隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，現代大型復雜機械裝備(如各種發(fā)動(dòng)機)的拆卸、裝配工藝日趨復雜，操作人員單純依靠自身經(jīng)驗、技術(shù)和知識難以高效地完成復雜機械裝備的拆卸、維修和裝配。紙質(zhì)和電子技術(shù)手冊當前被廣泛用于存儲、查詢(xún)拆裝維修工藝和技術(shù)信息，但使用過(guò)程中操作者需邊操作設備邊手動(dòng)查看手冊，操作難度大且效率低，并且注意力需要在手冊和設備之間頻繁切換，易受周?chē)�環(huán)境影響，從而造成拆裝維修差錯等問(wèn)題，因此迫切需要一種新的方式，以主動(dòng)向操作者輸送所需信息，誘導其完成當前的拆裝維修操作。

　　增強現實(shí)技術(shù)是在虛擬現實(shí)技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的，它能夠將計算機生成的虛擬信息疊加顯示在真實(shí)場(chǎng)景上，使用戶(hù)看到一個(gè)虛實(shí)融合的環(huán)境。增強現實(shí)技術(shù)在機械設備拆裝維修誘導中具有廣泛的應用前景，引起了國內外的重視，已經(jīng)開(kāi)展的研究包括STARMATE(system　using　augmented　realityfor　maintenance，assembly，training　and　education)系統、芬蘭國家技術(shù)研究中心(簡(jiǎn)稱(chēng)VTT)系統、ARMAR(augmented　relity　for　maintenance　and　repair)系統和MOON(assembly　oriented　authoringaugmented　reality)系統等，空客軍用飛機公司已經(jīng)將增強現實(shí)技術(shù)應用于A(yíng)400M 軍用運輸機布線(xiàn)誘導中;Webel等也已將增強現實(shí)技術(shù)應用到產(chǎn)品裝配技能培訓中。近些年國內也開(kāi)展了增強現實(shí)裝配相關(guān)的研究，如宋荊洲等將層次著(zhù)色Petri網(wǎng)與圖靈機模型結合，提出了一種增強現實(shí)裝配環(huán)境系統模型，較好地滿(mǎn)足了增強現實(shí)裝配系統的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)響應要求;王峻峰等研究了增強現實(shí)環(huán)境下的產(chǎn)品裝配引導技術(shù);趙敏等構建了一套裝配維修訓練的增強現實(shí)系統，在人機交互過(guò)程中采用靜態(tài)標志和動(dòng)態(tài)標志相結合的方法，通過(guò)人手控制動(dòng)態(tài)標志來(lái)觸發(fā)感興趣的內容，完成維修操作。但現有的基于增強現實(shí)技術(shù)的拆裝維修系統多是“以計算機為中心”的程序化引導系統，普適能力差，僅實(shí)現了虛擬信息和真實(shí)場(chǎng)景的增強現實(shí)疊加，尚未達到誘導的層次，如使用中操作者需要自己識別拆裝任務(wù)，并通過(guò)手動(dòng)操作計算機設備或語(yǔ)音識別的方式從數據庫中搜索提前規劃好的信息，這樣不僅不適用于噪雜的環(huán)境，而且分散了操作者的注意力，普適性能差。當前三維計算機輔助設計(Computer　Aided　Design，CAD)軟件已在產(chǎn)品設計中得到推廣和應用，如果能夠利用增強現實(shí)技術(shù)將復雜機械設備的三維CAD模型應用于該設備的拆裝維修誘導和培訓中，實(shí)現三維設計與拆卸、裝配三維誘導的一體化，必將大幅度提高產(chǎn)品的附加值，在軍事裝備(如飛機、艦船、裝甲等)維修培訓和戰時(shí)搶修領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。

　　鑒于此，本文使用增強現實(shí)技術(shù)，提出基于三維CAD模型的復雜機械設備增強現實(shí)拆裝誘導框架，通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻識別(Radio　Frequency　Identification，RFID)和位置跟蹤設備識別操作者的拆卸或裝配進(jìn)程;根據產(chǎn)品的三維CAD裝配模型生成拆裝優(yōu)先關(guān)系分層網(wǎng)絡(luò )模型，建立基于拆裝優(yōu)先關(guān)系分層網(wǎng)絡(luò )模型的拆裝順序誘導方法，從而根據當前的拆裝進(jìn)程、拆裝工藝和操作者的拆裝歷史在線(xiàn)向操作者推薦下一步將要拆裝的零部件，實(shí)現拆裝順序和拆裝工藝的智能輸送。提出基于透視投影原理的三維誘導場(chǎng)景生成與顯示方法，該方法根據拆裝方向和零部件的包圍盒尺寸，利用透視投影原理將虛擬誘導場(chǎng)景定位在世界坐標系中，從而將虛擬誘導場(chǎng)景以合適的視角顯示在屏幕的指定位置上。

1、復雜機械設備拆裝誘導系統框架

　　在合適的時(shí)刻自動(dòng)、準確地輸送操作者急需的誘導信息，是實(shí)現“以人為中心”的拆裝誘導的關(guān)鍵之一，因此拆裝誘導信息的推送需要綜合考慮產(chǎn)品當前的拆裝進(jìn)程、拆裝工藝和操作者的個(gè)體拆裝需求等，為此本文提出了如圖1所示的復雜機械設備拆裝誘導框架。

　　該系統的硬件包括戴在操作者眼睛前方的增強現實(shí)眼鏡、戴在操作者手部的RFID讀寫(xiě)設備、手部位置跟蹤設備，以及貼在零件和拆裝工具上的RFID標簽。該誘導框架以產(chǎn)品三維CAD裝配模型為基礎，通過(guò)對CAD系統的二次開(kāi)發(fā)將產(chǎn)品的CAD模型轉化為虛擬裝配模型，在誘導系統初始化階段加載虛擬裝配模型，生成樹(shù)狀拆裝優(yōu)先關(guān)系分層網(wǎng)絡(luò )模型。通過(guò)RFID標簽讀寫(xiě)設備和手部位置跟蹤器識別操作者正在進(jìn)行的拆裝操作，并自動(dòng)生成相應的拆裝誘導工藝;拆裝操作完成后更新產(chǎn)品的拆裝進(jìn)程模型，以表達產(chǎn)品的當前拆裝狀態(tài)。系統可以根據產(chǎn)品的拆裝優(yōu)先關(guān)系模型和當前的拆裝進(jìn)程模型，在顯示屏幕指定區域上以三維圖形、動(dòng)畫(huà)和文字的形式，向操作者提示下一步要拆裝的零件及其拆裝工藝等。

2、結束語(yǔ)

　　本文基于增強現實(shí)技術(shù)，研究了基于三維CAD模型的機械設備拆裝誘導系統，給出了誘導系統框架，提出了基于拆裝優(yōu)先關(guān)系分層網(wǎng)絡(luò )模型的拆裝順序誘導方法和基于透視投影原理的三維誘導場(chǎng)景的生成與顯示方法，并通過(guò)原型系統驗證了其可行性。本研究提出的理論和方法不僅實(shí)現了機械產(chǎn)品三維CAD軟件設計與拆卸、裝配誘導的一體化，而且具有較好的普適性，因此在大型機械設備維修培訓、訓練和軍事裝備的搶修等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景和應用價(jià)值。

　　本文設計的系統只是一個(gè)原型系統，距離實(shí)際應用尚有一定的距離，三維空間定位、零件識別、增強現實(shí)眼鏡的應用尚不成熟，人機交互性有待于進(jìn)一步改進(jìn)。未來(lái)可以采用一些硬件設備提高系統的人機交互性，如原型系統中手部位置跟蹤部分和增強現實(shí)跟蹤部分可以使用超聲波設備、GPS跟蹤設備等代替;增強現實(shí)眼鏡可以采用無(wú)線(xiàn)通信的方式與計算機通信;另外如果能夠將高精度位置跟蹤模塊和RFID模塊集成，設計一個(gè)具有物體識別和位置感知的無(wú)線(xiàn)模塊，則必將大幅度提高誘導系統的可操作性和手部位置跟蹤的穩定性，這些都是未來(lái)需要研究的方向。