虛擬現實及其在機械工程中的應用

本文論述了虛擬現實的基本特征、典型應用及其發展趨勢,例舉了常用的虛擬現實軟件和硬件產品,并在此基礎上以起重機為例,分析了虛擬現實技術在機械工程中的應用。
   虛擬現實,CAD
  1989年,美國的VPL Research 公司的創始人Jaron Lanier首次正式提出“Virtual Reality(VR)”這個名詞,意指“計算機產生的三維交互環境,在使用中用戶是‘投入’到這個環境中去的。”近年來,由于各種相關技術和硬件的發展,虛擬現實技術的發展也十分迅猛。VR有4個特征:沉浸感;交互性;多感知;自主性。
  由于VR是在人類為改善與計算機的交互方式,提高計算機的可操作性所進行的努力中產生的,因而其本質上是為了提供一種高度融洽的人機關系。從廣義上說,只要達到此目的,即使沒有完全達到上述的4個特征,我們也認為是虛擬現實。

1 虛擬現實的軟硬件狀況分析

  虛擬現實系統中的計算機主要要完成三項任務:虛擬境界的生成與管理,數據輸入,數據輸出。為了使系統擁有較好的交互性能,不同的任務要使用一些特殊的軟硬件。與虛擬現實有關的軟硬件更新很快,因此,我們有必要簡單討論這些現代化的設備。

1.1 建模軟件

  虛擬現實發展至今,已有了許多的建模軟件,它們使用的機制各有不同,對用戶的要求也有高低,當然,其功能上的差異也是很大的。其典型代表為:
  Rend386是一個免費的程序庫和世界播放器,功能較弱,適于DOS環境;
  World Tool Kit for Windows 是Sense8 公司以 Windows動態連接庫的形式發布的虛擬現實程序庫,在標準SVGA下運行,可以在窗口中顯示帶紋理映射的虛擬世界,也可全屏顯示。該程序支持DDE,因而可以通過電子表格、數據庫或其它程序來控制虛擬世界;
  虛擬現實建模語言VRML(Virtual Reality Modeling Language)是HTML的3D模型,其目的是提供一種用于網上的虛擬世界的描述方法。目前已有VRML1.0、VRML2.0、VRML97等幾種版本;
  OpenGL(開放式圖形語言)是Silicon Graphics開發的一種建立圖形庫的語言,該語言功能強大,是實現虛擬現實的較好工具,但由于其編程量大,又較難掌握,因此目前只在專業人員中有較廣的應用。

1.2 輸入數據的軟硬件設備

  語音信號的輸入 語音輸入為用戶與虛擬環境交互提供了一種方便的方法。提供語音輸入功能需要一個普通的麥克風和某種語音識別軟件。語音識別技術發展至今,已經能在貨架上見到待出售的語音識別軟件。這種軟件有:SoundBlaster 公司的 Voice-Assist 軟件,Command 公司的IN TM ○ Voice 軟件,以及Dragon 系統的DragonDictate TM ○ 軟件。
  肌肉信號的輸入 生物控制器是用于捕捉特性命令的輸入設備。它能夠捕捉活動,如肌肉的運動,并且產生電子信號。例如:位于眼睛附近的皮膚上的電極能夠捕捉到眼部肌肉的活動,從而允許我們能夠通過眼部肌肉的運動而遨游于虛擬世界。這種設備仍然處于實驗階段。
  手部運動信號的輸入 用于捕捉設計者的手勢和手部運動的輸入設備可分為三種:跟蹤設備,點輸入設備,手套型設備。跟蹤設備用于捕捉設計者的手或頭的位置和方向,以或機械的,或超聲波的,或磁學的,或光學的系統為基礎的捕捉傳感器都是可選用的。這種設備的一個例子是 Ascension技術公司的 Flock of Birds TM ○。點輸入設備包括六自由度鼠標和力矩球。手套型設備是用含電線的布料做的手套,戴在手上就象一般的手套一樣。其中包有或纖維光學式的,或電子式的,或電阻式的傳感器,這些傳感器可以測量手指關節的位置。在虛擬環境中手套被用作為手勢輸入設備。

1.3 輸出數據的軟硬件設備

  可聽信號的輸出 可聽輸出有一個優勢,即它是可以與可視信息同時存在的交流渠道。3D聲音可以用不同的聲音表現不同的位置,因此給我們一種更加接近真實的虛擬體驗。
  可視信號的輸出 3D可視反饋可以使用兩種類型的技術。第一種是頭戴式顯示(HMD),它一般使用兩支液晶顯示(LCD)屏幕,給每一只眼睛都提供獨立的圖像。第二種是使用立體形象監視器和 LCD 保護眼鏡。在這種系統中,虛擬景象的兩個形象(一只眼睛看一個)在監視器中以非常高的速率交替顯現,從而產生一個立體感的形象。
  可觸信號的輸出 這種類型的反饋設備使用戶能感覺到虛擬環境中的力,并能感覺到與物體接觸時受物體的阻礙。模擬不同情況下觸覺反饋的一個方法是使用電信號或手上不同方向的振動。另一個途徑是在手套中使用可充氣的袋子提供觸覺反饋。對于力的反饋,一些機械設備(臂)可以在用戶試圖操作虛擬環境下的物體時提供阻力的反饋。

1.4 虛擬現實在當前的典型應用

  a) 遙控機器人
  b) 醫學
  c) 建筑
  d) 訓練殘疾人
  e) 科學可視化
  f) 娛樂
  g) 作為一種新型人機交互界面

2 虛擬現實在機械工程中的應用前景

  機械制造業是一個古老的行業,同時也是國民經濟發展中一個不可缺少的行業。下面我們假設有一個用戶需要一種非標的起重機,而且時間要求十分緊迫,以此為例來探討一下VR在機械制造業中的應用。

2.1 初步設計階段

  在這一階段有兩個模塊可以調用:一個為物件庫模塊,其中包括了起重機所有零部件的各種型號、尺寸的實體造型(包括其屬性信息)等,若事先把所有實體一個個地造好,并存儲起來,則費時費力又浪費存儲空間,因此我們采用AutoCAD中的ADS或ARX進行參數化造型;另一個模塊為方法庫模塊,這個模塊實質上是包含所有起重機設計步驟,設計準則以及一些專家的經驗的數據庫,使用這個模塊,只要用戶輸入主要設計參數,如類型、噸位等,系統就可以自動或半自動生成缺省的設計方案,該模塊還允許用戶按需調整起重機的配置,甚至可以交互式地進行一些非標準件的設計,以達到用戶的要求,這一部分用VC++5.0編制。
  運用這一系統,設計者可得到起重機設計的初步配置。

2.2 建模仿真階段

  在這個系統中,設計者將在CAD中生成的實體造型信息輸入到虛擬環境中進行實時的裝配,若發現不合適的地方,如位置上發生干涉,運動學性能不符合要求等,允許設計者在虛擬環境中進行修改或更換,并將修改的信息返回至CAD的圖形數據庫中。虛擬環境采用VRML建立,其交互方法也采用VRML編制。信息的交換直接采用DFX文件和wrl文件轉換技術。這一部分主要是通過視覺效果,并輔以聽覺感受,給設計者以感官認識,如起重機的外形,工作運動情況等,并使設計者在虛擬環境中與起重機模型進行直接交互。

2.3 完善設計階段

  針對起重機的性能特點,這一部分集成了有限元,動態仿真,最優化設計,可靠性分析等模塊。給初步設計完成的起重機加上某種載荷信息,使計算機自動對此起重機結構進行應力,應變,疲勞,強度,振動等計算,并將計算結果可視化,通常的方法是使用顏色來顯示不同大小數字的分布。在虛擬環境中,我們還允許用戶動態的看到起重機在載荷作用下的工作情況:當鼠標移至結構上某一點時,動態顯示計算值的大小;若此處計算值超過許用值時,計算機會發出警告聲響,用戶還能切開此處看斷面損壞情況;若超載,用戶還能看到起重機損壞情況的動態過程。通過這些數字在感官上的反映,促使用戶不斷的修改設計參數,使起重機的設計質量達到最高。
  總之,這一部分能使用戶得到比較完善的設計結果,并且計算機會把設計結果向后傳給CAD系統,自動生成二維圖。

2.4 加工制造階段

  傳統的計算機輔助設計(CAD)和計算機輔助制造(CAM)之間有一個鴻溝,即數據信息的傳遞問題,用計算機輔助工藝過程(CAPP)來填補這個鴻溝有著諸多困難。由于虛擬制造技術是以在計算機上制造數字化產品為目的的一種軟件技術,因此用此技術克服這個鴻溝比較容易。在這一部分可進行熱加工工藝模擬,加工過程仿真,產品裝配仿真等工作。

2.5 產品的廣告與漫游

  為了適應市場競爭的要求,設計廠家不應該坐等用戶來找自己,而應該主動把自己廠家的產品推向市場。將虛擬現實制作的廣告與網上漫游技術結合起來,使用戶通過網絡能在設計廠家設計的產品中漫游,并能直接在虛擬環境中對產品的需求方面進行實時交互,這樣可提高設計廠家的競爭力,為設計廠家謀得更多的市場份額。
  虛擬現實是一項新興的技術,它還有很多不完善的地方,如:大規模數據的圖形適時現實;觸覺感知的有效實現;頭戴式顯示對人體健康的影響等等。但是,虛擬現實技術在各行各業中都有著廣闊的應用前景,尤其在機械工程行業中,虛擬現實技術將給我們的機械工程行業帶來一個嶄新的天地。
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