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在虚拟环境下进行装配作业自动化研究 |
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作者：南京航空航天大学 尉忠信 乔兵 |
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0、引言
虚拟现实（Virtual Reality，以下略VR），就是由计算机直接把视觉、听觉、触觉等多种合成信息提示给人的感觉器官，在人的周围生成一个虚拟环境，从而把人、现实世界以及虚拟环境结合起来，融为一体，实现信息的交流和反馈。人可以在虚拟环境中以最自然的形态实时地进行操作和行动，犹如在自身所处现实环境中同样的感受。
VR技术是充分发挥创造力的科学，为人类的智能扩展提供了强有力的手段，对生产方式和社会生活将产生巨大的影响。
虚拟制造是VR技术在制造领域的重要应用，是一种超越时空观念的新的制造哲理和模式。
1、制造技术的发展与虚拟制造的出现
虚拟制造是随着信息技术的高速发展和对价值观多样化的适应而产生的，是现代制造技术的延伸和发展。
(1) 制造技术的发展
机械化和机械自动化是原始操作向现代制造技术转变的重要标志；数控机床和机器人以其柔性给制造技术带来了质的变革；FMS、CIMS把制造技术推进到了系统控制和集成化阶段，实现了传统制造技术向现代制造技术的飞跃；近年来，又相继出现了并行工程、精益生产及敏捷制造。可以期待，充实了这些新概念的新一代CIMS将把制造技术推向一个更高的智能化阶段。
(2) 虚拟制造的产生及含义
纵观制造技术的变化和发展，不难理解人和自然环境相互关系的变迁。长期以来，人类利用工具、机械制造产品，在这种人和自然界直接对应的关系中，制造技术的发展受到了很大制约。近年来，功能强大的计算机系统作为中间媒体存在于人和自然环境之间，开始实现人―自然环境―计算机三者在现实空间内的相互调和，虚拟制造正是这种调和关系的产物。
虚拟制造是在虚拟空间内模拟把生产要素转变为虚拟产品的制造机能的全部行为。或者说虚拟制造是为人们提供一个从产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视化及交互的临境环境，通过计算机模拟实验来模拟和评估
产品的功能及可加工性等各方面存在的问题。在这种生产方式下，人、自然（现实空间）和计算机系统（虚拟空间）三者之间的集成和调和关系如图１所示。
图1
(3) 虚拟制造的主要研究内容
虚拟制造的技术覆盖面是极为广泛的，除了VR涉及的共同性技术外，虚拟制造领域本身的主要研究内容有：虚拟制造的理论体系；设计信息和生产过程的三维可视化；虚拟环境下系统全局最优决策理论及技术；虚拟制造系统的开放式体系结构；虚拟产品的装配仿真；虚拟环境中及虚拟制造过程中的人机协同作业等。
2、虚拟装配研究
自动装配是全面实现制造自动化的“瓶颈”。究其原因，一是自动装配作业具有很强的智能性和高度的复杂性；二是以往的装配自动化研究被局限在“设计－制造（装配）－评价”和“实物验证”的封闭时空模式中。VR技术将为解决装配自动化技术难题开辟一条崭新的途径。
(1) 虚拟装配研究现状
目前，对虚拟装配的研究有美国NASA用于哈勃望远镜虚拟修理装配的原型系统[1]，日本今村等人开发的虚拟辅助设计与制造系统VSDSS[2]，葡萄牙J.R.Galvao等所进行的虚拟环境下的生产训练研究[3]；日本Ｎ.Abe等人开发的机械零件装配性验证和装配机器可视化系统[4]以及发现初学者在装配虚拟机器时错误操作的训练系统等[5] 。
(2) 虚拟装配中需要解决的关键问题
在实环境下,对自动装配的研究主要集中在机器人力控制和装配规划两个方面,而虚拟装配,由于时空观念的超越,会出现一些新的特点,要解决的技术问题,主要有如下几点。
1) 虚拟装配环境的构筑
主要研究虚拟环境的描述与管理,动作检测子系统和感觉信息合成子系统的因果关系处理,虚拟世界的事件控制,感觉信息的综合以及输入、输出驱动规则等,这部分内容将在后面论述。
2) 装配过程的力作用机理分析
装配过程实质上是用力学方法不断地变化、调整由于多个物体的接触而引起的约束关系的过程。由于这一过程呈现出很强的非线性和瞬态性,因此分析难度很大。在虚拟环境中,可以仿照GROPE虚拟系统研究分子结构的方法,把微观接触状态展现到宏观世界,把瞬态接触延续为虚拟空间中的“慢动作”,在赋予装配零件机械、物理特性的条件下进行装配过程力作用机理分析。为了直观形象,可以对分析数据进行可视化处理。
3) 自动装配规划的生成
装配规划就是以某种评价标准,按照一定的算法,寻求一条最优的零件装配顺序序列,实际上是最优化问题。在虚拟环境下,应该重点解决:如何更形象地表现装配规划过程中信息流的动态流动和可视化;如何在搜索过程中加入启发性知识和进行人的智能参与。根据作者对装配规划的研究,认为Petri网方法是在虚拟环境下进行自动装配规划很有前途的一种方法。
4) 虚拟环境中人的自身投射性
自动装配进展迟缓,一是采用了昂贵、费时的“叠代装配”方法,二是装配作业的智能性高。在虚拟环境中,人的智能扩展是解决这两个问题的有效途径。为此,需要研究人的动作检测及其信号处理,人手模型在虚拟环境中的映射,人和虚拟环境在装配作业时的交互等。
(3) 虚拟装配系统组成
如图2所示,虚拟装配系统由动作检测(输入)、感觉信息合成(输出)、虚拟装配环境(模拟)三个子系统组成。输入子系统输入的用户命令经位姿检测及因果关系处理模块后去控制虚拟装配世界中各种事件的发生及进行智能参与；输出子系统主要进行力分析、装配规划生成及装配操作的动态显示；模拟子系统完成输入、输出因果关系处理、进行力分析、自动生成装配规划、执行装配操作及装配功能检查等。
图2 虚拟装配系统基本组成
3、虚拟装配环境的构筑
(1) 虚拟装配环境的构筑原则
虽然希望虚拟环境能尽量忠实地再现现实世界，但并非是对现实世界的“复制”。这种“复制”不仅是不可能的，更重要的是没有必要，恰恰相反，虚拟现实技术所要求的正是和现实世界有一定差异的虚拟装配环境。因为这种“复制”，代价高、费时、费力，而且这种“复制”虽然提高了对事物理解的容易性（越是接近我们熟知的世界，越容易理解），却降低了操作的简便性（受现实世界规则的约束增多，操作自由度减少）。因此，构筑虚拟环境的一般原则是：第一，根据虚拟装配系统的实际需要，决定世界规则的取舍，以达到既保持和现实装配环境同样的容易理解性，又可提高操作的简便性；第二，选择规则的非矛盾性。在现实世界中，有些规则是相互矛盾的，如果选取不当，可能会造成整个虚拟世界的混乱。
(2) 虚拟装配环境的结构
虚拟装配环境可采用图３所示的五层结构。第一层为ＶＲ用硬件层，如数据手套、空间球、三维鼠标、HMD、立体眼镜等输入输出装置；第二层为ＶＲ用硬件驱动层，是驱动硬件层的驱动子程序，如获取数据手套数据、计算位姿参数、设定视觉参数的子程序等；第三层为世界管理层，由形状数据库和规则库组成。这是虚拟装配环境最核心的部分，它管理虚拟世界发生的一切事件和描述虚拟世界中物体的形状和特性；第四、五层分别为支持工具层和应用层。
图3 虚拟装配环境结构
(3) 形状数据库和规则库
在虚拟环境中，存在着装配零件、工具等各种物体，而且它们遵循一定的世界规则而运动。因此，为了合成虚拟环境，就必须具备描述物体形状等特性的形状数据库和描述物体装配关系和运动规则的规则库。
形状数据库一般采用通用的CAD软件建造。但是在虚拟装配时，仅仅描述形状是不够的，还需要描述零件的材质、硬度等特性。
最能体现虚拟环境软件特征的是规则库。虽然也有通用软件可以利用，如VPL公司的RB2、AutoDesk公司的CTL、Division公司的DVS等，但它们仅能描述简单物体之间的约束。如果装配零件连接关系复杂，就需要自行开发。除了零件的约束关系外，装配时的干涉检查也十分重要，一般采用在物体某代表点的周围设定干涉空间的办法进行检查。
4、结论
无论是自然科学的历史，还是人文科学、社会科学的历史，尽管研究对象不同，但都可以理解为是在追求现实的历史。这种现实，一方面受到认识的限制，另一方面，又是思想的表现。虚拟现实的出现，人们将面临一个重新认识现实本质的时代[6]。基于这一思想和作者多年来对机器人力控制和自动装配的研究实践，本文对虚拟装配技术进行了思考和研究。
本文指出了以往“设计－制造（装配）－评价”的时空封闭型研究模式的局限性；分析了在虚拟环境下自动装配作业的特点；提出了构筑虚拟环境的基本原则和结构模型。
虚拟装配是一项新技术，它重视人在制造系统中的作用，强调人、自然、计算机系统的协调和集成，是研究装配自动化的一个重要方向。(end)
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(9/1/2005) |
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