虚拟制造应用实例分析.doc

学号 成绩 研究生课程大作业课程名称数字制造题 目虚拟制造应用实例分析学 院机电工程学院专业班级姓 名 指导教师2015年6月29日摘要:虚拟现实制造技术是近年来新出现的高新技术。虚拟制造技术可以通过模拟使用者的听觉、触觉、视觉等感官的感受,让使用者全方位的、没有限制的去观察通过计算机模拟出的三维虚拟空间,如同身临其境。近年随着与虚拟制造技术相关的各项技术的快速发展,各种与虚拟现实相关的产品与展览也不断亮相我们的生活。本文主要针对虚拟现实制造技术在教育、培训、医疗、科学可视化及工程上的应用研究，论述了虚拟制造技术在我国的广泛应用前景。关键字：虚拟现实，虚拟制造，教育与培训，虚拟医疗 The Analysis of Virtual Manufacturing ApplicationsAbstract：Virtual reality manufacturing technology is a new emergence of new and high technology in recent years.Virtual manufacturing technology can simulate the users visual sensory feelings, such as hearing, touch, let users a full range of, there is no limit to observe through the computer simulation of 3 d virtual space, like the scene.Associated with virtual manufacturing technology in recent years, with the rapid development of the technology, all kinds of products related to virtual reality and exhibition also constantly at our life.In this paper, according to virtual reality manufacturing technology in education, training, medical treatment, scientific visualization of engineering application and research, this paper discusses the broad application prospect of virtual manufacturing technology in our country.Key Words：Virtual reality technology，Virtual manufacturing，education and training，Virtual Medical Treatment1引言科学技术的发展提高了人与信息之间接口的能力，及人对信息处理的理解能力，人们不仅要求以打印输出、屏幕显示这样的方式观察信息处理的结果，而且希望能通过人的视觉、听觉、触觉，以及形体、手势或口令参与到信息处理的环境中去，获得身临其境的体验。这种信息处理方法不再是建立在一个单维的数字化的信息空间上，而是建立在一个多维化的信息空间中，一个定性和定量相结合、感性认识和理性认识相结合的综合集成环境中，虚拟现实技术将是支撑这个多维信息空间的关键技术。虚拟现实制造技术是一种多通道的新型人机交互接口,人们可以通过视觉、听觉、触觉和加速度感等多种感觉通道感知计算机模拟的虚拟世界,也可以通过移动、语音、表情、手势及视线等最自然的方式和虚拟世界交互,从而产生身临其境的体验。目前虚拟制造技术已经在军事、医学、教育、娱乐、制造业、工程训练等各个方面得到应用,它被认为是当前及将来影响人们生活的重要技术之一。基于上述背景，本文将对虚拟现实制造技术在我国的具体应用进行分析研究，并使得虚拟现实技术在我国各大领域的有效运用。2 虚拟制造的应用虚拟制造技术是帮助人们解决实际问题或给人们提供传递信息、思想和情感的一种有效方法。近年来,随着计算机技术、交互技术和人工智能等相关技术的快速发展, 虚拟制造技术取得了巨大的进步, 以此为基础的实际应用也得到了很快的发展和提高。虚拟制造技术适合应用于使用计算机仿真技术或计算机模拟技术的场合,特别是需要在三维空间中表现仿真模拟的过程或结果且需要实时的直接交互时, 虚拟制造技术具有很大的优势。最初,虚拟技术是美国航空航天局与军事部门为了模拟训练而开发的, 目前虚拟制造技术已经被运用到教育、医疗卫生、工程制造、航空航天、军事仿真、科学研究等各个领域中。 2.1 教育与培训1近年来, 虚拟环境制造技术的发展吸引了教育界和工业界的目光。虚拟现实可以用来表达深奥的概念、复杂的技术和实验等, 也可以模拟操作环境和工作流程等。2.1.1 虚拟教育虚拟现实制造技术在教育系统中的运用效果是十分明显的，相比过去的教学方式，学生在学习时，更多的是借助书本进行查阅，尤其是一些昂贵的实验和培训器材，在学校经费有限的条件下根本无法进行操作和器材的购买。以及是一些比较抽象的知识，如各种教学仪器设备的平面图形，以及通过现场观察实际的教学设备形状，以感知认识事物。目前, 虚拟制造出的实验环境已成为一种大人和小孩都喜欢的一种教学方式, 它的沉浸感和多种方式的交互性让人们觉得十分有趣。通过虚拟制造的交互环境、再现能力及一对一的实践,可以提高学生们的记忆力和学习兴趣;具有真实的可视化能力,很适于表达难以理解的抽象概念;通过模拟化学、物理等实验,学生们不需要冒着真实实验中可能存在的安全问题的风险, 就可以很好的学习到相应的知识。广西大学无机化学实验仿真系统2，如图1。该仿真系统基于虚拟现实技术，将实验室，设备，仪器和试剂进行三维数字建模，为学生打造出一套可交互式的虚拟实验教学环境及实验项目，包括NaCl提纯，三草酸合铁酸钾的制备等，系统不受时间和空间限制，不收材料和环境约束，可以为任意数量学生同时提供实验机会，使每一个人都能亲自动手参与实验的具体流程，极大地降低了实验成本。在该系统中学生科通过学号和密码登陆虚拟实验中心，选择和参与具体的实验项目，在系统加载完对应的试验后，画面切换至实验室中，此时学生可通过鼠标完成对烧杯、玻璃棒、漏斗的各种操作也可在任何时候停下来查看实验步骤介绍，系统会根据学生操作情况来实时显示步骤信息。学生必须按照实验操作的先后顺序来执行，否则视为操作错误。无机化学虚拟仿真系统有效的解决了化学实验中的极端环境，费用高昂，参与人数受限，不可逆等缺陷，系统简洁大方的人机对话模式，既能够面面俱到的将实验知识点融入到交互操作中，同时又不失实验操作的活力。相比传统实验，提升了学生的实验积极性，变被动学习为主动学习。图1 广西大学无机化学实验仿真系统2.1.1 虚拟培训与传统的培训方法相比, 基于虚拟现实制造技术的培训系统, 在没有真正地安装设备的情况下, 学员可以接受生产过程和方法的培训, 充分的感觉线索和多通道的反馈方式让学员可以获得真实世界的操作技巧。更重要的是, 虚拟现实制造技术培训系统提供了高度自由的操作性, 不但可以模拟误操作的后果, 而且不会造成人员的伤害和机器设备的损坏。虚拟现实技术在工业培训、航天训练和医生的培训方面得到了广泛的应用。早在1994 年,Adams开发了一个寻呼机生产线虚拟现实仿真器, 作为摩托罗拉公司技术教育中心正规培训自动生产线操作人员的培训设备4。复杂产品的维护和操作, 比如工业机器操作, 汽车驾驶等都需要特别的培训, 使用虚拟现实技术可以提高培训的效果并降低培训的费用。在飞机维修工业, 成功地培训对检查的质量和可靠性是极其重要的, 为此, Jeenal Vora 等研制了用于飞机检查培训的虚拟现实系统,可以用作离线培训的工具, 并可以研究在飞机检查中人的行为。南洋科技大学的J.R.Li等研制了用于维修培训的桌面型虚拟显示系统V-REALISM, 在该系统提供的虚拟环境中, 用户可以对某个部件的拆卸进行虚拟的操作, 并可以得到系统提供的智能的协助。如图2，为丰田汽车虚拟培训系统,该培训系统通过真实细致的汽车模型，立体仿真的动画将原本复杂、枯燥无味的内容生动再现。系统模拟了一个汽车维修实训中心，学员通过点击鼠标可以认知汽车各个系统的结构和工作原理。系统详细演示汽车车门及后备箱开启，汽车底盘维修、车轮更换等操作步骤，同时系统还结合人机交互操作，运用虚拟手与车身零部件进行互动操作，演示如何通过旋转、拆离、组装等方式进行汽车轮胎零部件的拆装，同时系统还提供拆装的指导顺序，以免学员进行误操作，达到事半功倍的效果。虚拟培训系统可以帮助公司培养汽车维修技能型人才，解决他们实际工作中遇到的棘手问题。图2 丰田汽车虚拟培训系统2.2医疗卫生医疗卫生是虚拟现实技术应用最早的领域之一, 在医护人员培训、手术方案的验证、心理治疗等方面的应用得到了较大的进展。对于医疗而言,疾病诊断是关键的第一步。比如,对于心、肺杂音形成的部位、机理以及在心电图上的表现等内容,教师讲解、描述起来非常困难。利用虚拟现实技术可以模拟心、肺疾病病人的各种体征, 在虚拟人身上的相应部位随意进行触诊、听诊训练, 这种见习过程既有真实感, 又不受时间限制, 学习的效果很好。而Burdea等开发了一套基于虚拟现实的前列腺触诊系统, 用于检查前列腺恶性肿瘤检查的培训, 试验表明, 与传统的在橡皮人和病人身上的有限培训相比, 诊断培训的效果得到了明显的提高而且极大减轻了病人的痛苦。在很多疾病的诊断与治疗中, 内窥镜的检查是十分必要的。但内窥镜检查是侵入性的而且十分不舒服, 如果内窥镜刮破腔壁或者造成腔壁穿孔, 会导致受伤甚至死亡。因此,这一过程需要事先进行良好的论证以及高超的技术。目前这类技术通常是在解剖模型、动物或者病人身上进行的, 但效果不理想, 甚至给病人造成了不必要的伤害。若使用虚拟现实技术可以方便有效地提高受训者的医疗技术, 让失误出现在训练的时候而不影响实际的病人。早在1998年, Systems公司就推出了一种支气管镜检仿真器 ,该仿真器提供了一定的触觉反馈, 并模拟了一定的训练想定, 测试表明该系统有助于提高培训人员的技术水平5。Liselotte Mettler等研制了用于妇产科医生的内窥镜培训器VSOne;该模拟器具有力反馈、活组织检查、吸入式冲洗、缝合、血凝结、夹子的安置等特有的特征, 提供了对多种妇科检查和手术的模拟, 可以对内镜检查进行完善有效的培训。2.3科学可视化科学可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术, 将科学计算过程中或者是计算结果的数据转换为图形或图像,在屏幕上显示出来并进行交互式处理的技术或方法。对于很多复杂的分子结构、三维体数据和繁杂的地震数据等, 传统的图像分析技术和二维表现方法很难对其进行识别和度量,而使用虚拟现实技术则可以将计算过程以动态、立体的形式来表现, 结果形象生动, 用户可以沉浸在虚拟环境之中, 使用自然直观的方式与虚拟的科学世界交互, 大大提高了数据解释水平和推测准确性, 加深了对科学数据的理解 。东京大学的Akira Suzuki等建立了一个“虚拟材料实验室”用于研究模拟分子的性态5。在进行材料测试时, 使用该软件可以实现分子的动力学仿真。原子的动力学性态可以通过力反馈和视觉感受到。佩鲁贾大学的O. Gervasi等开发了用于分子科学的“虚拟实验室原型”。使用该系统可以在虚拟环境中进行火焰光谱、化学动力学和红外线分光镜等实验。斯达利普斯学院的La Jolla使用虚拟现实技术把计算机生成的三维分子模型覆盖到现实中分子的物理模型上面, 用户可以很容易地改变覆盖在模型上面的信息、切换不同的分子的表现、显示分子的属性或者动态信息。物理模型提供了直觉的接口用来操纵计算机模型, 利于贯彻人的意图。现实技术使三维立体数据, 比如电场、电压等得到了很好的表现。地震数据的可视化与推断有助于发现新的油田。但是这些数据数量惊人且难以理解, 而通过钻探来证实工程师的判断更是花费巨大财力, 因此对地震数据可视化有助于提高探测的成功率。在钻探过程中也需要仔细地规划, 如避开地底的水窝和坚硬的岩石。可视化软件Drill View可以实时地得到各种钻探数据, 如泵速、扭矩和方位角等, 并提供钻探地的地质情况的有用信息并生成当前工作的三维场景,利于提高钻探质量。2.4在工程制造中的应用6各个公司都在想办法提高生产的柔性、缩短开发时间并节约成本, 虚拟现实的应用可以帮助制造业提升到一个新的高度。虚拟设计在原型设计方面主要应用于人机工程学的评估和虚拟产品的评审。目前, 在虚拟原型、虚拟制造装配、实验验证、工厂设计和员工培训等方面的应用也取得了较大的进展。 2.4.1虚拟原型产品的原型是新产品的首次具体实现。 产品越复杂, 实际的物理模型就越昂贵, 特别是需要制作多个版本时尤其严重。就新车开发而言, 通常是按各种比例制作油泥模型, 并喷涂上油漆, 使之看起来像一辆真车, 实现整个过程相当费时费钱。西安大略大学的George研究了应用变形网格技术到虚拟雕刻技术的方法。使用这个系统, 在产品概念阶段, 设计师可以直觉地建立和操纵复杂的CAD模型, 从而实现快速地修改模型的形状、风格和功能。香港城市大学的Yongm inZhong 等提出了在VR环境中通过直觉的方式进行精确地实体建模的方法。SensAble Technologies开发了一种快速概念设计软件FreeForm;使用该软件, 设计者可以通过三维视觉和力反馈界面, 使用各种工具对“数字粘土” 进行雕塑。在完成虚拟模型后, 还可以输出到铣床上将它真正做出来。 2.4.2虚拟装配和虚拟维护7-9零部件的装配是要确定部件是否可以无偏差地组装在一起, 并确认在产品需要保养时是否可以方便的拆卸。利用基于虚拟制造的虚拟装配对装配过程和工艺过程进行仿真, 以便在早期就发现问题, 改进设计方案, 节约研制成本, 缩短开发周期。早在1999年, 宝马公司的Antonino等研究了应用虚拟现实对原型车进行验证装配和维护过程的方法, 提出了一系列用于虚拟装配的交互范式和功能;工程师运用该技术可以对原型做装配维护的验证, 从而减少实体模型的个数并能提高产品质量。史坦福大学的Luis Marcelino等建立了一个约束管理器用来支持对虚拟原型的可维护性进行评估。该管理器使用了直接交互、自动约束识别、约束满意度和约束运动等关键技术, 运用了各种优化技术, 可以对工业上的大模型进行实时的交互。在国内，上海佳豪船舶工程设计股份有限公司船舶数字仿真实验室7，如图2-1.利用虚拟现实技术在船舶设计思路验证。项目方案评审、辅助营销等环节为公司的业务开发流程优化提供了帮助。实验室采用了一套世界先进的大型沉浸式虚拟仿真系统，包含了DVS3D虚拟现实协同设计工作平台，光学位置追踪系统等产品，在需求分析阶段，设计人员可以根据客户的实际需求描述，利用Tribon软件设计出成品船的三维立体模型，通过DVS3D的一键导入功能，用立体的形式展现出来，使设计人员与客户在船体方案设计阶段就能提前获得逼真的对终端产品的感官体验，降低设计与需求之间差异性。船舶虚拟设计是船舶工程领域中信息化技术应用的较高层次，设计师通过建立船舶产品三维模型来实现产品的并行设计和初步的虚拟制造在计算机中建造一艘完整的船，设计师就可以进入船体内部参观，科学分析工人建造是否方便，人在船上是否舒适，故障模拟等，全方位验证设计思路。在市场营销环节，基于虚拟现实技术，销售人员可将船体的三维模型及整体设计、制造流程等通过虚拟交互的形式将成品效果可视化展示给客户，让客户能够更加形象。直观的了解产品的各个设计与工艺细节，使客户在交互体验中产生消费动机。船舶数字仿真实验室有利于缩短产品开发周期、节省项目成本、提高企业形象，对现代生产制造业有着重要的而现实意义。图3上海佳豪船舶数字仿真实验室3 小结与展望虚拟现实技术是本世纪发展的重要技术之一, 作为一门科学和艺术将会不断走向成熟, 在各行各业中将得到广泛应用,并发挥神奇的作用, 21世纪将是虚拟现实技术的时代。当然, 虚拟现实技术还是一门年轻的科学技术, 尚存在不少有待解决的问题。例如, 在计算机生成的虚拟环境中, 操作者每次转动头部, 计算机必须更新三维图像, 由于更新的数据太大, 以致计算机还无法完成实时运算。这就造成了系统滞后。再如, 美空军的虚拟现实模拟器产生的视觉运动信号与人的感觉之间也存在差异, 容易引起头痛、眩晕等。但不管怎样, 虚拟现实技术毕竟开辟了富有发展潜力的新领域, 它会随着时间的推移日臻完