虚拟制造系统动作再现技术研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 7 4 1.85MB 80 页 15积分
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摘 要
本文在虚拟制造系统对现实动作再现的需求背景下，提出了制造过程关键动
作的再现设计理念与方法，通过现实感知设备将虚拟场景的动作转换成再现信息
传递到人类感官通道。
通过对虚拟制造系统动作再现整体层次结构、工作流程、数据流向等问题的
研究，基于虚拟现实建模语言，根据制造环境典型生产行为的模型及类别分析，
设计构建典型动作的再现单元。根据动作单元的组合思想，进一步设计制造活动
交互动作原型，并对原型特征识别及动作关键点协调控制问题进行讨论。同时，
完成动作模式库的搭建。
面向感知交互再现技术，设计构建了相适应的动作再现感知交互系统。立体
视觉再现基于双眼视差构造深度感知的原理，通过视觉再现模型的正负视差及最
佳基线设计，进行双目视点的设定，获取虚拟视景。另一方面，对感知交互中力
触感再现与本体活动/位置再现的典型原型进行再现交互模型的方法设计，构建
了摩擦力再现原型、限位再现原型以及坡度再现原型。
此外，基于动作再现过程信号传输的讨论，对动作再现的数据通信方式、虚
实场景协同控制等相关问题进行了探讨。
动作再现技术在虚拟制造系统的应用，通过现实再现设备及人类感知交互，
增强操作临场感，突破二维数据再现表达方式，更大限度上接近超现实的虚拟制
造，将 在制造系统虚拟培训、车间规划等应用中得到进一步验证，同时，动作再
现技术对制造以外的其他行业，同样具有研究、参考价值及良好的应用前景。
关键词：虚拟制造 动作再现 VRML
ABSTRACT
Under the background of the requirement for actual action reproduction from
virtual manufacturing system, reproduction design and method of key action in
manufacturing were proposed. Action was converted to reproduction information
through real perceptual interaction and transmitted to human sensory channel.
The whole hierarchy, workflow and data flow of action reproduction in virtual
manufacturing system were studied. Model and type of typical production behavior in
manufacturing environment were analyzed. Reproduction unit of typical action was
designed based on virtual reality modeling language. Interaction prototype of
manufacturing activities was designed based on the combination of action units.
Prototype feature recognition and coordination of key action points were discussed.
Action pattern library was also built.
Corresponding sensing interactive system of action reproduction was designed
based on perception-oriented interactive reproduction technology. Stereo vision
reproduction was based on depth perception built by binocular disparity structure.
Based on the analysis of positive-negative parallax and the design of best baseline,
binocular viewpoints were set to collect virtual senses. On the other side, method to
reproduce interaction model was designed for typical prototype of force-haptic or
body position-activity in interaction sensing. Reproduction prototypes for friction,
limited position and slope were built. Reproduction processing interfaces, scene
cooperative and other related technologies were also discussed.
In addition, based on the discussion of signal transmission during the action
reproduction, data communication and coordinate control of scenes were studied.
Application of action reproduction in virtual manufacturing system, through real
reproduction equipment and human perception interactive, enhances operational
telepresence and breaks through two-dimensional representation expression. It closes
ultra-realistic virtual manufacturing on greater extent. The technology will be further
verified in application of virtual training and workshop planning in manufacturing
system. On the same time, it also has a research, reference value and good application
prospects in other than manufacturing industry.
Key Word: Virtual Manufacturing, Action Reproduction, VRML
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .............................................................................................................. 1
§1.1 引言 .............................................................................................................. 1
§1.2 虚拟制造系统动作再现概述 ...................................................................... 2
§1.2.1 制造与虚拟制造 ................................................................................ 2
§1.2.2 虚拟制造动作再现的需求分析 ........................................................ 3
§1.3 国内外研究概述 .......................................................................................... 4
§1.4 课题来源及论文组织架构 .......................................................................... 7
§1.4.1 课题来源和研究意义 ........................................................................ 7
§1.4.2 论文主要研究内容和组织架构 ........................................................ 8
§1.5 本章小结 .................................................................................................... 10
第二章 虚拟制造系统动作再现的总体框架 ........................................................... 11
§2.1 动作再现的概念及特征需求 ..................................................................... 11
§2.1.1 动作再现的概念 ............................................................................... 11
§2.1.2 动作再现的特征需求 ...................................................................... 13
§2.2 动作再现的总体框架设计 ........................................................................ 14
§2.2.1 基于虚拟制造体系架构的动作再现 .............................................. 14
§2.2.2 动作再现的层级分析 ...................................................................... 16
§2.2.3 动作再现的工作流程 ...................................................................... 17
§2.3 系统开发环境 ............................................................................................ 18
§2.4 本章小结 .................................................................................................... 18
第三章 动作原型设计及模式库搭建 ...................................................................... 19
§3.1 动作原型设计思想概述 ............................................................................ 19
§3.1.1 需求分析 .......................................................................................... 19
§3.1.2 动作原型的归类 .............................................................................. 20
§3.2 动作单元设计 ............................................................................................ 22
§3.2.1 动作原型抽象模型及动作单元 ...................................................... 22
§3.2.2 虚拟场景中的动作描述 .................................................................. 24
§3 .2.3 典型动作单元的设计 ...................................................................... 27
§3.3 动作原型及模式库构建 ............................................................................ 33
§3.3.1 动作原型构建的关键问题 .............................................................. 33
§3.3.2 动作模式库的构建 .......................................................................... 36
§3.4 动作原型的应用 ........................................................................................ 37
§3.5 本章小结 .................................................................................................... 39
第四章 面向感知交互的再现技术 .......................................................................... 40
§4.1 动作再现的感知交互 ................................................................................ 40
§4.1.1 感知交互概述 .................................................................................. 40
§4.1.2 感知交互的系统构成 ...................................................................... 41
§4.2 立体视觉再现 ............................................................................................ 42
§4.2.1 立体视觉概述 .................................................................................. 42
§4.2.2 双目视点的设定 .............................................................................. 43
§4.2.3 立体视觉再现 .................................................................................. 46
§4.3 力触感交互再现 ........................................................................................ 47
§4.3.1 力触感交互概述 .............................................................................. 47
§4.3.2 力触感再现原型 .............................................................................. 48
§4.4 本体位置/活动再现 ................................................................................... 51
§4.5 再现原型处理接口 .................................................................................... 54
§4.6 本章小结 .................................................................................................... 56
第五章 再现信号传输通信与场景协同 .................................................................. 57
§5.1 动作再现的信号控制 ................................................................................ 57
§5.1.1 动作再现中的信号 .......................................................................... 57
§5.1.2 信号控制架构 .................................................................................. 58
§5.2 动作再现的数据通信 ................................................................................ 59
§5.2.1 数据通信 .......................................................................................... 59
§5.2.2 通信规范设计 .................................................................................. 60
§5.3 动作再现协同控制 .................................................................................... 62
§5.4 本章小结 .................................................................................................... 63
第六章 虚拟制造系统动作再现的实例 .................................................................. 64
§6.1 再现平台设计 ............................................................................................ 64
§6.2 动作再现的扩展应用 ................................................................................ 66
§6.3 结论 ............................................................................................................ 67
第七章 总结与展望 .................................................................................................. 69
§7.1 论文总结 .................................................................................................... 69
§7.2 未来研究展望 ............................................................................................ 70
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 引言
在当今经济全球化、贸易自由化和社会信息化的发展形势下，制造业市场已
从传统的“相对稳定”逐步转变为“动态多变”的新型竞争环境，制造业的经营
战略也在时代的推动下不断变迁。20 世纪 60 年代制造企业追求的是规模效益，流
水线的运用使大批量生产成为了现实；20世纪 70年代企业更加重视降低生产成本，
进而提出了准时化生产的概念；20 世纪 80 年代提高产品质量是企业生产的主要目
标；20 世纪 90 年代新产品开发、市场响应速度、绿色生产成为了竞争的焦点；而
21 世纪随着知识经济的到来，技术创新成为了企业发展的灵魂。企业必须同时具
备时间竞争能力、质量竞争能力、价格竞争能力以及创新竞争能力才有可能赢得
市场。
制造理念革新的同时，多样的制造哲理孕育而生，其中虚拟制造（Virtual
Manufacturing, VM）的提出，为增强企业竞争力注入了新的活力。虚拟制造技术
是实际制造在计算机上的本质实现，是计算机仿真技术与虚拟现实技术在制造领
域的综合发展及应用[1,4]，是企业以信息集成为基础的一种新的制造哲理。在此技
术基础上研制开发的虚拟制造系统（Virtual Manufacturing System, VMS）力求将操
作者带入一个接近真实的虚拟工厂[2~3]，所进行的生产过程是虚拟的，所生产的产
品也是虚拟的，但操作者是真实的，如何才能感受虚拟世界的存在，如何在虚拟
工厂中进行虚拟制造，如何处理“虚”与“实”的交互再现，留给人们很大的想
象空间。
现实世界中的“人”与存在于计算机中的“虚拟世界”间的交互活动，从早
期的手工作业到命令语言控制，图形用户界面，网络用户界面，直至如今的多通
道、多媒体的智能人机交互，经历着质的飞跃与革新，“虚”与“实”的界限在技
术发展的驱动下显得越来越模糊。
虚拟制造系统作为现实制造系统在虚拟环境下的映射，如何构建虚拟制造环
境与现实制造环境之间的沟通纽带对系统的成功与否起着至关重要的作用，面对
“虚”与“实”的种种矛盾，越来越多的研究开始面向计算机与人类感官通道的
自然交互，对于虚拟制造系统，动作再现的焦点在于如何通过现实设备来实现虚
拟制造环境生产行为的再现。
虚拟制造系统动作再现技术研究
2
§1.2 虚拟制造系统动作再现概述
§1.2.1 制造与虚拟制造
简单地讲，制造（Manufacturing）的概念可以被理解为将原材料转换为人们
所需要的产品的工艺活动。制造过程的实质就是原材料在受控状态下增加信息转
换为产品的过程[4]。与制造过程相对应，其抽象出的信息转换过程同样反映了制造
的概念，如图 1-1 所示，本质上讲，原材料是记录信息的载体，产品是产品信息的
物化与集合。产品信息是产品实物的“灵魂”，与产品实物具有某种程度上的等价
性，因而，信息是规范制造过程和决定产品特性的关键性因素。
原材料信息 产品信息
制造
信息
受控
转换
原材料 产品
加工
制造
制
造
过
程
信
息
转
换
图1-1 制造过程及其信息转换
产品越复杂，其所包含的信息量也就越大。在现代社会中，随着人们生活质
量的不断提升，对产品需求的个性化追求不断增强，进而推动了产品功能品种的
多样化与复杂化。要制造出复杂的，功能多样的产品，就必然要将规范功能的大
量的信息物化到材料中。面对纷繁的信息流，人们期待也努力尝试开发新的技术
来实现制造的数字化，一时间，各种先进制造的概念开始充斥人们的头脑，直到
20 世纪末虚拟制造的提出，对传统制造提出了一个全新的挑战。
虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，其本质是以计算机支持的
仿真技术为前提，对设计制造等过程进行统一建模，在产品设计阶段或产品制造
之前，模拟产品制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品的性能、成本和可
制造性，从而减少产品开发过程的反复和资源的浪费，提高产品的开发效率，缩
短开发周期[5]。波音公司 777 飞机的设计、福特汽车外形设计与碰撞实验、工厂和
建筑物的漫游等都是虚拟制造成功应用的结果[6~7]。
虚拟制造并不是真实的制造过程。虚拟制造是在虚拟世界中进行设计与制造，
并通过网络、数据库等先进技术与现实世界相联系，从而指导现实生产。它不产
生真实产品，基本不消耗材料和能量，而是利用制造对象、制造资源以及制造过
第一章 绪 论
3
程的模型来展现“制造”的本质过程，即对制造信息的计算机制造过程。
虚拟制造系统作为集成制造系统资源的手段，起着沟通信息技术与制造技术
桥梁的重要作用。另一方面，它是现实制造系统的模型化、形式化以及计算机化
的抽象描述和表示，它需要表现出现实制造系统所具有的本质特征、功能及运行
机制所包含的所有信息。
制造信息是制造活动的数据抽象，虚拟制造系统通过对制造信息的分析处理
向现实制造提供支持，种种制造信息的再现过程，从虚拟制造系统到现实制造环
境、现实操作者，通过各种形式的沟通与交互方式得以实现，其再现意义值得我
们关注。
§1.2.2 虚拟制造动作再现的需求分析
虚拟制造系统的制造信息需要与现实制造系统进行沟通，沟通过程离不开
“虚”与“实”的交互再现，如图 1-2 所示，传统的虚实沟通，仅仅局限在两个独
立系统间的数据分析与数据流通上，虚拟制造系统只是一个对制造数据进行处理
分析的高级计算机，现实制造系统只能从虚拟制造对一定量进行计算为主的操作
后得出的结果中得到一定启发；而如今，则越来越期望虚实制造系统的自然结合，
两者间能用更为直接、更为顺畅的方式实现沟通与交互，更追求虚实融合的制造
系统能够具有良好的沉浸性，从而越来越淡化两者的界限，使人们可以从定性和
定量的综合集成环境中得到感性和理性的综合结论，从而深化概念，指导现实，
萌发创意。
数据
虚拟制造
系统
现实制造
系统
虚拟制造
系统
现实制造
系统
图1-2 虚实制造系统的沟通
虚拟制造环境与现实制造环境要进行沟通，实现虚实制造环境的良好集成，
就要摆脱传统单维数字信息点对点的交互方式，用多传感的方式与多元信息环境
进行尽可能真实的交互动作再现。这种再现不是对现实制造环境的完整复制，而
是从中提取人类能感知的动作原型，仅在现实中再现原型部分的动作，从而增强
虚拟制造系统中人机交互的自然性。对于虚拟制造而言，动作再现的应用前景尤
为广阔：
1. 外型设计与布局设计
外形设计方案讨论时，设计人员通过现实中动作再现感知设备能切实触摸到
虚拟制造系统动作再现技术研究
4
设计对象的表面材质，有软硬质感的体验，温度的感觉，甚至能感觉到其重量与
速度的变化；布局设计时，能有具象的空间感，碰撞造成的冲击体验等。
2. 产品性能评测
产品性能评测包括对产品运动、动力学性能进行仿真评测以及对外观、功能、
工作性能等方面的评测。车辆性能评测时，倾斜角度、地面颠簸等路面状况通过
实际模拟设备进行再现，便可使车辆在有限的空间与限制条件内体验不同负载、
不同配置的行驶性能，在实际产品制造前的评测阶段就发现问题、优化设计，对
于整个评测领域将是一次新的技术飞跃。
3. 操作培训
受训人员培训过程中可直接操纵现实存在的动作再现设备，同时得到动作的
反馈。装配培训中，能实际移动再现对象，感觉到工件碰撞产生的撞击；机床夹
紧工件三爪卡盘的锁紧过程，受训人员通过旋动现实锁紧钥匙驱动再现设备，同
时得到虚拟工件、虚拟车床的力反馈，直到虚拟卡齿完全夹紧工件，受训人员将
无法继续旋动钥匙。
4. 产品展示与推广销售
推广展示制造产品时，不需要直接向客户提供实际产品，而是通过动作再现
系统向客户提供一种产品关键功能的实际使用体验，能触摸到产品的可替换外观、
对虚实共建产品进行操纵体验等。
制造领域对动作再现的应用需求远不止上述分析的几个典型方面，更重要的
是它将改变传统虚拟制造系统与现实制造系统的交互方式，虚拟制造系统将通过
动作再现挖掘出虚拟制造更深层次的现实意义，从而服务于现实生产，现实制造。
§1.3 国内外研究概述
动作再现技术研究的最终目标是延伸人的能动范围，扩展人的感知空间，最
早可追溯到 1960 年，麻省理工学院心理声学专家立克里德发表了一篇题为《人-
计算机共生关系》的文章，铿锵有力地宣称：“我们希望在不久的将来，人脑与电
脑紧密合作，结为一体，以人脑前所未有的全新方式来思考问题，以任何数据处
理机器从未采用过的方式来处理信息。”
1965 年，被誉为计算机图形学与虚拟现实之父的伊凡·苏泽兰在题为《终极的
显示》的论文中提出要把电脑的显示屏幕作为一个“观看虚拟世界的窗口”。苏泽
兰指出，我们生活在一个物理世界中，通过感觉与物理世界相联系，能感知物体
的重量、形态、颜色等等，但对物理世界的细微处，比如，非均匀场中的力、作
用在电荷上的力、低摩擦的运动、非投影几何变换的效果等，我们却几乎一无知
摘要：

摘要本文在虚拟制造系统对现实动作再现的需求背景下，提出了制造过程关键动作的再现设计理念与方法，通过现实感知设备将虚拟场景的动作转换成再现信息传递到人类感官通道。通过对虚拟制造系统动作再现整体层次结构、工作流程、数据流向等问题的研究，基于虚拟现实建模语言，根据制造环境典型生产行为的模型及类别分析，设计构建典型动作的再现单元。根据动作单元的组合思想，进一步设计制造活动交互动作原型，并对原型特征识别及动作关键点协调控制问题进行讨论。同时，完成动作模式库的搭建。面向感知交互再现技术，设计构建了相适应的动作再现感知交互系统。立体视觉再现基于双眼视差构造深度感知的原理，通过视觉再现模型的正负视差及最佳基线...

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