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首頁 > 虛擬現(xiàn)實(shí)及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用
本文論述了虛擬現(xiàn)實(shí)的基本特征、典型應(yīng)用及其發(fā)展趨勢，例舉了常用的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件和硬件產(chǎn)品，并在此基礎(chǔ)上以起重機(jī)為例，分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用。
虛擬現(xiàn)實(shí)，CAD
1989年，美國的VPL Research 公司的創(chuàng)始人Jaron Lanier首次正式提出“Virtual Reality（VR）”這個名詞，意指“計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維交互環(huán)境，在使用中用戶是‘投入’到這個環(huán)境中去的?！苯陙恚捎诟鞣N相關(guān)技術(shù)和硬件的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)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(jì)算機(jī)的交互方式，提高計(jì)算機(jī)的可操作性所進(jìn)行的努力中產(chǎn)生的，因而其本質(zhì)上是為了提供一種高度融洽的人機(jī)關(guān)系。從廣義上說，只要達(dá)到此目的，即使沒有完全達(dá)到上述的4個特征，我們也認(rèn)為是虛擬現(xiàn)實(shí)。
1 虛擬現(xiàn)實(shí)的軟硬件狀況分析
虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)主要要完成三項(xiàng)任務(wù)：虛擬境界的生成與管理，數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)輸出。為了使系統(tǒng)擁有較好的交互性能，不同的任務(wù)要使用一些特殊的軟硬件。與虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的軟硬件更新很快，因此，我們有必要簡單討論這些現(xiàn)代化的設(shè)備。
1.1 建模軟件
虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展至今，已有了許多的建模軟件，它們使用的機(jī)制各有不同，對用戶的要求也有高低，當(dāng)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(fèi)的程序庫和世界播放器，功能較弱，適于DOS環(huán)境；
World Tool Kit for Windows 是Sense8 公司以 Windows動態(tài)連接庫的形式發(fā)布的虛擬現(xiàn)實(shí)程序庫，在標(biāo)準(zhǔn)SVGA下運(yùn)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(shù)據(jù)庫或其它程序來控制虛擬世界；
虛擬現(xiàn)實(shí)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(wǎng)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(fā)的一種建立圖形庫的語言，該語言功能強(qiáng)大，是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)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(yè)人員中有較廣的應(yīng)用。
1.2 輸入數(shù)據(jù)的軟硬件設(shè)備
語音信號的輸入 語音輸入為用戶與虛擬環(huán)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(fēng)和某種語音識別軟件。語音識別技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)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(tǒng)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(shè)備。它能夠捕捉活動，如肌肉的運(yùn)動，并且產(chǎn)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(yùn)動而遨游于虛擬世界。這種設(shè)備仍然處于實(shí)驗(yàn)階段。
手部運(yùn)動信號的輸入 用于捕捉設(shè)計(jì)者的手勢和手部運(yùn)動的輸入設(shè)備可分為三種：跟蹤設(shè)備，點(diǎn)輸入設(shè)備，手套型設(shè)備。跟蹤設(shè)備用于捕捉設(shè)計(jì)者的手或頭的位置和方向，以或機(jī)械的，或超聲波的，或磁學(xué)的，或光學(xué)的系統(tǒng)為基礎(chǔ)的捕捉傳感器都是可選用的。這種設(shè)備的一個例子是 Ascension技術(shù)公司的 Flock of Birds TM ○。點(diǎn)輸入設(shè)備包括六自由度鼠標(biāo)和力矩球。手套型設(shè)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(xué)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(guān)節(jié)的位置。在虛擬環(huán)境中手套被用作為手勢輸入設(shè)備。
1.3 輸出數(shù)據(jù)的軟硬件設(shè)備
可聽信號的輸出 可聽輸出有一個優(yōu)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(xiàn)不同的位置，因此給我們一種更加接近真實(shí)的虛擬體驗(yàn)。
可視信號的輸出 3D可視反饋可以使用兩種類型的技術(shù)。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(dú)立的圖像。第二種是使用立體形象監(jiān)視器和 LCD 保護(hù)眼鏡。在這種系統(tǒng)中，虛擬景象的兩個形象（一只眼睛看一個）在監(jiān)視器中以非常高的速率交替顯現(xiàn)，從而產(chǎn)生一個立體感的形象。
可觸信號的輸出 這種類型的反饋設(shè)備使用戶能感覺到虛擬環(huán)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(jī)械設(shè)備（臂）可以在用戶試圖操作虛擬環(huán)境下的物體時提供阻力的反饋。
1.4 虛擬現(xiàn)實(shí)在當(dāng)前的典型應(yīng)用
a) 遙控機(jī)器人
b) 醫(yī)學(xué)
c) 建筑
d) 訓(xùn)練殘疾人
e) 科學(xué)可視化
f) 娛樂
g) 作為一種新型人機(jī)交互界面
2 虛擬現(xiàn)實(shí)在機(jī)械工程中的應(yīng)用前景
機(jī)械制造業(yè)是一個古老的行業(yè)，同時也是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一個不可缺少的行業(yè)。下面我們假設(shè)有一個用戶需要一種非標(biāo)的起重機(jī)，而且時間要求十分緊迫，以此為例來探討一下VR在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用。
2.1 初步設(shè)計(jì)階段
在這一階段有兩個模塊可以調(diào)用：一個為物件庫模塊，其中包括了起重機(jī)所有零部件的各種型號、尺寸的實(shí)體造型(包括其屬性信息)等，若事先把所有實(shí)體一個個地造好，并存儲起來，則費(fèi)時費(fèi)力又浪費(fèi)存儲空間，因此我們采用AutoCAD中的ADS或ARX進(jìn)行參數(shù)化造型；另一個模塊為方法庫模塊，這個模塊實(shí)質(zhì)上是包含所有起重機(jī)設(shè)計(jì)步驟，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及一些專家的經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)庫，使用這個模塊，只要用戶輸入主要設(shè)計(jì)參數(shù)，如類型、噸位等，系統(tǒng)就可以自動或半自動生成缺省的設(shè)計(jì)方案，該模塊還允許用戶按需調(diào)整起重機(jī)的配置，甚至可以交互式地進(jìn)行一些非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)，以達(dá)到用戶的要求，這一部分用VC++5.0編制。
運(yùn)用這一系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者可得到起重機(jī)設(shè)計(jì)的初步配置。
2.2 建模仿真階段
在這個系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)者將在CAD中生成的實(shí)體造型信息輸入到虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時的裝配，若發(fā)現(xiàn)不合適的地方，如位置上發(fā)生干涉，運(yùn)動學(xué)性能不符合要求等，允許設(shè)計(jì)者在虛擬環(huán)境中進(jìn)行修改或更換，并將修改的信息返回至CAD的圖形數(shù)據(jù)庫中。虛擬環(huán)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(zhuǎn)換技術(shù)。這一部分主要是通過視覺效果，并輔以聽覺感受，給設(shè)計(jì)者以感官認(rèn)識，如起重機(jī)的外形，工作運(yùn)動情況等，并使設(shè)計(jì)者在虛擬環(huán)境中與起重機(jī)模型進(jìn)行直接交互。
2.3 完善設(shè)計(jì)階段
針對起重機(jī)的性能特點(diǎn)，這一部分集成了有限元，動態(tài)仿真，最優(yōu)化設(shè)計(jì)，可靠性分析等模塊。給初步設(shè)計(jì)完成的起重機(jī)加上某種載荷信息，使計(jì)算機(jī)自動對此起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力，應(yīng)變，疲勞，強(qiáng)度，振動等計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果可視化，通常的方法是使用顏色來顯示不同大小數(shù)字的分布。在虛擬環(huán)境中，我們還允許用戶動態(tài)的看到起重機(jī)在載荷作用下的工作情況：當(dāng)鼠標(biāo)移至結(jié)構(gòu)上某一點(diǎn)時，動態(tài)顯示計(jì)算值的大?。蝗舸颂幱?jì)算值超過許用值時，計(jì)算機(jī)會發(fā)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(jī)損壞情況的動態(tài)過程。通過這些數(shù)字在感官上的反映，促使用戶不斷的修改設(shè)計(jì)參數(shù)，使起重機(jī)的設(shè)計(jì)質(zhì)量達(dá)到最高。
總之，這一部分能使用戶得到比較完善的設(shè)計(jì)結(jié)果，并且計(jì)算機(jī)會把設(shè)計(jì)結(jié)果向后傳給CAD系統(tǒng)，自動生成二維圖。
2.4 加工制造階段
傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）之間有一個鴻溝，即數(shù)據(jù)信息的傳遞問題，用計(jì)算機(jī)輔助工藝過程（CAPP）來填補(bǔ)這個鴻溝有著諸多困難。由于虛擬制造技術(shù)是以在計(jì)算機(jī)上制造數(shù)字化產(chǎn)品為目的的一種軟件技術(shù)，因此用此技術(shù)克服這個鴻溝比較容易。在這一部分可進(jìn)行熱加工工藝模擬，加工過程仿真，產(chǎn)品裝配仿真等工作。
2.5 產(chǎn)品的廣告與漫游
為了適應(yīng)市場競爭的要求，設(shè)計(jì)廠家不應(yīng)該坐等用戶來找自己，而應(yīng)該主動把自己廠家的產(chǎn)品推向市場。將虛擬現(xiàn)實(shí)制作的廣告與網(wǎng)上漫游技術(shù)結(jié)合起來，使用戶通過網(wǎng)絡(luò)能在設(shè)計(jì)廠家設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中漫游，并能直接在虛擬環(huán)境中對產(chǎn)品的需求方面進(jìn)行實(shí)時交互，這樣可提高設(shè)計(jì)廠家的競爭力，為設(shè)計(jì)廠家謀得更多的市場份額。
虛擬現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)新興的技術(shù)，它還有很多不完善的地方，如：大規(guī)模數(shù)據(jù)的圖形適時現(xiàn)實(shí)；觸覺感知的有效實(shí)現(xiàn)；頭戴式顯示對人體健康的影響等等。但是，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各行各業(yè)中都有著廣闊的應(yīng)用前景，尤其在機(jī)械工程行業(yè)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將給我們的機(jī)械工程行業(yè)帶來一個嶄新的天地。
