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虚拟现实技术在模拟自动化工作场所的应用

在最近几年，随着高分辨率图形，高速计算和用户交互设备的出现，虚拟现实（VR）已成为一种重要的新技术。沉浸感是许多VR系统引入的一个重要的新概念，它是指计算机通过跟踪用户，以用户为中心，从而使用户完全沉浸在计算机生成的三维环境中的感觉。虚拟现实应用程序的主要优势是在实现新技术单元之前可以对其进行建模和仿真。这可能有助于增加安全性和适应人机工程学，并减少新提议单位的经济损失。建立工作单元的虚拟模型可以揭示隐藏的错误，这些错误在新工作单元创建的后期阶段消除则会造成很大的困难。

关键词：自动化制造车间，虚拟现实技术，模拟

1、概述

虚拟现实可以是物理（真实）现实的克隆，也可以是一种具有自己规则的更近的未定义（网络）空间。这两种情况下，都必须对环境进行仿真。在新定义的网络空间的情况下，任务相对简单，我们可以发明新的定律或者使用简化的物理模型。真正的挑战是精确模拟物理规则，因为它们有着非常复杂的现象：对象的动力学，电磁力，原子力等。对于实现人机交互来说，就必须考虑其中的每一部分。牛顿定律是模拟运动的基础，即物体之间的碰撞和力的相互作用。自主对象的仿真，碰撞检测和动画可能是非常复杂且耗时的任务，因此，除了标准（即非实时）动画外，还必须采用其他方法。为了支持全性能与用户的交互分离，管理整个环境（包括不同用户之间的交互）的行为模拟过程应在“后台”运行。这些应用程序部分之间的更新是通过异步操作实现的。

在最近几年，随着高分辨率图形，高速计算和用户交互设备的出现，虚拟现实（VR）已成为一种重要的新技术。沉浸感是许多VR系统引入的一个重要的新概念，它是指计算机通过跟踪用户，以用户为中心，从而使用户完全沉浸在计算机生成的三维环境中的感觉。虚拟现实应用程序的主要优势是在实现新技术单元之前可以对其进行建模和仿真。这可能有助于增加安全性和适应人机工程学，并减少新提议单位的经济损失。建立工作单元的虚拟模型可以揭示隐藏的错误，这些错误在新工作单元创建的后期阶段消除则会造成很大的困难。

2、创建虚拟自动化工作场所

虚拟模型的创建是加速设计过程最有用的技术之一。该技术解决了所有系统组件之间的接口依赖性，从而实现了系统硬件和软件组件的并行开发，而不是顺序开发。本文介绍了在虚拟现实环境中创建车间模型，然后进行设计验证的过程。 主要目标是验证提议的自动化工作场所设计安排，以测试焊接机器人对工件的可及性，并确认整个车间的空间设置。虚拟模型创建的过程可以分为三个主要步骤：

——绘制2D图形，

——建立3D模型，

——创建车间虚拟模型。

第一步，根据AutoCAD软件中的输入信息绘制2D工程图。输出的2D图作为虚拟模型创建的基础。

第二步，基于上述图纸创建3D模型，建立模型后，必须按照其遵循的使用顺序以普遍接受的格式导出它们，并将其导入虚拟现实系统中。用Pro/E建立三维模型（图1），并保存为Wavefront格式，在这里用两个文件描述了用这种格式创建的模型，一个文件包含有关尺寸和几何特征的信息，而另一个则包含其他有关模型材料的信息，选择此格式是因为本实验中使用的虚拟现实系统只支持这种格式（图2）。

图1用Pro/E创建的机器人模型 图2虚拟现实环境中的虚拟模型

完整的VR系统是一个大型软件系统，由许多模块组成。 每个VR系统都包含一个对象管理器，渲染器，设备驱动程序，通信模块，导航和交互模块，以及通常基于物理的模拟，声音渲染，科学可视化，特定于应用程序的模块等。虚拟世界的一部分由分层场景图表示。一切都是该图中的一个节点：多面体，LOD，光源，视点，用户等的多面体组件，下面介绍的大多数功能和交互将在场景图上运行。

为了创建用于验证的虚拟现实，使用了以下组件：

-虚拟现实环境创建系统Vizard，

-头戴式显示器eMagin Z800（图3）。

图3 eMagin Z800 HMD

用于虚拟环境创建的Vizard系统（图4）是用于指定图形应用程序创建的高端图形工具包，包括虚拟现实，科学可视化等。通过使用VizardLAXMI工具，优化了在Vizard环境中创建的VR环境，以实现完整的图形性能。选择该应用程序是因为它支持各种VR硬件和转换格式。 使用HMD eMagin Z800进行输出可视化。该HMD配备了具有高对比度的OLED可视化技术。HMD集成了用于头部位置和方向定位的运动传感器。

图4 Vizard软件环境中的虚拟模型

创建虚拟环境首先要定义新虚拟环境的参数和特性。此操作之后是对象的导入及其在虚拟环境中的分配（图5）。每个对象的排列都遵循主要的2D绘图，因此工作场所虚拟模型与实际模型的比例为1：1。我们使用虚拟模型是为了参考在此工作模式下机器人对工件的抓取情况来验证设计方案。为了实现该目标，必须定义可以由用户控制的机器人的动作，这样设计人员可以验证工作单元设计的正确性。

图5虚拟自动化工作场所

3、自动化工作场所的实验模拟

使用VR系统进行设计验证的主要目标之一是潜在的高度真实感，将其浸入VE中即可体验到。为了实现这一点，VR系统需要能够以很快的速度可视化交互对象的行为。在设计验证中，VR系统的其他任务是几何和空间分析。为了检查提案的可服务性，VR系统必须跟踪对象移动所需的工作空间，并且必须报告冲突（图6）。在验证过程中，通常需要模拟运动学，以进行明智的设计研究。在许多交互式虚拟环境中，对进行刚性运动的多边形对象进行实时碰撞检测则至关重要。另外，在虚拟现实系统中用于增强对象行为和属性的仿真算法通常需要每帧执行几次碰撞查询，这是动态模拟刚体和模拟物体自然相互作用的一个基本问题,可以建立简化的模型，并在物体碰撞检测框架中进行设计验证。

图6 碰撞错误消息示例

对于冲突，有两个任务要处理：冲突检测和冲突处理。 前者是确定是否的一般问题，而后者则是确定基于当前碰撞状态，这通常是处理适当步骤的问题。

虚拟现实是VR和其他应用程序中各种基于物理的可视化的启用“技术”之一。 使用虚拟现实应用程序的主要优点是可以在新技术单元实现之前对其进行建模和仿真。通过使用虚拟现实作为验证工具，可以最大程度地减少因创建新工作场所而可能发生的错误。本文介绍了通过选择软件和硬件组件来简化此类模型的创建过程，然后介绍了系统功能原理。它提出分步进行，以便从新工作场所的想法入手，通过2D图纸设计和3D模型创建，直到在虚拟现实环境中导入虚拟模型和设置虚拟参数为止。

该应用程序可以验证新提议的工作场所的机器的空间布置，并有助于揭示隐藏的错误，更有助于创建更好的替代方案。

5、结论

当单个工厂的成本可能超过10亿美元时（半导体行业就是这种情况），很明显，决策者需要工具来支持其有关设计，需要有便于操作的良好决策。但是，对于制造模型，通常没有经过测试的模型，因此在对模型进行开发和测试时，制造运营模型的开发很可能会破坏工厂运营。

虚拟工厂要求整个制造环境的分布式，集成式，并且是基于计算机的复合模型，其中包含完成设计，生产和交付产品所需的所有任务和资源。虚拟工厂能够在几个月的时间范围内准确模拟工厂运营，管理人员将能够探索许多潜在的生产配置和进度表或不同的控制和组织方案，从而节省大量的成本和时间，从而确定如何最好的改善绩效。

关于虚拟现实技术的远程施工机器人控制系统

摘要

本文讨论了一种具有虚拟现实的遥距施工机器人控制系统。该系统是以液压伺服系统驱动TOCR，并且由控制TOCR的两个操纵杆以及虚拟现实技术创建的二维工作环境组成。操作员通过使用操纵杆在虚拟环境中直接操纵图形机器人来执行建筑机器人的远程操作。虚拟世界中任务对象的位置和形状是根据固定在远程站点的三由目立体视觉摄像机获得的图像信息实时更新的。为了提高远程操作的效率和安全性，克服传统视觉显示的缺点，本文介绍了自动视点（APV）和半透明物体（STO）的方法。最后，实验证实，结合了APV和STO的单屏视觉显示在操作性，安全性和减轻压力方面均优于常规视觉显示。。

1、概述

由于在灾难现场进行恢复工作以及在极端环境中进行相关工作十分危险，建筑机器人的远程操作变得非常重要。对于传统的远程操作系统，由于操作员无法获得有关实际站点的足够信息，因此大大降低了任务效率。虚拟现实技术的运用提供了在这种远程操作中以更高的安全性和舒适性来执行远程操作的可能性。在先前的研究中，该系统是使用三目立体视觉摄像头构建的，以获取远程站点上的对象形状和颜色信息，并根据对象形状和颜色信息创建计算机图形（CG）。研究表明，即使仅由CG图像组成的视觉显示，也可以高效地执行任务。但是，仍然存在问题，包括在CG上任务对象和建筑机器人的可重复性不足。因此，本研究的目的是通过结合改进，以提供给操作者有效的视觉感觉，同时利用VR的独特功能来解决问题并提高其可操作性。风险指标的评价方法也验证了该系统的实用性。

2、具有虚拟现实技术的远程施工机器人系统

本研究中的TOCR控制系统分为主系统和从系统两部分，如图1所示。从系统是建筑机器人，该机器人配备了三目立体视觉摄像头和加速度传感器，并具有由计算机通过四个伺服值控制的四个液压执行器。主系统由操作员控制，主要由机械手，投影仪和投影屏组成。由操作员控制的操纵器主要由两个带有力反馈的操纵杆组成。每个操纵杆均可在X和Y轴方向上操作。两个操纵杆的四个角位移对应于施工机械手的回转，吊杆，操纵杆和手套液压缸的线性位移。VR为设计师和工程师提供了创新的方式来进行交互和协作，从而加大了创造力和生产力。VR是一系列模仿交互式3D环境的技术，这个虚拟世界的设计使用户很难区分真实和虚拟之间的差异。可以通过佩戴支持VR的头盔或护目镜来创建VR世界。用户可以在沉浸中从各个角度查看事件，并可以操纵虚拟世界中的虚拟元素或构造。

TOCR的工作过程如下，操作员通过使用操纵杆并观看他/她前面的屏幕来执行施工机器人的远程操作。来自操纵杆的操作信息输入到计算机（PC1）中，该计算机使用这些命令信号来计算机器人伺服阀的操作信号，并将该信号输出到施工机器人的伺服放大器。用于显示虚拟空间的计算机（PC2）根据来自操纵杆的操作信息以及从三目立体视觉获得的有关任务对象的位置和形状的信息，在虚拟空间中创建施工机器人和任务对象的图像摄像机，并将这些视频信号传输到投影仪，该投影仪将图像投影到屏幕上。在开发的演示系统中，操作员可以从各个方向查看远程机器人和任务对象的CG图像。为了使操作员真正感受到远程操作的感觉，并防止操作员直接听到任何工作声音，在这项研究中，实验是在两个间隔足够的房间进行的。

图1 用虚拟现实技术的构建远程机器人系统

3、虚拟空间中的工作环境显示

给操作者的常规视觉显示通常包括三个屏幕，即上屏幕，左屏幕和右屏幕。这种视觉显示的优点是死角小，但是错误选择要观察的屏幕可能会导致施工机械手出现危险的倾斜方向。

为了防止这些问题，增加了一种功能，该功能可根据回转和吊杆的行为自动移动视点和参考点，以便在使用单屏显示器时方便工作。但是，假定远程站点是平坦的，并且块堆叠的高度不超过3。在设置视点时，必须分别设置视点和参考点（Xi，Yi，Zi）（i = 1、2）的参数。等式（3）和（4）表示视点（Xi，Yi）（i = 1），（Yj，Zj）（j = 1）和参考点（Xi，Yi）（i = 2），（Yj ，Zj）（j = 2），它们分别根据回转的关节角theta;和关节角ϕ移动。为了更容易抓住这些块，考虑到视角相对于摇杆倾斜，就可以控制整个场景，决定任意常数（ai，bi，ci，di）（i = 1，2）（aj，bj，cj，dj）（j = 1,2）。

这些参数将导致视点向左或向右移动，分别对应于建筑机械手的横向行为，而向上或向下移动则对应于建筑机器人的垂直方向的行为。因为这样在执行任务时，操作员可以进行自然的空间识别，所以可以提高判断速度并提高安全性。此外，在实际的施工机器人的操作中以及在CG机器人的操作中，有时任务对象隐藏在施工机器人自身的斗杆或动臂后面。这不仅是操作的障碍，也是操作者的压力因素。因此，如图2所示，通过设置创建CG时的透明程度，添加了将机器人表示为半透明的功能。此外，作为虚拟工作环境显示空间中的补充信息，依次绘制了TOCR和任务对象（如白色块）的阴影，并从叉形手套部分垂直于地面或者物体绘制了量规，以提高可操作性和安全性。当投影的物体靠近地面或物体时，阴影以较深的颜色绘制；而距离地面较远的物体，阴影则以较浅的颜色绘制。

图2 （a）具有不透明度功能的显示环境 （b）半透明的显示环境

4、实验结果分析

为了检验控制系统设计原理的准确性，并检验在TOCR控制系统中采用视点控制方法，常规的三屏视点方法以及自动视点和半透明物体方法的可行性。在开始主要实验之前，需要一些准备阶段。所有电子组件和设备均已正确连接，并进行了试验测试以确认系统的所有组件是否工作正常。成功通过初始测试后，可以在实验系统中实现实际的控制器。在实践中，需要多次尝试才能通过试错法获得最佳性能。在实验中，操作员通过用操纵杆操作施工机器人来执行指定的任务。为了简化，在实验中只选择了风险指标评估方法。对于风险指标，需要考虑两个指标。一个是用tc表示的接触时间，它定义为当TOCR

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