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基于增强现实的协同式装配系统研究

王余涛  
【摘要】: 增强现实是从虚拟现实发展出来的一门新兴的技术,能够将虚拟信息,包括图形、声音等叠加到真实场景中去,以达到对现实的信息进行增强的目的。增强现实以其虚实结合的特点在医疗、制造业、军事、教育、娱乐等诸多领域得到越来越多的应用。 在制造业中,装配技术旨在采用快速,可靠,低成本的装配方法来提高产品设计质量,缩短产品开发周期,节约成本。传统的原型装配方法就是制造出零件的原型。零件原型虽然能够给操作者提供真实的装配操作体验,但零件原型的开发成本非常高,如果发现产品设计不足,无法在零件原型上直接修改,必须重新制造原型来改进,反复这个过程直到得到满意的产品设计。这种开发方式导致产品设计周期长,成本高。随着计算机辅助设计技术的发展,装配操作变得越来越自动化,虚拟装配极大地推动了装配技术的进步。虚拟装配技术采用计算机生成的虚拟三维零件模型来代替零件原型,不需要加工出样品原型,可以大幅度降低生产成本,而且零件的改进只需要修改对应的虚拟模型,大大缩短了设计时间。然而虚拟装配也有其不足之处,就是其将设计人员完全浸入在虚拟的环境中,没有任何真实装配空间的信息,导致操作环境真实感不足,操作不够直观高效。如果将增强现实技术应用到装配设计中,就可以利用增强现实的虚实结合的特点,将真实的装配空间和虚拟的零件模型操作结合到一起,使装配环境更加真实,交互方式更加自然,装配操作更加直观高效,装配效果更加可靠。 本文提出了一个基于增强现实的协同式装配系统的框架结构并详细阐述了系统中注册跟踪、遮挡处理、碰撞检测、人机交互、运动仿真等几个关键模块的设计和实现方法。系统包含了增强现实和装配设计上的诸多关键技术:为支持多用户协同设计,系统采用C/S体系结构;遮挡处理是用于计算虚拟模型和真实物体正确的遮挡关系;碰撞检测用来判断零件之间是否发生碰撞,进而判断零件之间的约束关系和辅助交互工具与零件的交互过程;在人机交互设计上,系统不是采用传统的二维鼠标和菜单,而是设计了一系列针对增强现实装配操作的交互工具,用以模拟真实环境下的三维交互。这些交互工具是虚拟面板、虚拟笔和虚拟手套。本文还提出了一个全新的基于增强现实的装配体运动仿真方法,探讨了虚拟零件与真实零件相互驱动的可能性。当产品零件装配完毕后,系统可以根据装配体零件的约束关系和装配特征,计算运动过程中零件的运动方位信息,实现运动仿真,用来辅助设计人员验证装配体安装可行性,发现产品设计的缺陷和衡量产品的性能。根据系统的框架结构和技术细节,本文开发了一个原型系统并通过实例给出了各技术模块的实现结果,验证了系统的可行性。


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