摘 要： 將虛擬現實技術運用到工業培訓中可以彌補傳統工業培訓指導性不強、耗費資源度大等缺點。文中以工業模具裝配為例，利用改進后的預分割OBB碰撞檢測算法結合Petri網對模具的裝配序列和裝配實現方法進行了研究，描述了基于HTC Vive虛擬現實頭盔和Unity3d，3ds MAX等軟件開發的虛擬現實模具裝配系統。最后，通過裝配系統訓練模塊對面向工業培訓中的虛擬現實交互訓練功能的研究和實現進行詳細的描述，結果表明虛擬現實裝配系統的研究對工業培訓指導有著很大的意義。

　　關鍵詞： 虛擬現實; 裝配系統; 交互技術; 工業培訓; OBB碰撞檢測; Petri網

　　Abstract： The application of virtual reality technology in industrial training can make up for the shortcomings of traditional industrial training， such as poor instruction and high resource consumption. Taking industrial mold assembly as an example， the assembly sequence and assembly implement method of mold are studied by using the improved pre?segment OBB collision detection algorithm in combination with Petri net， a virtual reality mold assembly system developed on the basis of HTC Vive virtual reality helmet， Unity3d， 3DMAX and other software is described in this paper. The research and implementation process of virtual reality interactive training function in industrial training are described in detail by means of assembly system training module. The experimental results show that the research of the virtual reality assembly system is of great significance to industrial training guidance.

　　Keywords： virtual reality; assembly system; interaction technology; industrial training; OBB collision detection; Petri net

　　《工程與試驗》(季刊)創刊于1961年，由中國儀器儀表學會試驗機分會、長春試驗機所主辦。本刊秉承“宣傳貫徹科學技術是第一生產力的思想。

　　0 引 言

　　創新是企業在當今全球市場取得成功的關鍵。通過有效地應用新技術和新工藝來解決當前工程設計實踐中所面臨的挑戰在獲得競爭優勢[1]。虛擬現實(VR)應用技術旨在利用計算機技術對現實或者虛擬的世界進行仿真。隨著科學技術的發展，虛擬現實技術在娛樂、動畫、醫療康復和工業培訓中都得到了廣泛運用[2]，它可以呈現出現實世界里獲取不到的額外信息，使得在虛擬場景里的學習環境更加豐富有趣[3]。在工業制造業，為了降低成本、提高生產效率和產品質量，虛擬現實技術已經逐漸運用到工業生產培訓中，尤其在高新技術行業，虛擬現實技術帶來的作用是其他技術無法比擬的。因此，越來越多的學者開始關注如何制作出一種現實感強、體驗度高的虛擬場景，配合高逼真度的三維重建模型進行工業培訓[4]。

　　本文利用了Petri網對模具裝配序列進行了系統的規劃，并針對裝配過程中的基于傳統OBB碰撞檢測算法的缺陷作出了改進，提出了一種預分割OBB碰撞檢驗，使得裝配效果更加貼近真實，并由此建立模具虛擬裝配系統，結合HTC Vive和Unity交互技術，完成模具虛擬裝配。

　　1 面向工業培訓應用的虛擬現實系統

　　虛擬現實裝配系統一般用于工業培訓，它是一個集教學、訓練、考核為一體的機械零件裝配仿真系統，其中訓練模塊的設計最為重要，要仔細研究零件的裝配序列和裝配路徑規劃[5]，并驗證裝配設計和操作在現實中確實可行，通過顯示器可視化顯示裝配過程，利用外部輸出設備作為交互工具來對虛擬場景的零件模型按照要求進行裝配[6]。但是，大部分傳統的虛擬裝配系統都是通過PC端構建虛擬場景，然后用鼠標對場景內的工業零件實現抓取、拖拽、安裝等交互功能。這樣的虛擬裝配系統不能讓用戶切身體驗到現實裝配的感覺，而且對零件細節的觀察也不夠直觀，有些細小的零件的裝配過程并不能生動形象的體現出來[7]。從裝配員工的角度來講，必須全方位地對裝配零件進行觀察以確保裝配過程萬無一失，因此采用光學式的頭戴顯示器設備更具有優勢。由于虛擬裝配的原則是通過完成每一個裝配零件空間位置以及姿態的調整，不斷地對零件進行旋轉移動，從而達到虛擬實驗的目的，因此對交互設備的定位精度要求就很高。考慮到裝配過程中零件數量較多布局可能比較分散，本研究中選擇定位更加準確追蹤范圍更廣闊的HTC Vive作為實現裝配功能的交互設備。選用HTC Vive的理由如下：

　　1) HTC Vive作為頭盔式顯示器佩戴在用戶的頭部，其顯示器所映射出來的畫面會實時的跟著頭部的運動而切換，而且手柄也會被定位器基站捕捉到在顯示器里面顯示，如同切身實地的在對零件進行操作。用戶也可以在虛擬場景中獲取相應零件的語音或者文字裝配指導信息，無需將視線在手冊和裝配場景之間切換，從而將注意力集中在裝配任務上。

　　2) HTC Vive強大的Lighthouse定位技術屬于激光掃描定位技術，通過兩顆激光傳感器來識別頭盔上的位置追蹤傳感器獲取影像位置和方向信息，它幾乎沒有延遲[8]，不怕遮擋，定位精度可達到mm級別，所以HTC Vive給用戶帶來了非常好的沉浸感，長時間佩戴也很少出現眩暈效果。

　　2 基于碰撞檢測算法裝配過程規劃

　　2.1 基于Petri網的裝配序列規劃

　　由于裝配過程是不可逆的，必須按照一定的裝配順序逐步的將離散的零件裝配成一個整體，該原理和排列組合問題的原理極為相似。因此，可以通過Petri網解決離散事件系統對裝配序列進行規劃。本次裝配模具分為上模和下模，建立Petri網裝配過程模型。模具組成零件如表1所示。

　　根據模具的裝配要求，分析各個零件在三維空間里的裝配位置以及零件之間的相互約束關系建立Petri網裝配序列模型，如圖1所示。

　　對關聯矩陣進行分析，結合裝配屬性，得到的模具下模裝配序列為：大底板?凹模板?螺釘?銷釘?限位柱?浮升銷組件?凹模鑲塊?步距感應器。上模裝配序列為：導柱?導正釘?卸料板蓋板?固定板?沖頭?上模座。最后上下合模完成整個模具的裝配。

　　2.2 基于方向包圍盒算法(OBB)的碰撞檢測

　　在虛擬現實裝配過程中，為了減少裝配零件的碰撞和避免相互穿透效果的出現，需要對這些零件進行碰撞檢測。OBB(方向包圍盒)樹用于包圍盒的層次結構中，以檢測對象之間的沖突，它是基于模型點的協方差矩陣來生成的，碰撞檢測過程主要是判斷對象的OBB樹是否重疊，如果沒有重疊，說明對象沒有發生相互碰撞，如果發生重疊，則繼續檢測下一層OBB樹，直至算法完成。由于裝配過程零件會發生旋轉，倒置等動作，OBB包圍盒的方向會隨著物體狀態改變作出調整，因此選擇此算法進行碰撞檢測。

　　2.2.1 傳統的OBB樹算法

　　文獻[9]提出了傳統的OBB樹算法，其主要分為兩步：方向包圍盒的計算和構建包圍盒二叉樹。方向包圍盒的計算過程如下：假設模型是由多個三角形組成，定義第m個三角形的頂點為pm，qm和rm，利用頂點的均值和協方差矩陣計算所有的三角頂點，通過式(1)可以計算出平均值μ，式(2)可以得到協方差矩陣[Cjk]。

　　包圍盒二叉樹的構建遵循自上而下的方法，首先，用一個垂直于軸的平面分割包圍盒的最長軸。然后根據三角形的中心點位置對每個三角形進行分類，一部分三角形在左邊，其他的在右邊。如果出現：

　　1) 樹已經達到一定的高度;

　　2) 包圍盒上的三角形的數目比前綴值低;

　　3) 包圍盒內的三角形沿任意軸都不可分割的情況，則停止構建。創建方向包圍盒樹的步驟如圖2所示，每一步都會對包圍盒進行優化，最后獲得一組類似于原始網格的包圍盒。

　　2.2.2 預分割策略改進OBB樹算法

　　在許多情況下，由于裝配模具包含許多附屬零件，碰撞發生區域較窄，如果來對整個模具進行碰撞檢測，包圍盒內存在許多間隙會降低算法的效率如圖3所示。

　　利用傳統的OBB樹算法對零件建立包圍盒出現了許多空白區域，其他裝配零件進入到這些區域但未與零件直接接觸就會產生碰撞效果。因此使用預分割的方法來對傳統OBB樹算法進行改進，主要分為以下5步：

　　1) 根據模具表面可以構建出多個包圍盒，并把這些包圍盒放到隊列Q中。

　　2) 選出Q中的第一個包圍盒B，如果Q為空，則進入到步驟4)。

　　3) 從隊列Q中選出一個包圍盒Pi，并在B和Pi之間建立一個包圍盒D，若[VOL(D)VOL(B)+VOL(Pi)+1<ε](ε為事先定義好的閾值)，刪除包圍盒Pi，將包圍盒D放到隊列Q的末端，否則將包圍盒B放到包圍盒隊列T中。