虛擬現(xiàn)實(shí)及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)，CAD
1989年，美國(guó)的VPL Research 公司的創(chuàng)始人Jaron Lanier首次正式提出“Virtual Reality（VR）”這個(gè)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(gè)環(huán)境中去的。”近年來，由于各種相關(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(gè)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(gè)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(jiǎn)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(duì)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(gè)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(dòng)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(hào)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(gè)普通的麥克風(fēng)和某種語音識(shí)別軟件。語音識(shí)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(shí)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(hào)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(dòng)，如肌肉的運(yùn)動(dòng)，并且產(chǎn)生電子信號(hào)。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(dòng)，從而允許我們能夠通過眼部肌肉的運(yùn)動(dòng)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(dòng)信號(hào)的輸入 用于捕捉設(shè)計(jì)者的手勢(shì)和手部運(yùn)動(dòng)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(gè)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(cè)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(shì)輸入設(shè)備。
1.3 輸出數(shù)據(jù)的軟硬件設(shè)備
可聽信號(hào)的輸出 可聽輸出有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即它是可以與可視信息同時(shí)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)。 #p#page_title#e#
可視信號(hào)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(gè)形象（一只眼睛看一個(gè)）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(gè)立體感的形象。
可觸信號(hào)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(shí)受物體的阻礙。模擬不同情況下觸覺反饋的一個(gè)方法是使用電信號(hào)或手上不同方向的振動(dòng)。另一個(gè)途徑是在手套中使用可充氣的袋子提供觸覺反饋。對(duì)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(shí)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(gè)古老的行業(yè)，同時(shí)也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一個(gè)不可缺少的行業(yè)。下面我們假設(shè)有一個(gè)用戶需要一種非標(biāo)的起重機(jī)，而且時(shí)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(gè)模塊可以調(diào)用：一個(gè)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(hào)、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(gè)個(gè)地造好，并存儲(chǔ)起來，則費(fèi)時(shí)費(fèi)力又浪費(fèi)存儲(chǔ)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(gè)模塊為方法庫模塊，這個(gè)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(gè)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(dòng)或半自動(dòng)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(gè)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(shí)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(dòng)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(shí)，如起重機(jī)的外形，工作運(yùn)動(dòng)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(duì)起重機(jī)的性能特點(diǎn)，這一部分集成了有限元，動(dòng)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(dòng)對(duì)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(dòng)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(dòng)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(shí)，動(dòng)態(tài)顯示計(jì)算值的大??；若此處計(jì)算值超過許用值時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)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(dòng)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(huì)把設(shè)計(jì)結(jié)果向后傳給CAD系統(tǒng)，自動(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)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。 #p#page_title#e#
2.5 產(chǎn)品的廣告與漫游
為了適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)把自己廠家的產(chǎn)品推向市場(chǎng)。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(duì)產(chǎn)品的需求方面進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，這樣可提高設(shè)計(jì)廠家的競(jìng)爭(zhēng)力，為設(shè)計(jì)廠家謀得更多的市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)實(shí)；觸覺感知的有效實(shí)現(xiàn)；頭戴式顯示對(duì)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(gè)嶄新的天地。
