引言

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，以下略VR），就是由計算機直接把視覺、聽覺、觸覺等多種合成信息提示給人的感覺器官，在人的周圍生成一個虛擬環(huán)境，從而把人、現(xiàn)實世界以及虛擬環(huán)境結(jié)合起來，融為一體，實現(xiàn)信息的交流和反饋。人可以在虛擬環(huán)境中以自然的形態(tài)實時地進行操作和行動，猶如在自身所處現(xiàn)實環(huán)境中同樣的感受。
VR技術(shù)是充分發(fā)揮創(chuàng)造力的科學，為人類的智能擴展提供了強有力的手段，對生產(chǎn)方式和社會生活將產(chǎn)生巨大的影響。
虛擬制造是VR技術(shù)在制造領(lǐng)域的重要應用，是一種超越時空觀念的新的制造哲理和模式。
1、制造技術(shù)的發(fā)展與虛擬制造的出現(xiàn)

虛擬制造是隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展和對價值觀多樣化的適應而產(chǎn)生的，是現(xiàn)代制造技術(shù)的延伸和發(fā)展。

(1) 制造技術(shù)的發(fā)展

機械化和機械自動化是原始操作向現(xiàn)代制造技術(shù)轉(zhuǎn)變的重要標志；數(shù)控機床和機器人以其柔性給制造技術(shù)帶來了質(zhì)的變革；FMS、CIMS把制造技術(shù)推進到了系統(tǒng)控制和集成化階段，實現(xiàn)了傳統(tǒng)制造技術(shù)向現(xiàn)代制造技術(shù)的飛躍；近年來，又相繼出現(xiàn)了并行工程、精益生產(chǎn)及敏捷制造?？梢云诖?，充實了這些新概念的新一代CIMS將把制造技術(shù)推向一個更高的智能化階段。
(2) 虛擬制造的產(chǎn)生及含義

縱觀制造技術(shù)的變化和發(fā)展，不難理解人和自然環(huán)境相互關(guān)系的變遷。長期以來，人類利用工具、機械制造產(chǎn)品，在這種人和自然界直接對應的關(guān)系中，制造技術(shù)的發(fā)展受到了很大制約。近年來，功能強大的計算機系統(tǒng)作為中間媒體存在于人和自然環(huán)境之間，開始實現(xiàn)人―自然環(huán)境―計算機三者在現(xiàn)實空間內(nèi)的相互調(diào)和，虛擬制造正是這種調(diào)和關(guān)系的產(chǎn)物。
虛擬制造是在虛擬空間內(nèi)模擬把生產(chǎn)要素轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M產(chǎn)品的制造機能的全部行為?；蛘哒f虛擬制造是為人們提供一個從產(chǎn)品概念的形成、設計到制造全過程的三維可視化及交互的臨境環(huán)境，通過計算機模擬實驗來模擬和評估
產(chǎn)品的功能及可加工性等各方面存在的問題。在這種生產(chǎn)方式下，人、自然（現(xiàn)實空間）和計算機系統(tǒng)（虛擬空間）三者之間的集成和調(diào)和。

(3) 虛擬制造的主要研究內(nèi)容

虛擬制造的技術(shù)覆蓋面是極為廣泛的，除了VR涉及的共同性技術(shù)外，虛擬制造領(lǐng)域本身的主要研究內(nèi)容有：虛擬制造的理論體系；設計信息和生產(chǎn)過程的三維可視化；虛擬環(huán)境下系統(tǒng)全局決策理論及技術(shù)；虛擬制造系統(tǒng)的開放式體系結(jié)構(gòu)；虛擬產(chǎn)品的裝配仿真；虛擬環(huán)境中及虛擬制造過程中的人機協(xié)同作業(yè)等。
2、虛擬裝配研究

自動裝配是全面實現(xiàn)制造自動化的“瓶頸”。究其原因，一是自動裝配作業(yè)具有很強的智能性和高度的復雜性；二是以往的裝配自動化研究被局限在“設計－制造（裝配）－評價”和“實物驗證”的封閉時空模式中。VR技術(shù)將為解決裝配自動化技術(shù)難題開辟一條嶄新的途徑。
(1) 虛擬裝配研究現(xiàn)狀

目前，對虛擬裝配的研究有美國NASA用于哈勃望遠鏡虛擬修理裝配的原型系統(tǒng)[1]，日本今村等人開發(fā)的虛擬輔助設計與制造系統(tǒng)VSDSS[2]，葡萄牙J.R.Galvao等所進行的虛擬環(huán)境下的生產(chǎn)訓練研究[3]；日本Ｎ.Abe等人開發(fā)的機械零件裝配性驗證和裝配機器可視化系統(tǒng)[4]以及發(fā)現(xiàn)初學者在裝配虛擬機器時錯誤操作的訓練系統(tǒng)等[5] 。

(2) 虛擬裝配中需要解決的關(guān)鍵問題

在實環(huán)境下,對自動裝配的研究主要集中在機器人力控制和裝配規(guī)劃兩個方面,而虛擬裝配,由于時空觀念的超越,會出現(xiàn)一些新的特點,要解決的技術(shù)問題,主要有如下幾點。

1) 虛擬裝配環(huán)境的構(gòu)筑

主要研究虛擬環(huán)境的描述與管理,動作檢測子系統(tǒng)和感覺信息合成子系統(tǒng)的因果關(guān)系處理,虛擬世界的事件控制,感覺信息的綜合以及輸入、輸出驅(qū)動規(guī)則等,這部分內(nèi)容將在后面論述。

2) 裝配過程的力作用機理分析

裝配過程實質(zhì)上是用力學方法不斷地變化、調(diào)整由于多個物體的接觸而引起的約束關(guān)系的過程。由于這一過程呈現(xiàn)出很強的非線性和瞬態(tài)性,因此分析難度很大。在虛擬環(huán)境中,可以仿照GROPE虛擬系統(tǒng)研究分子結(jié)構(gòu)的方法,把微觀接觸狀態(tài)展現(xiàn)到宏觀世界,把瞬態(tài)接觸延續(xù)為虛擬空間中的“慢動作”,在賦予裝配零件機械、物理特性的條件下進行裝配過程力作用機理分析。為了直觀形象,可以對分析數(shù)據(jù)進行可視化處理。

3) 自動裝配規(guī)劃的生成

裝配規(guī)劃就是以某種評價標準,按照一定的算法,尋求一條的零件裝配順序序列,實際上是化問題。在虛擬環(huán)境下,應該重點解決:如何更形象地表現(xiàn)裝配規(guī)劃過程中信息流的動態(tài)流動和可視化;如何在搜索過程中加入啟發(fā)性知識和進行人的智能參與。根據(jù)作者對裝配規(guī)劃的研究,認為Petri網(wǎng)方法是在虛擬環(huán)境下進行自動裝配規(guī)劃很有前途的一種方法。

4) 虛擬環(huán)境中人的自身投射性

自動裝配進展遲緩,一是采用了昂貴、費時的“疊代裝配”方法,二是裝配作業(yè)的智能性高。在虛擬環(huán)境中,人的智能擴展是解決這兩個問題的有效途徑。為此,需要研究人的動作檢測及其信號處理,人手模型在虛擬環(huán)境中的映射,人和虛擬環(huán)境在裝配作業(yè)時的交互等。

(3) 虛擬裝配系統(tǒng)組成

虛擬裝配系統(tǒng)由動作檢測(輸入)、感覺信息合成(輸出)、虛擬裝配環(huán)境(模擬)三個子系統(tǒng)組成。輸入子系統(tǒng)輸入的用戶命令經(jīng)位姿檢測及因果關(guān)系處理模塊后去控制虛擬裝配世界中各種事件的發(fā)生及進行智能參與；輸出子系統(tǒng)主要進行力分析、裝配規(guī)劃生成及裝配操作的動態(tài)顯示；模擬子系統(tǒng)完成輸入、輸出因果關(guān)系處理、進行力分析、自動生成裝配規(guī)劃、執(zhí)行裝配操作及裝配功能檢查等。

虛擬裝配系統(tǒng)基本組成
 
3、虛擬裝配環(huán)境的構(gòu)筑

(1) 虛擬裝配環(huán)境的構(gòu)筑原則

雖然希望虛擬環(huán)境能盡量忠實地再現(xiàn)現(xiàn)實世界，但并非是對現(xiàn)實世界的“復制”。這種“復制”不僅是不可能的，更重要的是沒有必要，恰恰相反，虛擬現(xiàn)實技術(shù)所要求的正是和現(xiàn)實世界有一定差異的虛擬裝配環(huán)境。因為這種“復制”，代價高、費時、費力，而且這種“復制”雖然提高了對事物理解的容易性（越是接近我們熟知的世界，越容易理解），卻降低了操作的簡便性（受現(xiàn)實世界規(guī)則的約束增多，操作自由度減少）。因此，構(gòu)筑虛擬環(huán)境的一般原則是：，根據(jù)虛擬裝配系統(tǒng)的實際需要，決定世界規(guī)則的取舍，以達到既保持和現(xiàn)實裝配環(huán)境同樣的容易理解性，又可提高操作的簡便性；第二，選擇規(guī)則的非矛盾性。在現(xiàn)實世界中，有些規(guī)則是相互矛盾的，如果選取不當，可能會造成整個虛擬世界的混亂。

(2) 虛擬裝配環(huán)境的結(jié)構(gòu)

虛擬裝配環(huán)境可采用五層結(jié)構(gòu)。層為ＶＲ用硬件層，如數(shù)據(jù)手套、空間球、三維鼠標、HMD、立體眼鏡等輸入輸出裝置；第二層為ＶＲ用硬件驅(qū)動層，是驅(qū)動硬件層的驅(qū)動子程序，如獲取數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)、計算位姿參數(shù)、設定視覺參數(shù)的子程序等；第三層為世界管理層，由形狀數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫組成。這是虛擬裝配環(huán)境的部分，它管理虛擬世界發(fā)生的一切事件和描述虛擬世界中物體的形狀和特性；第四、五層分別為支持工具層和應用層。

(3) 形狀數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫

在虛擬環(huán)境中，存在著裝配零件、工具等各種物體，而且它們遵循一定的世界規(guī)則而運動。因此，為了合成虛擬環(huán)境，就必須具備描述物體形狀等特性的形狀數(shù)據(jù)庫和描述物體裝配關(guān)系和運動規(guī)則的規(guī)則庫。

形狀數(shù)據(jù)庫一般采用通用的CAD軟件建造。但是在虛擬裝配時，僅僅描述形狀是不夠的，還需要描述零件的材質(zhì)、硬度等特性。

能體現(xiàn)虛擬環(huán)境軟件特征的是規(guī)則庫。雖然也有通用軟件可以利用，如VPL公司的RB2、AutoDesk公司的CTL、Division公司的DVS等，但它們僅能描述簡單物體之間的約束。如果裝配零件連接關(guān)系復雜，就需要自行開發(fā)。除了零件的約束關(guān)系外，裝配時的干涉檢查也十分重要，一般采用在物體某代表點的周圍設定干涉空間的辦法進行檢查。

4、結(jié)論

無論是自然科學的歷史，還是人文科學、社會科學的歷史，盡管研究對象不同，但都可以理解為是在追求現(xiàn)實的歷史。這種現(xiàn)實，一方面受到認識的限制，另一方面，又是思想的表現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實的出現(xiàn)，人們將面臨一個重新認識現(xiàn)實本質(zhì)的時代[6]。基于這一思想和作者多年來對機器人力控制和自動裝配的研究實踐，本文對虛擬裝配技術(shù)進行了思考和研究。

本文指出了以往“設計－制造（裝配）－評價”的時空封閉型研究模式的局限性；分析了在虛擬環(huán)境下自動裝配作業(yè)的特點；提出了構(gòu)筑虛擬環(huán)境的基本原則和結(jié)構(gòu)模型。

虛擬裝配是一項新技術(shù)，它重視人在制造系統(tǒng)中的作用，強調(diào)人、自然、計算機系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和集成，是研究裝配自動化的一個重要方向。