CN110334943A - 交互式虚拟拆卸教学方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种交互式虚拟拆卸教学方法，包括如下步骤：S1：将收集到的教学模型参数和装配关系信息导入预设的建模软件中，构建拆卸教学对象整体物理模型，并在拆卸教学对象整体物理模型的构建过程中获取整体物理模型中各个拆卸教学对象零部件之间的空间约束关系；S2：得到拆卸教学对象的Petri网络逻辑模型；S3：在3D软件开发引擎中将零部件约束关系、零部件拆卸优先级引入粒子群算法得到零部件的拆卸序列；S4：在3D软件开发引擎中利用所述零部件约束关系、零部件拆卸优先级、零部件拆卸序列，制作各种所需的拆卸教学对象零部件拆卸模式，并搭建拆卸教学对象的虚拟交互平台。本发明实现了多种交互方式的虚拟拆卸系统开发。

Description

交互式虚拟拆卸教学方法及系统
技术领域
本发明涉及虚拟教学技术领域，具体地指一种交互式虚拟拆卸教学方法及系统。
背景技术
传统的拆卸教学模式存在部分设备体积大、结构复杂，用于拆卸教学时安全性差、成本过高等问题，难以在实物上进行拆卸；目前大多数的拆卸教学方式都是使用图片、视频教学，缺乏实践，部分复杂结构难以理解，需要使用者进行空间想象，学习效率低；受场地限制，在一些特殊工作环境中，操作人员也无法完成实际工作中的零部件拆卸。目前存在的问题迫切需要一种现代化的拆卸教学手段来解决。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种交互式虚拟拆卸教学方法及系统，本发明搭建有效的虚拟拆卸系统框架，以unity3d完成虚拟拆卸场景搭建，之后通过设备结构分析并进行拆卸序列规划工作，使用头盔显示器和其它相关硬件，完成多种交互方式的虚拟拆卸系统开发。
为实现此目的，本发明所设计的一种交互式虚拟拆卸教学方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤S1：收集拆卸教学对象的教学模型参数和装配关系信息，并利用所述收集到的教学模型参数和装配关系信息在建模软件中构建拆卸教学对象整体物理模型，并在拆卸教学对象整体物理模型的构建过程中获取整体物理模型中各个拆卸教学对象零部件之间的空间约束关系；所述模型参数和装配关系信息包括教学模型零部件形状、教学模型零部件大小、以及在拆卸过程中避免教学模型零部件之间发生碰撞而产生的教学模型零部件之间的空间约束；
步骤S2：根据所述拆卸教学对象物理模型及拆卸教学对象物理模型中零部件约束关系，得到拆卸教学对象的Petri网络逻辑模型，根据Petri网络逻辑模型得到拆卸教学对象的零部件拆卸优先级；
步骤S3：在3D软件开发引擎(unity3d)中将零部件约束关系、零部件拆卸优先级引入粒子群算法得到零部件的拆卸序列；
步骤S4：在3D软件开发引擎中利用所述零部件约束关系、零部件拆卸优先级、零部件拆卸序列，制作各种所需的拆卸教学对象零部件拆卸模式，并搭建拆卸教学对象的虚拟交互平台，该平台中具有上述制作的各种所需的拆卸教学对象零部件拆卸模式。
一种交互式虚拟拆卸教学系统，所述系统包括：
逻辑处理、拆卸功能模块，用于实现拆卸零件拆卸可行性的判断和拾取、移动零件的基本功能；
零部件信息模块，用于存储拆卸对象零部件信息，包含拆卸对象零部件的拆卸状态、初始运动方向，并对拆卸对象零部件是否已拆卸完成进行判断；
信息提示模块，用于在头盔显示器上显示拆卸对象零部件的基本信息、状态信息，包含了被拾取拆卸对象零部件的名称，拆卸对象零部件拆卸的状态，拆卸对象零部件的约束信息，引导拆卸过程。
在本发明中，虚拟拆卸教学系统，利用petri网和粒子群算法，在鼠标、HTC Vive交互的基础上，提供了虚拟拆卸序列的指导与自由拆卸模式，可以使使用者充分了解教学对象的结构，在完成设备的虚拟拆卸操作同时给予使用者更多的自由度。既保证了系统高水准的VR交互体验，同时也保证了拆卸顺序的准确高效，可应用于教学、实验等方面。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明中，提供的对搭建交互式虚拟拆卸教学平台的方法中系统结构的应用场景图；
图3为本发明中，提供的对搭建交互式虚拟拆卸教学平台的方法中petri网逻辑模型的应用场景图；
图4为本发明中，提供的对搭建交互式虚拟拆卸教学平台的方法中拆卸序列生成的流程图；
图5为本发明中，提供的对搭建交互式虚拟拆卸教学平台的方法中拆卸判断逻辑的流程图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示的交互式虚拟拆卸教学方法，它包括如下步骤：
步骤S1：收集拆卸教学对象的教学模型参数和装配关系信息，并利用所述收集到的教学模型参数和装配关系信息在建模软件中构建拆卸教学对象整体物理模型，并在拆卸教学对象整体物理模型的构建过程中获取整体物理模型中各个拆卸教学对象零部件之间的空间约束关系；所述模型参数和装配关系信息包括教学模型零部件形状、教学模型零部件大小、以及在拆卸过程中避免教学模型零部件之间发生碰撞而产生的教学模型零部件之间的空间约束；
步骤S2：根据所述拆卸教学对象物理模型及拆卸教学对象物理模型中零部件约束关系，得到拆卸教学对象的Petri网络逻辑模型，根据Petri网络逻辑模型得到拆卸教学对象的零部件拆卸优先级；
步骤S3：在3D软件开发引擎中将零部件约束关系、零部件拆卸优先级引入粒子群算法得到零部件的拆卸序列；
步骤S4：在3D软件开发引擎中利用所述零部件约束关系、零部件拆卸优先级、零部件拆卸序列，制作各种所需的拆卸教学对象零部件拆卸模式，并搭建拆卸教学对象的虚拟交互平台，该平台中具有上述制作的各种所需的拆卸教学对象零部件拆卸模式。
上述技术方案中，拆卸教学对象零部件拆卸模式有两种，一种是自由度较低的，拆卸序列引导，一种是自由度高的，仅考虑零部件约束，在可拆卸的零部件里任意选择。
上述技术方案中，拆卸过程中前置变迁集合自动进行更新，哪个零部件被拆卸，这个零部件产生的约束就消失，前置变迁集合去掉这个零部件。
上述技术方案的步骤S1中，对构建拆卸教学对象整体物理模型按零部件种类进行分组，每组零部件具有统一的约束关系。
上述技术方案的步骤S1中，针对每个零部件进行添加颜色和贴图。在solidworks里模型太大，直接导入unity3d容易卡顿，对硬件要求高，在3d Max中在不影响视觉体验的前提下减少模型大小，同时对部分模型进行分组，比如在同一零部件里有很多螺钉固定结构，它们的运动方式是一样的，划分为同一组，一起拆卸，简化拆卸过程。分组后零部件约束关系由每个螺钉的约束转化为一组螺钉的约束。本质上装配关系没变，但是可以简化后续的编码过程，生成拆卸序列。在3dmax中还有对模型进行贴图，添加颜色，优化视觉效果。
上述技术方案的步骤S1中，将所述收集到的拆卸对象的相关信息导入软件SolidWorks及3dmax中，在SolidWorks中构建所述拆卸对象的物理模型，对所述拆卸对象模拟零部件分离过程，解除零件约束、理清零件间的约束关系，确定零部件拆卸的可行性，同时确定零部件拆卸的初始运动方向，并在3dmax中进行模型的优化。
如图2为本发明中，提供的对搭建交互式虚拟拆卸教学平台的方法中系统结构的应用场景图，包括：
虚拟教学环境的功能设计框架，实现了不同层次的系统开发支持。结合虚拟教学系统的特点，对虚拟拆卸系统主要场景进行详细的划分、设计；
基础演示功能，在虚拟拆卸平台中添加拆卸理论、装配图、拆卸基本知识的演示，制作拆卸动画；
搭建初步的拆卸模拟功能，通过所述装配图的演示，拆卸动画的展示后，进行鼠标拆卸交互；
制作HTC Vive拆卸功能，进行头盔显示器、HTC Vive交互拆卸；
每一模块制作相应的评价机制，对使用者的学习过程进行评价。
同一交互方式中，针对拆卸对象复杂度、是否具备最优序列引导的不同，衍生出丰富的难度梯度，降低使用者的认知负荷。
对于同一种交互方式有两种拆卸模式，一种为拆卸序列约束，自由度很低，一种为零部件约束关系约束，自由度较高。
上述技术方案的步骤S2中，Petri网络逻辑模型中包含有各个零部件的前置变迁集合，前置变迁集合为用于约束当前零部件与其它零部件的集合，并且每拆卸一个零部件，所有的前置变迁集合都会发生更新，当前零部件的前置变迁集合为空时，该零部件才可以拆卸。
所述拆卸教学对象的Petri网络逻辑模型的得到方法为，如图3为所示：
将零件之间的拆卸优先级描述为父子关系，建立拆卸petri网DPN，定义为DPN＝(P,T,F,W,M0,PR,TM)；
其中，P＝(p1,p2,...,pi,...,pm)，P为拆卸petri网中库所的集合，pi代表着拆卸教学对象物理模型整体所处的的某一个拆卸状态，m表示拆卸状态的总数；
T＝(t1,t2,...,ti,...,tn)，T为拆卸petri网中所有变迁的集合，ti代表着拆卸教学对象物理模型中某一个零部件的拆卸过程，n表示拆卸教学对象中零部件总数量；
fi代表着库所与变迁的过渡流，过渡流用于将拆卸教学对象物理模型状态与零部件拆卸操作进行关联；
W为过渡流的权重，当权重之和为1时，才满足库所发生变迁的条件，进行下一步的拆卸操作；
M0是拆卸petri网中变迁初始时刻的状态，后续用于零件拆卸可行性的判断。M中的值会随着零部件的拆卸进程而发生变化，用变迁的状态；
PR用于描述拆卸petri网中零部件之间拆卸petri网中的父子关系，称为前置变迁集合，PR＝(pr1,pr2,...,pri,...,prn)，pri表示当前拆卸步骤的全部上一级父变迁，必须当所有的父变迁集全部发生后，当前拆卸步骤才可以进行，n表示拆卸教学对象中零部件总数量，PR可以很好的表达零部件之间的约束关系与拆卸优先级；
TM为所有零部件拆卸时间的集合，TM＝(tm1,tm2,...,tmi,...,tmn)，tmi表示拆卸第i个零部件所花费的时间，n表示拆卸教学对象中零部件总数量。
所以P1～P46代表减速箱拆卸状态，如P1代表为拆卸的初始状态，t1～t50代表拆卸步骤，如t1代表拆卸减速箱透气罩。
上述技术方案的步骤S3中，零部件的拆卸序列的得到方法为，如图4为所示：
访问得到PR和M0的信息；
定义IP，作为初始种群的集合，定义PDS，作为拆卸序列；
定义RTS，储存当前可拆的零部件信息，即可以发生的变迁集合，依据PR和M0，得到所有可拆卸操作，存储到RTS中；
定义DS来存储拆卸步骤，获取RTS中可供拆卸的零件信息，判断当前可发生的变迁数量nt是否高于预设的拆卸操作并行度DOP(即允许同时拆卸的零部件数量)，当变迁数量多于拆卸操作并行度DOP时，利用随机函数，在RTS中选取1至DOP个变迁集合存储到DS中，变迁集合数量小于拆卸操作并行度DOP时，将RTS中的全部变迁导入DS；
在当前零部件拆卸完成时，将DS存储的变迁导入拆卸序列PDS中，同时将当前先决变迁集为空的变迁引入RTS进行RTS的更新；
判断RTS中是否还有可拆卸的零件(即可发生的变迁)，当不为空时，获取RTS中可供拆卸的零件信息，判断当前可发生的变迁数量是否高于并行度。当变迁数量足够多时，利用随机函数，于RTS中选取1至DOP个变迁存储到DS中，变迁数量不足时将RTS中的全部变迁导入DS；为空则将PDS导入初始种群IP，代表着拆卸序列；
预先设定粒子群算法中的粒子的总数为P，判断当前粒子数量是否满足预设值I，若满足则已完成粒子群的初始化，输出初始种群，结束初始化，若不满足，再次储存当前可拆的零部件信息。
上述技术方案的步骤4中，在unity3d中搭建虚拟拆卸平台，导入多样的拆卸序列，将所述拆卸对象约束关系和零部件约束引入拆卸过程，实现基础演示、鼠标交互、HTC Vive交互多种交互方式，实现具备双手拆卸功能，拆卸序列引导、自由拆卸两种模式的虚拟拆卸平台。
双手协同拆卸是指单人使用VR设备，使用两个手柄同时对零部件进行拆卸，针对拆卸对象部分零部件体积过大、不易拆卸的情况，设定为只有当两个手柄同时拾取零部件时，才可以对该零部件进行拆卸。
一种交互式虚拟拆卸教学系统，如图5所示，所述系统包括：
逻辑处理、拆卸功能模块，用于实现拆卸零件拆卸可行性的判断和拾取、移动零件的基本功能；
零部件信息模块，用于存储拆卸对象零部件信息，包含拆卸对象零部件的拆卸状态、初始运动方向，并对拆卸对象零部件是否已拆卸完成进行判断；
信息提示模块，用于在头盔显示器上显示拆卸对象零部件的基本信息、状态信息，包含了被拾取拆卸对象零部件的名称，拆卸对象零部件拆卸的状态，拆卸对象零部件的约束信息，引导拆卸过程。
所述逻辑处理、拆卸功能模块包括：
判断所述拆卸对象零部件是否被其他零件约束，判断所述拆卸对象零件是否需要双手柄共同拾取拆卸，进一步确定所述拆卸对象零部件是否可以进行拆卸，便于实现所述拆卸对象双手拆卸功能和拆卸序列引导、自由拆卸两种拆卸模式；
拆卸对象零部件拆卸可行性判断用于对后续拆卸过程的引导，判断手柄是否可以拾取触碰到的拆卸对象零部件，避免拆卸对象零部件之间的碰撞，并避免手柄在移动过程中拾取到其它的拆卸对象零部件；
拆卸功能实现所述拆卸对象零部件的拾取、移动，在拆卸对象零部件被拾取后，使拆卸对象零部件初始时沿着初始拆卸方向移动，脱离拆卸对象后跟随手柄运动。
所述零件信息模块包括：
零件信息模块，用于存储所述拆卸对象零部件信息，拆卸对象零部件的拆卸状态用于拆卸可行性的判定，拆卸对象零部件初始运动方向用于引导零部件的初始运动方向，避免发生零部件之间的碰撞，并对拆卸对象零部件是否已完成拆卸进行判断、记录，用于更新其它拆卸对象零部件的前置变迁集合，更新其它拆卸零部件拆卸可行性信息。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种交互式虚拟拆卸教学方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤S1：收集拆卸教学对象的教学模型参数和装配关系信息，并利用所述收集到的教学模型参数和装配关系信息在建模软件中构建拆卸教学对象整体物理模型，并在拆卸教学对象整体物理模型的构建过程中获取整体物理模型中各个拆卸教学对象零部件之间的空间约束关系；所述模型参数和装配关系信息包括教学模型零部件形状、教学模型零部件大小、以及在拆卸过程中避免教学模型零部件之间发生碰撞而产生的教学模型零部件之间的空间约束；
步骤S2：根据所述拆卸教学对象物理模型及拆卸教学对象物理模型中零部件约束关系，得到拆卸教学对象的Petri网络逻辑模型，根据Petri网络逻辑模型得到拆卸教学对象的零部件拆卸优先级；
步骤S3：在3D软件开发引擎中将零部件约束关系、零部件拆卸优先级引入粒子群算法得到零部件的拆卸序列；
步骤S4：在3D软件开发引擎中利用所述零部件约束关系、零部件拆卸优先级、零部件拆卸序列，制作各种所需的拆卸教学对象零部件拆卸模式，并搭建拆卸教学对象的虚拟交互平台，该平台中具有上述制作的各种所需的拆卸教学对象零部件拆卸模式。
2.根据权利要求1所述的交互式虚拟拆卸教学方法，其特征在于：所述步骤S1中，对构建拆卸教学对象整体物理模型按零部件种类进行分组，每组零部件具有统一的约束关系。
3.根据权利要求1或2所述的交互式虚拟拆卸教学方法，其特征在于：所述步骤S1中，针对每个零部件进行添加颜色和贴图。
4.根据权利要求1所述的交互式虚拟拆卸教学方法，其特征在于：所述步骤S2中，Petri网络逻辑模型中包含有各个零部件的前置变迁集合，前置变迁集合为用于约束当前零部件与其它零部件的集合，并且每拆卸一个零部件，所有的前置变迁集合都会发生更新，当前零部件的前置变迁集合为空时，该零部件才可以拆卸。
5.根据权利要求1所述的交互式虚拟拆卸教学方法，其特征在于：所述拆卸教学对象的Petri网络逻辑模型的得到方法为：
将零件之间的拆卸优先级描述为父子关系，建立拆卸petri网DPN，定义为DPN＝(P,T,F,W,M0,PR,TM)；
其中，P＝(p1,p2,...,pi,...,pm)，P为拆卸petri网中库所的集合，pi代表着拆卸教学对象物理模型整体所处的的某一个拆卸状态，m表示拆卸状态的总数；
T＝(t1,t2,...,ti,...,tn)，T为拆卸petri网中所有变迁的集合，ti代表着拆卸教学对象物理模型中某一个零部件的拆卸过程，n表示拆卸教学对象中零部件总数量；
fi代表着库所与变迁的过渡流，过渡流用于将拆卸教学对象物理模型状态与零部件拆卸操作进行关联；
W为过渡流的权重，当权重之和为1时，才满足库所发生变迁的条件，进行下一步的拆卸操作；
M0是拆卸petri网中变迁初始时刻的状态；
PR用于描述拆卸petri网中零部件之间拆卸petri网中的父子关系，称为前置变迁集合，PR＝(pr1,pr2,...,pri,...,prn)，pri表示当前拆卸步骤的全部上一级父变迁，必须当所有的父变迁集全部发生后，当前拆卸步骤才可以进行，n表示拆卸教学对象中零部件总数量；
TM为所有零部件拆卸时间的集合，TM＝(tm1,tm2,...,tmi,...,tmn)，tmi表示拆卸第i个零部件所花费的时间，n表示拆卸教学对象中零部件总数量。
6.根据权利要求5所述的交互式虚拟拆卸教学方法，其特征在于：所述步骤S3中，零部件的拆卸序列的得到方法为：
访问得到PR和M0的信息；
定义IP，作为初始种群的集合，定义PDS，作为拆卸序列；
定义RTS，储存当前可拆的零部件信息，即可以发生的变迁集合，依据PR和M0，得到所有可拆卸操作，存储到RTS中；
定义DS来存储拆卸步骤，获取RTS中可供拆卸的零件信息，判断当前可发生的变迁数量nt是否高于预设的拆卸操作并行度DOP，当变迁数量多于拆卸操作并行度DOP时，利用随机函数，在RTS中选取1至DOP个变迁集合存储到DS中，变迁集合数量小于拆卸操作并行度DOP时，将RTS中的全部变迁导入DS；
在当前零部件拆卸完成时，将DS存储的变迁导入拆卸序列PDS中，同时将当前先决变迁集为空的变迁引入RTS进行RTS的更新；
判断RTS中是否还有可拆卸的零件，当不为空时，获取RTS中可供拆卸的零件信息，判断当前可发生的变迁数量是否高于并行度。当变迁数量足够多时，利用随机函数，于RTS中选取1至DOP个变迁存储到DS中，变迁数量不足时将RTS中的全部变迁导入DS；为空则将PDS导入初始种群IP；
预先设定粒子群算法中的粒子的总数为P，判断当前粒子数量是否满足预设值I，若满足则已完成粒子群的初始化，输出初始种群，结束初始化，若不满足，再次储存当前可拆的零部件信息。
7.一种交互式虚拟拆卸教学系统，其特征在于，所述系统包括：
逻辑处理、拆卸功能模块，用于实现拆卸零件拆卸可行性的判断和拾取、移动零件的基本功能；
零部件信息模块，用于存储拆卸对象零部件信息，包含拆卸对象零部件的拆卸状态、初始运动方向，并对拆卸对象零部件是否已拆卸完成进行判断；
信息提示模块，用于在头盔显示器上显示拆卸对象零部件的基本信息、状态信息，包含了被拾取拆卸对象零部件的名称，拆卸对象零部件拆卸的状态，拆卸对象零部件的约束信息，引导拆卸过程。
8.根据权利要求7所述的交互式虚拟拆卸教学系统，其特征在于：所述逻辑处理、拆卸功能模块包括：
判断所述拆卸对象零部件是否被其他零件约束，判断所述拆卸对象零件是否需要双手柄共同拾取拆卸，进一步确定所述拆卸对象零部件是否可以进行拆卸，便于实现所述拆卸对象双手拆卸功能和拆卸序列引导、自由拆卸两种拆卸模式；
拆卸对象零部件拆卸可行性判断用于对后续拆卸过程的引导，判断手柄是否可以拾取触碰到的拆卸对象零部件，避免拆卸对象零部件之间的碰撞，并避免手柄在移动过程中拾取到其它的拆卸对象零部件；
拆卸功能实现所述拆卸对象零部件的拾取、移动，在拆卸对象零部件被拾取后，使拆卸对象零部件初始时沿着初始拆卸方向移动，脱离拆卸对象后跟随手柄运动。
9.根据权利要求7所述的交互式虚拟拆卸教学系统，其特征在于，所述零件信息模块包括：
零件信息模块，用于存储所述拆卸对象零部件信息，拆卸对象零部件的拆卸状态用于拆卸可行性的判定，拆卸对象零部件初始运动方向用于引导零部件的初始运动方向，避免发生零部件之间的碰撞，并对拆卸对象零部件是否已完成拆卸进行判断、记录，用于更新其它拆卸对象零部件的前置变迁集合，更新其它拆卸零部件拆卸可行性信息。
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