CN111063251A - 一种基于vr的装配式建筑模拟设备以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于VR的装配式建筑模拟设备，其技术方案要点是包括有安装模拟器和吊装模拟器，安装模拟器包括有安装模拟头盔和坐标传感器以及全方位VR跑步机，坐标传感器包括有横方向传感器和竖方向传感器，横方向传感器和竖方向传感器形成矩阵阵列，全方位VR跑步机包括有中心平台和万向跑步台，中心平台位于万向跑步台的正中心位置处，万向跑步台上布满滚动件，吊装模拟器包括有座椅和显示器以及模拟杆，显示器旁设置有提示器，安装模拟头盔的外侧壁上设置有第一切换开关，机架上设置有第二切换开关，第一切换开关和第二切换开关能够进行安装工人视角和吊车工人视角之间的切换，该模拟设备可以让工人熟知安装流程，加快安装速度，减少成本。
Description
技术领域
本发明涉及装配式建筑领域，更具体地说，它涉及一种基于VR的装配式建筑模拟设备以及方法。
背景技术
装配式建筑是指大量的建筑构配件由企业车间加工完成，继而养护，再将养护合格的部品构配件运输到施工现场，现场采用机械化设备和可靠的安装方式将各PC构件组装起来，使之成为符合建筑功能要求的建筑物。
由于装配式建筑对各方面要求较高，成本不易控制，根据大数据显示装配式建筑的成本要比现浇式建筑成本每平方米高200元至400元不等，利益是市场自由运行及发展的主要动力，而成本的升高降低了相关企业的利润率，导致民营企业修建装配式建筑的主动性不强，造成装配式建筑不能有效推广和发展。
装配式建筑的主体结构施工大致是吊装、定位、安装，同时有预埋铁件埋设、顶撑、斜撑安装、灌浆料等辅助工作，此阶段的成本影响因素大致可以分为：人工费、辅助材料费、机械器具使用费、措施费、企业管理费、利润等，与传统建筑方式相比，装配式建筑更加注重人员之间的协作以及工人们对安装过程中的熟悉程度，如何让新员工快速熟悉安装流程和让老员工了解将要进行建筑工程的细节是加快建筑效率节省建筑时效的重要途径之一，从而起到节省人工费、机械器具使用费的效果，达到降低成本，提高收益的作用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于VR的装配式建筑模拟设备以及方法，该模拟设备可以让工人熟知安装流程，加快安装速度，减少成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于VR的装配式建筑模拟设备，包括有供安装工人们模拟使用的安装模拟器和供吊车工人使用的吊装模拟器，所述安装模拟器包括有供安装工人佩戴的安装模拟头盔、和捆绑于脚上用于探测安装工人位置情况的坐标传感器、以及用于使安装工人原地运动的全方位VR跑步机，所述坐标传感器包括有水平横方向传感器和水平竖方向传感器，所述横方向传感器和竖方向传感器形成矩阵阵列，所述全方位VR跑步机包括有供使用者站立的中心平台和环形的万向跑步台，所述中心平台位于万向跑步台的正中心位置处，所述万向跑步台上布满若干滚动件，所述滚动件的滚动方向均朝向中心平台，使用者踩动滚动件过程中滚动件能够带动使用者朝中心平台移动；
所述吊装模拟器包括有设置在机架上的座椅、和设置在机架前端的显示器以及若干用于模拟吊车内操作杆的模拟杆，所述显示器旁设置有用于反馈安装工人位置信息和提示操作流程步骤的提示器；
所述安装模拟头盔的内侧壁固定连接有VR眼镜，所述安装模拟头盔的外侧壁上设置有用于控制VR眼镜视角切换的第一切换开关，所述机架上设置有控制显示器视角切换的第二切换开关，所述第一切换开关和第二切换开关能够进行安装工人视角和吊车工人视角之间的切换，所述VR眼镜、显示屏均与计算机线连接。
本发明进一步设置为：所述吊装模拟器还包括有底座，所述机架转动连接于底座上，所述底座上设置有用于驱动机架水平转动的旋转器，所述模拟杆包括有控制旋转器旋转和模拟吊车旋转的旋转杆。
本发明进一步设置为：所述显示器和提示器连接有头戴式VR显示设备。
本发明进一步设置为：所述万向跑步台上设置有腰部支撑件，所述腰部支撑件的高度位置对应于人体腰部，所述腰部支撑件的内侧壁上设置有感应器，所述机架内设置有控制旋转杆转动的控制器，所述控制器与感应器耦合设置，所述腰部支撑件的外侧壁上设置有控制感应器启闭的控制开关，感应器感应到使用者腰部扭动时控制器驱动旋转杆随腰部转动而转动。
本发明进一步设置为：所述方法包括以下步骤：S1，计算机利用Autodesk Revit软件进行建筑配构件设计，建立三维建筑结构模型，确定吊车位置；
S2，将建立的建筑配构件和三维建筑结构模型导入至安装模拟器与吊装模拟器内，生成三维全景仿真虚拟现实建筑区域和待装建筑构配件，并设置三维建筑坐标系和建筑构配件坐标正确方位；
S3，通过全方位VR跑步机将安装工人的移动状态转换为对虚拟现实建筑场景中人物模型的移动操作；
S4，获取吊装模拟器模拟杆的操作命令；
S5，当建筑构配件移动至建筑构配件x坐标和y坐标正确方位时，提示器发出提示；
S6，当建筑构配件移动停止时，计算当前建筑构配件中心点三维坐标是否在设置的建筑构配件坐标正确范围之内，如果在正确范围之间，则搭建成功。
本发明进一步设置为：所述步骤S3具体包括以下操作：
当安装工人在全方位VR跑步机上移动时，人物模型在虚拟现实建筑场景中进行水平移动；
当安装工人移动到位时，根据横方向传感器和竖方向传感器形成人物模型在虚拟现实建筑场景中的位置坐标；
将人物模型在虚拟现实建筑场景中的位置坐标反馈至提示器上。
本发明进一步设置为：当建筑构配件移动过程中，通过第一切换开关和第二切换开关进行安装工人视角和吊车工人视角的切换。
综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明的好处，通过该模拟设备，使得安装工人和吊车工人进行同一虚拟现实的模拟作业，从而快速熟悉工作流程，并且能够进行安装工人和吊车工人视角之间的切换，熟悉对方视角信息，有效提高两者之间的协作，提供工作效率，减少协作问题。
附图说明
图1为安装模拟器结构示意图；
图2为吊装模拟器结构示意图；
图3为模拟方法的流程图。
附图标记：1、安装模拟器；11、安装模拟头盔；12、坐标传感器；13、第一切换开关；14、全方位VR跑步机；15、中心平台；16、万向跑步台；17、滚动件；18、腰部支撑件；181、控制开关；2、吊装模拟器；21、机架；22、座椅；23、显示器；24、模拟杆；241、旋转杆；25、提示器；26、第二切换开关；27、底座；28、旋转器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
参照图1至图3所示，为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于VR的装配式建筑模拟设备，包括有供安装工人们模拟使用的安装模拟器1和供吊车工人使用的吊装模拟器2，该安装模拟器1和吊装模拟器2能够使安装工人与吊车工人一起进行VR操作，在虚拟现实中加强相互之间的联系，熟悉安装流程，提高对安装细节的把控。安装模拟器1包括有供安装工人佩戴的安装模拟头盔11、和捆绑于脚上用于探测安装工人位置情况的坐标传感器12、以及用于使安装工人原地运动的全方位VR跑步机14，安装模拟头盔11还能模仿安全帽的触感，坐标传感器12包括有水平横方向传感器和水平竖方向传感器，横方向传感器和竖方向传感器形成矩阵阵列，全方位VR跑步机14包括有供使用者站立的中心平台15和环形的万向跑步台16，中心平台15位于万向跑步台16的正中心位置处，万向跑步台16上布满若干滚动件17，滚动件17的滚动方向均朝向中心平台15，使用者踩动滚动件17过程中滚动件17能够带动使用者朝中心平台15移动；该全方位VR跑步机14的设置，使用者进行任意角度行走或跑步时，都会通过滚动件17朝中心平台15方向移动，从而使得安装工人在现实中进行原地运动而在虚拟现实中能够正常的进行水平位移，从而避免了安装工人在使用安装模拟器1时需要广阔的活动空间，能够将安装模拟器1和吊装模拟器2安装至同一房间内，安装工人和吊车工人即可随时进行交互，交流方便，能够相互分享所遇问题，所见情况。
吊装模拟器2包括有设置在机架21上的座椅22、和设置在机架21前端的显示器23以及若干用于模拟吊车内操作杆的模拟杆24，显示器23旁设置有用于反馈安装工人位置信息和提示操作流程步骤的提示器25；该提示器25的设置：1、能够将通过坐标传感器12将安装工人的位置信息进行反馈，吊车工人能够根据反馈信息得知需要进行安装的具体位置；2、能够进行操作流程步骤的提示，从而起到模拟现场指挥人员的作用。
安装模拟头盔11的内侧壁固定连接有VR眼镜，安装模拟头盔11的外侧壁上设置有用于控制VR眼镜视角切换的第一切换开关13，机架21上设置有控制显示器23视角切换的第二切换开关26，第一切换开关13和第二切换开关26能够进行安装工人视角和吊车工人视角之间的切换，VR眼镜、显示屏均与计算机线连接。该第一切换开关13与第二切换开关26的设置能够使得安装工人和吊车工人自行进行视角切换，从而了解对方视角里的情况，增强双方在对搭建过程中相互了解程度，增强协作能力，加快新员工熟悉安装流程和让老员工了解将要进行建筑工程的细节，从而达到加快建筑效率节省建筑时效的作用。
本发明的好处，通过该模拟设备，使得安装工人和吊车工人进行同一虚拟现实的模拟作业，从而快速熟悉工作流程，并且能够进行安装工人和吊车工人视角之间的切换，熟悉对方视角信息，有效提高两者之间的协作，提供工作效率，减少协作问题。
吊装模拟器2还包括有底座27，机架21转动连接于底座27上，底座27上设置有用于驱动机架21水平转动的旋转器28，模拟杆24包括有控制旋转器28旋转和模拟吊车旋转的旋转杆241。该底座27和旋转器28的设置，可以模拟吊车转动，提高仿真程度。
显示器23和提示器25连接有头戴式VR显示设备。该头戴式VR显示设备，提高吊车模拟工人的模拟体验。
万向跑步台16上设置有腰部支撑件18，腰部支撑件18的高度位置对应于人体腰部，腰部支撑件18的内侧壁上设置有感应器，机架21内设置有控制旋转杆241转动的控制器，控制器与感应器耦合设置，腰部支撑件18的外侧壁上设置有控制感应器启闭的控制开关181，感应器感应到使用者腰部扭动时控制器驱动旋转杆241随腰部转动而转动。该腰部支撑件18的设计还能够对安装工人进行保护。该感应器的设置，在吊车工人无法将建筑构配件移动至合适位置时，安装工人能够通过启动感应器，随着腰部扭动控制旋转器28转动进行小范围调控，从而实现安装工人指导吊车工人，加强两者交互，提高协作能力。安装工人能够在安装视角进行控制建筑构配件的移动，能够让吊车工人在吊车视角连贯的观测建筑构配件移动情况，从而直观的看出移动过程中建筑构配件的实时位置，相对于吊车工人切换到安装工人视角进行并自行控制建筑构配件移动时，吊车工人无法方便直观的看到建筑构配件的移动过程，造成无法得到更准确、更深的认知。
该腰部支撑件18的设计还存在以下好处：1、腰部转动较为灵活，能进行小范围调控；2、人体如果需要进行转动时，也必须通过腰部进行带动转动，直接使用腰部对旋转器28进行控制，还能够节省其他不必要的设计；3、该设计不仅能够实现安装工人对吊车工人的辅助帮助，还能够在辅助的同时对其自身起到运动锻炼效果。
方法包括以下步骤：S1，计算机利用Autodesk Revit软件进行建筑配构件设计，建立三维建筑结构模型，确定吊车位置；通过计算机根据建筑需求设计建筑图纸，再根据建筑图纸预建建筑构配件，并且搭建出三维的建筑模型，除此之外，在三维建筑模型的外围确定吊车位置。
S2，将建立的建筑配构件和三维建筑结构模型导入至安装模拟器1与吊装模拟器2内，生成三维全景仿真虚拟现实建筑区域和待装建筑构配件，并设置三维建筑坐标系和建筑构配件坐标正确方位；将计算机里建立好的三维建筑模型和建筑构配件导入至安装模拟器1和吊装模拟器2中，生成已经搭建好地基的三维全景仿真虚拟现实建筑区域，以及一旁位于建筑构配件区域内的待装建筑构配件，并且根据建筑图纸在虚拟现实建筑区域内建立坐标系，在根据建筑图纸上各个建筑构配件的位置确定正确坐标位置。
S3，通过全方位VR跑步机14将安装工人的移动状态转换为对虚拟现实建筑场景中人物模型的移动操作；安装工人头戴安装模拟头盔11，腿绑坐标传感器12，脚踏全方位VR跑步机14，根据安装工人在全方位VR跑步机14上的移动，使得人物模型在虚拟现实建筑区域内移动，并且到达待建筑的区域。
S4，获取吊装模拟器2模拟杆24的操作命令；吊车工人通过模拟杆24控制虚拟现实中吊车移动，简化建筑构配件安装至吊车上的流程，着重在于吊车带动建筑构配件移动是否到位，如果快速准确的移动到正确方位，通过移动过程中各个位置的吊车工人视角和安装工人视角加强对建筑位置的熟悉，熟练建筑操作。
S5，当建筑构配件移动至建筑构配件x坐标和y坐标正确方位时，提示器25发出提示；当建筑构配件的x坐标和y坐标移动到正确方位时，提示器25能够发出提示，再进行z坐标方向移动。
S6，当建筑构配件移动停止时，计算当前建筑构配件中心点三维坐标是否在设置的建筑构配件坐标正确范围之内，如果在正确范围之间，则搭建成功。在建筑构配件的x坐标和y坐标正确的情况下，沿z坐标方向移动，当建筑构配件停止移动，根据z坐标是否正确来判断建筑构配件是否移动到位，如果移动到位则搭建成功，如果移动不到为，则提示器25发出提示，重新从S5进行z坐标方向的移动。
该方法和设备能够根据每次建筑设计图纸生成所对应的建筑区域、和待装建筑构配件，从而可以使吊车工人和安装工人在真正进行工地建筑前，进行模拟，增强对该场建筑的熟悉，加强对细节的把控。根据不同的建筑设计图纸生成不同的建筑区域、待装建筑配构件，适用于每次不同的建筑情况。
步骤S3具体包括以下操作：
当安装工人在全方位VR跑步机14上移动时，人物模型在虚拟现实建筑场景中进行水平移动；
当安装工人移动到位时，根据横方向传感器和竖方向传感器形成人物模型在虚拟现实建筑场景中的位置坐标；
将人物模型在虚拟现实建筑场景中的位置坐标反馈至提示器25上。根据安装工人身上的坐标传感器12，将安装工人的实时位置通过提示器25反馈至吊车工人，吊车工人根据安装工人的位置，控制吊车对建筑配构件进行移动，从而不需要施工指挥人员在侧。
当建筑构配件移动过程中，通过第一切换开关13和第二切换开关26进行安装工人视角和吊车工人视角的切换。在建筑构配件移动过程汇总，吊车工人进行安装工人视角和吊车工人视角的切换，切换至安装工人视角，可以通过仰视视角观测建筑构配件的位置情况，直观清楚的比较出建筑构配件与正确位置之间的距离，这种直观的观测是吊车工人视角无法直接观测得出的，并且在现实生活中，吊车工人也不能够行走移动至安装工人的位置进行观测，该装置能够方便进行视角的转换，提高吊车工人认知程度；安装工人进行视角切换，能够额外了解吊车工人视角，从而在真正的安装过程中，根据自身视角为吊车工人提供适宜的意见，加强两者在建筑过程中的协助，加快工作进度，提高工作效率。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于VR的装配式建筑模拟设备，其特征是包括有供安装工人们模拟使用的安装模拟器(1)和供吊车工人使用的吊装模拟器(2)，所述安装模拟器(1)包括有供安装工人佩戴的安装模拟头盔(11)、和捆绑于脚上用于探测安装工人位置情况的坐标传感器(12)、以及用于使安装工人原地运动的全方位VR跑步机(14)，所述坐标传感器(12)包括有水平横方向传感器和水平竖方向传感器，所述横方向传感器和竖方向传感器形成矩阵阵列，所述全方位VR跑步机(14)包括有供使用者站立的中心平台(15)和环形的万向跑步台(16)，所述中心平台(15)位于万向跑步台(16)的正中心位置处，所述万向跑步台(16)上布满若干滚动件(17)，所述滚动件(17)的滚动方向均朝向中心平台(15)，使用者踩动滚动件(17)过程中滚动件(17)能够带动使用者朝中心平台(15)移动；
所述吊装模拟器(2)包括有设置在机架(21)上的座椅(22)、和设置在机架(21)前端的显示器(23)以及若干用于模拟吊车内操作杆的模拟杆(24)，所述显示器(23)旁设置有用于反馈安装工人位置信息和提示操作流程步骤的提示器(25)；
所述安装模拟头盔(11)的内侧壁固定连接有VR眼镜，所述安装模拟头盔(11)的外侧壁上设置有用于控制VR眼镜视角切换的第一切换开关(13)，所述机架(21)上设置有控制显示器(23)视角切换的第二切换开关(26)，所述第一切换开关(13)和第二切换开关(26)能够进行安装工人视角和吊车工人视角之间的切换，所述VR眼镜、显示屏均与计算机线连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于VR的装配式建筑模拟设备，其特征是：所述吊装模拟器(2)还包括有底座(27)，所述机架(21)转动连接于底座(27)上，所述底座(27)上设置有用于驱动机架(21)水平转动的旋转器(28)，所述模拟杆(24)包括有控制旋转器(28)旋转和模拟吊车旋转的旋转杆(241)。
3.根据权利要求1所述的一种基于VR的装配式建筑模拟设备，其特征是：所述显示器(23)和提示器(25)连接有头戴式VR显示设备。
4.根据权利要求2所述的一种基于VR的装配式建筑模拟设备，其特征是：所述万向跑步台(16)上设置有腰部支撑件(18)，所述腰部支撑件(18)的高度位置对应于人体腰部，所述腰部支撑件(18)的内侧壁上设置有感应器，所述机架(21)内设置有控制旋转杆(241)转动的控制器，所述控制器与感应器耦合设置，所述腰部支撑件(18)的外侧壁上设置有控制感应器启闭的控制开关(181)，感应器感应到使用者腰部扭动时控制器驱动旋转杆(241)随腰部转动而转动。
5.根据权利要求1至4种任意一项所述的一种基于VR的装配式建筑模拟设备的模拟操作方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：S1，计算机利用Autodesk Revit软件进行建筑配构件设计，建立三维建筑结构模型，确定吊车位置；
S2，将建立的建筑配构件和三维建筑结构模型导入至安装模拟器(1)与吊装模拟器(2)内，生成三维全景仿真虚拟现实建筑区域和待装建筑构配件，并设置三维建筑坐标系和建筑构配件坐标正确方位；
S3，通过全方位VR跑步机(14)将安装工人的移动状态转换为对虚拟现实建筑场景中人物模型的移动操作；
S4，获取吊装模拟器(2)模拟杆(24)的操作命令；
S5，当建筑构配件移动至建筑构配件x坐标和y坐标正确方位时，提示器(25)发出提示；
S6，当建筑构配件移动停止时，计算当前建筑构配件中心点三维坐标是否在设置的建筑构配件坐标正确范围之内，如果在正确范围之间，则搭建成功。
6.根据权利要求5所述的一种基于VR的装配式建筑模拟设备的模拟操作方法，其特征是：所述步骤S3具体包括以下操作：
当安装工人在全方位VR跑步机(14)上移动时，人物模型在虚拟现实建筑场景中进行水平移动；
当安装工人移动到位时，根据横方向传感器和竖方向传感器形成人物模型在虚拟现实建筑场景中的位置坐标；
将人物模型在虚拟现实建筑场景中的位置坐标反馈至提示器(25)上。
7.根据权利要求5所述的一种基于VR的装配式建筑模拟设备的模拟操作方法，其特征是：当建筑构配件移动过程中，通过第一切换开关(13)和第二切换开关(26)进行安装工人视角和吊车工人视角的切换。
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