CN111833436A - 一种基于Unity 3D的自适应装配指导方法及系统 - Google Patents

一种基于Unity 3D的自适应装配指导方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Unity 3D的自适应装配指导方法及系统，所述方法包括：S1：收集待装配体的几何信息和装配关系信息，构建所述待装配体的物理模型，并获取所述物理模型中各个零件之间的空间约束关系；S2：根据所述待装配体的物理模型以及所述各个零件之间的空间约束关系，构建Petri网络装配过程模型，并确定所述待装配体的装配序列；S3：将所述装配序列、所述各个零件FBX格式的三维模型、3ds Max制作生成的所述待装配体的装配过程动画导入Unity 3D开发平台；S4：在Unity 3D平台中为所述各个零件添加控制脚本，通过输入设备实现虚拟装配操作，且在操作过程中有文本及动画提示。如此，提高了装配人员对实际装配工作的熟悉程度，降低了成本和出错率。

Description

一种基于Unity 3D的自适应装配指导方法及系统
技术领域
本发明属于虚拟装配技术领域，更具体地，涉及一种基于Unity 3D的自适应装配指导方法及系统。
背景技术
装配是产品设计制造过程的重要一环，对产品的成本、质量及可靠性等方面产生重要影响，装配工作人员对于装配操作的学习和掌握显得尤为重要。
传统的计算机辅助设计工具或者仿真工具虽然提供了模拟装配操作，但场景不够直观，装配操作不够具体，与真实环境的装配工作不够接近，工人对装配工作的学习和熟悉主要依托复杂的工艺手册及个人经验，学习时间长且效率不高，同时无法保证装配工作的精确性和正确性。目前存在的问题迫切需要一种现代化的装配指导方法来解决。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于Unity 3D的自适应装配指导方法及系统，其目的在于提供一种人机交互简单、有文本和动画提示、学习难度低、易掌握的虚拟装配方法。
为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种基于Unity 3D的自适应装配指导方法，包括以下步骤：
S1：收集待装配体的几何信息和装配关系信息，构建所述待装配体的物理模型，并获取所述物理模型中各个零件之间的空间约束关系；
S2：根据所述待装配体的几何模型以及所述各个零件之间的空间约束关系，装配体可能存在多种合理的先后组合顺序，依据零件之间具体的约束状态选择一种合理可行的待装配体装配序列，构建Petri网络装配过程模型。
S3：将装配资源文件导入Unity 3D开发平台，所述装配资源文件包括所述装配序列、所述各个零件FBX格式的三维模型、3ds Max制作生成的所述待装配体的装配过程动画；
S4：在Unity 3D平台中为所述各个零件添加控制脚本，通过输入设备实现虚拟装配操作，且在操作过程中有文本及动画提示。
进一步地，所述步骤S4中为所述各个零件添加控制脚本包括：设置每个零件为一个Unity游戏对象，并为每个Unity游戏对象的属性添加输入设备控制移动脚本。
进一步地，所述步骤S4中虚拟装配操作中使用标签匹配法来标记正确装配操作，具体为：将每个零件装配位置标记为一个空物体及添加一个触发器，并为每一对待装配零件及其装配位置空物体标记相同标签；操作零件移动进行装配时，当待装配零件与装配位置触发器发生碰撞，触发碰撞检测函数，在碰撞检测函数内判断标签是否相同；标签相同，记为正确操作完成装配，标签不同，则无法完成装配。
进一步地，所述步骤S3中装配资源文件为UnityPackage格式。
进一步地，构建步骤S2中所述Petri网络装配过程模型时满足：
C1：待装配体的全部零件都具有可装配特性；
C2：一次装配操作有且仅有两个零件参与；
C3：待装配零件只有在无约束状态下才参与装配操作；
C4：待装配零件不对其他零件产生约束。
进一步地，步骤S2中所述Petri网络装配过程模型定义为APN＝(P，T，F，K，S)；
其中，P＝(P1,P2,P3,…,PN)，P表示Petri网络中库所元素的集合，库所元素Pi表示待装配体的某个零件，N表示待装配体中所有零件的总数；
T＝(T1,T2,T3,…,TM)，T表示Petri网络中所有变迁元素的集合，变迁元素Ti表示装配过程中的某一步装配操作，M表示装配过程中所有装配操作的总数量；
Figure BDA0002560643450000031
F表示库所元素和变迁元素之间的连接关系；
K表示库所元素中的令牌，库所元素具备令牌则表示其处在无约束状态；
S表示库所元素Pi的约束状态，
Figure BDA0002560643450000032
作为本发明的另一个方面，提供了一种基于Unity 3D的自适应装配指导系统，包括：
信息获取模块，用于收集待装配体的几何信息和装配关系信息，构建所述待装配体的物理模型，并获取所述物理模型中各个零件之间的空间约束关系；
模型构建模块，用于根据所述待装配体的物理模型以及所述各个零件之间的空间约束关系，构建Petri网络装配过程模型，并确定所述待装配体的装配序列；
文件导入模块，用于将装配资源文件导入Unity 3D开发平台，所述装配资源文件包括所述装配序列、所述各个零件FBX格式的三维模型、3dsMax制作生成的所述待装配体的装配过程动画；
装配指导模块，用于在Unity 3D平台中为所述各个零件添加控制脚本，通过输入设备实现虚拟装配操作，且在操作过程中有文本及动画提示。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明通过构建Petri网络装配过程模型，得到理想的装配序列规划，并在Unity 3D平台中为零件添加控制脚本，通过鼠标拖拽、键盘输入等方式，实现虚拟装配操作，并在界面中显示文本提示和装配动画。从而，提高了装配人员对实际装配工作的熟悉程度，降低了成本和出错率。
(2)本发明所需硬件设备简单，成本低，安全性高。
(3)本发明装配操作在计算机虚拟现实环境下完成，用户具有更好的沉浸感和体验感，学习效果更好；人机交互较为简单，多为鼠标操作，且有文本和动画提示，用户学习难度低，更易掌握。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于Unity 3D的自适应装配指导方法的流程示意图；
图2是本发明提供的待装配体的物理模型构建流程示意图；
图3是本发明提供的Petri网络装配过程模型示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
虚拟装配技术是虚拟现实技术在工业制造领域的应用，能够实现在计算机虚拟环境下模拟产品的装配过程和装配顺序，帮助装配工作人员学习熟悉装配工艺，相较于传统的学习方式，学习时间较短，效率更高且节约了成本。
Unity 3D是一款多平台专业游戏开发工具，通过它可以制作逼真的三维虚拟场景，并且可以让工作人员在虚拟环境下进行装配操作演练，既达到了学习的目的，又提高了安全性。
如图1所示，为本发明提供的一种基于Unity 3D的自适应装配指导方法的流程示意图，包括以下步骤：
S1：收集用于虚拟装配操作的装配产品的几何信息和装配关系信息，所述几何信息包括所述待装配体各个零件的形状和大小，所述装配关系信息包括在装配过程中避免零件之间发生碰撞而产生的各个零件之间的空间约束；在三维CAD软件下完成装配体的建模工作，建模流程如图2所示，本实施例中选取某型号RV行星减速器为装配模型，三维CAD建模软件选择SolidWorks 2018，减速器装配模型的主要零件包括摆线轮、行星轮、曲柄和轴承等，减速器各个零件建模完成后在CAD软件中设定好配合关系生成减速器装配体。
建模完成后，为了使虚拟装配场景更加逼真，需要进行贴图操作和颜色渲染，该工作在3ds Max软件中完成，并将模型文件保存为Unity 3D平台支持的FBX格式，成为后续虚拟装配操作的模型资源。
S2：根据所述待装配体的几何模型以及所述各个零件之间的空间约束关系，装配体可能存在多种合理的先后组合顺序，依据零件之间具体的约束状态选择一种合理可行的待装配体装配序列，构建Petri网络装配过程模型。
构建Petri网络装配过程模型时满足：
C1：待装配体的全部零件都具有可装配特性；
C2：一次装配操作有且仅有两个零件参与；
C3：待装配零件只有在无约束状态下才参与装配操作；
C4：待装配零件不对其他零件产生约束。
本实施例中，Petri网络装配过程模型定义为APN＝(P，T，F，K，S)；
其中，P＝(P1,P2,P3,…,PN)，P表示Petri网络中库所元素的集合，库所元素Pi表示待装配体的某个零件，N表示待装配体中所有零件的总数；P在APN图中用圆形节点表示；
T＝(T1,T2,T3,…,TM)，T表示Petri网络中所有变迁元素的集合，变迁元素Ti表示装配过程中的某一步装配操作，M表示装配过程中所有装配操作的总数量；T在APN图中用方形节点表示；
Figure BDA0002560643450000061
F表示库所元素和变迁元素之间的连接关系，也称为流关系，流关系即可以从库所元素流向变迁元素，也可以从变迁元素流向库所元素；F在APN图中用有向弧线表示；
K表示库所元素中的令牌，可以从一个库所移动到另一个库所，库所具备令牌即表示其处在无约束状态。如果一个变迁的每个输入库所都拥有令牌，该变迁即为被允许。一个变迁被允许时，变迁将发生，输入库所的令牌被消耗，同时为输出库所产生令牌。K在APN图中用圆形节点中心的黑色圆点标记；
S表示库所元素Pi的约束状态，
Figure BDA0002560643450000062
本实例中减速器的Petri网络装配过程模型如图3所示。
S3：将虚拟装配资源文件导入Unity 3D开发平台，本实例中虚拟装配资源文件包括以下几样：1、FBX格式的减速器三维模型；2、在3ds Max下制作完成的减速器装配动画；3、由步骤S2得到的减速器装配序列。
将装配资源文件打包成Unity Package格式并导入Unity3D中。
S4：在Unity 3D平台中为零件添加控制脚本，通过鼠标拖拽等方式，实现虚拟装配操作，并在界面中显示文本提示和装配动画。首先，将装配体包含的每个零件都设置为一个Unity游戏对象(Gameobject)，并且为每个Gameobject的Transform属性添加鼠标控制移动脚本，通过鼠标选中零件进行拖拽移动，鼠标控制部分代码如下：
Figure BDA0002560643450000063
Figure BDA0002560643450000071
进一步地，在控制脚本中使用标签匹配法来标记正确装配操作：将每个零件装配位置标记为一个空物体(Empty object)及添加一个触发器，并为每一对待装配零件及其装配位置空物体标记相同标签(Tag)，操作零件移动进行装配时，当零件与装配位置触发器发生碰撞，触发碰撞检测函数，在碰撞检测函数内判断而这标签是否一致，标签相同匹配正确记为正确操作完成装配，标签不同无法完成装配。标签匹配的部分代码如下：
private void OnTriggerEnter(Collider other){
if(other.gameObject.name＝＝go.transform.name){
isTrigger＝true；
FinalPos＝other.gameObject.transform.position；
Destroy(other.gameObject)；}}
装配操作过程中在界面中会有文本提示信息和装配过程动画，文本信息显示该步装配操作涉及的装配零件或子装配体。装配过程动画播放正确的装配操作，用户通过点击按钮进行文本信息和动画信息的查看。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于Unity 3D的自适应装配指导方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：收集待装配体的几何信息和装配关系信息，构建所述待装配体的物理模型，并获取所述物理模型中各个零件之间的空间约束关系；
S2：根据所述待装配体的物理模型以及所述各个零件之间的空间约束关系，构建Petri网络装配过程模型，并确定所述待装配体的装配序列；
S3：将装配资源文件导入Unity 3D开发平台，所述装配资源文件包括所述装配序列、所述各个零件FBX格式的三维模型、3ds Max制作生成的所述待装配体的装配过程动画；
S4：在Unity 3D平台中为所述各个零件添加控制脚本，通过输入设备实现虚拟装配操作，且在操作过程中有文本及动画提示。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中为所述各个零件添加控制脚本包括：设置每个零件为一个Unity游戏对象，并为每个Unity游戏对象的属性添加输入设备控制移动脚本。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中虚拟装配操作中使用标签匹配法来标记正确装配操作，具体为：将每个零件装配位置标记为一个空物体，并为每一对待装配零件及其装配位置空物体标记相同标签；操作零件装配时，当待装配零件与装配位置空物体发生碰撞，触发碰撞检测函数，在碰撞检测函数内判断标签是否相同；标签相同，记为正确操作完成装配，标签不同，则无法完成装配。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中装配资源文件为UnityPackage格式。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，构建步骤S2中所述Petri网络装配过程模型时满足：
C1：待装配体的全部零件都具有可装配特性；
C2：一次装配操作有且仅有两个零件参与；
C3：待装配零件只有在无约束状态下才参与装配操作；
C4：待装配零件不对其他零件产生约束。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述Petri网络装配过程模型定义为APN＝(P，T，F，K，S)；
其中，P＝(P1,P2,P3,…,PN)，P表示Petri网络中库所元素的集合，库所元素Pi表示待装配体的某个零件，N表示待装配体中所有零件的总数；
T＝(T1,T2,T3,…,TM)，T表示Petri网络中所有变迁元素的集合，变迁元素Ti表示装配过程中的某一步装配操作，M表示装配过程中所有装配操作的总数量；
Figure FDA0002560643440000021
F表示库所元素和变迁元素之间的连接关系；
K表示库所元素中的令牌，库所元素具备令牌则表示其处在无约束状态；
S表示库所元素Pi的约束状态，
Figure FDA0002560643440000022
7.一种基于Unity 3D的自适应装配指导系统，其特征在于，包括：
信息获取模块，用于收集待装配体的几何信息和装配关系信息，构建所述待装配体的物理模型，并获取所述物理模型中各个零件之间的空间约束关系；
模型构建模块，用于根据所述待装配体的物理模型以及所述各个零件之间的空间约束关系，构建Petri网络装配过程模型，并确定所述待装配体的装配序列；
文件导入模块，用于将装配资源文件导入Unity 3D开发平台，所述装配资源文件包括所述装配序列、所述各个零件FBX格式的三维模型、3ds Max制作生成的所述待装配体的装配过程动画；
装配指导模块，用于在Unity 3D平台中为所述各个零件添加控制脚本，通过输入设备实现虚拟装配操作，且在操作过程中有文本及动画提示。
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