CN113077679A - 一种交互式虚拟装配教学方法及系统 - Google Patents
一种交互式虚拟装配教学方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113077679A CN113077679A CN202110439986.2A CN202110439986A CN113077679A CN 113077679 A CN113077679 A CN 113077679A CN 202110439986 A CN202110439986 A CN 202110439986A CN 113077679 A CN113077679 A CN 113077679A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- assembly
- evaluation
- module
- parts
- teaching
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 89
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 title claims abstract description 36
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims abstract description 88
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 50
- 230000006870 function Effects 0.000 claims abstract description 25
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 19
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 19
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 18
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims description 13
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 11
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 10
- 238000013515 script Methods 0.000 claims description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 5
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 3
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims description 3
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 claims description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000008676 import Effects 0.000 claims 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 abstract description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 9
- 230000009471 action Effects 0.000 description 5
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000009877 rendering Methods 0.000 description 2
- 229910001208 Crucible steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000011158 quantitative evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 1
- 230000015541 sensory perception of touch Effects 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
- G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
- G09B9/00—Simulators for teaching or training purposes
Abstract
本发明涉及一种交互式虚拟装配教学方法及系统，包括以下步骤：步骤A1：导入模型零件信息；步骤A2：确定装配最优序列；步骤A3：搭建虚拟装配教学平台：步骤A4：构建评价体系；步骤A5：监测使用者的操作状态并对使用者做出综合评价。本发明一方面构建了完整的评价体系，将模糊综合评价法运用到虚拟装配过程中，提高了系统评价的规范性、全面性；另一方面增加了力觉反馈功能，增加了虚拟装配的沉浸感，真实性，有利于过盈量与装配阻力等方面知识点的教学；最后还加入了诸多指导功能，大大降低了学生虚拟装配实践的上手难度。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟教学技术领域，特别是涉及一种交互式虚拟装配教学方法及系统。
背景技术
作为传统行业的制造业一直以来面临着来自新时代的竞争与挑战，如何赋予传统工业新的发展活力变成了这个时代难以避开的话题，结合了传统制造工艺与新时代虚拟现实技术的虚拟制造技术因此应运而生。正如装配环节在工业制造过程中占有举足轻重的地位，虚拟装配技术也是虚拟制造技术的核心部分，相较其他部分而言，虚拟装配部分最为薄弱也最为重要。
虚拟装配技术有三大特性，沉静感(Immersion)、交互性(Interactive)、自主性(Imagination)，即“3I”特性，要求真实度较高的装配环境，相对自然的交互方式，满足实时性的交互要求，构建一个接近现实的虚拟装配世界，从而方便用户分析产品可装配性、规划产品零部件装配序列、模拟训练装配技能等。有效弥补了传统装配教学模式的缺陷：
缺点一：经济成本高昂，无论是精密设备使用的成本，还是零部件损耗的成本都相当高昂，其次，还需要技术人员的现场指导以及其他形式师资力量的投入，都会造成资源的损耗。
缺点二：安全隐患以及空间限制，装配过程所用的部分设备体型庞大，结构复杂，操作繁琐，用于教学任务时安全性差，且不方便直接装配实物。
缺点三：教学方式枯燥，传统教学方式大多以图片、视频教学为主，缺乏实践操作，而对装配工艺复杂部分难以理解，太过依赖用户自身的联想能力，从而学习效率较低。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了一种交互式虚拟装配教学方法及系统，将传统的装配工艺教学与虚拟现实技术相结合，具有安全性能高、场地限制少、经济成本低、教学质量高等优点。虚拟教学平台能让用户在真实度较高的虚拟环境中观察并参与装配过程，在学习过程中同时调动用户的视觉、触觉、听觉及运动感官，使用户从简单的视觉交互模式转变为更具沉浸感、真实感的多感官交互教学模式。同时，本申请添加了零件公差信息与力觉反馈系统，使用户更加真实的体验装配过程中各种装配阻力的存在。还构建了完善的指导系统，方便用户对装配工艺中装配顺序的规划与尝试。以及构建相应的评价系统，实时考察学生的工作效率、工作态度、装配顺序以及知识点掌握程度等情况。以此提高学生的学习效率，拓展学生的学习思维，改变传统的教学模式。
一种交互式虚拟装配教学方法，包括以下步骤：
步骤A1：导入模型零件信息；
步骤A2：确定装配最优序列；
步骤A3：搭建虚拟装配教学平台：
步骤A4：构建评价体系；
步骤A5：监测使用者的操作状态并对使用者做出综合评价。
进一步地，所述步骤A1具体包括以下步骤：
步骤A11：收集装配对象的相关信息，所述装配对象的相关信息包括零部件形状、零部件大小、在装配过程中避免零部件之间发生碰撞而产生的零部件之间的空间约束；
步骤A12：将收集到的装配对象的相关信息导入软件SolidWorks及3dmax中，在Solidworks中采用自下而上的设计方式建模；
步骤A13：对所述装配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，确定零部件装配的可行性，同时确定零部件装配的初始运动方向。
进一步地，所述步骤A2具体包括以下步骤：
步骤A21：将所述装配对象的零部件约束关系进行整理，基于Petri网络设计出所述装配对象中各零部件的逻辑模型，依据Petri网发生变迁的前置条件，确定每一装配对象零部件的前置变迁集合，进一步理清装配对象的零部件装配优先级；
步骤A22：综合考虑装配对象零部件约束关系、装配优先级、装配工艺难易度等指标，绘制相应的APN变迁详情表以及APN(Assembly Petri Net)结构图，获得相应的最优装配序列。
进一步地，所述步骤A3具体包括以下步骤：
步骤A31：在unity3d中搭建虚拟装配平台，导入多样的装配序列，将所述装配对象约束关系和零部件约束引入装配过程，实现基础演示、鼠标交互、HTC Vive交互多种交互方式，实现具备基础装配功能，装配序列引导、力觉反馈模块的虚拟拆装配平台。
进一步地，所述步骤A4具体包括以下步骤：
步骤A41：评价体系的构建依赖于模糊综合评价法，首先确认评价目的，即考察使用者的装配效率、装配态度、装配准确率、知识点掌握情况；
步骤A42：设置评价指标，即装配过程所用时间、错误操作次数、装配顺序错误次数，在线答题考核分数；
步骤A43：分配权重占比，给不同的一级指标、二级指标根据重要程度分配不同的权重；
步骤A44：选用模糊综合算子M(·,⊕)(该算子属于加权平均型算子，能明显体现权数作用，综合程度较高)对各级指标进行单因素模糊评价和综合模糊评价，根据最大隶属度原则得到最终的评价结果。
一种使用上述交互式虚拟装配教学方法的系统，包括：逻辑处理模块、操作模块、指导模块、评价模块；
操作模块：主要依赖于手柄的交互功能；操作模块用于实现拾取、移动、旋转零件的基本功能；
逻辑处理模块：主要依赖于脚本的逻辑判断；用于实现装配零件装配可行性的判断；用于处理操作模块传输的传送的数据并将计算后的结果反馈到指导模块，将操作模块传输的传送的数据处理后得到的震动数据传输给力觉反馈模块；
指导模块：主要依赖于头盔显示器的信息提示；指导模块用于在头盔显示器上显示装配对象零部件的基本信息、状态信息，包含了被拾取装配对象零部件的名称，装配对象零部件装配的状态，装配对象零部件的约束信息，引导装配过程；
力觉反馈模块：主要依赖于手柄内部的震动马达；首先通过碰撞检测技术，实况监测零件的装配状态，确定装配阻力产生的时间与位置；其次以装配过程中过盈配合的力学分析为依据，确定装配阻力的大小；最后通过指导模块的多种反馈方式将装配阻力信息以更加直观、真实的形式传递给学生；
评价模块：通过模糊综合评价法考察虚拟装配过程中学员的工作态度、工作效率、装配技术以及相关知识点掌握情况。
进一步地，所述逻辑处理模块判断所述装配对象零部件是否被其他零件约束，进一步确定所述装配对象零部件是否可以进行装配，装配对象零部件装配可行性判断用于对后续装配过程的引导，判断手柄是否可以拾取触碰到的装配对象零部件，避免装配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装配对象零部件；
所述操作模块通过steam VR工具包和VRTK工具包可以获得零件识别，移动，瞬移，高亮提示的基本脚本，在此基础上通过改编获得项目本身所需要的功能，开发手柄上trigger键，grab键，touchpad键的功能开发，实现零部件拾取、移动、旋转等基本装配功能。
进一步地，所述指导模块基于petri网模型，将装配流程图导入unity工作环境加以显示，同时记录当前工序所在位置，提示当前可选取的零件信息，以及将可选取零件模型高亮显示；具体提示信息有当前可装配零件名称、当前操作分数状态、装配顺序指导图以及专门的装配对象零件介绍区域。
进一步地，所述评价模块选取合适的评价指标以及评价依据，通过记录装配消耗时间给工作效率进行评分，通过记录错误操作次数给工作态度进行评分，通过记录当前装配顺序与最优装配顺序对比进行评分，通过在线答题给知识点掌握情况进行评分；对上述评价指标进行权重分配，根据重要程度不同分配总值为1的权重占比；通过权重矢量和单因素的评价矩阵进行模糊合成变换得到单因素评价结果，再将各指标综合根据权重占比进行综合评价得到最终评价结果。
本发明具有如下优点：本发明一方面构建了完整的评价体系，将模糊综合评价法运用到虚拟装配过程中，提高了系统评价的规范性、全面性；另一方面增加了力觉反馈功能，增加了虚拟装配的沉浸感，真实性，有利于过盈量与装配阻力等方面知识点的教学；最后还加入了诸多指导功能，大大降低了学生虚拟装配实践的上手难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明实施例中，提供的交互式虚拟装配教学平台的方法的方法流程图；
图2为本发明实施例中，提供的交互式虚拟装配教学平台的方法中系统的软硬件环境图；
图3为本发明实施例中，提供的交互式虚拟装配教学平台的方法中系统的整体结构图；
图4为本发明实施例中，提供的交互式虚拟装配教学平台的方法中petri网逻辑模型图；
图5为本发明实施例中，提供的建交互式虚拟装配教学平台的方法中评价模块的装配速度指标的逻辑图；
图6为本发明实施例中，提供的建交互式虚拟装配教学平台的方法中评价模块的装配动作准确度指标的逻辑图；
图7为本发明实施例中，提供的建交互式虚拟装配教学平台的方法中评价模块的装配顺序准确度指标的逻辑图；
图8为本发明实施例中，提供的建交互式虚拟装配教学平台的方法中手柄震动频率逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一：
如图1至图8所示，本实施例提供了一种交互式虚拟装配教学方法及系统。
如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种以减速箱为例的交互式虚拟装配教学方法，所述方法包括：
步骤A1、导入模型零件信息：收集装配对象的相关物理信息，并将所收集到的相关物理信息导入预设的模型软件中，构建所述装配对象的物理模型，随后对物理模型进行优化，且进一步确定所述装配对象中零部件之间的约束关系；
步骤A2、确定装配最优序列：根据所述装配对象的物理模型及其内部约束关系，并考虑相关装配工艺的难易程度，基于Petri网络设计出所述装配对象的逻辑模型，并进一步确定零部件之间的装配优先级；
步骤A3、搭建虚拟装配教学平台：将所述零部件约束、最优装配序列引入unity3d场景，设计多种指导模式，设计力觉反馈系统，搭建与装配对象的交互式虚拟装配教学平台；
步骤A4、构建评价体系，确定虚拟装配教学涉及的相关指标、不同层次指标的权重比、模糊综合评价法采用的模糊综合算子类型；
步骤A5：实时监测使用者的操作状态，记录使用者的装配速度、操作失误次数、装配顺序准确度等相关指标，编写逻辑计算脚本，以模糊综合评价法为基础，对上述关键指标进行单因素评价，最后根据各个指标的权重分配进行综合模糊计算，得到综合评价结果。
其中，所述步骤A1具体包括：
收集所述装配对象的相关信息，所述装配对象的相关信息包括零部件形状、零部件大小、在装配过程中避免零部件之间发生碰撞而产生的零部件之间的空间约束；
将所述收集到的装配对象的相关信息导入软件SolidWorks及3dmax中，在Solidworks中采用自下而上的设计方式建模，对所述装配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，确定零部件装配的可行性，同时确定零部件装配的初始运动方向，。由于Unity 3D没有支持“*.asm”文件的插件，先用Solidworks2011导出“*.wrl”文件，再在3d max中将文件打开，对模型进行材质设置、图片的渲染、模型坐标调整以及模型各个节点的命名。最后导出“*.FBX”的文件，将“*.FBX”文件导入Unity 3D虚拟场景中。
步骤A2、将所述装配对象的零部件约束关系进行整理，基于Petri网络设计出所述装配对象中各零部件的逻辑模型，依据Petri网发生变迁的前置条件，确定每一装配对象零部件的前置变迁集合，进一步理清装配对象的零部件装配优先级。综合考虑装配对象零部件约束关系、装配优先级、装配工艺难易度等指标，绘制相应的APN变迁详情表以及APN(Assembly Petri Net)结构图，获得相应的最优装配序列。
步骤A3、在unity3d中搭建虚拟装配平台，导入多样的装配序列，将所述装配对象约束关系和零部件约束引入装配过程，实现基础演示、鼠标交互、HTC Vive交互多种交互方式，实现具备基础装配功能，装配序列引导、力觉反馈模块的虚拟拆装配平台。
步骤A4、评价体系的构建依赖于模糊综合评价法，首先确认评价目的，即考察使用者的装配效率、装配态度、装配准确率、知识点掌握情况；设置评价指标，即装配过程所用时间、错误操作次数、装配顺序错误次数，在线答题考核分数；分配权重占比，给不同的一级指标、二级指标根据重要程度分配不同的权重(一级指标、二级指标的具体内容如表1所示)；选用模糊综合算子
(该算子属于加权平均型算子，能明显体现权数作用，综合程度较高)对各级指标进行单因素模糊评价和综合模糊评价，根据最大隶属度原则得到最终的评价结果。
模糊综合模型：B＝AoR(此处“o”为模糊合成算子。)
A—四大评价因素的权重矢量；ai∈A；
R—单因素的评价矩阵；rij∈R；
m—一级指标下的二级指标数量，评价指标为U1、U2、U3时取2，评价指标为U4时取3；
n—评价等级级数，此处n取5；
i—依次取遍1至m的自然数；
j—依次取遍1至n的自然数；
表1评价系统指标权重表
如图2为所示，为本发明实施例中，提供的对搭建交互式虚拟装配教学平台的方法中系统的软硬件环境图；
此系统的硬件环境主要包括：计算机、HTC VIVE整套设备；软件环境主要包括：Solidworks、3D Max、Unity 3D、Visual Studio等软件；
其中计算机硬件系统性能如下：(1)操作系统：Microsoft Windows XPProfessional；(2)硬件配置：
CoreTM i7 CPU@3.7GHz，内存：16G，显卡：GTX 1070；(3)屏幕分辨率：1920×1080；
其中HTC VIVE整套设备包含一个头戴式显示器、两个单手持控制器、一个能于空间内同时追踪显示器与控制器的定位系统(Lighthouse)。
其中Solidworks用于装配体三维建模、3D Max用于材质设置、图片的渲染、模型坐标调整以及模型各个节点的命名；
其中Unity 3D是虚拟装配平台搭建的核心，Visual Studio用于控制脚本的编写；
如图3为所示，为本发明实施例中，提供的对搭建交互式虚拟装配教学平台的方法中系统的整体结构图；
搭建交互式虚拟装配系统，首先需要进行开发环境的配置，即正式开发前的准备工作，主要包括减速箱的三维建模和虚拟工厂环境的配置，在此过程中需要使用到Solidworks、3D Max、Unity 3D等软件；
其次是搭建交互式虚拟装配系统的核心部分，通过一定的技术支撑，使用Unity3D、Visual Studio等软件开发系统的核心功能，主要包括操作模块、指导模块、评价模块三大功能模块；
操作模块所需要的关键技术是碰撞检测技术和手柄交互技术。不同于真实的世界，由于虚拟装配环境的自身特性，在装配过程中容易出现穿模等现象，碰撞检测的目的就是检测虚拟空间中多个物体之间是否发生碰撞、接触，从而让虚拟世界中虚拟手柄、减速箱零件之间的交互成为可能，而具体的手柄功能的实现需要进行相关功能脚本的编写，给手柄上的所有按钮添加相应的控制脚本，从而实现装配、装配、力觉反馈等操作功能。
指导模块所需要的关键技术是Petri网逻辑建模和UI交互技术。在虚拟装配系统中，用户可以没有限制的对所有零件进行操作，虽然一定程度上提高了系统的自由度，但这种装配模式将难以避免出现各种违规装配操作，从而降低装配效率以及整体的装配体验。Petri网建模可以获取最优装配序列，配合手柄交互技术可以限制并指导用户的装配操作，UI交互技术可以通过显示零件可装配状态提示栏、零件高亮提示等形式来指导用户顺利完成操作步骤；
评价模块所需要的关键技术是模糊综合平均法。当虚拟装配系统用于教学任务时，系统需要提供当前学生学习状态的实时评价反馈，一方面可用于老师教学的综合测评，另一方面可以反馈给学生警醒自身。由于模糊综合评价法能通过精确的数字手段处理模糊的评价对象，能对信息模糊的指标做出相对科学、合理的量化评价，适用于模糊的、非确定性问题的解决，故本课题选用模糊综合平均法作为虚拟装配教学系统评价模块的基础方法。
如图4所示，为本发明实施例中，提供的对搭建交互式虚拟装配教学平台的方法中petri网逻辑模型图，所述方法包括：
将零件之间的装配优先级描述为父子关系，建立新的APN。定义为APN＝(P,T,F,W,M0,PR,TM)；
其中，P为库所的集合，代表着机械设备整体所处的的某一个装配状态；T为所有变迁的集合，代表着某一个零部件的装配过程；
fi代表着库所与变迁的过渡流，连接着设备状态与零部件装配操作；W为弧上的权重，当权重之和为1时，才满足库所发生变迁的条件，进行下一步的装配操作；M0是变迁初始时刻的状态，后续用于零件装配可行性的判断。M(M为变迁瞬时时刻的状态集合，M0∈M)中的值会随着零部件的装配进程而发生变化，用变迁的状态；PR用于描述零部件之间的父子关系，称为父变迁集，pri∈PR表示当前装配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，当前装配步骤才可以进行，可以很好的表达零部件之间的约束关系与装配优先级；TM用于记录装配每个零部件所花费的时间，为所有装配时间的集合，tmi∈TM记录变迁ti代表的装配操作所需要花费时间；
所以P1～P20代表减速箱装配状态，如P1代表为装配的初始状态，t1～t20代表装配步骤，如t20代表为上箱体的封装；
如图5为所示，为本发明实施例中，提供的对搭建交互式虚拟装配教学平台的方法中的评价模块关键逻辑图，所述方法包括：
在虚拟装配过程中，除了以线上考试为主要方式的考核系统，装配过程中评价模块还需要考察的指标主要包括三大部分：装配速度、装配动作准确度、装配顺序准确度；
图5详细展示了装配教学系统评价装配速度指标的数学逻辑，通常装配速度反映了学生的装配效率，主要通过获取学生当前操作时长，与评价组给出的参照时长进行比对，得到相应阶段分数。该分数将一直显示在学生的操作界面中，实时变化以及实时反馈，一方面用于最终统计，另一方面用于反馈学生当前装配状况。当学生操作过久时，系统将显示“不及格”分数，并且予以红色警告督促学生。
图6详细展示了装配教学系统评价装配动作准确度指标的数学逻辑，通常动作的精确度反映出学生对于虚拟装配的态度，主要通过学生当前的错误操作次数进行统计，例如手柄按键的错误使用、零件是否处于可装配状态的错误判断等等，错误操作次数的统计结果与评价组给出的对照次数进行比较，给出对应阶段的分数，与装配速度的反馈方式相同，装配动作准确度的评价结果同样提供实时分数展示以及红色警告。
图7详细展示了装配教学系统评价装配顺序准确度指标的数学逻辑，相对于上述两组指标的评价方案，装配顺序的评价更加复杂多元。一方面根据Petri网逻辑建模所得出的最优路线结果，筛选其中最为主要、最易出错的关键步骤，另一方面实时通过碰撞检测的位置、零件可装配状态的变化来获取当前的操作状态，判断当前操作所处的工序。两者相互比较识别当前操作顺序的准确性，同样的将结果实时展示并且提供红色警报反馈。
以指标装配速度为例，根据减速箱的装配Petri网模型，在装配过程的关键阶段设置相应节点，不同的节点代表不同的工序，测量不同节点的相隔时间，进行“分段打分”，对装配过程的关键步骤进行计时评价，例如本系统主要考察减速箱四大传动轴的装配时间以及装配总时间。在减速箱装配Petri网对应的位置如表2所示。
表2减速箱传动轴装配时间表
图5详细展示了各个装配工序中系统评价装配速度指标的数学逻辑，主要通过获取学生当前阶段操作时长，与评价组给出的参照时长进行对比，得到相应阶段分数。该分数将一直显示在学生的操作界面中，实时变化以及实时反馈，一方面用于综合成绩考核，另一方面用于反馈学生当前装配状况。当学生操作时间过久时，系统将显示“不及格”提示，并且予以红色信号警告督促学生。
按照表2中数据，以“输出轴2装配”这一工序过程为例，其参考时间为3min，那么相对应的时间判定值t1、t2、t3在3min附近选取，此处分别选定为2.5min、3min、3.5min。在Unity 3D中使用DateTime类脚本获取p2至p11时长t，按照图5的流程进行时长对比，最终输出“输出轴2装配”这一工序的装配速度分数S11。
同理，表2中另外四个工序的评价方式类似,并分别输出装配速度分数S12、S13、S14、S15，按照表中的权重分配数据，减速箱传动轴的最终装配速度指标得分S1＝0.15(S11+S12+S13+S14)+0.40S15。
虚拟装配教学系统的其它指标评价方式同理。当装配过程涉及到的4个指标输出数据结果后，通过模糊综合算子(本专利选取的是
算子类型)对结果按权重比进行模糊综合计算，得到最终的评价结果。
本申请工作时，使用者头戴头盔显示器，从头盔显示器看到装配对象的模型和信息(包含了被拾取装配对象零部件的名称，装配对象零部件装配的状态，装配对象零部件的约束信息，当前装配产生的装配阻力，引导装配过程)。使用者通过操作手柄改变装配对象各零件间的相对位置，将装配对象完成装配。在装配过程中，头盔显示器可显示装配过程提示，手柄可根据不同的状况通过震动频率以模拟真实装配时的受力大小(如过盈量大则震动频率高)。装配过程中，系统根据当前的装配状态实时监测装配各项指标的变化，并根据预设脚本输出显示操作者的各项装配指标。装配结束后，系统将各项装配指标进行模糊综合计算得出最终评价结果。
图8详细展示了装配教学系统力觉反馈功能的数学逻辑。初始时设置初始时刻的装配阻力F＝0,初始时刻的震动频率f＝0。再进一步检测配合状态是否为过盈配合。若为过盈配合，获取零件配合信息：公称直径d、最大过盈量δmax，轴的内径d1、孔的外径d2、轴的泊松比μ1、孔的泊松比μ2、轴的杨氏弹性模量E1、孔的杨氏弹性模量E2，配合面有效长度l、摩擦系数μ；通过以上信息，计算出轴的刚性系数
孔的刚性系数
计算出径向压强
再根据以上计算出的内容更新装配阻力F＝πdμlPmax，因为联接件材料为钢-铸钢，所以取摩擦系数μ＝0.11，取π＝3.14，更新装配阻力公式F＝3.14*0.11*l*d*Pmax；当计算得到数值F＜1000时，更新震动频率f＝500Hz；当计算得到数值F＜2000时，更新震动频率f＝1000Hz；当计算得到数值F＜3000时，更新震动频率f＝2000Hz；当计算得到数值F≥3000时，更新震动频率f＝3000Hz；最后调整手柄的震动频率为更新之后的f,并在提示信息中更新F、f的数值，结束当前装配操作。若检测配合状态处于非过盈配合，那么当前装配操作的震动频率为0，即当前装配操作的手柄无震动情况。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种交互式虚拟装配教学方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A1：导入模型零件信息；
步骤A2：确定装配最优序列；
步骤A3：搭建虚拟装配教学平台：
步骤A4：构建评价体系；
步骤A5：监测使用者的操作状态并对使用者做出综合评价。
2.如权利要求1所述的一种交互式虚拟装配教学方法，其特征在于，所述步骤A1具体包括以下步骤：
步骤A11：收集装配对象的相关信息，所述装配对象的相关信息包括零部件形状、零部件大小、在装配过程中避免零部件之间发生碰撞而产生的零部件之间的空间约束；
步骤A12：将收集到的装配对象的相关信息导入软件SolidWorks及3dmax中，在Solidworks中采用自下而上的设计方式建模；
步骤A13：对所述装配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，确定零部件装配的可行性，同时确定零部件装配的初始运动方向。
3.如权利要求1所述的一种交互式虚拟装配教学方法，其特征在于，所述步骤A2具体包括以下步骤：
步骤A21：将所述装配对象的零部件约束关系进行整理，基于Petri网络设计出所述装配对象中各零部件的逻辑模型，依据Petri网发生变迁的前置条件，确定每一装配对象零部件的前置变迁集合，进一步理清装配对象的零部件装配优先级；
步骤A22：综合考虑装配对象零部件约束关系、装配优先级、装配工艺难易度等指标，绘制相应的APN变迁详情表以及APN(Assembly Petri Net)结构图，获得相应的最优装配序列。
4.如权利要求1所述的一种交互式虚拟装配教学方法，其特征在于，所述步骤A3具体包括以下步骤：
步骤A31：在unity3d中搭建虚拟装配平台，导入多样的装配序列，将所述装配对象约束关系和零部件约束引入装配过程，实现基础演示、鼠标交互、HTC Vive交互多种交互方式，实现具备基础装配功能，装配序列引导、力觉反馈模块的虚拟拆装配平台。
5.如权利要求1所述的一种交互式虚拟装配教学方法，其特征在于，所述步骤A4具体包括以下步骤：
步骤A41：评价体系的构建依赖于模糊综合评价法，首先确认评价目的，即考察使用者的装配效率、装配态度、装配准确率、知识点掌握情况；
步骤A42：设置评价指标，即装配过程所用时间、错误操作次数、装配顺序错误次数，在线答题考核分数；
步骤A43：分配权重占比，给不同的一级指标、二级指标根据重要程度分配不同的权重；
步骤A44：选用模糊综合算子
(该算子属于加权平均型算子，能明显体现权数作用，综合程度较高)对各级指标进行单因素模糊评价和综合模糊评价，根据最大隶属度原则得到最终的评价结果。
6.一种适用于如权利要求1至5任意一项所述的交互式虚拟装配教学方法的系统，其特征在于，包括：逻辑处理模块、操作模块、指导模块、评价模块；
操作模块：主要依赖于手柄的交互功能；操作模块用于实现拾取、移动、旋转零件的基本功能；
逻辑处理模块：主要依赖于脚本的逻辑判断；用于实现装配零件装配可行性的判断；用于处理操作模块传输的传送的数据并将计算后的结果反馈到指导模块，将操作模块传输的传送的数据处理后得到的震动数据传输给力觉反馈模块；
指导模块：主要依赖于头盔显示器的信息提示；指导模块用于在头盔显示器上显示装配对象零部件的基本信息、状态信息，包含了被拾取装配对象零部件的名称，装配对象零部件装配的状态，装配对象零部件的约束信息，引导装配过程；
力觉反馈模块：主要依赖于手柄内部的震动马达；首先通过碰撞检测技术，实况监测零件的装配状态，确定装配阻力产生的时间与位置；其次以装配过程中过盈配合的力学分析为依据，确定装配阻力的大小；最后通过指导模块的多种反馈方式将装配阻力信息以更加直观、真实的形式传递给学生；
评价模块：通过模糊综合评价法考察虚拟装配过程中学员的工作态度、工作效率、装配技术以及相关知识点掌握情况。
7.如权利要求6所述的一种交互式虚拟装配教学，其特征在于，所述逻辑处理模块判断所述装配对象零部件是否被其他零件约束，进一步确定所述装配对象零部件是否可以进行装配，装配对象零部件装配可行性判断用于对后续装配过程的引导，判断手柄是否可以拾取触碰到的装配对象零部件，避免装配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装配对象零部件；
所述操作模块通过steam VR工具包和VRTK工具包可以获得零件识别，移动，瞬移，高亮提示的基本脚本，在此基础上通过改编获得项目本身所需要的功能，开发手柄上trigger键，grab键，touchpad键的功能开发，实现零部件拾取、移动、旋转等基本装配功能。
8.如权利要求6所述的一种交互式虚拟装配教学，其特征在于，所述指导模块基于petri网模型，将装配流程图导入unity工作环境加以显示，同时记录当前工序所在位置，提示当前可选取的零件信息，以及将可选取零件模型高亮显示；具体提示信息有当前可装配零件名称、当前操作分数状态、装配顺序指导图以及专门的装配对象零件介绍区域。
9.如权利要求6所述的一种交互式虚拟装配教学，其特征在于，所述评价模块选取合适的评价指标以及评价依据，通过记录装配消耗时间给工作效率进行评分，通过记录错误操作次数给工作态度进行评分，通过记录当前装配顺序与最优装配顺序对比进行评分，通过在线答题给知识点掌握情况进行评分；对上述评价指标进行权重分配，根据重要程度不同分配总值为1的权重占比；通过权重矢量和单因素的评价矩阵进行模糊合成变换得到单因素评价结果，再将各指标综合根据权重占比进行综合评价得到最终评价结果。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110439986.2A CN113077679A (zh) | 2021-04-23 | 2021-04-23 | 一种交互式虚拟装配教学方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110439986.2A CN113077679A (zh) | 2021-04-23 | 2021-04-23 | 一种交互式虚拟装配教学方法及系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113077679A true CN113077679A (zh) | 2021-07-06 |
Family
ID=76618402
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110439986.2A Pending CN113077679A (zh) | 2021-04-23 | 2021-04-23 | 一种交互式虚拟装配教学方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113077679A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113744590A (zh) * | 2021-09-03 | 2021-12-03 | 广西职业技术学院 | 基于纯电动汽车高压部分虚拟拆装检测的vr互动教学装置 |
| CN113781859A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-12-10 | 广西电网有限责任公司北海供电局 | 一种基于虚拟仿真的电缆接头制作培训考核系统及方法 |
| CN115344157A (zh) * | 2022-09-02 | 2022-11-15 | 西交利物浦大学 | 装配操作评价方法、装置、电子设备和存储介质 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5513666B1 (ja) * | 2013-08-23 | 2014-06-04 | 貴章 春日 | 放射線の遮へい方法学習教材 |
| CN107784189A (zh) * | 2017-11-22 | 2018-03-09 | 北京理工大学 | 基于面向对象层次时间Petri网的装配工艺模型建立方法 |
| CN108646926A (zh) * | 2018-08-29 | 2018-10-12 | 常州天眼星图光电科技有限公司 | 机械制造模具虚拟装配培训系统及培训方法 |
| CN110096141A (zh) * | 2019-03-28 | 2019-08-06 | 南昌理工学院 | 多轴无人机虚拟装配的自主学习方法及系统 |
| CN110334943A (zh) * | 2019-07-04 | 2019-10-15 | 武汉理工大学 | 交互式虚拟拆卸教学方法及系统 |
| CN111833436A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-10-27 | 华中科技大学 | 一种基于Unity 3D的自适应装配指导方法及系统 |
| CN112150875A (zh) * | 2020-09-04 | 2020-12-29 | 浙江工业大学 | 一种模具虚拟拆装实训工厂交互式教学平台 |
-
2021
- 2021-04-23 CN CN202110439986.2A patent/CN113077679A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5513666B1 (ja) * | 2013-08-23 | 2014-06-04 | 貴章 春日 | 放射線の遮へい方法学習教材 |
| CN107784189A (zh) * | 2017-11-22 | 2018-03-09 | 北京理工大学 | 基于面向对象层次时间Petri网的装配工艺模型建立方法 |
| CN108646926A (zh) * | 2018-08-29 | 2018-10-12 | 常州天眼星图光电科技有限公司 | 机械制造模具虚拟装配培训系统及培训方法 |
| CN110096141A (zh) * | 2019-03-28 | 2019-08-06 | 南昌理工学院 | 多轴无人机虚拟装配的自主学习方法及系统 |
| CN110334943A (zh) * | 2019-07-04 | 2019-10-15 | 武汉理工大学 | 交互式虚拟拆卸教学方法及系统 |
| CN111833436A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-10-27 | 华中科技大学 | 一种基于Unity 3D的自适应装配指导方法及系统 |
| CN112150875A (zh) * | 2020-09-04 | 2020-12-29 | 浙江工业大学 | 一种模具虚拟拆装实训工厂交互式教学平台 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113781859A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-12-10 | 广西电网有限责任公司北海供电局 | 一种基于虚拟仿真的电缆接头制作培训考核系统及方法 |
| CN113744590A (zh) * | 2021-09-03 | 2021-12-03 | 广西职业技术学院 | 基于纯电动汽车高压部分虚拟拆装检测的vr互动教学装置 |
| CN115344157A (zh) * | 2022-09-02 | 2022-11-15 | 西交利物浦大学 | 装配操作评价方法、装置、电子设备和存储介质 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113077679A (zh) | 一种交互式虚拟装配教学方法及系统 | |
| CN108646926B (zh) | 机械制造模具虚拟装配培训系统及培训方法 | |
| CN108492661A (zh) | 一种三维虚拟实验培训系统 | |
| CN107908300A (zh) | 一种用户鼠标行为的合成与模拟方法及系统 | |
| KR20060126727A (ko) | ３차원 모션 기술을 이용하는 홈 엔터테인먼트용 개선된제어 장치 | |
| CN109215441A (zh) | 一种钢琴教学方法、装置及计算机存储介质 | |
| CN109407544A (zh) | 非侵入式数据提取系统的仿真机台操作画面的系统模块 | |
| CN110135487A (zh) | 一种电脑用户鼠标行为模拟方法 | |
| CN110442510A (zh) | 一种页面属性获取方法、装置及计算机设备、存储介质 | |
| CN111341166A (zh) | 应急演练系统的控制方法及系统 | |
| US7496411B2 (en) | Functional object data, functional object imaging system, and object data transmitting unit, object data receiving unit and managing unit for use in the functional object imaging system | |
| CN105867612A (zh) | 显示管理方法和关联计算机程序产品及电子设备 | |
| CN110896361B (zh) | 一种基于增强现实的信息物理系统可视化及故障定位方法 | |
| CN113744590A (zh) | 基于纯电动汽车高压部分虚拟拆装检测的vr互动教学装置 | |
| JPH11328243A (ja) | プラント設計支援システム | |
| CN115273569B (zh) | 一种智能光影引导系统 | |
| CN110942519A (zh) | 一种计算机组装虚拟实验系统及其实现方法 | |
| CN115359184A (zh) | 一种包含机械仿真和虚拟维修属性的综合建模方法 | |
| CN115167840A (zh) | 一种基于机械仿真与虚拟维修的应用案例零代码构建平台 | |
| CN107703917A (zh) | 控制器性能检测方法及系统 | |
| Ernst et al. | Creating virtual worlds with a graspable user interface | |
| TWI769676B (zh) | 人工智慧輔助實境機台維修訓練方法 | |
| CN112936342A (zh) | 基于人体姿态识别算法的实体机器人动作评测系统及方法 | |
| CN106570620A (zh) | 生产引导方法及系统 | |
| Eriksson et al. | Automating the CAD to Virtual Reality Pipeline for Assembly Simulation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210706 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |