CN116167222A - 一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验方法及系统，本方法通过对虚拟场景进行材质属性和烘焙技术处理生成虚拟环境，基于建模规范进行产品三维模型的建立，对三维模型进行轻量化和精细化处理，通过数据处理进行数字样机模型的格式转换，将转换后的数字样机模型加载到虚拟环境中，对环境中的模型添加动力学约束和拆卸的依赖关系，通过绑定指令设备实现交互功能至用户，对产品部件的常见故障进行收集工作，对产品模型选择的故障部件进行虚拟故障注入，完成虚拟维修任务试验。本发明基于一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验方法，克服了以往数字化样机模型加载的不足，在产品设计初期能够发现可能出现的问题，保证了产品维修的效率。

Description

一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验方法及系统

技术领域

本发明涉及维修性设计及验证的技术领域，具体涉及一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验方法。

背景技术

随着全球经济的班速发展与产品市场竞争的日趋激烈，客户对产品多样化、个性化的要求日益增多。产品的创新性己经成为企业市场竞争的核也竞争力，而产品创新性主要体现在对客户的响应速度和响应品质上。在产品的研发中，传统的物理样机设计流程已经无法满足多变的、发展的市场需求，而想要在市场竞争中脱颖而出，就要缩短产品的开发周期、快速的响应市场、降低生命周期的成本、提高产品质量。在持续发展的战略下，企业自身必须解决新产品的研发时间、产品质量、研发成本、售后服务等问题。数字化样机加载就是在这样的市场背景下产生的。

数字化样机加载后对模型的维修试验也是必不可少的一个环节。通过对数字化样机进行虚拟故障注入，以完成对样机模型的维修试验。模拟故障产生的维修作业，可通过用故障件代替正常件﹑接入或拆除不易察觉的零件、元件、单元或电路、故意造成失调等方法，产生模拟故障。故障程度应足以代表需检验的维修作业。凡有某种潜在危险或不安全的故障，一般不得模拟；确有必要，应经批准并采取相应安全措施。

CN112182878A，一种用于民机维修的机器人仿真实验测试方法及装置。其中，该方法包括：建立机器人三维模型；根据所述机器人三维模型，构建机器人动力学模型；根据所述机器人三维模型和所述机器人动力学模型，建立机器人仿真平台；利用所述机器人仿真平台对机器人进行仿真实验测试。本发明解决了目前现有技术中尚无法对机器人维修维护仿真实验进行测试的技术问题。

该专利中的三维模型处理方法与本发明中的三维模型处理方法不同，该专利中的三维模型没有精细化处理，一些关键部位的测试可能不完善，缺少格式转换导致只适用于一定的软件；缺少虚拟维修环境的构建，不能做到虚实交互；不能针对产品部位的特定故障进行维修任务的项目试验。

本发明的解决办法是在虚拟维修系统模块中添加数字样机处理模块，包括轻量化处理子模块、格式转换子模块、精细化处理子模块、辅助处理子模块等，通过该模块对数字样机模型进行处理，为后续工作夯实基础；添加虚拟维修场景构建模块和场景交互模块，包括模型导入子模块、虚拟场景构建子模块和指令设备绑定子模块，将数字样机模型导入构建的虚拟维修场景中，添加动力学约束等，再通过指令设备绑定做到虚实交互；添加故障注入模块和维修试验验证模块，通过先行收集一定产品部件的常见故障，再选择故障部件将虚拟故障导入其中，通过维修试验验证模块完成对故障部件的维修任务试验。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验方法及系统。本发明的技术方案如下：

一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验方法，其包括以下步骤：

S1：对产品的虚拟维修仿真任务进行设计；

S2：对虚拟环境的建模方案设计；

S3：虚拟环境三维模型的优化；

S4：虚拟环境模型材质及烘培处理；

S5：对产品的数字化样机精细建模；

S6：根据前面的数字化样机模型结果，将数字化样机加载到虚拟环境中，建立动力学及物理约束；

S7：根据交互设备的不同，绑定交互设备，实现交互功能至用户；

S8：针对产品的常见故障进行收集处理，并选择一定故障导入到相关部件中；

S9：故障注入到目标系统中后，运行系统，并对系统的状态和行为进行分析试验验证。

进一步的，所述步骤S5对产品数字样机在虚拟环境中的处理包括：

对数字样机进行模型转换；轻量化处理数字样机模型；添加纹理、颜色，对数字样机的各个零部件进行重组。

进一步的，所述步骤S6数字样机加载包括：

导入处理后的数字样机，并根据虚拟维修场景需要，在虚拟环境中添加其他数字模型、维修工具、辅助设备；各样机的尺寸以及之间的位置关系符合实际情况。

进一步的，所述步骤S7：根据交互设备的不同，绑定交互设备，实现交互功能至用户，交互设备的操作绑定方法具体包括：

基于Virtual-Reality Peripheral Network(VRPN)协议，将用于虚拟维修仿真的各类交互功能绑定到虚拟现实外围设备上。

进一步的，所述步骤S9故障注入到目标系统具体包括：

针对产品常见故障进行收集后，选择一定故障，并选定相关部件，根据选取的故障类型，调用数据库内的故障信息，将选定的故障注入到目标系统中，运行系统，并对系统的状态和行为进行分析。

进一步的，所述步骤S9的产品虚拟维修仿真任务设计方法包括：

对产品实际维修任务及过程进行分析，确定虚拟维修方案及流程；

根据具体的维修任务场景，获取所需的维修工具、辅助保障资源清单；

获取该产品的常见故障类型、故障部件；获取该虚拟维修试验需要进行的产品维修性试验项目。

一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验仿真系统，其包括：

数据库管理模块：用于存储、读取虚拟维修场景中常用的维修保障资源的数字模型；

数字样机处理模块：对数字样机进行轻量化处理，模型的精细化处理以及格式转换等其他处理工作；

虚拟维修场景构建模块：导入处理后的数字样机，建立维修任务场景，并为场景中的物体建立动力学和物理约束；

材质处理及烘焙模块：对维修场景进行材质属性的调整及烘焙的处理；

场景交互模块：用于将虚拟仿真相关的交互指令绑定到虚拟现实相关设备上；

动作捕捉模块：捕捉并记录用户在虚拟场景中的动作数据，用以支持场景交互，后续的故障注入以及维修任务环节；

故障注入模块：对选择的样机故障部件进行指定故障的注入，以完成后续的维修任务试验；

维修试验验证模块：在虚拟维修仿真过程中，对产品进行故障注入操作后，在目标系统中对维修试验项目进行试验，维修试验项目、内容及标准，由维修设计人员根据产品的实际维修性设计要求而制定；

进一步的，所述数字样机处理模块包括：

轻量化处理子模块：对数字样机进行轻量化处理，减少数据量，排除不必要的信息；

格式转换子模块：用于将数字样机进行格式转换，方便后续的故障注入以及维修试验验证；

精细化处理模块：对数字样机的纹理、颜色等进行调整，样机模型的边角进行处理；

辅助处理子模块：对数字样机的各个零部件进行重组。

进一步的，所述虚拟维修场景构建模块包括：

模型导入子模块：用于将数字样机及虚拟场景中所需的其他维修保障资源的数字模型导入到虚拟环境中；

虚拟场景构建子模块：构建虚拟维修场景，还原真实产品维修情景；

动力学及物理约束模块：为虚拟场景中的物体施加符合真实情况的动力学及物理约束；

所述场景交互模块包括：

指令设备绑定子模块：用于将交互操作指令绑定到交互设备上，用于用户与虚拟场景展开交互。

进一步的，所述动作捕捉模块包括：

动作数据捕捉采集子模块：用于捕捉并采集用户的动作数据；

交互命令定位子模块：用于为交互指令提供定位信息；

视觉跟踪子模块：用于当用户在虚拟场景视线发生移动时，提供跟踪定位服务；

所述虚拟维修试验验证模块：

用于在虚拟维修仿真的交互过程中，在虚拟维修仿真过程中，对产品进行故障注入操作后，在目标系统中对维修性试验项目进行试验，维修试验项目、内容及标准，由维修性设计人员根据产品的实际维修性设计要求而制定；

所述数据库管理模块包括：

存储子模块：用于存储虚拟维修场景中常用的维修保障资源的数字模型；

读取子模块：用于读取虚拟维修场景中常用的维修保障资源的数字模型。本发明的优点及有益效果如下：

(1)本发明针对产品可以快速完整地完成数字化样机加载。现有的数字化样机建立方法是简单直接的进行数字化样机模型的建立，而本发明针对新产品的模型进行了多次的模型格式转换，在不同软件上都进行了模型的完善修正，为后续的虚拟维修试验夯实了基础。

(2)本发明能够为维修设计人员具有良好的交互感，使设计人员参与到维修仿真过程当中，通过在虚拟环境下与数字样机进行交互，提高了维修试验验证的准确性。

(3)本发明提供了一套完整的，在产品初期设计阶段就可以实行的虚拟维修试验方法及系统，满足了当前复杂产品设计的需要，缩短了设计周期，降低了维修成本，提高了维修效率。

本发明的创新主要是权利要求中的数字样机处理模块和步骤S8、S9。数字样机处理模块针对数字样机的三维模型进行了轻量化、精细化以及格式转换处理，使三维模型更符合实际，为后续导入到虚拟维修场景中进行虚拟维修试验夯实了基础。步骤S8、S9是为虚拟维修任务的生成收集故障部件的常见故障，并将虚拟故障注入到故障部件中，其优点在于能够在产品设计初期发现存在的问题从而进行改善，缩短了设计周期，降低了维修成本，提高了维修效率。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例的虚拟维修方法流程图；

图2为本发明实施例中的虚拟维修系统模块结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

基于虚拟现实技术对产品维修性设计进行交互式的验证，与传统的单单使用仿真软件进行虚拟维修试验验证有着非常不同之处。

图1是本发明的一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验方法的总览，其包括：

S1：设计产品虚拟维修仿真任务。

其中，设计产品虚拟维修仿真任务具体包括：首先详细分析产品实际的维修任务及过程，对修维对象、维修步骤以及维修保障资源(如维修工具，辅助工装等)进行梳理。

之后，基于对实际维修过程的分析，确定虚拟维修仿真实施方案。该方案包括对虚拟维修仿真中维修部件的确定、具体维修步骤的建立以及维修保障资源的获取。

对于不同的产品，要针对产品特点制定维修试验项目，其中，通用维修性试验项目为可视性、可达性、操作空间、维修姿态等。该步骤中，设计人员应当结合实际的产品维修性要求，制定维修性试验的类别和试验标准。

S2：数字样机处理。

三维建模软件创建的数字样机的格式各不相同，导致各种格式的数字样机所包含的参数类型、信息也有较大差异。因此，传统的数字样机不能直接用来进行虚拟维修仿真，需要进行模型转换。此步骤将各种数字样机的格式转换成可以进行虚拟交互的统一格式。

在完成模型转换后，对模型进行轻量化处理。该步骤的意义是减少模型的数据量，提高渲染效率和交互效率。该步骤可以借助轻量化算法来完成。

此外，根据实际仿真需要，对数字样机进行其他预处理工作，如删减不影响虚拟维修仿真而又不必要的数字样机部件、增加维修仿真需要的模型部件以及将若干个部件归一化为一个整体，增加纹理、颜色等，以提高虚拟维修环境的真实感和交互效率。

S3：构建虚拟维修场景，建立动力学及物理约束。

虚拟维修场景是整个虚拟维修仿真的环境，该环境很大程度上提高了虚拟维修工作的真实性。在虚拟维修样机构建完成之后，将所有的虚拟样机以及约束按照一定的规则和次序加入到虚拟维修场景中，使整个虚拟场景的内容逐渐丰富，为虚拟维修工作的进行提供更合理的环境。该步骤具体包括：

将S2中的样机导入到虚拟场景中。

将环境中的其他虚拟样机如工作台、维修辅助工具等按照确定好的位置关系加载到虚拟环境中。

根据现实世界中产品各部件的动力学特性以及物理属性，为虚拟场景中的各个样机添加动力学以及物理学约束。例如，为只有相对转动的结构件添加铰链转动副，为只有相对移动的结构件之间添加移动副。根据物体在运动中和受力作用后形状大小的变化关系，将物体设置为刚体或柔体，以及为整个虚拟世界设置重力加速度等。

S4：对虚拟维修场景进行材质属性的处理和烘托处理。

为了将虚拟维修场景变得更加真实立体，需要对虚拟场景进行材质属性的处理和烘托处理。材质属性的处理可以让场景中的模型材质更加贴合实际，烘托处理让整个虚拟维修环境更加真实。

S5：配置交互功能。

用户与虚拟维修场景的交互需要借助虚拟现实设备，根据交互目的的不同，需要对这些设备的功能进行配置。基于Virtual-Reality PeripheralNetwork(VRPN)协议，将维修虚拟仿真中所需的交互设备映射到VRPN中的标准设备上，以此将虚拟维修交互指令绑定在交互设备中。

S6：虚拟故障注入。

模拟故障产生的维修作业，可通过用故障件代替正常件﹑接入或拆除不易察觉的零件、元件、单元或电路、故意造成失调等方法，产生模拟故障。故障程度应足以代表需检验的维修作业。凡有某种潜在危险或不安全的故障，一般不得模拟；确有必要，应经批准并采取相应安全措施。

S7：对产品维修性进行试验。

在上述步骤完成之后，开展虚拟维修环境下的产品维修性核查工作。开展维修性核查的具体方式是：

用户在虚拟环境中按照已经制定好的虚拟维修仿真方案，按照虚拟维修流程，在维修路径上进行移动，接近虚拟样机，调整维修姿态，对虚拟样机进行拆装、剖切等操作。此外，用户还可以对虚拟环境中的物体进行测距，标记等。

在该过程中，根据制定好的维修性试验项目、内容以及标准，结合虚拟环境中捕捉到的数据，对产品维修性项目进行试验。维修性试验项目、内容及标准，应由设计人员根据产品的实际维修性设计要求而制定。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对产品的虚拟维修仿真任务进行设计；

S2：对虚拟环境的建模方案设计；

S3：虚拟环境三维模型的优化；

S4：虚拟环境模型材质及烘培处理；

S5：对产品的数字化样机精细建模；

S6：根据前面的数字化样机模型结果，将数字化样机加载到虚拟环境中，建立动力学及物理约束；

S7：根据交互设备的不同，绑定交互设备，实现交互功能至用户；

S8：针对产品的常见故障进行收集处理，并选择一定故障导入到相关部件中；

S9：故障注入到目标系统中后，运行系统，并对系统的状态和行为进行分析试验验证。

2.根据权利要求1所述的一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验方法，其特征在于，所述步骤S5对产品数字样机在虚拟环境中的处理包括：

对数字样机进行模型转换；轻量化处理数字样机模型；添加纹理、颜色，对数字样机的各个零部件进行重组。

3.根据权利要求1所述的一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验方法，其特征在于，所述步骤S6数字样机加载包括：

导入处理后的数字样机，并根据虚拟维修场景需要，在虚拟环境中添加其他数字模型、维修工具、辅助设备；各样机的尺寸以及之间的位置关系符合实际情况。

4.根据权利要求1所述的一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验方法，其特征在于，所述步骤S7：根据交互设备的不同，绑定交互设备，实现交互功能至用户，交互设备的操作绑定方法具体包括：

基于Virtual-Reality Peripheral Network(VRPN)协议，将用于虚拟维修仿真的各类交互功能绑定到虚拟现实外围设备上。

5.根据权利要求1所述的一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验方法，其特征在于，所述步骤S9故障注入到目标系统具体包括：

针对产品常见故障进行收集后，选择一定故障，并选定相关部件，根据选取的故障类型，调用数据库内的故障信息，将选定的故障注入到目标系统中，运行系统，并对系统的状态和行为进行分析。

6.根据权利要求5所述的一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验方法，其特征在于，所述步骤S9的产品虚拟维修仿真任务设计方法包括：

对产品实际维修任务及过程进行分析，确定虚拟维修方案及流程；

根据具体的维修任务场景，获取所需的维修工具、辅助保障资源清单；

获取该产品的常见故障类型、故障部件；获取该虚拟维修试验需要进行的产品维修性试验项目。

7.一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验仿真系统，其特征在于，包括：

数据库管理模块：用于存储、读取虚拟维修场景中常用的维修保障资源的数字模型；

数字样机处理模块：对数字样机进行轻量化处理，模型的精细化处理以及格式转换等其他处理工作；

虚拟维修场景构建模块：导入处理后的数字样机，建立维修任务场景，并为场景中的物体建立动力学和物理约束；

材质处理及烘焙模块：对维修场景进行材质属性的调整及烘焙的处理；

场景交互模块：用于将虚拟仿真相关的交互指令绑定到虚拟现实相关设备上；

动作捕捉模块：捕捉并记录用户在虚拟场景中的动作数据，用以支持场景交互，后续的故障注入以及维修任务环节；

故障注入模块：对选择的样机故障部件进行指定故障的注入，以完成后续的维修任务试验；

维修试验验证模块：在虚拟维修仿真过程中，对产品进行故障注入操作后，在目标系统中对维修试验项目进行试验，维修试验项目、内容及标准，由维修设计人员根据产品的实际维修性设计要求而制定。

8.根据权利要求7所述的一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验仿真系统，其特征在于，所述数字样机处理模块包括：

轻量化处理子模块：对数字样机进行轻量化处理，减少数据量，排除不必要的信息；

格式转换子模块：用于将数字样机进行格式转换，方便后续的故障注入以及维修试验验证；

精细化处理子模块：对数字样机的纹理、颜色等进行调整，样机模型的边角进行处理；

辅助处理子模块：对数字样机的各个零部件进行重组。

9.根据权利要求7所述的一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验仿真系统，其特征在于，所述虚拟维修场景构建模块包括：

模型导入子模块：用于将数字样机及虚拟场景中所需的其他维修保障资源的数字模型导入到虚拟环境中；

虚拟场景构建子模块：构建虚拟维修场景，还原真实产品维修情景；

动力学及物理约束子模块：为虚拟场景中的物体施加符合真实情况的动力学及物理约束；

所述场景交互模块包括：

指令设备绑定子模块：用于将交互操作指令绑定到交互设备上，用于用户与虚拟场景展开交互。

10.根据权利要求7所述的一种数字化样机加载与虚拟故障维修试验仿真系统，其特征在于，所述动作捕捉模块包括：

动作数据捕捉采集子模块：用于捕捉并采集用户的动作数据；

交互命令定位子模块：用于为交互指令提供定位信息；

视觉跟踪子模块：用于当用户在虚拟场景视线发生移动时，提供跟踪定位服务；

所述虚拟维修试验验证模块：

用于在虚拟维修仿真的交互过程中，在虚拟维修仿真过程中，对产品进行故障注入操作后，在目标系统中对维修性试验项目进行试验，维修试验项目、内容及标准，由维修性设计人员根据产品的实际维修性设计要求而制定；

所述数据库管理模块包括：

存储子模块：用于存储虚拟维修场景中常用的维修保障资源的数字模型；

读取子模块：用于读取虚拟维修场景中常用的维修保障资源的数字模型。

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