CN116453388A - 压雪机虚拟装配系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压雪机虚拟装配系统及方法，由交互系统、控制系统和虚拟装配软件平台组成。交互系统包括计算机、光学跟踪定位系统、以太网交换机和无线接收设备。控制系统包括VR眼镜和VR手柄控制器。虚拟装配软件平台包括压雪机的虚拟装配教学、训练和考核。压雪机虚拟装配方法按照拾取、移动、高亮、监听手柄事件、碰撞检测、装配等步骤实现雪铲和雪犁两大主要工作部件的装配。使用者可以学习正确装配流程，使用VR手柄选择拾取对应零件操作练习装配过程，系统可对其操作记录评分，实现培训的考核。本发明可对压雪机装配过程进行直观教学、训练和考核，使用户获得良好沉浸式体验，有助企业实现产品快速设计、装配和维修培训。

Description

压雪机虚拟装配系统及方法

技术领域

本发明属于虚拟现实技术领域，更具体的，涉及一种压雪机虚拟装配系统及方法。

背景技术

压雪机是滑雪场中不可或缺的设备之一，并且随着我国压雪机相关企业的不断增多，对于压雪机设备维修的人员需求也越来越多。压雪机的装配过程较为复杂，单纯的理论讲解很难达到理想的效果，因此需要让操作员进行实机操作培训，但实体设备数量有限，难以满足对多数人同时进行培训，单台设备只能少数人进行操作，培训效率低，培训工作耗费大量人力物力。

本发明针对压雪机的装配过程较为复杂，单纯的理论知识很难达到理想的培训效果；培训设备实体数量紧缺，一次只能对少数人员培训，造成压雪机装配的培训教学效率低；而传统计算机平面端的装配教学效果差等缺点，提出了一种压雪机虚拟装配系统及方法，在VR环境下可以更为直观逼真展示压雪机并完成装配操作，甚至可以实现现实生活中很难实现的动作。可以对学员进行全面培训，帮助其更好掌握压雪机装配技能，解决了设备紧缺，培训效率低以及工作作业安全等问题，并提高培训教学效率，降低培训成本。

发明内容

为实现上述目的，本发明提出了一种压雪机虚拟装配系统及方法，主要由交互系统、控制系统和虚拟装配软件平台组成，用户穿戴VR眼镜和VR手柄控制器后可进行压雪机的虚拟装配，使真实的压雪机装配过程在VR虚拟场景中重现。

交互系统包括计算机、光学跟踪定位系统、以太网交换机和无线接收设备；控制系统包括VR眼镜和VR手柄控制器；虚拟装配软件平台包括虚拟装配教学、虚拟装配训练和虚拟装配考核。

交互系统主要用于实现本虚拟装配实验系统和硬件设备之间的空间位置、控制信号等数据的交互；控制系统中，VR眼镜和VR手柄控制器与计算机进行连接，VR眼镜用于向用户呈现画面、音频等信息，VR手柄控制器用于采集用户手部按钮的控制信号传给计算机；虚拟装配软件平台用来学员进行压雪机虚拟装配培训和考核。

交互系统中，光学跟踪系统主要通过多个光学摄像头组成，多个光学跟踪摄像头交叉放置，从多个方向实现定位用户的信息和操作，光学跟踪定位系统采集VR眼镜和VR手柄控制器发送的空间位置和旋转角度信息数据并由无线接收器接受信息，发送给计算机，并利用虚拟装配平台软件进行处理，计算机将调整后的虚拟空间的场景画面传到VR眼镜中呈现给人眼；以太网交换机的作用就是连接电脑、光学跟踪定位系统的光学摄像头等设备,使其网络设备互通，通过数据交换的方式来进行数据传输。

控制系统中，VR眼镜和VR手柄控制器上的四个反光标记点用于被光学跟踪定位系统的光学摄像头进行光学捕捉定位，用来采集用户的空间位置信息、控制指令和动作姿态等信息，VR手柄控制器发送用户的按钮拾取、选择等操作控制信息，VR眼镜将接收画面和音频信息反馈给用户。

虚拟装配软件平台中，用户穿戴VR眼镜和VR手柄控制器后，根据软件平台系统界面、语音的提示和正确的装配顺序进行压雪机的雪铲和雪犁两大主要工作部件的装配学习操作，用户使用VR手柄控制器的拾取按钮来选择拾取装配的对应零件按照正确流程进行装配练习考核，虚拟装配教学中的压雪机装配流程视频演示用于指导用户进行压雪机装配流程的学习，在虚拟装配训练中，用户使用VR手柄进行拾取和安装压雪机的雪铲、雪犁各零件，按照正确的零件装配流程在虚拟的环境下完成对压雪机的装配，在虚拟装配考核中，完成压雪机装配之后，会对其关于装配完成度和正确度进行考核，考核的结果将会量化并将数据传输至计算机当中。

压雪机虚拟装配方法，包括以下步骤：

S1:利用VR手柄拾取压雪机需要装配零件；

S2:按住VR手柄扳机键，手柄位置信息赋予零件，将零件移动至指定安装位置；

S3:判断零件是否移动至指定安装位置，如果是，则安装位置高亮，提示安装位置；如果否，则重复S2，继续移动。

S4:监听手柄扳机松开事件，零件从手柄上脱落，安装位置高亮提示消失；

S5:装配体与被装配零件中添加碰撞体组件，使两者具有碰撞检测属性。

S6:监听装配体与被装配体是否发生碰撞；如果碰撞检测触发，执行步骤S7；若碰撞事件没有触发，装配失败，重复S1-S6，重新选择零件装配。

S7：调整零件移动到目标精确位置，完成装配。

压雪机的雪铲正确的装配流程为：第一步安装雪铲主体，第二步安装雪铲左翼或者雪铲右翼，二者为并行安装顺序；若安装的是安装雪铲左翼，则第三步则是安装左翼销轴二和左翼销轴三，二者为并行安装顺序；若安装的是安装雪铲右翼，则第三步则是安装右翼销轴二和右翼销轴三，二者为并行安装顺序；若安装左翼销轴二和左翼销轴三后，第四步则应该安装左翼液压缸，然后再安装左翼销轴一(左端)和然后再安装左翼销轴一(右端)；若安装右翼销轴二和右翼销轴三后，接下来应安装右翼液压缸，然后再安装右翼销轴一(左端)和右翼销轴一(右端)，最后用户完成上述雪铲所有的装配训练。

压雪机的雪犁正确装配顺序：第一步进行雪犁后托架的装配；第二步进行左雪仓或者右雪仓，二者为并行安装顺序；第三步进行万向节或者压雪板的装配，二者为并行安装顺序；若上一步骤安装的是万向节则第三步应安装左雪犁辊或者右雪犁辊，二者为并行安装顺序；若第二步骤安装的是压雪板则第三步应安装压雪板左固定骨架或者压雪板右固定骨架，二者为并行安装顺序；完成以上步骤后，最后一步是进行雪犁左耳翼和雪犁右耳翼的装配，二者为并行装配关系；最后用户完成上述雪犁所有的装配训练。

用户佩戴VR头盔可沉浸在此实验系统的虚拟场景中，获得很好的视觉和听觉的体验，用户操作VR手柄控制器可实现在虚拟装配空间的漫游体验。

用户不仅可以安全的在虚拟环境下完成压雪机的装配操作，还可以体验到在现实场景中无法实现的内部结构可视化操作，进一步帮助受训人员了解压雪机关键部位的内部结构。

附图说明

图1是本发明系统的结构组成图。

图2是本发明系统的零件装配方法流程图。

图3是本发明系统的零件拾取流程图

图4是本发明系统的雪铲装配顺序图。

图5是本发明系统的雪铲装配界面图。

图6是本发明系统的雪犁装配顺序图。

图7是本发明系统的雪犁装配界面图。

具体实施方式

以下将结合附图1-7对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提出了一种于VR技术的压雪机虚拟装配系统，主要由虚拟装配软件平台、交互系统和控制系统组成，其中，虚拟装配软件平台包括虚拟装配教学、虚拟装配训练和虚拟装配考核，交互系统包括光学跟踪定位系统、以太网交换机和无线接收设备，控制系统包括VR眼镜和VR手柄控制器。

交互系统主要负责计算机中的虚拟装配实验系统和硬件设备之间的空间位置、控制信号等数据的交互，光学跟踪定位系统的作用是采集VR眼镜和VR手柄控制器的反光标记点的的空间位置信息和旋转角度等信息，用于定位用户的位置姿态及手部姿态，无线接收器将用户操作等数据传给计算机，计算机将调整后的虚拟空间的场景画面传到VR眼镜中呈现给人眼，以太网交换机的作用就是连接计算机、光学跟踪定位系统的光学摄像头等设备,使其网络设备互通，通过数据交换的方式来进行数据传输。

控制系统主要由VR眼镜和VR手柄控制器组成，VR眼镜用于向用户呈现画面、音频等信息，VR手柄控制器用于采集用户手部按钮的控制信号传给计算机，VR眼镜和VR手柄控制器上的各有4个反光标记点，反光标记点用于被光学跟踪定位系统的光学摄像头进行光学捕捉定位，VR眼镜和VR手柄控制器向计算机传输用户的空间位置信息、控制指令和动作姿态等信息，VR手柄控制器发送用户的按钮拾取、选择等操作控制信息，VR眼镜将接收画面和音频信息反馈给用户，可以与虚拟环境中的压雪机进行交互，对压雪机关键部件进行拆装。

虚拟装配软件平台中的虚拟装配教学中，用于演示压雪机雪铲和雪犁两大工作部件装配过程的视频，用户可观看装配教学视频进行正确装配步骤的学习，再虚拟装配训练中，用户使用VR手柄进行拾取和安装压雪机的雪铲、雪犁各零件，按照正确的零件装配流程在虚拟的环境下完成对压雪机的装配，在虚拟装配考核中，完成压雪机装配之后，会对其关于装配完成度和正确度进行考核，考核的结果将会量化并将数据传输至计算机当中。

如图2所示，压雪机虚拟装配方法，包括以下步骤：

零件拾取过程中手柄发出射线，指向压雪机需要装配的零件，得到射线对象后响应射线进入事件，系统判断此零件是否可拾取，若零件选择正确则记录此零件的装配目标位置，若不正确则响应射线离开事件，不在记录此零件需重新选择零件。

系统得到手柄控制器对象，系统获取手柄和被射线选择零件的空间位置信息，然后响应手柄扣动扳机事件，被拾取零件的父节点是手柄的子节点，零件随手柄一起移动，将零件移动至指定安装位置。

当零件移动到距离安装正确位置的一定范围时，系统判断被装配体和装配体间的距离是否为满足提示条件，若满足距离条件，则通知安装位置高亮，提示安装位置，如果不满足继续移动零件。

系统监听手柄松开扳机事件，进行零件松开步骤，被拾取零件不再是手柄的子节点，零件从手柄上脱落，通知安装位置高亮消失。安装位置高亮提示消失，零件从手柄上脱落。

在装配体与被装配零件中添加的Collider碰撞体组件，使两者具有碰撞检测属性，能检测到两个物体是否发生接触，“void OnTriggerEnter(Collider other)”实现碰撞接触的那一帧被调用，会对碰撞检测触发事件进行监听。

装配体与被装配体进行碰撞检测，若碰撞触发后，系统利用Vector3类对零件transform.Position位置信息进行更改，系统对零件进行移动和调整至精准位置；完成压雪机零件的装配；若碰撞事件没有触发则重复步骤1和步骤6，直至装配完成。重复上述步骤，将压雪机全部装配零件完成装配。

如图3所示，零件拾取的具体流程如下：

首先利用“steamVR_LaserPointer”和“steamvR_TrackedController”添加手柄射线的射线对象(rayobj)和控制器对象(cntobj)，射线对象用于对压雪机要装配零件的射线检测，控制器对象负责手柄的空间移动。手柄发出射线，并指向压雪机需要装配的零件，系统由“GetComponent<SteamVR_Laser Pointer>()”得到射线对象。

其次系统通过“rayobj.pointerIn+＝OnpointerIn”响应射线进入事件后，得到指向的零件，并判断是否可以拾取该零件；若所选零件正确，记录此零件，若选择不正确或放弃选择，则由“rayobj.pointerOut+＝Onpointerout”响应射线离开事件，不在记录此零件需重新选择零件；然后记录零件后，通过“cntobj＝GetComponent<SteamVR_TrackedController>()”得到手柄控制器对象，系统获取手柄和零件的空间位置信息，实现手柄的空间运动。

用户扣动VR手柄控制器的拾取扳机，系统响应手柄扣动扳机事件“cntobj.Triggerclicked+＝OnTriggerclicked”，进行零件的拾取，利用“target.transform.parent＝transform”实现被拾取零件的父节点作为VR手柄控制器的子节点，此时零件的空间坐标位置与手柄的空间坐标位置相同，其中，“target.transform.position＝transform.position”实现了零件的空间坐标位置与手柄的空间坐标位置相同，零件作为手柄的子节点随手柄一起移动；

用户松开扳机后，系统响应手柄松开扳机事件“cntobj.TriggerUnclicked+＝OnTriggerUnclicked”，进行零件松开，被拾取零件不在是手柄的子节点，其中，“target.transform.parent＝null”实现零件从手柄上脱落。

如图4所示，压雪机的雪铲正确的装配流程为：第一步安装雪铲主体，第二步安装雪铲左翼或者雪铲右翼，二者为并行安装顺序；若安装的是安装雪铲左翼，则第三步则是安装左翼销轴二和左翼销轴三，二者为并行安装顺序；若安装的是安装雪铲右翼，则第三步则是安装右翼销轴二和右翼销轴三，二者为并行安装顺序；若安装左翼销轴二和左翼销轴三后，第四步则应该安装左翼液压缸，然后再安装左翼销轴一(左端)和然后再安装左翼销轴一(右端)；若安装右翼销轴二和右翼销轴三后，接下来应安装右翼液压缸，然后再安装右翼销轴一(左端)和右翼销轴一(右端)，最后用户完成上述雪铲所有的装配训练。

图5为雪铲的装配界面，用户可在右侧零件选择栏中，自行零件选择，但需要按正确的安装顺序进行零件选择，若选择错误，则无法进行拾取，在安装过程中，当零件靠近正确安装范围时，系统将在安装位置高亮提醒，用户松开拾取按钮后零件自动调整至正确安装位置，同时高亮提示取消，完成零件的装配。

如图6所示，压雪机的雪犁正确装配顺序：第一步进行雪犁后托架的装配；第二步进行左雪仓或者右雪仓，二者为并行安装顺序；第三步进行万向节或者压雪板的装配，二者为并行安装顺序；若上一步骤安装的是万向节则第三步应安装左雪犁辊或者右雪犁辊，二者为并行安装顺序；若第二步骤安装的是压雪板则第三步应安装压雪板左固定骨架或者压雪板右固定骨架，二者为并行安装顺序；完成以上步骤后，最后一步是进行雪犁左耳翼和雪犁右耳翼的装配，二者为并行装配关系；最后用户完成上述雪犁所有的装配训练。

图7为雪犁的装配界面，用户可在右侧零件选择栏中，自行零件选择，但需要按正确的安装顺序进行零件选择，若选择错误，则无法进行拾取，在安装过程中，当零件靠近正确安装范围时，系统将在安装位置高亮提醒，用户松开拾取按钮后零件自动调整至正确安装位置，同时高亮提示取消，完成零件的装配。

Claims (5)

1.一种基于VR技术的压雪机虚拟装配系统及方法，其特征是：本虚拟装配系统及方法主要由交互系统、控制系统和虚拟装配软件平台组成。其中，交互系统由计算机、光学跟踪定位系统、以太网交换机和无线接收设备组成；控制系统包括VR眼镜和VR手柄控制器；虚拟装配软件平台包括虚拟装配教学、虚拟装配训练和虚拟装配考核；用户穿戴VR眼镜和VR手柄控制器后可进行压雪机的虚拟装配实验，使真实的压雪机装配过程在VR虚拟场景中重现。

所述交互系统，其特征是：光学跟踪定位系统用于系统对使用者的空间位置和动作等信息的采集，由无线接收设备接收，计算机和以太网交换机，实现本虚拟装配系统和硬件设备之间的空间位置、控制信号等数据的交互。光学跟踪定位系统采集VR眼镜和VR手柄控制器发送的空间位置和旋转角度信息数据并由无线接收器接受信息，发送给计算机，并利用虚拟装配平台软件进行处理，计算机将调整后的虚拟空间的场景画面传到VR眼镜中呈现给人眼；以太网交换机的作用就是连接电脑、光学跟踪定位系统的光学摄像头等设备，使其网络设备互通，通过数据交换的方式来进行数据传输。

所述控制系统，其特征是：VR眼镜和VR手柄控制器均与计算机进行连接，VR眼镜用于向用户呈现画面、音频等信息，VR手柄控制器用于采集用户手部拾取操作等按钮的控制信号传给计算机。VR眼镜和VR手柄控制器上分别设有4个光学反光标记点，反光标记点被光学跟踪定位系统的光学摄像头进行光学捕捉定位，采集用户的空间位置信息、控制指令和动作姿态等信息，VR手柄控制器发送用户的按钮拾取、选择等操作控制信息，VR眼镜将接收画面和音频信息反馈给用户。

所述虚拟装配软件平台，其特征是：平台主要包括压雪机的虚拟装配教学、虚拟装配训练和虚拟装配考核三大模块。用户穿戴VR眼镜和VR手柄控制器后，根据软件平台系统界面、语音的提示和正确的装配顺序进行压雪机的雪铲和雪犁两大主要工作部件的装配学习操作，用户使用VR手柄控制器的拾取按钮来选择拾取装配的对应零件按照正确流程进行装配练习考核。虚拟装配教学中的压雪机装配流程视频演示用于指导用户进行压雪机装配流程的学习，在虚拟装配训练中，用户使用VR手柄进行拾取和安装压雪机的雪铲、雪犁各零件，按照正确的零件装配流程，在虚拟的环境下完成对压雪机的装配，在虚拟装配考核中，完成压雪机装配之后，会对其关于装配完成度和正确度进行考核，考核的结果将会量化并将数据传输至计算机当中。

压雪机虚拟装配方法，包括以下步骤：

S1:利用VR手柄拾取压雪机需要装配零件；

S2:按住VR手柄扳机键，手柄位置信息赋予零件，将零件移动至指定安装位置；

S3:判断零件是否移动至指定安装位置，如果是，则安装位置高亮，提示安装位置；如果否，则重复S2，继续移动。

S4:监听手柄扳机松开事件，零件从手柄上脱落，安装位置高亮提示消失；

S5:装配体与被装配零件中添加碰撞体组件，使两者具有碰撞检测属性。

S6:监听装配体与被装配体是否发生碰撞；如果碰撞检测触发，执行步骤S7；若碰撞事件没有触发，装配失败，重复S1-S6，重新选择零件装配。

S7：调整零件移动到目标精确位置，完成装配。

2.如权利要求1所述的压雪机的雪铲装配流程，其特征为：第一步安装雪铲主体，第二步安装雪铲左翼或者雪铲右翼，二者为并行安装顺序；若安装的是安装雪铲左翼，则第三步则是安装左翼销轴二和左翼销轴三，二者为并行安装顺序；若安装的是安装雪铲右翼，则第三步则是安装右翼销轴二和右翼销轴三，二者为并行安装顺序；若安装左翼销轴二和左翼销轴三后，第四步则应该安装左翼液压缸，然后再安装左翼销轴一(左端)和然后再安装左翼销轴一(右端)；若安装右翼销轴二和右翼销轴三后，接下来应安装右翼液压缸，然后再安装右翼销轴一(左端)和右翼销轴一(右端)，最后用户按照正确装配顺序完成装配训练。

3.如权利要求1所述的压雪机的雪犁装配流程，其特征为：第一步进行雪犁后托架的装配；第二步进行左雪仓或者右雪仓，二者为并行安装顺序；第三步进行万向节或者压雪板的装配，二者为并行安装顺序；若上一步骤安装的是万向节则第三步应安装左雪犁辊或者右雪犁辊，二者为并行安装顺序；若第二步骤安装的是压雪板则第三步应安装压雪板左固定骨架或者压雪板右固定骨架，二者为并行安装顺序；完成以上步骤后，最后一步是进行雪犁左耳翼和雪犁右耳翼的装配，二者为并行装配关系；最后用户按照正确装配顺序完成装配训练。

4.如权要求1所述的虚拟装配软件平台中的VR手柄拾取与安装，其特征是：手柄发出射线，指向可拾取零件对象并得到射线对象，之后执行射线的进入事件，若此零件选择正确则记录该零件，拾取零件不正确则不能被记录需重新选择，若手柄射线不在指向零件对象，系统则响应射线的离开事件，则放弃拾取并不在记录此零件；记录零件后得到手柄控制器对象，用户扣动拾取扳机后，相应手柄扣动事件，零件被手柄拾取，被拾取零件的父节点是手柄的节点，零件随着手柄移动；拾取的零件被移动到正确装配位置时，安装位置高亮提示，用户松开拾取按钮，系统相应手柄松开事件，零件不再是手柄的子物体并装配到指定位置。

5.进一步的，如权利要求4所述装的VR手柄拾取与安装，其特征是：在零件的装配过程中，系统会对装配的各事件进行监听，手柄拾取到零件后，系统对零件拾取的事件进行监听，监听零件靠近正确安装范围时，通知安装位置高亮，并监听手柄松开零件事件，通知安装位置高亮取消，通过配碰撞检测，完成压雪机零件的安装。