為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)械設(shè)備三維設(shè)計(jì)與拆卸、裝配三維誘導(dǎo)的一體化，提出了基于三維CAD模型的復(fù)雜機(jī)械設(shè)備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)拆裝誘導(dǎo)框架，基于該框架提出了基于拆裝優(yōu)先關(guān)系分層網(wǎng)絡(luò)模型的拆裝順序誘導(dǎo)方法，該方法在初始化階段自動(dòng)生成樹狀拆裝優(yōu)先關(guān)系分層網(wǎng)絡(luò)模型，在設(shè)備拆裝過(guò)程中根據(jù)操作者的拆裝操作在線規(guī)劃拆裝順序，智能輸送相關(guān)誘導(dǎo)信息。提出了基于透視投影原理的三維誘導(dǎo)場(chǎng)景生成與顯示方法，能夠根據(jù)拆裝方向和零部件包圍盒的尺寸，利用透視投影原理將虛擬誘導(dǎo)場(chǎng)景定位在世界坐標(biāo)系中，使虛擬誘導(dǎo)場(chǎng)景以合適的視角顯示在屏幕的指定位置上，提高了三維信息顯示的直觀性。最后建立了原型系統(tǒng)，驗(yàn)證了以上理論和方法的可行性。

　　引言

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代大型復(fù)雜機(jī)械裝備(如各種發(fā)動(dòng)機(jī))的拆卸、裝配工藝日趨復(fù)雜，操作人員單純依靠自身經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)和知識(shí)難以高效地完成復(fù)雜機(jī)械裝備的拆卸、維修和裝配。紙質(zhì)和電子技術(shù)手冊(cè)當(dāng)前被廣泛用于存儲(chǔ)、查詢拆裝維修工藝和技術(shù)信息，但使用過(guò)程中操作者需邊操作設(shè)備邊手動(dòng)查看手冊(cè)，操作難度大且效率低，并且注意力需要在手冊(cè)和設(shè)備之間頻繁切換，易受周圍環(huán)境影響，從而造成拆裝維修差錯(cuò)等問(wèn)題，因此迫切需要一種新的方式，以主動(dòng)向操作者輸送所需信息，誘導(dǎo)其完成當(dāng)前的拆裝維修操作。

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)生成的虛擬信息疊加顯示在真實(shí)場(chǎng)景上，使用戶看到一個(gè)虛實(shí)融合的環(huán)境。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)備拆裝維修誘導(dǎo)中具有廣泛的應(yīng)用前景，引起了國(guó)內(nèi)外的重視，已經(jīng)開(kāi)展的研究包括STARMATE(system　using　augmented　realityfor　maintenance，assembly，training　and　education)系統(tǒng)、芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心(簡(jiǎn)稱VTT)系統(tǒng)、ARMAR(augmented　relity　for　maintenance　and　repair)系統(tǒng)和MOON(assembly　oriented　authoringaugmented　reality)系統(tǒng)等，空客軍用飛機(jī)公司已經(jīng)將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于A400M 軍用運(yùn)輸機(jī)布線誘導(dǎo)中;Webel等也已將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品裝配技能培訓(xùn)中。近些年國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝配相關(guān)的研究，如宋荊洲等將層次著色Petri網(wǎng)與圖靈機(jī)模型結(jié)合，提出了一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝配環(huán)境系統(tǒng)模型，較好地滿足了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝配系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)響應(yīng)要求;王峻峰等研究了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的產(chǎn)品裝配引導(dǎo)技術(shù);趙敏等構(gòu)建了一套裝配維修訓(xùn)練的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，在人機(jī)交互過(guò)程中采用靜態(tài)標(biāo)志和動(dòng)態(tài)標(biāo)志相結(jié)合的方法，通過(guò)人手控制動(dòng)態(tài)標(biāo)志來(lái)觸發(fā)感興趣的內(nèi)容，完成維修操作。但現(xiàn)有的基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的拆裝維修系統(tǒng)多是“以計(jì)算機(jī)為中心”的程序化引導(dǎo)系統(tǒng)，普適能力差，僅實(shí)現(xiàn)了虛擬信息和真實(shí)場(chǎng)景的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)疊加，尚未達(dá)到誘導(dǎo)的層次，如使用中操作者需要自己識(shí)別拆裝任務(wù)，并通過(guò)手動(dòng)操作計(jì)算機(jī)設(shè)備或語(yǔ)音識(shí)別的方式從數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索提前規(guī)劃好的信息，這樣不僅不適用于噪雜的環(huán)境，而且分散了操作者的注意力，普適性能差。當(dāng)前三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer　Aided　Design，CAD)軟件已在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到推廣和應(yīng)用，如果能夠利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將復(fù)雜機(jī)械設(shè)備的三維CAD模型應(yīng)用于該設(shè)備的拆裝維修誘導(dǎo)和培訓(xùn)中，實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)與拆卸、裝配三維誘導(dǎo)的一體化，必將大幅度提高產(chǎn)品的附加值，在軍事裝備(如飛機(jī)、艦船、裝甲等)維修培訓(xùn)和戰(zhàn)時(shí)搶修領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　鑒于此，本文使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提出基于三維CAD模型的復(fù)雜機(jī)械設(shè)備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)拆裝誘導(dǎo)框架，通過(guò)無(wú)線射頻識(shí)別(Radio　Frequency　Identification，RFID)和位置跟蹤設(shè)備識(shí)別操作者的拆卸或裝配進(jìn)程;根據(jù)產(chǎn)品的三維CAD裝配模型生成拆裝優(yōu)先關(guān)系分層網(wǎng)絡(luò)模型，建立基于拆裝優(yōu)先關(guān)系分層網(wǎng)絡(luò)模型的拆裝順序誘導(dǎo)方法，從而根據(jù)當(dāng)前的拆裝進(jìn)程、拆裝工藝和操作者的拆裝歷史在線向操作者推薦下一步將要拆裝的零部件，實(shí)現(xiàn)拆裝順序和拆裝工藝的智能輸送。提出基于透視投影原理的三維誘導(dǎo)場(chǎng)景生成與顯示方法，該方法根據(jù)拆裝方向和零部件的包圍盒尺寸，利用透視投影原理將虛擬誘導(dǎo)場(chǎng)景定位在世界坐標(biāo)系中，從而將虛擬誘導(dǎo)場(chǎng)景以合適的視角顯示在屏幕的指定位置上。

1、復(fù)雜機(jī)械設(shè)備拆裝誘導(dǎo)系統(tǒng)框架

　　在合適的時(shí)刻自動(dòng)、準(zhǔn)確地輸送操作者急需的誘導(dǎo)信息，是實(shí)現(xiàn)“以人為中心”的拆裝誘導(dǎo)的關(guān)鍵之一，因此拆裝誘導(dǎo)信息的推送需要綜合考慮產(chǎn)品當(dāng)前的拆裝進(jìn)程、拆裝工藝和操作者的個(gè)體拆裝需求等，為此本文提出了如圖1所示的復(fù)雜機(jī)械設(shè)備拆裝誘導(dǎo)框架。

　　該系統(tǒng)的硬件包括戴在操作者眼睛前方的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡、戴在操作者手部的RFID讀寫設(shè)備、手部位置跟蹤設(shè)備，以及貼在零件和拆裝工具上的RFID標(biāo)簽。該誘導(dǎo)框架以產(chǎn)品三維CAD裝配模型為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)CAD系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)將產(chǎn)品的CAD模型轉(zhuǎn)化為虛擬裝配模型，在誘導(dǎo)系統(tǒng)初始化階段加載虛擬裝配模型，生成樹狀拆裝優(yōu)先關(guān)系分層網(wǎng)絡(luò)模型。通過(guò)RFID標(biāo)簽讀寫設(shè)備和手部位置跟蹤器識(shí)別操作者正在進(jìn)行的拆裝操作，并自動(dòng)生成相應(yīng)的拆裝誘導(dǎo)工藝;拆裝操作完成后更新產(chǎn)品的拆裝進(jìn)程模型，以表達(dá)產(chǎn)品的當(dāng)前拆裝狀態(tài)。系統(tǒng)可以根據(jù)產(chǎn)品的拆裝優(yōu)先關(guān)系模型和當(dāng)前的拆裝進(jìn)程模型，在顯示屏幕指定區(qū)域上以三維圖形、動(dòng)畫和文字的形式，向操作者提示下一步要拆裝的零件及其拆裝工藝等。

2、結(jié)束語(yǔ)

　　本文基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，研究了基于三維CAD模型的機(jī)械設(shè)備拆裝誘導(dǎo)系統(tǒng)，給出了誘導(dǎo)系統(tǒng)框架，提出了基于拆裝優(yōu)先關(guān)系分層網(wǎng)絡(luò)模型的拆裝順序誘導(dǎo)方法和基于透視投影原理的三維誘導(dǎo)場(chǎng)景的生成與顯示方法，并通過(guò)原型系統(tǒng)驗(yàn)證了其可行性。本研究提出的理論和方法不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)械產(chǎn)品三維CAD軟件設(shè)計(jì)與拆卸、裝配誘導(dǎo)的一體化，而且具有較好的普適性，因此在大型機(jī)械設(shè)備維修培訓(xùn)、訓(xùn)練和軍事裝備的搶修等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和應(yīng)用價(jià)值。

　　本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)只是一個(gè)原型系統(tǒng)，距離實(shí)際應(yīng)用尚有一定的距離，三維空間定位、零件識(shí)別、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡的應(yīng)用尚不成熟，人機(jī)交互性有待于進(jìn)一步改進(jìn)。未來(lái)可以采用一些硬件設(shè)備提高系統(tǒng)的人機(jī)交互性，如原型系統(tǒng)中手部位置跟蹤部分和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)跟蹤部分可以使用超聲波設(shè)備、GPS跟蹤設(shè)備等代替;增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡可以采用無(wú)線通信的方式與計(jì)算機(jī)通信;另外如果能夠?qū)⒏呔�度位置跟蹤模塊和RFID模塊集成，設(shè)計(jì)一個(gè)具有物體識(shí)別和位置感知的無(wú)線模塊，則必將大幅度提高誘導(dǎo)系統(tǒng)的可操作性和手部位置跟蹤的穩(wěn)定性，這些都是未來(lái)需要研究的方向。