四维全景虚拟仿真数字样机虚拟装配验证教学平台建设方案

虚拟现实技术在设计、制造领域的成功应用改变了“设计-试制-分析-改进”的传统模式，虚拟样机（电子样机）将逐渐取代研制过程中用于工程分析的实物模型或全尺寸样机，通过异地系统、多人协同实现一体化协同设计、评审，这种趋势已经成为制造业中一个不可逆转的潮流。

另一方面，由于虚拟现实技术能够提供真实感强的交互式仿真环境，而且用户在该虚拟环境下能够模拟进行各种动作与操作，因此它具有在维护性、维修性分析领域的潜在应用。通过虚拟维护人员在虚拟样机上进行维护、维修操作仿真来进行维护性分析可以有效地克服现有定性分析方法的不足。

在教育和实践领域同样需要通过虚拟现实技术使学生更加直观、深入的了解教学内容。虚拟现实技术可以能够创造出良好的虚拟学习环境，操作者以自然的方式，如亲自动手参与，抓取、挪动等动作与学习内容发生交互，学生得到的反馈更多来自于对知识和技能的掌握，是对内部需要和动机的满足。虚拟现实技术的沉浸感和交互性，使操作者能够在虚拟学习的环境中模拟扮演一个参与者的身份，非常有利于学生的技能训练，同时可以摆脱现实中各种条件的限制，使操作者能够得到更多的技能训练，彻底改变实训设备缺乏而导致的操作者实践动手能力弱的状况。同时对于我院不断地提升科技能力层次、办出特色和扩大社会知名度、产生社会效应等将具有重要意义。

分析

通过与用户的深入沟通了解，用户期望建设一套综合性的虚拟现实平台，该平台满足两大需求，其一为科研设计和仿真验证需求，兼顾展示汇报，其二为教学体验，满足专业教育和职业教育所需的体验性操作。这两大需求的细化如下：

2.1科研设计和仿真验证

具备高度沉浸感的显示环境，在指定范围内的体验者可以完全沉浸在立体显示环境中，充分感受到三维模型的空间和景深。

支持三维设计软件的模型实现立体显示和交互，在沉浸式体验环境下操作人员可以与三维模型实现互动。

具备工业设计仿真验证功能，可以用于体验、验证工业设计的合理性、科学性，如数字样机的审查、零部件之间的装配关系、柔性线缆布线仿真等，提高工艺规划的合理性，优化生产装配流程。

支持多种三维设计软件的立体显示、融合显示，支持多学科联合仿真设计评审。

需具备3D显示效果的展示汇报和联合评审的功能，显示系统的屏幕设计尺寸必须满足不少于20人同时观看，同时可以与其他显示系统实现协同。

2.2教学体验

可以用于演示虚拟现实教学课件。使学生可以在立体沉浸式环境条件中接受教学培训。

可以满足学生操作体验需求，至少一次性满足两名学生通过头戴式VR显示设备进行交互式操作、体验和学习。

2.3协同式虚拟现实仿真验证平台总体解决方案

针对以上用户需求，结合用户产品设计流程和现有先进技术手段，我们提供如下解决方案，方案示意如图：

图 虚拟仿真数字样机虚拟装配验证教学平台建设方案

在工业设计领域，工业产品的设计流程大概分为可行性论证、总体方案设计、初步设计、技术设计和设计定型五个阶段，在每个阶段虚拟现实系统都可以发挥相应作用，做到为整个设计流程服务，从而给用户带来可观的投资回报。

协同式虚拟现实仿真验证平台首先要解决的核心问题有协同式沉浸式用户体验、交互式体验、工艺规划的验证与优化，以及展示汇报和教学使用。

根据图1所示，协同式虚拟现实仿真验证平台主要由投影显示系统、纯硬件融合系统、图形工作站集群、交互系统、音响系统、协同式虚拟仿真验证平台软件五大分系统组成。辅助设备包括交互机、光纤、数据线缆、数字头盔显示器、VR外设等。

三、设计思路

关于不同形式的显示系统我们曾做过大量的调研工作，从不同的显示形式分析来看两通道主动立体的显示方式最符合当下研究所的需求。

两通道主动立体投影机的立体融合拼接幕投影系统

前投弧幕投影系统

1、主动立体激光投影机的立体显示系统是虚拟仿真、虚拟现实应用领域的主要解决方案。投影机显示系统的优势在于画面细腻，色彩还原度较高，对于材质、颜色有较高要求的工业设计显示效果良好。而且现在主动立体激光投影机的出现增加了整套仿真平台的使用时间，激光投影机寿命长达2万小时。系统集成简单，维护成本低。后期维护成本较低，特别适用于一次性投入的项目计划。

2、根据研究所现场的特点，项目建设场地为已有场地，场地面积较小，不适宜扩建改造，且该项目长期开机演示，不适宜耗材类显示系统，所以综合各方面因素考虑，本项目建议采用两通道激光主动立体屏幕。

3.1汇报展示场景

在汇报工作模式下，汇报人员可以通过两通道主动立体屏幕及交互设备在屏幕上实时操作和演示，观众通过佩戴主动立体眼镜观看1:1比例的立体图像。

汇报模式的演示内容包括对数字样机审查及装配，两通道屏幕上的图像是汇报人员的第一人称视点跟踪，操作人员可以对能实现虚拟机器设备（4LZ-1.5联合收割机）的主机开关机控制、作业部件启停控制、主机行走换挡加减速、粮仓出粮控制。也可以让配合汇报的工程师穿戴全身动捕设备和头盔显示器驱动软件中的数字人体仿真维修过程，观众通过大屏幕以第三人称视点观摩。

多人协同的虚拟装配和评审

通过全身动捕和数字头盔显示器可以实现两到三名工程师协同性维修装配和评审，模拟多人配合的工作场景，同时其他人员可以通过屏幕上以第三人称视点观察，也可以任意调取参与协同训练的工程师中任何一个人的第一人称视点。

多人协同虚拟维修装配场景

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