本发明涉及维修性设计及验证的技术领域，具体涉及一种面向产品维修性验证的沉浸式虚拟维修仿真方法及系统。
背景技术：
维修性是产品的固有属性。对于大型复杂产品，维修性对产品效能发挥、运营成本以及使用安全都十分重要。良好的维修性设计，能够使产品在投入使用后，显著提升效能，降低运营成本，提高产品安全。因此，在设计阶段时，应该给予维修性设计充分的重视。
维修性验证是产品维修性设计的重要一环。产品维修性的定性定量设计是否满足要求，都要通过维修性验证来进行检验。目前，数字样机已经代替物理样机，在设计阶段已经得到大量使用。数字样机的应用可以使设计人员在早期开展对产品进行可视化的设计活动，及时发现设计缺陷并加以改进，避免了物理样机造价高昂，一旦发现设计缺陷，却由于设计工作已经完成而难以更改的问题。
然而，对于维修性验证来说，传统的方法仍然具有一定的局限性。这是由于，维修是一项典型的人机交互活动，而传统的维修性验证基本都是在桌面式仿真软件中开展，由设计人员基于数字样机制作一段仿真动画，在仿真动画的过程中进行维修性验证。这种非沉浸式的仿真方法受设计人员主观影响较大。对于同一维修任务，经验不同，习惯不同的设计人员，制作出来的维修仿真可能有较大差异，并且由于仿真人员没有实际的或者接近于真实环境的维修体验，这会给维修性验证结果带来较大的不确定性。此外，仿真动画往往都是基于关键帧控制的方法制作，为了让仿真动画逼近真实维修情况，设计人员需要耗费大量的时间精力在调整以及增加关键帧的操作上，导致仿真效率低下。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种面向产品维修性验证的沉浸式虚拟维修仿真方法及系统，它可以克服现有技术上述的不足，实现了更加快速客观的进行维修性验证。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种面向产品维修性验证的沉浸式虚拟维修仿真方法，包括如下步骤：
步骤1、对产品虚拟维修仿真任务进行设计；
步骤2、对数字样机进行面向虚拟维修仿真的处理；
步骤3、根据前两步得到的结果，将数字样机导入虚拟环境，构建虚拟维修场景，建立动力学及物理约束；
步骤4、对构建好的虚拟维修场景进行多通道渲染；
步骤5、根据交互设备，绑定交互操作，为用户输出三维视觉信息；
步骤6、捕捉并记录用户在虚拟场景中的动作数据；
步骤7、根据用户在沉浸式场景中与虚拟维修环境的交互情况，对产品维修性进行核查。
可选的，产品虚拟维修仿真任务设计方法包括：
对产品虚拟维修任务进行分析，确定维修方案及流程；
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；
获取该虚拟维修仿真需要进行的产品维修性核查项。
可选的，数字样机面向虚拟维修仿真的处理方法包括：
对数字样机进行模型转换；
轻量化处理数字样机模型，删除不必要信息，减小数据量；
根据沉浸式仿真需要，对数字样机进行其他处理，如添加纹理、颜色，对数字样机的各个零部件进行重组等。
可选的，虚拟维修场景构建方法包括：
根据维修任务及虚拟维修场景需要，在虚拟环境中添加除维修目标设备之外的其他数字模型，如维修工具，辅助设备等；各样机的尺寸以及之间的位置关系符合实际情况。
可选的，动力学及物理约束方法包括：
根据产品实际动力学特性，为虚拟样机添加各类运动副，使其运动满足维修仿真的真实性需要；
根据产品实际物理学特性，为虚拟环境中的物体添加物理约束，定义物体为刚体或柔性体，设置虚拟环境中的重力方向。
可选的，交互设备操作绑定方法包括：
基于virtual-realityperipheralnetwork(vrpn)协议，将于虚拟维修环境的各类交互功能绑定到虚拟现实外围设备上。
可选的，维修性验证方法包括：
根据所需进行的维修性核查项，在用户与虚拟环境交互的过程中，对维修性相关项进行核查验证。
本发明还提供一种面向产品维修性验证的沉浸式虚拟维修仿真系统，该虚拟维修仿真系统包括：
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，对数字样机进行模型转换，轻量化处理以及其他处理工作；
仿真任务构建模块，导入处理后的数字样机，建立仿真任务场景，并为场景中的物体建立动力学和物理约束；
多通道渲染显示模块：对维修场景进行多通道图形渲染和输出；
场景交互模块：将用来与虚拟维修环境进行交互的操作绑定到相关硬件设备上，并与虚拟场景展开交互；
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，及维修性核查；
维修性验证模块，在虚拟维修仿真过程中，对维修性相关项进行核查。
可选的，仿真任务设计模块包括：
产品实际任务分析子模块，用于分析产品的实际维修任务及流程；
虚拟维修任务设计子模块，用于根据产品实际任务分析，设计虚拟维修仿真任务流程。
可选的，数字样机处理模块包括：
格式转换子模块：用于将数字样机进行模型转换；
轻量化处理子模块：对数字样机进行轻量化处理，剔除不必要的信息，减少数据量；
辅助处理子模块：用于添加纹理、颜色，对数字样机的各个零部件进行重组等。
可选的，仿真任务构建模块包括：
模型导入子模块：用于将处理后的数字样机及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，将各个模型按照要求的位置要求在场景中布局，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。
可选的，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；
场景交互子模块：用于用户与虚拟场景展开交互。
可选的，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；
场景交互子模块：用于用户与虚拟场景展开交互。
可选的，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。
可选的，维修性验证模块，用于在虚拟维修仿真的交互过程中，对维修性相关项进行核查。维修性核查项目、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。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明可以快速开展产品的虚拟维修仿真。现有的技术方法基于关键帧控制，制作虚拟维修仿真过程的时间往往是实际虚拟仿真时间的几十倍甚至是几百倍，而本发明可以极大缩短虚拟维修仿真的制作时间，提高仿真的制作效率。
(2)本发明能够为维修性设计人员具有较好的沉浸感，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，提高了维修性核查验证的准确性。
(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沉浸式维修性验证核查方法及系统，满足了当前复杂产品设计的需要，缩短了设计周期，降低了设计成本，提高了设计效率。
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些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中的沉浸式虚拟维修方法流程图；
图2为本发明实施例中的沉浸式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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于虚拟现实技术对产品维修性设计进行沉浸式的验证，与传统的单单使用桌面式仿真软件进行非沉浸式虚拟维修性验证有着非常不同之处。
图1是本发明的一种面向产品维修性验证的沉浸式虚拟维修仿真方法的总览，其包括：
步骤101：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、维修通道(路径)的规划、具体维修步骤的建立以及维修保障资源的约定。
对于不同的产品，要针对产品特点制定维修性核查项，其中，通用核查项为可视性、可达性、操作空间、维修姿态、防差错等。该步骤中，设计人员应当结合实际的产品维修性要求，制定维修性核查的类别和核查标准。
步骤102：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，以提高沉浸式环境的真实感和交互效率。
步骤103：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：
将步骤102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、工作梯、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。
步骤104：对虚拟维修场景进行多通道渲染。
为了将虚拟维修场景立体的投影出来，需要对虚拟场景进行多通道渲染。一种典型的渲染方式为设置四个渲染节点，分别对用户所处虚拟场景的前方、下方、左方、右方进行图形渲染。之后根据不同的立体投影方式，四个渲染节点按照一定的方式输出渲染内容。
步骤105：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-realityperipheralnetwork(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。常用的标准类型如表1所示。
表1
步骤106：捕捉用户在虚拟场景中的动作数据。
利用光学式动作捕捉系统对用户在虚拟场景中的动作数据进行采集。在用户身体的适当部位布置光学标定点，捕捉用户在虚拟环境中的运动数据。此外，根据实际交互需求，还需要在交互设备上布置光学标定点，如立体眼镜，操纵手柄等，为这些交互设备的交互指令提供跟踪定位功能。
步骤107：对产品维修性进行核查。
在上述步骤完成之后，开展沉浸式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核查项目、内容以及标准，结合虚拟环境中捕捉到的数据，对产品维修性进行核查。维修性核查项目、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。
本发明还提供了一种面向产品维修性验证的沉浸式虚拟维修仿真系统。
如图2所示，本发明实施例中的定量评价系统包括数据库管理模块201、数字样机处理模块203、仿真环境构建模块203、多通道渲染显示模块204、交互功能配置模块205、动作捕捉模块206、维修性验证模块207。
其中，所述数据库管理模块201用于存储虚拟维修仿真常用的维修保障工具等的数字模型，并据根据设计好的维修仿真方案向虚拟环境提供所需的模型。
所述数字样机处理模块202用于将从外部进入的数字样机模型机进行格式转换，以符合沉浸式仿真的格式要求；利用相关轻量化算法，对数字样机原有的设计模型进行轻量化处理，转化成适用于快速渲染交互的轻量化维修仿真模型；此外，根据实际仿真需要，对数字样机进行其他预处理工作，如删减不必要且不影响虚拟维修仿真的模型部件、增加维修仿真需要的模型部件，将若干个部件归一化为一个装配实体，增加纹理、颜色等，以提高沉浸式环境的真实感和交互效率。
所述仿真环境构建模块203用于导入由数字样机处理模块202处理好的数字样机，将环境中的其他虚拟样机如工作台、工作梯、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等。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。
所述多通道渲染显示模块204用于将构建完毕的虚拟维修场景进行多通道渲染，并将渲染好的图像数据输出到显示设备上。
所述交互功能配置模块205用于基于vrpn协议为虚拟维修仿真所需的交互设备配置交互功能。将各类交互设备标准化为vrpn协议约定的几种标准设备类型。
所述动作捕捉模块206用于采集记录用户在虚拟场景中的运动数据。此外，可选的，根据实际交互需求，采集交互设备在虚拟场景中的运动信息，如立体眼镜，操纵手柄等，为这些交互设备提供跟踪定位功能。
所述维修性验证模块207用于用户在虚拟环境中开展维修性验证。基于制定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。在与虚拟场景交互的过程中，根据制定好的维修性核查项目、内容以及标准，结合虚拟环境中捕捉到的数据，对产品维修性进行核查。