虛擬設(shè)計(jì)課件

14三月2024虛擬設(shè)計(jì)5.1虛擬現(xiàn)實(shí)

1虛擬設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)“虛擬現(xiàn)實(shí)”

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于科學(xué)研究，己逐漸被認(rèn)為是重要的科學(xué)探索工具。利用這項(xiàng)技術(shù)。在新產(chǎn)品、新計(jì)劃或新概念還遠(yuǎn)沒有成為現(xiàn)實(shí)之前，人們就能夠以較為現(xiàn)實(shí)的方式對其進(jìn)行觀察和探索。從這個(gè)意義上講，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種非常獨(dú)特的技術(shù)，很難有別的技術(shù)可以取而代之。虛擬設(shè)計(jì)正是這項(xiàng)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的一個(gè)應(yīng)用。5.1虛擬現(xiàn)實(shí)2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正處于探索和發(fā)展時(shí)期，隨著人們對這項(xiàng)技術(shù)認(rèn)識的提高，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念也在不斷地改變。定義綜合、歸納如下：

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是人的想象力和電子學(xué)等相結(jié)合而產(chǎn)生的一項(xiàng)綜合技術(shù)，它利用多媒體計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)構(gòu)成一種特殊環(huán)境，用戶可以通過各種傳感系統(tǒng)與這種環(huán)境進(jìn)行自然交互，從而體驗(yàn)比現(xiàn)實(shí)世界更加豐富的感受。5.1虛擬現(xiàn)實(shí)3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的由來

1929年，EdwinLink設(shè)計(jì)了一種裝置，人們坐在其中有一種乘飛機(jī)的感覺－飛行模擬器（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的鼻祖）。60年代初期，電影攝影師MortonHeiling研制的街道摩托車模擬器是虛擬現(xiàn)實(shí)的另一個(gè)先驅(qū)。人坐在這個(gè)裝置上，雙手操縱摩托車車把，仿佛穿行于鬧市中，能看到立體、彩色、變化的街道、能聽到立體聲響、感到車的顛簸、撲面而來的風(fēng)，甚至可以聞到食物的香氣。

5.1虛擬現(xiàn)實(shí)3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的由來1965年，IvanSutherland設(shè)計(jì)了一個(gè)頭戴式計(jì)算機(jī)圖顯示器。1972年，NolanBushnell開發(fā)了一種電子游戲，允許人們通過電視屏幕操縱一個(gè)彈跳的乒乓球。實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)之一--交互性。80年代中期，美國宇航局利用液晶顯示器和其它零部件開始研制低成本的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備替代昂貴的飛行模擬器，推動了虛擬現(xiàn)實(shí)硬件和軟件的飛速發(fā)展。5.1虛擬現(xiàn)實(shí)4虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特征

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不同于一般的計(jì)算機(jī)繪圖系統(tǒng)，也不同于一般的模擬仿真系統(tǒng)，它不僅能讓用戶真實(shí)地看到一個(gè)環(huán)境，而且能讓用戶直正感到這個(gè)環(huán)境的存在，并能和這個(gè)環(huán)境進(jìn)行自然交互。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有以下特征：5.1虛擬現(xiàn)實(shí)自主性：在虛擬環(huán)境中，對象的行為是自主的，是由程序自動完成的，要讓操作者感到虛擬環(huán)境中的各種生物是“有生命的”和“自主的”，而各種非生物是“可操作的”，其行為符合各種物理規(guī)律。交互性：在虛擬環(huán)境中，操作者能夠?qū)μ摂M環(huán)境中的生物及非生物進(jìn)行操作，并且操作的結(jié)果能反過來被操作者準(zhǔn)確地、真實(shí)地感覺到。5.1虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸感：在虛擬環(huán)境中，操作者應(yīng)該能很好地感覺各種不同的刺激，沉浸感的強(qiáng)弱與虛擬表達(dá)的詳細(xì)度、精確度、真實(shí)度有密不可分的關(guān)系。5.1虛擬現(xiàn)實(shí)5虛擬設(shè)計(jì)與虛擬制造的關(guān)系

虛擬制造(VirtualManufacturing)也是新近產(chǎn)生的一個(gè)概念，綜合概括如下：

虛擬制造是以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的、一種集成的綜合制造環(huán)境，用于加強(qiáng)一個(gè)企業(yè)各層次的決策與管理。根據(jù)側(cè)重點(diǎn)的不同可以將虛擬制造系統(tǒng)劃分為三個(gè)類。5.1虛擬現(xiàn)實(shí)以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造：用于在產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)過程中為設(shè)計(jì)研究人員提供有關(guān)產(chǎn)品的制造信息。這樣的虛擬制造系統(tǒng)通過對產(chǎn)品的某種特殊性能(如質(zhì)量、裝配性能、操作性能等)的模擬仿真來優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及工藝；并以不同角度和精度，利用對產(chǎn)品各制造工序的模擬仿真，來幫助產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)決策。5.1虛擬現(xiàn)實(shí)以生產(chǎn)為中心的虛擬制造：通過對生產(chǎn)過程的模擬仿真來經(jīng)濟(jì)、快捷地評價(jià)各種工藝方案、生產(chǎn)效率以及資源的供求狀況，從而幫助優(yōu)化制造環(huán)境的配置和生產(chǎn)的供給計(jì)劃。5.1虛擬現(xiàn)實(shí)以控制為中心的虛擬制造：通過對控制模型及生產(chǎn)過程的模擬仿真，幫助在整個(gè)生產(chǎn)周期中進(jìn)行優(yōu)化處理。它能夠?yàn)楫a(chǎn)品開發(fā)人員提供一個(gè)虛擬的環(huán)境，用來評價(jià)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、原有產(chǎn)品的改進(jìn)以及生產(chǎn)調(diào)度的優(yōu)劣，并為優(yōu)化制造工藝、提高制造水平提供輔助信息。5.2虛擬設(shè)計(jì)在產(chǎn)品開發(fā)中的作用

在產(chǎn)品的開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)對產(chǎn)品的成本起著決定性的影響。圖1是由英國航空公司提供的，該圖簡明地反映了產(chǎn)品開發(fā)的各個(gè)階段對其成本的影響情況。產(chǎn)品成本的決定因素5.2虛擬設(shè)計(jì)在產(chǎn)品開發(fā)中的作用可以看出在產(chǎn)品成本中，制造階段所占比例將近一半。但是從產(chǎn)品成本的責(zé)任觀點(diǎn)來看，產(chǎn)品成本的85%是由研究開發(fā)階段決定的。也就是說，研究開發(fā)階段對最終產(chǎn)品成本的影響最大。因此加強(qiáng)對設(shè)計(jì)方法的研究、加大對設(shè)計(jì)部門的投入、對降低產(chǎn)品價(jià)格是至關(guān)重要的。5.2虛擬設(shè)計(jì)在產(chǎn)品開發(fā)中的作用不少大公司爭先在它們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用了這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，如:通用汽車公司、波音公司、福特汽車公司、奔馳及英國航空公司等。

實(shí)踐證明：虛擬設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、人機(jī)工程學(xué)

(Ergonomics)等方面有著特別重要的意義。1虛擬概念設(shè)計(jì)

1996年美國Wisconsin-Madison大學(xué)研制出了一個(gè)虛擬概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)COVIRDS(ConceptualVirtualDesignSystem)。概念設(shè)計(jì)是指對產(chǎn)品或零件的從頭開始的設(shè)計(jì)構(gòu)思，它的目的是為了捕捉產(chǎn)品的基本形狀。概念設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過程中的重要階段，因?yàn)橐坏┐_定了產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，產(chǎn)品成本的60%-70%已經(jīng)從宏觀上確定。該系統(tǒng)克服了CAD建模的缺點(diǎn)，采用語音識別和手勢跟蹤系統(tǒng)使用戶可以更直觀地與虛擬建模環(huán)境進(jìn)行交互，完成快速的概念設(shè)計(jì)。虛擬設(shè)計(jì)工作場景

2虛擬裝配設(shè)計(jì)

虛擬設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面具有較大影響的另一個(gè)領(lǐng)域是裝配設(shè)計(jì)，盡管目前尚沒有商用虛擬裝配系統(tǒng)，但就其技術(shù)來說已經(jīng)成熟，人們普遍認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有很重要的意義。2虛擬裝配設(shè)計(jì)幾年前，美國麥道飛機(jī)公司就開始在飛機(jī)發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中對虛擬裝配設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行探索。飛機(jī)發(fā)動機(jī)要在各種不同的氣候條件下工作，它所承受的極大的溫度變化和強(qiáng)大的機(jī)械力是很難想象的。飛機(jī)發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，往往需要幾年的時(shí)間。設(shè)計(jì)要考慮到發(fā)動機(jī)的工作需求，維護(hù)修理的特殊性。為了安全起見，飛機(jī)發(fā)動機(jī)需要定期地從飛機(jī)上拆下來，進(jìn)行維護(hù)修理或替換，然后再裝入飛機(jī)。2虛擬裝配設(shè)計(jì)美國麥道飛機(jī)公司采用了沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以幫助新型號發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)。這個(gè)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)首先用來研究發(fā)動機(jī)的拆裝過程，尤其是用來發(fā)現(xiàn)拆裝過程中發(fā)動機(jī)是否可能與其他零部件發(fā)生干涉。2虛擬裝配設(shè)計(jì)整個(gè)發(fā)動機(jī)的拆裝過程可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行。若要進(jìn)行拆卸，首先打開虛擬的發(fā)動機(jī)艙門，把拖車放到發(fā)動機(jī)的下面，然后用千斤頂把拖車頂?shù)揭欢ǖ母叨?。接下去可使用虛擬工具把固定發(fā)動機(jī)的螺栓松開，再把發(fā)動機(jī)固定在拖車上，降低拖車，把發(fā)動機(jī)移出去進(jìn)行維修或替換。安裝發(fā)動機(jī)的過程與拆卸類似，只是過程相反。2虛擬裝配設(shè)計(jì)羅爾斯—羅伊斯公司在設(shè)計(jì)飛機(jī)發(fā)動機(jī)時(shí)也采用虛擬環(huán)境。以前，該公司在制造發(fā)動機(jī)之前也是采用實(shí)物模型來發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)維修過程中的問題。雖然發(fā)動機(jī)的實(shí)物模型并不能工作，但它的結(jié)構(gòu)必須與真正的發(fā)動機(jī)一樣，而且要更精確更結(jié)實(shí)。所以制造實(shí)物模型也不便宜。在1992年，羅爾斯—羅伊斯公司就開始依靠英國的ARRL(先進(jìn)機(jī)器人研究實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)名INSYS)探索利用虛擬的計(jì)算機(jī)模型來代替實(shí)物模型的可能性。虛擬裝配設(shè)計(jì)

虛擬裝配設(shè)計(jì)虛擬裝配設(shè)計(jì)虛擬裝配設(shè)計(jì)虛擬裝配汽車3虛擬人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)

虛擬設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的人機(jī)工程學(xué)方面也有著特別重要的意義。英國航空實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一項(xiàng)用于概念驗(yàn)證的項(xiàng)目。研究人員研制開發(fā)了一個(gè)虛擬人機(jī)工程學(xué)評價(jià)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個(gè)VPL生產(chǎn)的高分辨率HRXEyephone頭盔式顯示器，一個(gè)DataGlove數(shù)據(jù)手套，一個(gè)Convolvotron三維音響系統(tǒng)和一臺SGI工作站組成，另外系統(tǒng)還為用戶提供一個(gè)真實(shí)的轎車坐艙。3虛擬人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)人員采用CAD系統(tǒng)創(chuàng)建了一輛Rover400型轎車的駕駛室模型，經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換后將這個(gè)駕駛室模型引人這個(gè)虛擬人機(jī)工程學(xué)評價(jià)系統(tǒng)。借助這個(gè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以精確研究轎車內(nèi)部的人機(jī)工程學(xué)參數(shù)，并且必要時(shí)可以修改虛擬部件的位置，重新設(shè)計(jì)整個(gè)轎車的內(nèi)部構(gòu)造。利用這個(gè)虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境，最終用戶也可以和設(shè)計(jì)人員一道參與設(shè)計(jì)，人們可以將轉(zhuǎn)向盤抓住并從轎車的右邊移到左邊，這樣有助于滿足不同用戶的特殊要求。用“生命景象系統(tǒng)”進(jìn)行運(yùn)動軌跡分析

虛擬手術(shù)訓(xùn)練者正在手持“虛擬鑷子”和“虛擬縫針”縫合“虛擬血管”，其感受就如同在真實(shí)環(huán)境下一樣。

手控式高分辨率CRT顯示器

5.3虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)按照配置的檔次可分為兩大類:基于PC機(jī)的廉價(jià)設(shè)計(jì)系統(tǒng)；基于工作站的高檔產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。一個(gè)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括兩大部分：虛擬環(huán)境生成部分：這是虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主體；外圍部分：包括各種人機(jī)交互工具以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及信號控制裝置。5.3虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.1PC機(jī)與工作站

3.2虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)造虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

5.3虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)對三維對象的方便操作，人們研制了各種各樣的三維交互工具，如:

數(shù)據(jù)手套三維跟蹤球數(shù)據(jù)衣等數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套是最有用的三維輸入工具，它可以將手的運(yùn)動轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)輸入信號。其工作原理是當(dāng)手活動時(shí)，數(shù)據(jù)手套對這些活動進(jìn)行檢測并向計(jì)算機(jī)送入相應(yīng)的電信號。而后計(jì)算機(jī)將這些信號轉(zhuǎn)換為虛擬手的動作，這樣虛擬手就可以隨著用戶手的移動而移動。數(shù)據(jù)手套可以跟蹤手的位置和手勢命令，這樣的系統(tǒng)有助于對虛擬物體的定位、移動等操作。常見的數(shù)據(jù)手套有DataGlove、PowerGlove和TalkingGlove等。數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套背負(fù)式

數(shù)據(jù)手套設(shè)備數(shù)據(jù)手套用手戴上具有力反饋和觸覺的手套后，可以“按動門上的密碼鎖”，“拉伸一缺有彈性的虛擬物體”，或用“雙手揉搓圓球”。

虛擬機(jī)械手三維跟蹤球

三維跟蹤球可以看作是由鼠標(biāo)演變而來的數(shù)據(jù)輸入工具。與其相似的三維跟蹤設(shè)備還有力矩球、操縱桿、操縱棒、浮動鼠標(biāo)器和其他三維探測器等。三維球這種系統(tǒng)采用一個(gè)像臺球的東西，球被挖空了，里面裝有三維傳感器，球上有開關(guān)可以用來選擇對象。用戶手提這個(gè)三維球在空間運(yùn)動，球的運(yùn)動就會轉(zhuǎn)換為虛擬空間中物體的運(yùn)動。這個(gè)系統(tǒng)可用于短時(shí)操作和導(dǎo)航。三維跟蹤球力矩球這個(gè)系統(tǒng)可以測量用戶作用在球上的三個(gè)方向的力和三個(gè)方向的力矩，力和力矩測量的依據(jù)是彈性定律。當(dāng)用戶轉(zhuǎn)動或側(cè)向推動小球時(shí)，就能移動和操縱虛擬物體。力矩球的技術(shù)像鼠標(biāo)一樣簡單，在空心球里面的小塑料柱上安裝了紅外線發(fā)光二極管。球里的紅外線傳感器能感知從二極管中射出的光線。每個(gè)發(fā)光二極管代表著一個(gè)自由度:上下、左右、前后、俯仰、搖擺和滾動。當(dāng)用戶手握小球使它在某一方向運(yùn)動時(shí)，光傳感器便記錄了這個(gè)動作并把信號傳給處理系統(tǒng)。它的顯著特點(diǎn)是這個(gè)球和底座是放置在桌面上的，而不像三維球那樣需要拿到半空中。三維跟蹤球SpaceballTechnologies公司生產(chǎn)的Spaceball3003是力矩球的代表，它可感受握力的范圍是O.5--2ON，可承受轉(zhuǎn)動力矩為156OONmm，球體半徑為6Omm。

力矩球SpaceballTechnologies公司生產(chǎn)的Spaceball3003是力矩球的代表，它可感受握力的范圍是0.5--20N，可承受轉(zhuǎn)動力矩為15600Nmm，球體半徑為60mm。數(shù)據(jù)衣在虛擬環(huán)境中，如果只是利用一個(gè)漂浮的虛擬手來表示人，那是不夠理想的。若要使用戶真正成為虛擬環(huán)境中的角色，那么就要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠識別人體的姿勢，如身體的位置、面部表情以及人體其他各部位的動作。人們在這個(gè)方面進(jìn)行了不少的探索，已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。VPL公司研制了一種叫做"數(shù)據(jù)衣"的全身計(jì)算機(jī)輸入系統(tǒng)。數(shù)據(jù)衣數(shù)據(jù)衣采用了和數(shù)據(jù)手套相同的光纖彎曲傳感技術(shù)。數(shù)據(jù)手套中測量5個(gè)手指的彎曲一般用12根或15根光纖導(dǎo)線，而數(shù)據(jù)衣要對人體大約50個(gè)不同的關(guān)節(jié)進(jìn)行測量。包括膝蓋、手臂、軀干和腳。另外數(shù)據(jù)衣上也使用了四個(gè)磁跟蹤器:每只手上一個(gè)，頭上一個(gè)，另一個(gè)裝在衣服的背部。這種數(shù)據(jù)衣的確是很理想的數(shù)據(jù)輸入工具，但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、過于笨重以及標(biāo)定困難等問題，目前很難普遍采用。5.3虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.3虛擬環(huán)境生成系統(tǒng)虛擬環(huán)境生成部分是虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心部分，它的功能是根據(jù)任務(wù)的性質(zhì)和用戶的要求，在工具軟件和數(shù)據(jù)庫的支持下產(chǎn)生任務(wù)所需的、多維的、適人化的情景和實(shí)例。它由計(jì)算機(jī)基本軟硬件、軟件開發(fā)工具和其他配件(如聲卡、圖形卡等)組成，實(shí)際上就是一個(gè)包括各種數(shù)據(jù)庫的高性能圖形計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。5.3虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.4交互技術(shù)簡述虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特點(diǎn)之