0 引言

　　虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Visual Reality Technology,VRT)是虛擬制造的核心技術(shù)之一，有效地改善了人與計算機交互方式，可以逼真地模擬人在自然環(huán)境中的視覺、聽覺、運動等行為，它具有實時的三維窄間表現(xiàn)能力，提供了人機交互的操作環(huán)境，從而產(chǎn)生一種身臨其境的感受。隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)正逐漸成為一個研究和應(yīng)用的熱點。機械產(chǎn)品3D交互系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在制造業(yè)中的一項重要應(yīng)用，借助VRT，在設(shè)計階段就對產(chǎn)品進行虛擬裝配，可克服和避免傳統(tǒng)裝配技術(shù)的缺陷。當前工程界在很大程度上還是依賴于二維圖形進行技術(shù)交流，大大限制了對機器性能和工作特點的了解。

　　VRML(Virtual Reality Modeling Language，虛擬現(xiàn)實建模語言)是目前在Internet上比較成熟的3D建模語言，它能夠方便創(chuàng)建與用戶進行實時交互的3D虛擬環(huán)境，為人們提供最為直觀形象的技術(shù)資料，通過交互系統(tǒng)觀察到所感興趣的每一個細節(jié)，并且其優(yōu)勢在于可以通過互聯(lián)網(wǎng)直觀生動地快速輻射信息。

　　本文研究了利用VRML實現(xiàn)機械產(chǎn)品虛擬仿真的一些關(guān)鍵技術(shù)，并以二自由度并聯(lián)機構(gòu)為實例給出一個交互仿真系統(tǒng)的建立實現(xiàn)過程，說明借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以顯示出直觀的全方位全角度實體，還可通過系統(tǒng)進行模擬運動過程等，從而達到提高課堂學習興趣，增強培訓效果，促進產(chǎn)品的虛擬設(shè)計裝配，對機械產(chǎn)品的設(shè)計、展示和更新?lián)Q代有著重要的實際意義。

　　1 若干關(guān)鍵問題及其技術(shù)

　　1.1 VRML與JAVA

　　首先需要解決的問題是產(chǎn)品3D模型的可視化瀏覽。通常CAD數(shù)據(jù)很難直接以web方式用瀏覽器顯示，目前多采用VRML作為描述產(chǎn)品造型和裝配、虛擬制造過程的工具.隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬和計算機硬件性能的不斷提高，作為Web 3D技術(shù)主流的VRML正日益推進機械產(chǎn)品三維Web全景展示交互系統(tǒng)的發(fā)展。VRML是一種用于通過WorldWideWeb發(fā)布三維模型并允許用戶使用帶有插件的普通瀏覽器對三維物體進行瀏覽的國際標準。它本身不具備沉浸感，但是由于其易于實現(xiàn)、適合網(wǎng)絡(luò)傳輸，對建立基于Web的三維可視化交互式應(yīng)用提供了一種很好的解決方案。

　　VRML不是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，它對CAD數(shù)據(jù)的描述能力也非常有限，VRML2.0中支持簡單的行為可用JavaScript來完成一些基本的數(shù)學功能和http文件調(diào)用的功能。但對于一些較為復雜的工作如場景交互等，鑒于網(wǎng)絡(luò)的跨平臺和程序語言功能，當前Java語言基本上成為了這一應(yīng)用領(lǐng)域的首選。通過內(nèi)部Script節(jié)點和外部編程接口(EAI)使Java與VRML相結(jié)合，應(yīng)用VRML中的Script節(jié)點從VRML場景內(nèi)部提供了與Java的連接，來實現(xiàn)與VRML場景的交互。

　　1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　可以采用三層Browser/Server結(jié)構(gòu)。虛擬仿真交互系統(tǒng)放置在服務(wù)器端并且完成系列工作如更新升級，客戶端進行三維顯示和交互。在該模式下，網(wǎng)絡(luò)帶寬等資源得不到充分運用，服務(wù)器端往往成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸;而客戶端帶寬冗余、客戶機資源也得不到充分利用。

　　在基于P2P的對等結(jié)構(gòu)中，每個節(jié)點的地位都是相同的，具備客戶端和服務(wù)器雙重特性，可以同時作為服務(wù)使用者和服務(wù)提供者。通過使用瀏覽器在本地和異地瀏覽模型，團隊成員和用戶叮以時時地跟蹤設(shè)計的進度，交互地協(xié)作，以優(yōu)化模型，達到最佳設(shè)計目的。兩種模式各有優(yōu)劣，根據(jù)實際應(yīng)用情況選擇之一或者是二者的結(jié)合嘲。

　　1.3 CAD數(shù)據(jù)信息提取

　　VRML在工程上的應(yīng)用主要受限于其模型為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸和通用性建模的需要，在精確性和信息量方面與CAD模型相比存在不足。VRML為了提高實時交互性能，采用基于多邊形的模型表面描述，即通過IndexedFaceSet節(jié)點描述面的形狀并通過面的拼接實現(xiàn)任意形狀的幾何體外觀，這是與CAD模型的區(qū)別.當CAD模型轉(zhuǎn)換為VRML模型之后，容易丟失精確性和特征信息，因此CAD模型數(shù)據(jù)提取直接影響著產(chǎn)品模型仿真及交互系統(tǒng)的逼真度和實時性.目前，實現(xiàn)CAD環(huán)境下的信息提取有以下幾種可能的途徑。

　　1)直接利用CAD軟件的VRML導出功能;

　　2)通過產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標準STEP;

　　3)通過CAD軟件的API。

　　目前主流的CAD軟件如UG、ProE都支持VRML格式的輸出，可以很方便的將所設(shè)計的模型導出(.wrl)格式的文件進入VRML裝配環(huán)境，通過使用瀏覽器在本地和異地瀏覽模型，其缺點在于無法了解轉(zhuǎn)換細節(jié)，對仿真模型擴充系統(tǒng)功能限制較大，比較適合用來建立較簡單的虛擬現(xiàn)實模型，而后兩種方法可以得到更詳細的零件信息。對CAD軟件導出的STEP文件進行解析可以得到VRML模型和所需的裝配模型，對此已作研究。

　　2 二自由度并聯(lián)機構(gòu)交互系統(tǒng)的實現(xiàn)實例

　　2.1 結(jié)構(gòu)分析

　　該并聯(lián)平臺機構(gòu)為平面機構(gòu)，由機架和連桿組成，如圖1所示。機構(gòu)共有兩條支鏈組成，每個支鏈為一個平行四邊形機構(gòu)，由一個螺旋剮、兩個定長桿和4個轉(zhuǎn)動副組成。兩個螺旋副為機構(gòu)的兩個驅(qū)動副，當機構(gòu)的兩個螺旋副作為輸入時，刀具點的f證蹬參數(shù)即會發(fā)生變化。

　　考慮到機構(gòu)可能具有從0到6之間任何數(shù)目的公共約束，由圖1可知該機構(gòu)總的構(gòu)件數(shù)n=7，運動副數(shù)g=8，3個公共約束即λ=3，根據(jù)機構(gòu)的階數(shù)d=6-λ，得d=3，即本機構(gòu)為三階機構(gòu)，fi為第i個運動副的相對自由度數(shù)，機構(gòu)的自由度M可表達如下：

　　圖1 并聯(lián)機構(gòu)示意圖

　　根據(jù)機構(gòu)的自由度計算公式(1)可得自由度數(shù)M為2。

　　2.2 工作流程

　　UG有全面的零件實體建模功能，并且可以處理系統(tǒng)級的裝配設(shè)計，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口就可以將模型轉(zhuǎn)化為所需要的VRML格式。本系統(tǒng)就是利用UG進行各零件實體建模，并使用其裝配功能將并聯(lián)機構(gòu)平臺嚴格裝配，將裝配好的零件分別轉(zhuǎn)化為VRML格式。這樣就可以省去用VRML語言手工編程來對零件進行裝配.再采用Inline節(jié)點將各個部分都連到一個文件中，以實現(xiàn)整體交互運動。具體的實現(xiàn)流程如圖2所示。基于此思路編程代碼量較以往更少，更清晰。

　　圖2 二自由度并聯(lián)機構(gòu)仿真實現(xiàn)流程

　　2.3 并聯(lián)機構(gòu)運動仿真

　　對于并聯(lián)機構(gòu)各部件主要使用了UG中的實體建模(Solid Modeling)和特征建模(Feature Modeling)兩種方法，圖3是用UG得到的并聯(lián)機構(gòu)平臺靜態(tài)模型。建立部件模型如底座、滾珠絲杠、連桿等之后，在UG中把各部件進行裝配得到并聯(lián)機構(gòu)的整體裝配圖。把靜態(tài)模型導出為VRML格式文件在Vrml環(huán)境中實現(xiàn)運動仿真。

　　確定部件之間幾何關(guān)系是解決并聯(lián)機構(gòu)運動問題的關(guān)鍵。通過分析計算并聯(lián)機構(gòu)的運動方式如平移，斜線，圓周運動等，建立參數(shù)方程并進行整合，然后根據(jù)相應(yīng)的運動方程編制程序。例如，在連桿運動方程基礎(chǔ)之上，通過inline節(jié)點引入構(gòu)件，調(diào)整transform節(jié)點、translation和rotation等字段值來改變構(gòu)件的位置和方向;各構(gòu)件默認旋轉(zhuǎn)中心是構(gòu)件的物理中心，而構(gòu)件實際旋轉(zhuǎn)中心是其端點，所以還需調(diào)整center字段值改變其旋轉(zhuǎn)中心。因連桿隨同刀架做牽連運動，裝配時把連桿所在節(jié)點嵌套在刀架節(jié)點里，這樣給刀架設(shè)置運動的同時也設(shè)定了連桿的牽連轉(zhuǎn)動，再單獨設(shè)定連桿繞連桿與刀架交點的轉(zhuǎn)動，就可通過設(shè)置兩個簡單轉(zhuǎn)動確定連桿的復雜運動。絲杠螺母的平動并不是勻速運動，把其分解為隨同連桿的牽連轉(zhuǎn)動和相對連桿與絲杠螺母交點的轉(zhuǎn)動即可使機構(gòu)協(xié)調(diào)運動。刀架為勻速圓周運動，利用VRML的TimeSensor節(jié)點和OrientationInterpolator節(jié)點即可實現(xiàn)。根據(jù)其它構(gòu)件的轉(zhuǎn)角與刀架轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，確定任一時刻每個構(gòu)件的轉(zhuǎn)角，從而確定構(gòu)件的運動位置。圖4所示是運動中的一種狀態(tài)。

　　圖3 二自由度并聯(lián)機構(gòu)平臺正視圖

　　圖4 運動中的二自由度并聯(lián)機構(gòu)

　　3 小結(jié)

　　基于VRML的交互仿真技術(shù)是一個在不斷發(fā)展的新課題，由UG生成的VRML場景存在以下問題：通過UG內(nèi)置的模型轉(zhuǎn)換器或其他公司轉(zhuǎn)換器插件輸出的VRML文件包括大量錯誤或無用代碼，且丟失很多UG特效;對于提高客戶端與服務(wù)器端的交瓦能力等需要作進一步的研究。

　　本文給出了并聯(lián)機構(gòu)交互仿真實例達到了較好的運動效果，說明人們可以在瀏覽器上進行多視點、多場景瀏覽對象，并以多種方式控制場景中物體的運動與交互，使人感受到逼真的并聯(lián)機構(gòu)平臺，為基于Internet的異地協(xié)同和設(shè)計結(jié)果的異地評價提供支撐環(huán)境，探索了在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中機械機構(gòu)運動仿真的實現(xiàn)方法。