一、虚拟现实技术

（一）概述

虚拟现实（VR）是一种先进的计算机技术，通过物理或想象世界的模拟，给用户多种直观的感觉，没有统一或严格的定义，根据用途和具体设置各不相同[1-2]。虚拟现实是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合，是依靠计算机网络与信息传感处理而进行运算的交叉性虚拟技术。虚拟现实是实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉／力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等多种技术的集合[3]，主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像；感知是指理想的VR应具有一切人所具有的感知；自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并分别反馈到用户的五官；传感设备是指三维交互设备。

（二）构成模块

虚拟现实技术的构成模块包括：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境的检测模块；接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈的反馈模块；接受来自用户的操作命令并将其作用于虚拟环境，同时将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户的传感器模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用的控制模块；获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境的建模模块。

（三）关键技术

1.动态环境建模技术。获取实际环境的三维数据，并根据应用需要建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术(有规则的环境)，而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。

2.实时三维图形生成技术。三维图形的生成技术的关键是如何实现“实时”生成，至少要保证图形的刷新率不低于15帧／秒，最好是高于30帧／秒。在不降低图形质量和复杂度前提下，提高刷新频率是该技术的重要研究内容。

3.立体显示和传感器技术。虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有技术还远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小和使用不便等缺点：虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高 [4]。

（四）重要特征

1993年Burdea G在“Virtual reality and application”中提出了虚拟现实技术的3个重要特征，即交互性(interaction)、沉浸性(immersion)和想象性(imagination)。

1．交互性。即信息的交流与反馈，是指人作为参与者且主体参与虚拟化环境，以自然的方式与该环境进行信息的交流，并得到实时有效的信息反馈，包括对象的可操作程度和用户从环境中得到反馈的自然程度。虚拟现实技术要求的交互是自然的，完全摆脱键盘和鼠标的束缚，以一种近乎人与人或人与真实世界交互的方式在虚拟环境中交互。VR是以人为主体而不是计算机，人是虚拟环境中一切变化产生的前提，而且VR交互的时效性和有效性更强。

2．沉浸性。是指用户作为主体参与并存在于虚拟化环境所感受到的融入程度和真实程度，包括多感知性和自主性两个方面。多感知性是指VR能为用户提供传统多媒体技术所具备的视觉和听觉感知外其他感知功能。理论上讲，VR应该具备人体在真实世界中所具备的所有感知功能。自主性是指虚拟环境中所有物体的运动及人与环境交互都要依据物理学定律来进行，从而使参与者能更深的融人于虚拟环境中，进而提高VR的沉浸性。

3．想象性。虚拟现实技术具有广阔的可想象空间，可拓宽人类认知范围，不仅可以再现真实存在的环境，也可随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。用户沉浸在“真实的”虚拟环境中，与虚拟环境进行各种交互作用，从定性和定综合集成的环境中得到感性和理性的认识，深化概念，萌发新意，产生认识上的飞跃。虚拟现实不仅是用户与终端的接口，而且可以使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思把这种构思结果输入系统中，系统会将处理后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户如此反复，这是一个学习一创造一再学习一再创造的过程，因而虚拟现实是启发人的创造性思维的活动[5]。

综上所述，虚拟现实技术具备3I特性，能使用户作为主体更好的融入虚拟世界与该环境进行自然的交互，并从中不断的认识、学习、实践、创造、再学习和再创造，从而不断地提升认识世界和改造世界的能力。

二、虚拟现实技术在机械设计制造中的应用

现代工业产品有一个完整的生命周期[6]，设计和制造阶段是整个生命周期的重要阶段，并决定产品的性能和特性。虚拟现实技术被认为是当今世界工业4.0支持智能工作的最先进的前端技术之一[7]。

（一）虚拟设计

虚拟现实技术在机械设计中应用机械产品的制造与生产过程中，最为基础的工作就是机械产品的概念设计。目前，CAD／CAM已经成为机械领域必不可少的软件工具。相关研究显示,70%的产品生命周期成本是在设计阶段[8]。虚拟现实技术的应用可以大幅度提高设计效率，同时使设计人员能通过网络按协作方式进行三维模型的设计、交流和发布，从而进一步提高生产效率并削减成本。

1.动态立体化呈现设计方案。通过虚拟现实技术把原有静态的设计方案设计动态化和立体化，使设计更加生动、形象、逼真，给出更加直观、生动的可视化标本。

2.提前建立零部件模型。利用虚拟现实技术在设计阶段建立零部件模型，将虚拟的零件组装在一起，提前检查零部件之间的间隙及安装是否准确，使机械设计更加合理、可行，提高产品设计的工作效率和准确程度，节约时间和降低企业生产成本，提升企业竞争力。Pang等人[9]介绍了在设计过程中使用AR的情况，可以帮助设计人员从计算机屏幕和物理世界中查看CAD零件，为设计人员提供更好的3D透视图，并增加了CAD组件的几何可视化，改进的三维可视化减少了用户的认知负荷，提高了设计过程的效率。

3.设计阶段进行模型修改。利用虚拟现实技术可以直观看到产品设计样本，可以通过VR观察模型外观，操纵机械的模拟设计的原型，更加容易发现问题和改进，可以直接生成新模型，保证了未来生产出来产品的质量，从而缩短产品开发周期。

4.准确掌握产品概念设计与实际体验感受间的区别。虚拟现实技术能够帮助设计人员根据设计思路对机械产品设计概念进行调整，能够让用户直接对产品进行感受，从而帮助产品设计者更加清楚的了解用户的使用体验，针对用户需求对机械产品设计进行优化。随着VR/AR对象跟踪技术的发展，设计师将能够使用徒手手势来操纵虚拟对象[10]，这种形式的人机交互允许设计人员移动和改变组件的大小，从而改善设计过程中的交互和体验。在操作层面，基于纸面和计算机的任务可以替换为AR任务，这可以增强执行任务的操作员的交互和体验，操作员可以使用图形用户界面（GUI）扩充并过滤到物理工作区，将能够通过基本的徒手手势操作这些信息[11]。

（二）虚拟制造

虚拟制造技术是由多学科先进知识形成的综合系统技术，是以计算机仿真技术为前提，对设计、制造等生产过程进行统一建模，在产品设计阶段，实时地并行地模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的制造性，从而更有效、更经济地灵活地组织制造生产，使工厂和车间的资源得到合理配置，以达到产品开发周期和成本最小化、产品设计质量最优化，生产效率最高化的目的。

虚拟制造是虚拟现实技术实际应用于机械设计和制造的有效体现，是运用计算机仿真技术在高性能计算机网络的支持下，在计算机上进行模拟实体的协同工作，采用计算机仿真系统与虚拟现实技术实现高速网络下的计算机控制，在计算机群组中建立与产品相关的三维动态模型，使产品的设计、工艺、特点和加工制造都能通过三维模型直观地展现出来，以此实现虚拟制造的实际效用，为实际生产制造提供安全性保障。产品生产的各级管理能够清晰的体现在计算机上，这使设计师对产品的制作过程有着充分的决策能力以及控制能力。涉及早期的可维护性设计工作主要依靠物理设计产品的原型或全尺寸实体模型,在产品开发阶段，物理原型通常制造比较困难，一些必要的分析和验证工作无法执行，这阻碍了制造业设计的实施和装配 [12]，导致设计效果不佳。虚拟现实制造运用虚拟样机代替实体物理模型可以对产品进行展示、分析、测试，对其中的问题进行个合理的修改，更进一步的提高产品制造的成功率，实现企业利益的最大化以及提升企业的竞争优势。

虚拟制造中AR的使用也类似于设计过程，操作员可以通过在物理环境中操纵虚拟对象来模拟装配过程[13]。虚拟仿真允许操作员进一步了解给定任务，并为尝试和错误创造空间，这将提高实际装配过程中的速度和精度，并减少事故的发生。从真人大小的机器人到机器人手臂，通过虚拟现实可以增强远程控制机器人的体验，通过在机器人的头部安装摄像头，并在另一端使用HMD，操作员就可以进行操作，操作员将能够在观察机器人环境的同时控制机器人[14]。这提高了操作员的态势感知能力，通过增加用徒手手势控制远程机器人，控制机器人的交互将使操作员更加直观，并减少对复杂硬件的需求。

三、结语

将VR引入机械设计制造过程，使用户能够更好地进行3D几何可视化、直观地控制机器操作和模拟实践，提高了用户在执行速度、准确性和认知负荷方面的人因性能。然而，由于交互之间缺乏触觉反馈，实现的是有限的虚拟对象。虽然有计算力反馈和向用户显示数字信息的技术，但物理触觉反馈仍然没有得到很好的发展和可行。例如，在某些情况下，触觉手套的使用成本高且复杂，有很多限制。

当前VR在工作场所的制造应用相对较少，主要是由于VR技术投影设备和其他硬件、软件的高运营成本。为维护系统开发一个令人满意的虚拟现实并非易事，构建一个功能齐全的虚拟现实系统，通常意味着需要资本成本，包括购买成本、系统安装后的日常维护成本等。此外，虚拟现实系统的复杂性也对用户的专业知识和技能要求较高。此外，当前的VR硬件和软件往往不友好，所有这些都阻碍了企业和公司将VR用于商业用途。

参考文献：

[1] Steuer J. Defining virtual reality: dimensions determining telepresence. J Commun 1992;42:73–93.

[2] Packer R, Jordan K, Gibson W. Multimedia: From Wagner to Virtual Reality.

[3] 王观玉，周力军，杨福建主编.大学计算机[M].2019.

[4] 洪露，郭伟，王美刚著.机械制造与自动化应用研究[M].2019.

[5] 潘晓霞著.虚拟现实与人工智能技术的综合应用[M].2018.

[6] Fukushige S, Yamamoto K, Umeda Y. Lifecycle scenario design for product end-of-life strategy. J Remanufacturing 2012;2:1.

[7] Frank AG, Dalenogare LS, Ayala NF. Industry 4.0 technologies: implementation patterns in manufacturing companies. Int J Prod Econ 2019;210:15–26.

[8] Stapelberg RF. Handbook of reliability, availability, maintainability and safety in engineering design. United Kingdom: Springer; 2009.

[9]Pang Y, Nee A Y C, Khim Ong S, Yuan M L, Youcef-Toumi K. Assembly feature design in an augmented reality environment. Assembly Automation, 2006, 26(1): 34–43.

[10] Wang Z, Ng L X, Ong S K, Nee A Y C. Assembly planning and evaluation in an augmented reality environment. International Journal of Production Research, 2013, 51: 7388–7404.

[11] Yew A W W, Ong S K, Nee A Y C. Towards a griddable distributed manufacturing system with augmented reality interfaces. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2016, 39: 43–55.

[12] Edwards KL. Towards more strategic product design for manufacture and as-sembly: priorities for concurrent engineering. 2002.

[13] Wang X, Ong S K, Nee A Y C. Real-virtual components interaction for assembly simulation and planning. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2016, 41: 102–114.

[14] Yew A W W, Ong S K, Nee A Y C. Immersive augmented reality environment for the teleoperation of maintenance robots. Procedia CIRP, 2017, 61: 305–310.