基于虚拟现实技术的工业设计方法论的探寻

1、基于虚拟现实技术的工业设计方法论的探寻论文关键词：工业设计虚拟现实方法论论文摘要：阐述了基于虚拟产品设计形式和虚拟环境的产品创新设计、人机工程分析、形态组构、设计管理等产品造型设计方法的应用，认为在现代工业设计中运用虚拟现实技术，将极大地加快产品设计周期，降低产品开发的本钱，对工业设计方法的创新有着宏大影响。0引言虚拟现实vr(virtualreality)是一种高度逼真的模拟人在自然环境中的视、听、动等行为的人机界面。简单地说，是一种可以创立和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟现实技术是20世纪末兴起的一门新的综合性信息技术，它交融了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、数字图像处理

2、、网络技术、传感器技术及高度并行的实时计算等技术，它不仅指那些戴着头盔和手套的技术，而且还包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术和方法，它的根本目的就是到达真实体验和基于自然技能的人机交互。工业设计是建立在科学技术根底之上，以赋予工业产品艺术性为目的的一项感性思维和理性思维互相交融的工作。工业设计的程序有详细的方法和整体的战略进展指导和支持，不同国家、不同时期面对不同的设计对象时，工业设计的程序与方法也是各不一样，大体上有以下几种：创新设计法、人机工程学法、形态组构法、系统设计方法、aid方法、价值工程与价值创新法、设计管理法等。将虚拟现实技术引入工业设计中，在设计的各个阶段利用虚拟数

3、字模型方便快速地进展各种调查和试验，可以获得适用面更广、更接近真实状态的试验数据。同时，建立在实验根底上的产品设计工作将更具科学性和客观性，给工业设计的方法论以新的理念。1虚拟现实技术在国内外研究的现状11国外的研究情况随着虚拟技术的不断成熟与开展，一些兴隆国家已经在很多领域中应用了虚拟设计，也成立了许多与虚拟技术相关的实验室、课题组，其中著名的有美国贝卡罗来那大学(un)的计算机系，其主要的研究课题是物理建模与仿真工程和建筑遨游工程，此外还有美国的密歇根大学虚拟现实实验室，主要研究vr在轿车车身设计中的应用以及虚拟现实技术在产品开发中的应用。瑞士苏黎士理工大学计算机图形实验室主要的研究课题包

4、括动画与虚拟平台、协同虚拟环境(llabrativevirturalenvirnent)等。美国宇航局(nasa)的aes研究中心利用流行的液晶现实技术和其它零部件研制出了虚拟飞行器，弥补了飞行模拟器本钱过高的缺乏。美国麦道飞机公司采用沉浸式的虚拟现实系统进展新型号发动机的辅助设计。12国内的研究现状相对于国外虚拟设计的开展。国内虚拟技术的研究和应用还比较落后。自20世纪80年代vr技术开始起步以来，至今我国在vr的根底图形技术领域已经具备了坚实的基矗据不完全统计，目前全国已有34家科研机构、高等院校和企业正在开展虚拟制造技术的研究、开发及初步的示范应用工作，有4家企业参与了这种新的探究，其主

5、要的研究内容包括：产品的虚拟设计；热加工工艺模拟；加工过程、装配过程的仿真；虚拟轴机床和虚拟量仪的研制和开发；虚拟企业。总体来看，我国虚拟制造技术的研究多数是在原先的ada及仿真技术的根底上进展，而系统、全面的虚拟制造技术的研究尚未开展，还很少能将成熟的虚拟技术应用到实际开发中，尤其在产品的创新设计中，虚拟技术还未发挥出它应有的作用，应用程度远落后于兴隆国家。由此来看，我国重视产品设计程度的提升，将虚拟技术应用到设计领域已成为当前国内产品开发的重要环节。2基于虚拟现实技术的工业设计方法21创新设计法创新是工业设计的灵魂所在。当代社会经济条件下，市场产品没有创新就犹如失去了灵魂，很难在竞争对手如

6、林的市场上获得优胜。在当今全新的经济背景下，设计创新将引导消费、把握机遇，成为决定产品生命力的重要条件之一，以思维创新、行为创新、方式创新为核心的工业设计将在企业产品开发过程中扮演着举足轻重的角色。如图1、2所示，在传统的工业设计中，人们一直沿用着平面图来表达设计思想。即使应用计算机三维软件，最终也只能得到某个视角的立体效果图，难以真实完好地表达出设计者的意图。而基于虚拟现实技术的工业设计方法将以数字化的三维模型作为设计思想的载体，全面表达设计者的意图。人们可以根据自己的需要任意放大、旋转模型，主动索取信息，从而实现工业设计由面表达向体表达的打破，使设计师有更充裕的时间来考虑设计的细节问题这无

7、疑对工业设计的方法创新带来了革命性的冲击如图3所示。此外，虚拟现实技术与网络技术的结合，将可以构建一个全新的开放式设计平台，以三维数字化模型作为设计思想的载体，全面表达设计者的意图。打破地域限制，实现用户与设计、开发人员的良好沟通和互动。22基于虚拟现实技术的产品人机工程分析(1)人机工程学参数的采集与分析。传统的人机工程学在参数的采集和分析中存在诸多问题：采样数量、测量和数据分析的工作量均很大，且本钱高、周期长；无法进展动态修订；缺乏对于企业详细产品的针对性；参数多为二维模型。假设在详细的采集和分析中使用三维扫描技术(获取静态三维数据)、动作捕捉技术(获取动作特征数据)，即可生成虚拟被试三维

8、动态数字模型。这些数字模型在被更新前一直可以“活在虚拟现实技术平台上，通过对虚拟被试三维动态数字模型的关键点控制，实现实时数据的不断更新。(2)虚拟人机工程设计与评价。虚拟人机工程设计借助于虚拟样机(virtualprttype)系统进展设计，故也称其为虚拟人机工程学环境。设计人员和不同技术背景的人可以直观地观察到各种虚拟人体三维数字模型的实时情况，准确研究产品的人机工程学参数，直接与设计的产品进展交互，并评价产品的性能。在传统产品设计的人机系统中，人是操作者，机器只是被动的反响，而在虚拟产品设计的人机系统中，人成为主动参与者，复杂系统中可能有许多参与者共同在以计算机网络系统为根底的虚拟环境中

9、协同工作。在基于人机工程的传统产品设计中，人机分析和评价必须是在产品设计完成后的样机模型中或者在试制的产品中进展而在基于人机工程的虚拟产品设计中，人机设计分析评价又是在产品设计的过程中可以同时进展，也可与产品使用者进展各种实时的交互。如图4所示基于人机工程的传统产品设计的人机评价是在样品试制后才进展，假设人机评价结果达不到要求，就需要进展重新设计和样品试制，再进展人机评价，这样反复循环指导方能到达要求，这种评价方式既浪费时间又消耗资源。而图5基于人机工程的虚拟产品设计全过程采用协同并行式，人机设计、人机仿真和人机评价实现交互式。不需要样品试制的过程，而且和虚拟加工、虚拟制造形成并行，大大的节省

10、了时间和资原，也加快企业新产品的开发进程。2.3形态组构法有研究说明，“看是人类五种感觉中最为重要的感觉，因此，形态与色彩在设计中占据着尤为关键的地位。崭新符号的合理创造，依赖于深化观察理解生活与自然形态，及随后进展的创造性抽象思维活动。这里需要强调的是，通过对自然的学习、研究、分析，进一步升华创造出富有生命力的形态这一过程，必须遵循科学的研究方法与程序5。图2所示的电锤，其头部造型形成了电锤强劲的冲击力，而整体的外形设计不仅有传统电锤的风格，更有本款造型个性设计的明显特征；锤前端典型的电锤圆鼓造型构成了锤的共有特征，但也被赋予了更明确的时尚个性，线条形式随锤体细微向外弯曲，以致前端产生运动感

11、，海鱼般的外形与原有造型相比更是有着大胆的打破，但那正表达了电锤灵敏的运动特征。在采用虚拟现实技术进展本产品的造型设计时，设计师借助于freefr系统，按照科学的方法从虚拟立体的观察和人机交互中不断进展深化分析研究，见图6，找出形态变化的一般规律，使其在固有的限定条件下自如地进展联想、抽象与创造，把思维与创造力带入一个“美的自由王国。2.4设计管理法设计管理常以并行工程为形式7，设计过程引入虚拟现实，将使参与产品开发的所有专业人员可采用并行工作形式系统地将市场需求、工艺制造程度、装配、维修、产品推广等来实现协同工作。图6所示的freefr建模系统即可以在设计过程中满足直观交流这一要求，设计师利

12、用力反响输入设备进展模型的塑造，也可在原来产品的根底上进展不断地修改，并在短时间内完成新的概念模型。为了让更多的专业人员参与到设计中，还可利用增强式虚拟现实系统，在真实的环境中增加虚拟物体、装饰、构造部件，改变款式，将信息与消费准备阶段的反响信息相结合,选出最前方案。基于虚拟现实技术的设计管理能很好地遵循“赋予工作的喜悦的理念,设计中注重理性因素的表达，使设计更加大胆地运用前卫个性的动物外观形态的处理手法，将产品的目的市场牢牢抓住，本文电锤产品便是作者为无锡锐克电开工具进展设计的典型范例。目前电锤产品包括八个系列，在虚拟设计中能感悟到该品牌的每一款产品，设计集个性、高性能、完美美学和实用乐趣于一身，在虚拟使用电锤中感悟到高科技，感悟到电锤凸形腰线的