虚拟设计课件

14三月2024虚拟设计5.1虚拟现实

1虚拟设计的技术基础“虚拟现实”

近年来，虚拟现实技术被越来越多地应用于科学研究，己逐渐被认为是重要的科学探索工具。利用这项技术。在新产品、新计划或新概念还远没有成为现实之前，人们就能够以较为现实的方式对其进行观察和探索。从这个意义上讲，虚拟现实技术是一种非常独特的技术，很难有别的技术可以取而代之。虚拟设计正是这项技术在机械产品设计方面的一个应用。5.1虚拟现实2虚拟现实技术的概念

虚拟现实技术正处于探索和发展时期，随着人们对这项技术认识的提高，虚拟现实技术的概念也在不断地改变。定义综合、归纳如下：

虚拟现实技术是人的想象力和电子学等相结合而产生的一项综合技术，它利用多媒体计算机仿真技术构成一种特殊环境，用户可以通过各种传感系统与这种环境进行自然交互，从而体验比现实世界更加丰富的感受。5.1虚拟现实3虚拟现实技术的由来

1929年，EdwinLink设计了一种装置，人们坐在其中有一种乘飞机的感觉－飞行模拟器（虚拟现实技术的鼻祖）。60年代初期，电影摄影师MortonHeiling研制的街道摩托车模拟器是虚拟现实的另一个先驱。人坐在这个装置上，双手操纵摩托车车把，仿佛穿行于闹市中，能看到立体、彩色、变化的街道、能听到立体声响、感到车的颠簸、扑面而来的风，甚至可以闻到食物的香气。

5.1虚拟现实3虚拟现实技术的由来1965年，IvanSutherland设计了一个头戴式计算机图显示器。1972年，NolanBushnell开发了一种电子游戏，允许人们通过电视屏幕操纵一个弹跳的乒乓球。实现了虚拟现实技术之一--交互性。80年代中期，美国宇航局利用液晶显示器和其它零部件开始研制低成本的虚拟现实设备替代昂贵的飞行模拟器，推动了虚拟现实硬件和软件的飞速发展。5.1虚拟现实4虚拟现实系统的特征

虚拟现实系统不同于一般的计算机绘图系统，也不同于一般的模拟仿真系统，它不仅能让用户真实地看到一个环境，而且能让用户直正感到这个环境的存在，并能和这个环境进行自然交互。虚拟现实系统具有以下特征：5.1虚拟现实自主性：在虚拟环境中，对象的行为是自主的，是由程序自动完成的，要让操作者感到虚拟环境中的各种生物是“有生命的”和“自主的”，而各种非生物是“可操作的”，其行为符合各种物理规律。交互性：在虚拟环境中，操作者能够对虚拟环境中的生物及非生物进行操作，并且操作的结果能反过来被操作者准确地、真实地感觉到。5.1虚拟现实沉浸感：在虚拟环境中，操作者应该能很好地感觉各种不同的刺激，沉浸感的强弱与虚拟表达的详细度、精确度、真实度有密不可分的关系。5.1虚拟现实5虚拟设计与虚拟制造的关系

虚拟制造(VirtualManufacturing)也是新近产生的一个概念，综合概括如下：

虚拟制造是以虚拟现实技术为基础的、一种集成的综合制造环境，用于加强一个企业各层次的决策与管理。根据侧重点的不同可以将虚拟制造系统划分为三个类。5.1虚拟现实以设计为中心的虚拟制造：用于在产品的开发设计过程中为设计研究人员提供有关产品的制造信息。这样的虚拟制造系统通过对产品的某种特殊性能(如质量、装配性能、操作性能等)的模拟仿真来优化产品的设计及工艺；并以不同角度和精度，利用对产品各制造工序的模拟仿真，来帮助产品设计和生产决策。5.1虚拟现实以生产为中心的虚拟制造：通过对生产过程的模拟仿真来经济、快捷地评价各种工艺方案、生产效率以及资源的供求状况，从而帮助优化制造环境的配置和生产的供给计划。5.1虚拟现实以控制为中心的虚拟制造：通过对控制模型及生产过程的模拟仿真，帮助在整个生产周期中进行优化处理。它能够为产品开发人员提供一个虚拟的环境，用来评价新产品的设计、原有产品的改进以及生产调度的优劣，并为优化制造工艺、提高制造水平提供辅助信息。5.2虚拟设计在产品开发中的作用

在产品的开发过程中，设计对产品的成本起着决定性的影响。图1是由英国航空公司提供的，该图简明地反映了产品开发的各个阶段对其成本的影响情况。产品成本的决定因素5.2虚拟设计在产品开发中的作用可以看出在产品成本中，制造阶段所占比例将近一半。但是从产品成本的责任观点来看，产品成本的85%是由研究开发阶段决定的。也就是说，研究开发阶段对最终产品成本的影响最大。因此加强对设计方法的研究、加大对设计部门的投入、对降低产品价格是至关重要的。5.2虚拟设计在产品开发中的作用不少大公司争先在它们的产品设计中采用了这项先进技术，如:通用汽车公司、波音公司、福特汽车公司、奔驰及英国航空公司等。

实践证明：虚拟设计在产品的概念设计、装配设计、人机工程学

(Ergonomics)等方面有着特别重要的意义。1虚拟概念设计

1996年美国Wisconsin-Madison大学研制出了一个虚拟概念设计系统COVIRDS(ConceptualVirtualDesignSystem)。概念设计是指对产品或零件的从头开始的设计构思，它的目的是为了捕捉产品的基本形状。概念设计是设计过程中的重要阶段，因为一旦确定了产品的概念设计，产品成本的60%-70%已经从宏观上确定。该系统克服了CAD建模的缺点，采用语音识别和手势跟踪系统使用户可以更直观地与虚拟建模环境进行交互，完成快速的概念设计。虚拟设计工作场景

2虚拟装配设计

虚拟设计在产品设计方面具有较大影响的另一个领域是装配设计，尽管目前尚没有商用虚拟装配系统，但就其技术来说已经成熟，人们普遍认为这项技术对产品设计具有很重要的意义。2虚拟装配设计几年前，美国麦道飞机公司就开始在飞机发动机设计中对虚拟装配设计技术进行探索。飞机发动机要在各种不同的气候条件下工作，它所承受的极大的温度变化和强大的机械力是很难想象的。飞机发动机的设计是一个相当复杂的过程，往往需要几年的时间。设计要考虑到发动机的工作需求，维护修理的特殊性。为了安全起见，飞机发动机需要定期地从飞机上拆下来，进行维护修理或替换，然后再装入飞机。2虚拟装配设计美国麦道飞机公司采用了沉浸式的虚拟现实系统以帮助新型号发动机的设计。这个虚拟设计系统首先用来研究发动机的拆装过程，尤其是用来发现拆装过程中发动机是否可能与其他零部件发生干涉。2虚拟装配设计整个发动机的拆装过程可以在虚拟环境中进行。若要进行拆卸，首先打开虚拟的发动机舱门，把拖车放到发动机的下面，然后用千斤顶把拖车顶到一定的高度。接下去可使用虚拟工具把固定发动机的螺栓松开，再把发动机固定在拖车上，降低拖车，把发动机移出去进行维修或替换。安装发动机的过程与拆卸类似，只是过程相反。2虚拟装配设计罗尔斯—罗伊斯公司在设计飞机发动机时也采用虚拟环境。以前，该公司在制造发动机之前也是采用实物模型来发现发动机维修过程中的问题。虽然发动机的实物模型并不能工作，但它的结构必须与真正的发动机一样，而且要更精确更结实。所以制造实物模型也不便宜。在1992年，罗尔斯—罗伊斯公司就开始依靠英国的ARRL(先进机器人研究实验室，现名INSYS)探索利用虚拟的计算机模型来代替实物模型的可能性。虚拟装配设计

虚拟装配设计虚拟装配设计虚拟装配设计虚拟装配汽车3虚拟人机工程学设计

虚拟设计在产品的人机工程学方面也有着特别重要的意义。英国航空实验室进行了一项用于概念验证的项目。研究人员研制开发了一个虚拟人机工程学评价系统，该系统由一个VPL生产的高分辨率HRXEyephone头盔式显示器，一个DataGlove数据手套，一个Convolvotron三维音响系统和一台SGI工作站组成，另外系统还为用户提供一个真实的轿车坐舱。3虚拟人机工程学设计设计人员采用CAD系统创建了一辆Rover400型轿车的驾驶室模型，经过一定的转换后将这个驾驶室模型引人这个虚拟人机工程学评价系统。借助这个系统，设计人员可以精确研究轿车内部的人机工程学参数，并且必要时可以修改虚拟部件的位置，重新设计整个轿车的内部构造。利用这个虚拟设计环境，最终用户也可以和设计人员一道参与设计，人们可以将转向盘抓住并从轿车的右边移到左边，这样有助于满足不同用户的特殊要求。用“生命景象系统”进行运动轨迹分析

虚拟手术训练者正在手持“虚拟镊子”和“虚拟缝针”缝合“虚拟血管”，其感受就如同在真实环境下一样。

手控式高分辨率CRT显示器

5.3虚拟设计系统结构

虚拟设计系统按照配置的档次可分为两大类:基于PC机的廉价设计系统；基于工作站的高档产品开发设计系统。一个虚拟设计系统包括两大部分：虚拟环境生成部分：这是虚拟设计系统的主体；外围部分：包括各种人机交互工具以及数据转换及信号控制装置。5.3虚拟设计系统结构3.1PC机与工作站

3.2虚拟设计系统构造虚拟设计系统结构示意图

5.3虚拟设计系统结构为了实现对三维对象的方便操作，人们研制了各种各样的三维交互工具，如:

数据手套三维跟踪球数据衣等数据手套数据手套是最有用的三维输入工具，它可以将手的运动转化为计算机输入信号。其工作原理是当手活动时，数据手套对这些活动进行检测并向计算机送入相应的电信号。而后计算机将这些信号转换为虚拟手的动作，这样虚拟手就可以随着用户手的移动而移动。数据手套可以跟踪手的位置和手势命令，这样的系统有助于对虚拟物体的定位、移动等操作。常见的数据手套有DataGlove、PowerGlove和TalkingGlove等。数据手套数据手套数据手套数据手套背负式

数据手套设备数据手套用手戴上具有力反馈和触觉的手套后，可以“按动门上的密码锁”，“拉伸一缺有弹性的虚拟物体”，或用“双手揉搓圆球”。

虚拟机械手三维跟踪球

三维跟踪球可以看作是由鼠标演变而来的数据输入工具。与其相似的三维跟踪设备还有力矩球、操纵杆、操纵棒、浮动鼠标器和其他三维探测器等。三维球这种系统采用一个像台球的东西，球被挖空了，里面装有三维传感器，球上有开关可以用来选择对象。用户手提这个三维球在空间运动，球的运动就会转换为虚拟空间中物体的运动。这个系统可用于短时操作和导航。三维跟踪球力矩球这个系统可以测量用户作用在球上的三个方向的力和三个方向的力矩，力和力矩测量的依据是弹性定律。当用户转动或侧向推动小球时，就能移动和操纵虚拟物体。力矩球的技术像鼠标一样简单，在空心球里面的小塑料柱上安装了红外线发光二极管。球里的红外线传感器能感知从二极管中射出的光线。每个发光二极管代表着一个自由度:上下、左右、前后、俯仰、摇摆和滚动。当用户手握小球使它在某一方向运动时，光传感器便记录了这个动作并把信号传给处理系统。它的显著特点是这个球和底座是放置在桌面上的，而不像三维球那样需要拿到半空中。三维跟踪球SpaceballTechnologies公司生产的Spaceball3003是力矩球的代表，它可感受握力的范围是O.5--2ON，可承受转动力矩为156OONmm，球体半径为6Omm。

力矩球SpaceballTechnologies公司生产的Spaceball3003是力矩球的代表，它可感受握力的范围是0.5--20N，可承受转动力矩为15600Nmm，球体半径为60mm。数据衣在虚拟环境中，如果只是利用一个漂浮的虚拟手来表示人，那是不够理想的。若要使用户真正成为虚拟环境中的角色，那么就要求计算机系统能够识别人体的姿势，如身体的位置、面部表情以及人体其他各部位的动作。人们在这个方面进行了不少的探索，已经取得了一些进展。VPL公司研制了一种叫做"数据衣"的全身计算机输入系统。数据衣数据衣采用了和数据手套相同的光纤弯曲传感技术。数据手套中测量5个手指的弯曲一般用12根或15根光纤导线，而数据衣要对人体大约50个不同的关节进行测量。包括膝盖、手臂、躯干和脚。另外数据衣上也使用了四个磁跟踪器:每只手上一个，头上一个，另一个装在衣服的背部。这种数据衣的确是很理想的数据输入工具，但是由于结构复杂、过于笨重以及标定困难等问题，目前很难普遍采用。5.3虚拟设计系统结构3.3虚拟环境生成系统虚拟环境生成部分是虚拟设计系统的核心部分，它的功能是根据任务的性质和用户的要求，在工具软件和数据库的支持下产生任务所需的、多维的、适人化的情景和实例。它由计算机基本软硬件、软件开发工具和其他配件(如声卡、图形卡等)组成，实际上就是一个包括各种数据库的高性能图形计算机系统。5.3虚拟设计系统结构3.4交互技术简述虚拟设计系统的特点之