為實現(xiàn)復雜機械設(shè)備三維設(shè)計與拆卸、裝配三維誘導的一體化，提出了基于三維CAD模型的復雜機械設(shè)備增強現(xiàn)實拆裝誘導框架，基于該框架提出了基于拆裝優(yōu)先關(guān)系分層網(wǎng)絡模型的拆裝順序誘導方法，該方法在初始化階段自動生成樹狀拆裝優(yōu)先關(guān)系分層網(wǎng)絡模型，在設(shè)備拆裝過程中根據(jù)操作者的拆裝操作在線規(guī)劃拆裝順序，智能輸送相關(guān)誘導信息。提出了基于透視投影原理的三維誘導場景生成與顯示方法，能夠根據(jù)拆裝方向和零部件包圍盒的尺寸，利用透視投影原理將虛擬誘導場景定位在世界坐標系中，使虛擬誘導場景以合適的視角顯示在屏幕的指定位置上，提高了三維信息顯示的直觀性。最后建立了原型系統(tǒng)，驗證了以上理論和方法的可行性。

　　引言

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代大型復雜機械裝備(如各種發(fā)動機)的拆卸、裝配工藝日趨復雜，操作人員單純依靠自身經(jīng)驗、技術(shù)和知識難以高效地完成復雜機械裝備的拆卸、維修和裝配。紙質(zhì)和電子技術(shù)手冊當前被廣泛用于存儲、查詢拆裝維修工藝和技術(shù)信息，但使用過程中操作者需邊操作設(shè)備邊手動查看手冊，操作難度大且效率低，并且注意力需要在手冊和設(shè)備之間頻繁切換，易受周圍環(huán)境影響，從而造成拆裝維修差錯等問題，因此迫切需要一種新的方式，以主動向操作者輸送所需信息，誘導其完成當前的拆裝維修操作。

　　增強現(xiàn)實技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它能夠?qū)⒂嬎銠C生成的虛擬信息疊加顯示在真實場景上，使用戶看到一個虛實融合的環(huán)境。增強現(xiàn)實技術(shù)在機械設(shè)備拆裝維修誘導中具有廣泛的應用前景，引起了國內(nèi)外的重視，已經(jīng)開展的研究包括STARMATE(system　using　augmented　realityfor　maintenance，assembly，training　and　education)系統(tǒng)、芬蘭國家技術(shù)研究中心(簡稱VTT)系統(tǒng)、ARMAR(augmented　relity　for　maintenance　and　repair)系統(tǒng)和MOON(assembly　oriented　authoringaugmented　reality)系統(tǒng)等，空客軍用飛機公司已經(jīng)將增強現(xiàn)實技術(shù)應用于A400M 軍用運輸機布線誘導中;Webel等也已將增強現(xiàn)實技術(shù)應用到產(chǎn)品裝配技能培訓中。近些年國內(nèi)也開展了增強現(xiàn)實裝配相關(guān)的研究，如宋荊洲等將層次著色Petri網(wǎng)與圖靈機模型結(jié)合，提出了一種增強現(xiàn)實裝配環(huán)境系統(tǒng)模型，較好地滿足了增強現(xiàn)實裝配系統(tǒng)的動態(tài)實時響應要求;王峻峰等研究了增強現(xiàn)實環(huán)境下的產(chǎn)品裝配引導技術(shù);趙敏等構(gòu)建了一套裝配維修訓練的增強現(xiàn)實系統(tǒng)，在人機交互過程中采用靜態(tài)標志和動態(tài)標志相結(jié)合的方法，通過人手控制動態(tài)標志來觸發(fā)感興趣的內(nèi)容，完成維修操作。但現(xiàn)有的基于增強現(xiàn)實技術(shù)的拆裝維修系統(tǒng)多是“以計算機為中心”的程序化引導系統(tǒng)，普適能力差，僅實現(xiàn)了虛擬信息和真實場景的增強現(xiàn)實疊加，尚未達到誘導的層次，如使用中操作者需要自己識別拆裝任務，并通過手動操作計算機設(shè)備或語音識別的方式從數(shù)據(jù)庫中搜索提前規(guī)劃好的信息，這樣不僅不適用于噪雜的環(huán)境，而且分散了操作者的注意力，普適性能差。當前三維計算機輔助設(shè)計(Computer　Aided　Design，CAD)軟件已在產(chǎn)品設(shè)計中得到推廣和應用，如果能夠利用增強現(xiàn)實技術(shù)將復雜機械設(shè)備的三維CAD模型應用于該設(shè)備的拆裝維修誘導和培訓中，實現(xiàn)三維設(shè)計與拆卸、裝配三維誘導的一體化，必將大幅度提高產(chǎn)品的附加值，在軍事裝備(如飛機、艦船、裝甲等)維修培訓和戰(zhàn)時搶修領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。

　　鑒于此，本文使用增強現(xiàn)實技術(shù)，提出基于三維CAD模型的復雜機械設(shè)備增強現(xiàn)實拆裝誘導框架，通過無線射頻識別(Radio　Frequency　Identification，RFID)和位置跟蹤設(shè)備識別操作者的拆卸或裝配進程;根據(jù)產(chǎn)品的三維CAD裝配模型生成拆裝優(yōu)先關(guān)系分層網(wǎng)絡模型，建立基于拆裝優(yōu)先關(guān)系分層網(wǎng)絡模型的拆裝順序誘導方法，從而根據(jù)當前的拆裝進程、拆裝工藝和操作者的拆裝歷史在線向操作者推薦下一步將要拆裝的零部件，實現(xiàn)拆裝順序和拆裝工藝的智能輸送。提出基于透視投影原理的三維誘導場景生成與顯示方法，該方法根據(jù)拆裝方向和零部件的包圍盒尺寸，利用透視投影原理將虛擬誘導場景定位在世界坐標系中，從而將虛擬誘導場景以合適的視角顯示在屏幕的指定位置上。

1、復雜機械設(shè)備拆裝誘導系統(tǒng)框架

　　在合適的時刻自動、準確地輸送操作者急需的誘導信息，是實現(xiàn)“以人為中心”的拆裝誘導的關(guān)鍵之一，因此拆裝誘導信息的推送需要綜合考慮產(chǎn)品當前的拆裝進程、拆裝工藝和操作者的個體拆裝需求等，為此本文提出了如圖1所示的復雜機械設(shè)備拆裝誘導框架。

　　該系統(tǒng)的硬件包括戴在操作者眼睛前方的增強現(xiàn)實眼鏡、戴在操作者手部的RFID讀寫設(shè)備、手部位置跟蹤設(shè)備，以及貼在零件和拆裝工具上的RFID標簽。該誘導框架以產(chǎn)品三維CAD裝配模型為基礎(chǔ)，通過對CAD系統(tǒng)的二次開發(fā)將產(chǎn)品的CAD模型轉(zhuǎn)化為虛擬裝配模型，在誘導系統(tǒng)初始化階段加載虛擬裝配模型，生成樹狀拆裝優(yōu)先關(guān)系分層網(wǎng)絡模型。通過RFID標簽讀寫設(shè)備和手部位置跟蹤器識別操作者正在進行的拆裝操作，并自動生成相應的拆裝誘導工藝;拆裝操作完成后更新產(chǎn)品的拆裝進程模型，以表達產(chǎn)品的當前拆裝狀態(tài)。系統(tǒng)可以根據(jù)產(chǎn)品的拆裝優(yōu)先關(guān)系模型和當前的拆裝進程模型，在顯示屏幕指定區(qū)域上以三維圖形、動畫和文字的形式，向操作者提示下一步要拆裝的零件及其拆裝工藝等。

2、結(jié)束語

　　本文基于增強現(xiàn)實技術(shù)，研究了基于三維CAD模型的機械設(shè)備拆裝誘導系統(tǒng)，給出了誘導系統(tǒng)框架，提出了基于拆裝優(yōu)先關(guān)系分層網(wǎng)絡模型的拆裝順序誘導方法和基于透視投影原理的三維誘導場景的生成與顯示方法，并通過原型系統(tǒng)驗證了其可行性。本研究提出的理論和方法不僅實現(xiàn)了機械產(chǎn)品三維CAD軟件設(shè)計與拆卸、裝配誘導的一體化，而且具有較好的普適性，因此在大型機械設(shè)備維修培訓、訓練和軍事裝備的搶修等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景和應用價值。

　　本文設(shè)計的系統(tǒng)只是一個原型系統(tǒng)，距離實際應用尚有一定的距離，三維空間定位、零件識別、增強現(xiàn)實眼鏡的應用尚不成熟，人機交互性有待于進一步改進。未來可以采用一些硬件設(shè)備提高系統(tǒng)的人機交互性，如原型系統(tǒng)中手部位置跟蹤部分和增強現(xiàn)實跟蹤部分可以使用超聲波設(shè)備、GPS跟蹤設(shè)備等代替;增強現(xiàn)實眼鏡可以采用無線通信的方式與計算機通信;另外如果能夠?qū)⒏呔�度位置跟蹤模塊和RFID模塊集成，設(shè)計一個具有物體識別和位置感知的無線模塊，則必將大幅度提高誘導系統(tǒng)的可操作性和手部位置跟蹤的穩(wěn)定性，這些都是未來需要研究的方向。