大型产品虚拟装配系统中人机交互关键技术的研究

摘要

一些大型产品如飞机、火箭及武器产品等，结构复杂、零部件种类繁多，产品的制造尤其是装配过程相当复杂、难度较大，虚拟装配技术的发展为这些复杂产品的设计、可装配性分析和装配工艺设计提供了一条有效解决途径。开展虚拟装配技术研究的前提是建立一个良好的仿真平台，即建立一个良好的人机交互系统，从而能够比较真实地模拟实际装配工作过程，使仿真结果对实际生产提供更有效的指导作用。与工业生产中的流水线作业不同，在大型产品的装配过程中，产品主体结构的位置固定不动，而要求操作人员在不同的工作位置之间进行往返和操作。传统形式的虚拟装配交互系统很少考虑操作人员的实际活动范围问题，忽略了操作人员在虚拟环境中的运动感知问题，操作人员限制在固定位置不动，或者只能在有限的狭小空间内活动，因此与实际工作情况差距比较大。
　　针对上述情况，本文提出了一种可提供运动感知功能的新型人机交互系统，研究了系统的总体结构，并对涉及的一些关键技术问题进行了分析与研究。在这种新型交互系统中，操作者可以通过专门设计的行走运动感知器实现行走功能，从而将操作者的实际行走运动与虚拟环境下的漫游有机结合在一起。同时，由多个投影仪组成的投影系统将计算机产生的三维场景投影到环绕在操作者周围的大型球形显示屏上，形成很强的沉浸感。
　　通过考察现实中人的实际行走过程，并考虑交互系统中的实际使用情况，设计了交互系统中的关键部件——行走运动感知器，并完成了该装置的控制系统软、硬件的设计与开发。操作者在行走运动感知器上可以完成直线行走及左右转向动作，从而实现了虚拟环境中的运动感知功能。行走运动感知器主要采用两套独立的踏板来支撑操作者的双脚，通过3-D位置跟踪器获取操作者脚的位置信息，并通过该信息控制伺服电机带动相应踏板的转动以跟随操作者脚的位置，通过踏板的直线往复运动与回转运动与操作者的脚部运动相配合，共同完成行走运动过程。实验表明，利用设计的行走运动感知器可以取得较为满意的行走效果。
　　新型交互系统中的球形显示屏直径较大，并且采用投影图像背投显示的方式，制作难度较大，目前并没有很好的解决方法。本文研究了系统中的球形显示屏的制作选材和材料表面处理技术，为球形显示屏的制作提供了一定的指导依据。通过对材料性能的比较，选定光学塑料——聚碳酸酯(PC)板作为球形显示屏的制作材料，并采用喷砂的方法对其表面进行处理以降低 PC板的透光率，从而可以取得良好的图像投影效果。本文研究了PC板喷砂处理的工艺参数，测定了处理后的PC板透光率数值，并通过实际图像投影，验证了处理后 PC板的图像投影效果。另外，对球形显示屏制作中所涉及的球面等分和分块连接方式的设计进行了分析。
　　由于系统中采用球形曲面显示屏，导致显示图像的变形与失真，为了使操作者观察到正常图像，必须对投影仪图像进行几何校正。本文利用计算机视觉研究的相关知识，对曲面投影图像校正技术进行了研究。通过将投影仪假设为线性模型，采用非参数方法实现对一般曲面（包括规则曲面和不规则曲面）投影图像的校正，并通过实际投影实验对该方法进行了验证。
　　针对常见的球面、圆柱面等二次曲面的投影图像校正问题，推导了用于二次曲面图像校正的参数关系式，并研究了该参数校正法的实现过程。利用投影仪的线性模型假设，通过计算机视觉研究中的射影重建相关内容，推导出了用于二次曲面投影图像校正的参数关系式，研究了其实现方法，并通过实际投影实验进行了验证。

目录

大型产品虚拟装配系统中人机交互

RESEARCH ON MAN-MACHINE INTERACTION TECHNOLOGY FOR VIRTUAL ASSEMBLY SYSTEM OF LARGE-SCALE PRODUCTS

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题研究目的和意义

1.2 虚拟装配人机交互技术的发展

1.3 视觉系统曲面投影图像校正技术

1.4 论文主要研究内容

第2章 面向大型产品虚拟装配人机交互系统的研究

2.1 引言

2.2 面向大型产品虚拟装配人机交互系统的总体结构

2.3 新型人机交互系统的组成

2.4 人体运动感知模型

2.5 本章小结

第3章 面向大型产品虚拟装配的人机交互系统行走运动感知技术研究

3.1 引言

3.2 行走运动感知器原理与总体设计

3.3 行走运动感知器设计数据来源

3.4 行走运动感知器结构设计

3.5 行走运动感知器控制系统总体方案

3.6 伺服系统控制方案

3.7 行走运动感知器控制系统硬件方案

3.8 行走运动感知器控制系统软件开发

3.9 行走实验

3.10 本章小结

第4章 球形显示屏设计制造关键技术研究

4.1 引言

4.2 投影屏幕制作相关技术

4.3 球形显示屏制作材料选择

4.4 球形显示屏制作材料厚度选择

4.5 球形显示屏制作材料表面处理

4.6 球形显示屏制作技术

4.7 本章小结

第5章 非参数法曲面投影图像校正技术研究

5.1 引言

5.2 曲面投影模型

5.3 线性相机模型

5.4 非参数校正法原理

5.5 非参数法几何参数

5.6 非参数校正法实现

5.7 投影实例验证

5.8 本章小结

第6章 基于二次变换的曲面投影图像校正技术研究

6.1 引言

6.2 计算机视觉与射影重建

6.3 对极几何与基本矩阵

6.4 二次变换参数关系式

6.5 二次变换关系式的求解

6.6 二次变换图像校正的实现

6.7 投影实例验证

6.8 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历