0 引言

　　虛擬現實技術(Visual Reality Technology,VRT)是虛擬制造的核心技術之一，有效地改善了人與計算機交互方式，可以逼真地模擬人在自然環境中的視覺、聽覺、運動等行為，它具有實時的三維窄間表現能力，提供了人機交互的操作環境，從而產生一種身臨其境的感受。隨著互聯網的飛速發展，虛擬現實技術正逐漸成為一個研究和應用的熱點。機械產品3D交互系統是虛擬現實技術在制造業中的一項重要應用，借助VRT，在設計階段就對產品進行虛擬裝配，可克服和避免傳統裝配技術的缺陷。當前工程界在很大程度上還是依賴于二維圖形進行技術交流，大大限制了對機器性能和工作特點的了解。

　　VRML(Virtual Reality Modeling Language，虛擬現實建模語言)是目前在Internet上比較成熟的3D建模語言，它能夠方便創建與用戶進行實時交互的3D虛擬環境，為人們提供最為直觀形象的技術資料，通過交互系統觀察到所感興趣的每一個細節，并且其優勢在于可以通過互聯網直觀生動地快速輻射信息。

　　本文研究了利用VRML實現機械產品虛擬仿真的一些關鍵技術，并以二自由度并聯機構為實例給出一個交互仿真系統的建立實現過程，說明借助虛擬現實技術可以顯示出直觀的全方位全角度實體，還可通過系統進行模擬運動過程等，從而達到提高課堂學習興趣，增強培訓效果，促進產品的虛擬設計裝配，對機械產品的設計、展示和更新換代有著重要的實際意義。

　　1 若干關鍵問題及其技術

　　1.1 VRML與JAVA

　　首先需要解決的問題是產品3D模型的可視化瀏覽。通常CAD數據很難直接以web方式用瀏覽器顯示，目前多采用VRML作為描述產品造型和裝配、虛擬制造過程的工具.隨著網絡帶寬和計算機硬件性能的不斷提高，作為Web 3D技術主流的VRML正日益推進機械產品三維Web全景展示交互系統的發展。VRML是一種用于通過WorldWideWeb發布三維模型并允許用戶使用帶有插件的普通瀏覽器對三維物體進行瀏覽的國際標準。它本身不具備沉浸感，但是由于其易于實現、適合網絡傳輸，對建立基于Web的三維可視化交互式應用提供了一種很好的解決方案。

　　VRML不是一種面向對象的編程語言，它對CAD數據的描述能力也非常有限，VRML2.0中支持簡單的行為可用JavaScript來完成一些基本的數學功能和http文件調用的功能。但對于一些較為復雜的工作如場景交互等，鑒于網絡的跨平臺和程序語言功能，當前Java語言基本上成為了這一應用領域的首選。通過內部Script節點和外部編程接口(EAI)使Java與VRML相結合，應用VRML中的Script節點從VRML場景內部提供了與Java的連接，來實現與VRML場景的交互。

　　1.2 系統結構

　　可以采用三層Browser/Server結構。虛擬仿真交互系統放置在服務器端并且完成系列工作如更新升級，客戶端進行三維顯示和交互。在該模式下，網絡帶寬等資源得不到充分運用，服務器端往往成為網絡的瓶頸;而客戶端帶寬冗余、客戶機資源也得不到充分利用。

　　在基于P2P的對等結構中，每個節點的地位都是相同的，具備客戶端和服務器雙重特性，可以同時作為服務使用者和服務提供者。通過使用瀏覽器在本地和異地瀏覽模型，團隊成員和用戶叮以時時地跟蹤設計的進度，交互地協作，以優化模型，達到最佳設計目的。兩種模式各有優劣，根據實際應用情況選擇之一或者是二者的結合嘲。

　　1.3 CAD數據信息提取

　　VRML在工程上的應用主要受限于其模型為了適應網絡傳輸和通用性建模的需要，在精確性和信息量方面與CAD模型相比存在不足。VRML為了提高實時交互性能，采用基于多邊形的模型表面描述，即通過IndexedFaceSet節點描述面的形狀并通過面的拼接實現任意形狀的幾何體外觀，這是與CAD模型的區別.當CAD模型轉換為VRML模型之后，容易丟失精確性和特征信息，因此CAD模型數據提取直接影響著產品模型仿真及交互系統的逼真度和實時性.目前，實現CAD環境下的信息提取有以下幾種可能的途徑。

　　1)直接利用CAD軟件的VRML導出功能;

　　2)通過產品模型數據轉換標準STEP;

　　3)通過CAD軟件的API。

　　目前主流的CAD軟件如UG、ProE都支持VRML格式的輸出，可以很方便的將所設計的模型導出(.wrl)格式的文件進入VRML裝配環境，通過使用瀏覽器在本地和異地瀏覽模型，其缺點在于無法了解轉換細節，對仿真模型擴充系統功能限制較大，比較適合用來建立較簡單的虛擬現實模型，而后兩種方法可以得到更詳細的零件信息。對CAD軟件導出的STEP文件進行解析可以得到VRML模型和所需的裝配模型，對此已作研究。

　　2 二自由度并聯機構交互系統的實現實例

　　2.1 結構分析

　　該并聯平臺機構為平面機構，由機架和連桿組成，如圖1所示。機構共有兩條支鏈組成，每個支鏈為一個平行四邊形機構，由一個螺旋剮、兩個定長桿和4個轉動副組成。兩個螺旋副為機構的兩個驅動副，當機構的兩個螺旋副作為輸入時，刀具點的f證蹬參數即會發生變化。

　　考慮到機構可能具有從0到6之間任何數目的公共約束，由圖1可知該機構總的構件數n=7，運動副數g=8，3個公共約束即λ=3，根據機構的階數d=6-λ，得d=3，即本機構為三階機構，fi為第i個運動副的相對自由度數，機構的自由度M可表達如下：

　　圖1 并聯機構示意圖

　　根據機構的自由度計算公式(1)可得自由度數M為2。

　　2.2 工作流程

　　UG有全面的零件實體建模功能，并且可以處理系統級的裝配設計，通過數據轉換接口就可以將模型轉化為所需要的VRML格式。本系統就是利用UG進行各零件實體建模，并使用其裝配功能將并聯機構平臺嚴格裝配，將裝配好的零件分別轉化為VRML格式。這樣就可以省去用VRML語言手工編程來對零件進行裝配.再采用Inline節點將各個部分都連到一個文件中，以實現整體交互運動。具體的實現流程如圖2所示。基于此思路編程代碼量較以往更少，更清晰。

　　圖2 二自由度并聯機構仿真實現流程

　　2.3 并聯機構運動仿真

　　對于并聯機構各部件主要使用了UG中的實體建模(Solid Modeling)和特征建模(Feature Modeling)兩種方法，圖3是用UG得到的并聯機構平臺靜態模型。建立部件模型如底座、滾珠絲杠、連桿等之后，在UG中把各部件進行裝配得到并聯機構的整體裝配圖。把靜態模型導出為VRML格式文件在Vrml環境中實現運動仿真。

　　確定部件之間幾何關系是解決并聯機構運動問題的關鍵。通過分析計算并聯機構的運動方式如平移，斜線，圓周運動等，建立參數方程并進行整合，然后根據相應的運動方程編制程序。例如，在連桿運動方程基礎之上，通過inline節點引入構件，調整transform節點、translation和rotation等字段值來改變構件的位置和方向;各構件默認旋轉中心是構件的物理中心，而構件實際旋轉中心是其端點，所以還需調整center字段值改變其旋轉中心。因連桿隨同刀架做牽連運動，裝配時把連桿所在節點嵌套在刀架節點里，這樣給刀架設置運動的同時也設定了連桿的牽連轉動，再單獨設定連桿繞連桿與刀架交點的轉動，就可通過設置兩個簡單轉動確定連桿的復雜運動。絲杠螺母的平動并不是勻速運動，把其分解為隨同連桿的牽連轉動和相對連桿與絲杠螺母交點的轉動即可使機構協調運動。刀架為勻速圓周運動，利用VRML的TimeSensor節點和OrientationInterpolator節點即可實現。根據其它構件的轉角與刀架轉角之間的關系，確定任一時刻每個構件的轉角，從而確定構件的運動位置。圖4所示是運動中的一種狀態。

　　圖3 二自由度并聯機構平臺正視圖

　　圖4 運動中的二自由度并聯機構

　　3 小結

　　基于VRML的交互仿真技術是一個在不斷發展的新課題，由UG生成的VRML場景存在以下問題：通過UG內置的模型轉換器或其他公司轉換器插件輸出的VRML文件包括大量錯誤或無用代碼，且丟失很多UG特效;對于提高客戶端與服務器端的交瓦能力等需要作進一步的研究。

　　本文給出了并聯機構交互仿真實例達到了較好的運動效果，說明人們可以在瀏覽器上進行多視點、多場景瀏覽對象，并以多種方式控制場景中物體的運動與交互，使人感受到逼真的并聯機構平臺，為基于Internet的異地協同和設計結果的異地評價提供支撐環境，探索了在虛擬現實環境中機械機構運動仿真的實現方法。