本发明专利技术公开了一种机械设备拆装3D在线诱导系统的诱导方法，诱导系统包括一个眼镜式增强现实头盔、手部位置跟踪器、计算机，所述增强现实头盔上带有两块显示屏和2个摄像头，增强现实头盔、手部位置跟踪器与计算机之间可实现无线通信，实现所述机械设备拆装3D在线诱导系统的诱导方法的步骤如下：第一，虚拟装配模型转换；第二，诱导系统的初始化；第三，拆装意图的识别；第四，诱导信息的生成；第五，诱导信息的叠加；第六，重复第三步骤至第五步骤，直至完成产品的在线诱导。本发明专利技术的方法具有诱导信息准确、普适能力强、便于携带的特点，能够实现以操作者需求、任务现状和拆装历史为驱动的3D在线诱导，实现产品3D设计与拆装诱导的一体化。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种机械设备拆装3D在线诱导系统的诱导方法，属于制造业信息化交叉领域，尤其与增强现实、人机交互和虚拟装配技术相关。
技术介绍
拆装(拆卸和装配)是机械设备维修的重要步骤，是恢复和提高机械设备整机性能和稳定性的重要保障手段，合理的拆装工艺和操作是维修效率和质量的重要保证。随着科技生产力的不断提高，现代大型复杂机械设备已经成为融合机械、电子、动力、信息、控制、能源、电气、液压、材料等多学科技术的集成系统，因此其拆装维修过程涉及到的技术和知识也不断增加，维修人员单纯依靠自身经验、技术和知识难以高效地完成复杂机械设备 的拆卸、维修和装配。纸质和电子技术手册被广泛用于存储、查询拆装维修技术信息，但使用过程中操作者需边操作设备边手动查看手册，操作难度大、效率低；并且注意力需要在手册和设备之间频繁切换，易受周围环境影响，造成拆装维修差错等问题。若有一种可穿戴计算机系统，能够根据操作者意图和当前任务同步、直观、自然地将所需诱导信息叠加在真实拆装场景中，便可使操作者将双手、双眼和注意力集中在设备拆装维修中，从而大大提高操作效率，减少误操作。增强现实技术为上述问题提供了良好的解决方法，增强现实技术是在虚拟现实技术的基础上发展起来的，它能够将计算机生成的虚拟信息通过注册技术准确叠加到真实环境上，使用户在现实设备上看到一个虚实融合的环境，具有虚实融合和交互的特点，因此在各种操作诱导中具有广泛的应用前景。本专利技术涉及一种应用增强现实技术的机械设备拆装3D在线诱导系统的诱导方法，通过对现有文献的检索，与本专利技术有关的文章包括！“Evaluating the Benefits ofAugmented Reality for Task Localization in Maintenance of an Armored PersonnelCarrier Turret”中ARMAR系统使用戴在手腕上的便携式电子设备手动查询下一步操作相关的信息，并将其现实在增强现实设备上 “An augmented reality system for trainingand assistance to maintenance in the industrial context” 中的 STARMATE 系统和“Demonstration of Assembly Work Using Augmented Reality” 中的 VTT 系统通过识别语音命令从数据中查询所需的信息。上述基于增强现实技术的拆装维修系统多是“以计算机为中心”的程序化引导系统，普适能力差，虽然实现了虚拟信息和真实场景的增强现实叠力口，但尚未达到诱导的层次。使用中操作者需自己识别拆装任务，并通过手动操作计算机设备或语音识别的方式从数据库中搜索所需信息，因此是以计算机为中心的诱导系统，这样不仅不适用于噪杂的环境，而且分散了操作者的注意力。增强现实的目标是通过跟踪观察者头部CXD相对于世界坐标系的方位建立观察虚拟信息的虚拟视点的位置，从而将虚拟模型、虚拟信息准确地叠加在真实环境中，实现虚拟场景和真实场景位置的一致性。当前增强现实注册方法可以分为六类机械跟踪法、电磁跟踪法、超声波跟踪法、GPS跟踪法、惯性方向跟踪法及光学跟踪法。其中电磁跟踪法和超声波跟踪法的成本低、精度高，但易受周围磁场、金属物体反射的影响。GPS位置跟踪法跟踪范围大，不需要专门的发射装置，但其精度较低，单个民用GPS的定位精度为十几米，差分GPS的精度也仅为20厘米左右。惯性方向跟踪法不需要外部发射装置，但只能跟踪方向和加速度，但积分运算得到的位置存在较大的积分累计误差，且跟踪结果存在短时浮动；光学跟踪法应用最为广泛，它将CCD (固定在操作者头部)在不同方位拍摄的两幅图像进行特征点(或标识点)提取、跟踪和匹配，利用CCD成像模型计算CCD当前方位，其优点是跟踪精度高，但跟踪范围小，易受遮挡、光线变化等影响，并且当物理环境中物体或标识改变位置时会弓I起较大的跟踪误差，甚至跟踪失败，不适合动态环境。根据特征点的不同，光学跟踪法分为基于自然特征点的注册算法和基于人工标识的注册算法，其中基于自然特征点的增强现实注册算法通过跟踪自然特征点实现注册，环境适应能力强。与增强现实技术的其它应用领域相比，复杂机械装备拆装具有其自身的特征，首先拆装活动空间大，拆装场地不固定；其次是设备结构复杂，拆装操作会改变零件布局和设备外观，因此随着拆装的进行，特征点匹配对急剧减少，这会降低基于自然特征点的光学跟踪法的鲁棒性，因此当前面向复杂机械装备拆装应用的增强现实注册多采用人·为设置标识点的方法，如 “Evaluating the Benefits of Augmented Reality for TaskLocalization in Maintenance of an Armored Personnel Carrier Turret，，将室内特定位置处安装10个CCD，用来检测安装在维修人员头部的红外发光二极管的位置，从而跟踪维修人员头部方位，该方法精度高，但结构复杂，携带不方便，适合场地固定(如室内)的拆装操作°“An augmented reality system for training and assistance to maintenancein the industrial context”将多个红外发光二极管安装在机械设备指定位置上,使用安装在维修人员头部的CCD拍摄红外图像，计算二极管的位置，从而跟踪CCD方位，该方法的跟踪精度和跟踪范围受二极管分布的影响，二极管发射装置布置越密跟踪精度越高，分布越广跟踪范围越大。由上可以看出现有拆装维修诱导系统使用的增强现实注册算法这大大限制系统的便携性和普适性。由上可以看出现有的机械设备拆装的诱导方法存在以下问题(I)诱导信息是人工保存在数据库中的信息，不同的机械系统需要输入不同的诱导信息；(2)现有的方法均是以语音和键盘作为输入方式，操作者不能把全部注意力集中在拆装操作上，因此是以计算机为中心的；(3)由于设备拆装过程中拆装场景变化大，并且手的运动会引起特征点的遮挡，造成特征点匹配对的减少，大大降低了传统的基于自然特征点的光学跟踪法的鲁棒性，因此现有的拆装诱导方法均是通过专用设备人为设置标识点实现增强现实注册的。以上三个问题限制了复杂机械设备拆装诱导系统的普适性、便携性和人机交互性。
技术实现思路
基于以上所述现有技术存在的问题和不足，本专利技术的目的在于提供一种机械设备拆装3D在线诱导系统的诱导方法，只需向本专利技术的系统提供机械设备的3D CAD模型，本专利技术的方法即可向设备拆装人员在线提供3D诱导信息，并叠加在真实拆装场景上。该方法将机械设备的CAD模型转化为虚拟装配模型，通过识别设备拆卸过程中操作者的拆装意图，从虚拟装配模型中提取操作者急需的诱导信息；该系统还可以通过三维重建对物体进行识别，进而从虚拟装配模型提取已装配(处于装配位置)零件的位置和零件上特征的坐标，从而可以存在大量遮挡和场景变化的情况下实现基于自然特征点注册算法的初始化和失效后的重新初始化。该方法完全依赖设备的CAD模型和场景分析即可实现装配拆装过程中的增强现实诱导，可提高相应系统的高普适性、人机交互性本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种机械设备拆装3D在线诱导系统的诱导方法，所述诱导系统包括一个眼镜式增强现实头盔、手部位置跟踪器、计算机，所述增强现实头盔上带有两块显示屏和2个摄像头，增强现实头盔、位置跟踪器与计算机之间可实现无线通信，其特征在于，实现所述机械设备拆装3D在线诱导系统的诱导方法的步骤如下：第一，虚拟装配模型转换：通过对CAD系统二次开发，将产品CAD格式的装配模型转化为虚拟装配模型，其中包括各零件模型和零件间的装配约束模型；第二，诱导系统的初始化：机械设备拆装3D在线诱导系统在加载上述虚拟装配模型，并考虑到重力支撑约束、工具拆卸空间约束和拆卸过程中碰撞的基础上，建立零件间的拆卸约束优先关系树模型；第三，拆装意图的识别：在机械设备拆装3D在线诱导系统的运行过程中，实时重建三维拆装场景，并进行零件识别，根据重建场景中心区域的零件、操作者手部的运动、手部的位置识别操作者关注的焦点零件；根据产品的拆卸约束优先关系树模型向操作者提示下一步将要拆装的零件；第四，诱导信息的生成：建立零件装配约束操作的自由带转化归约模型和装配工具选择模型；并基于建立的自由带转化归约模型和装配工具选择模型，系统根据识别到的下一步将要拆卸的零件、拆卸约束优先关系树模型，以动画的形式生成机械设备拆装3D诱导信息，以向操作者表达零件的拆装方向和所使用的拆装工具等；第五，诱导信息的叠加：基于重建场景中已装配零件上的机械特征在CCD坐标系中的坐标及其在装配模型中的相对于世界坐标系的坐标，实时计算观察者头部CCD相对于世界坐标系的方位，建立观察虚拟信息的虚拟视点的位置，从而将3D虚拟诱导信息准确地叠加在真实环境中，并将虚拟诱导信息和CCD拍摄的真实场景发送到头盔显示器上显示给操作者；第六，重复第三步骤至第五步骤，直至完成机械设备拆装的在线诱导。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈成军，洪军，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：
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