本書以虛擬現(xiàn)實技術與機械產(chǎn)品設計的深度融合為主線，將虛擬現(xiàn)實技術引入機械產(chǎn)品設計的各個流程中，并給出VR模型構建、VR場景構建、VR裝配設計、VR運動仿真、VR多設備配套運動仿真、VR虛實雙向映射、VR人機交互、VR網(wǎng)絡設計等與機械產(chǎn)品虛擬現(xiàn)實設計相關的關鍵技術，旨在為機械產(chǎn)品設計人員與機械產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)提供一定的指導，使得機械產(chǎn)品設計具備設計網(wǎng)絡化、三維可視化和交互操作化的特點，革新傳統(tǒng)機械產(chǎn)品設計方法，提升機械產(chǎn)品設計能力，增強機械產(chǎn)品生命力。本書可作為高等院校機械、計算機等相關專業(yè)的研究生和高年級本科生教材，也可供從事機械產(chǎn)品設計、虛擬現(xiàn)實仿真、人機交互、虛實雙向映射等技術研發(fā)的科研和工程技術人員參考。
虛擬現(xiàn)實技術是當今跨學科發(fā)展的重點，在機械、航空航天、醫(yī)療等諸多領域發(fā)揮著越來越重要的作用。虛擬現(xiàn)設機械設計是綠色設計的代表，數(shù)字孿生技術即為其中代表。通過虛擬設計場景，可以大大縮短設計的時間，檢驗產(chǎn)品的設計是否合理，節(jié)省大量的物力和人力，必將在將來成為設計的主流方法。
作為新一代信息技術的重要前沿方向之一，虛擬現(xiàn)實(VR)技術近年來不斷取得技術突破并在現(xiàn)代工業(yè)領域得到廣泛應用。2022年10月，工信部等五部門聯(lián)合印發(fā)《虛擬現(xiàn)實與行業(yè)應用融合發(fā)展行動計劃(20222026年)》，支持虛擬現(xiàn)實技術在設計、制造、運維、培訓等產(chǎn)品全生命周期重點環(huán)節(jié)的應用推廣，加速工業(yè)企業(yè)數(shù)字化、智能化轉型。其中，在機械產(chǎn)品設計領域，虛擬現(xiàn)實技術也有十分廣泛的應用前景。
基于以上背景，本書以虛擬現(xiàn)實技術與機械產(chǎn)品設計的深度融合為主線，通過描述VR模型構建、VR場景構建、VR裝配設計、VR運動仿真、VR虛實雙向映射、VR人機交互、VR網(wǎng)絡設計等與機械產(chǎn)品虛擬現(xiàn)實設計相關的若干關鍵技術，為機械產(chǎn)品設計人員提供幫助，革新傳統(tǒng)機械產(chǎn)品設計方法，提升機械產(chǎn)品設計水平，實現(xiàn)設計網(wǎng)絡化、三維可視化和交互操作化。
全書共分為9章。第1章對虛擬現(xiàn)實技術、虛擬設計、機械產(chǎn)品設計等基本概念進行了概述，闡明了本書的編寫目的與意義，回顧了相關領域的國內(nèi)外研究動態(tài)，概述了主要研究內(nèi)容與整體結構。
第2章研究了VR模型的構建技術，主要包括模型調(diào)研與分析、機械產(chǎn)品虛擬現(xiàn)實模型資源庫的構建、不同模型構建方法與技術對比分析等內(nèi)容。
第3章研究了VR場景構建技術，包括模型修補、模型轉換、模型導入、位置布置、場景渲染等關鍵環(huán)節(jié)，并進行了模型構建方法與技術對比分析。
第4章研究了VR裝配設計技術，給出了虛擬裝配技術的概述與功能規(guī)劃，并介紹了VR裝配設計中的多種關鍵技術。
第5章對VR運動仿真設計技術進行了深入研究，并以煤礦機械中的綜采工作面三機為案例介紹了VR運動仿真的具體方法與流程，以及如何規(guī)劃機械產(chǎn)品的運動仿真。
第6章研究了VR多設備配套運動仿真技術，分別給出了配套運動仿真技術概述與規(guī)劃以及多設備配套運動的軟件實現(xiàn)方法。
第7章以數(shù)字孿生理論為基礎，研究了VR虛實雙向映射技術，包括傳感器布置與感知信息獲取、實時交互通道接口構建、機械設備虛擬重構與監(jiān)測以及機械設備反向控制等技術。
第8章是對VR人機交互技術的研究，重點包括基于HTCVive和Kinect兩種硬件設備的人機交互技術。
第9章研究了基于Web的VR網(wǎng)絡設計技術，通過網(wǎng)絡技術為機械裝備企業(yè)，特別是中小企業(yè)，提供機械產(chǎn)品虛擬現(xiàn)實設計資源共享和技術支持。
本書由王學文、謝嘉成和劉曙光合著，其中王學文著第1、2、3、6章，并負責全書的統(tǒng)稿和審閱工作;謝嘉成著第4、5、9章;劉曙光著第7章和第8章。
本書內(nèi)容研究與出版得到中央引導地方科技發(fā)展資金項目(YDZJSX2022A014)、山西省留學人員科技活動擇優(yōu)資助重點項目(20230008)、山西省科技重大專項計劃揭榜掛帥項目(202101020101021)、中國學位與研究生教育學會重點課題(2020ZDA12)和中國高等教育學會研究規(guī)劃重點課題(22SZH0306)等項目的資助。李娟莉、周帥、韓菲娟、李祥、葛星、李素華、沈宏達、溫利強、池昱杉、劉怡夢、曹琦等對本書部分內(nèi)容做出了貢獻，向他們表示衷心的感謝。
鑒于著者水平所限，書中不足之處在所難免，敬請讀者批評指正。
著者
王學文，1979年生，太原理工大學教授，博士生導師，煤礦綜采裝備山西省重點實驗室主任。主持(完成)國家級和省部級項目約20項，獲省部級科技二等獎以上獎勵5項。山西省三晉英才、山西省高等學校優(yōu)秀青年學術帶頭人、山西省高校131中青年拔尖創(chuàng)新人才等。兼任中國機械工程學會成組與智能集成技術分會委員、中國煤炭工業(yè)協(xié)會信息化分會理事、中國煤炭工業(yè)協(xié)會煤礦智能化與新技術專委會委員等。主要從事機械產(chǎn)品虛擬現(xiàn)實設計理論與技術應用研究，主持完成的面向煤機裝備的虛擬現(xiàn)實裝配技術與系統(tǒng)入選中國科協(xié)2022年科創(chuàng)中國先導技術榜。
第1章 概述001
1.1 虛擬現(xiàn)實設計簡述001
1.1.1 虛擬現(xiàn)實技術001
1.1.2 虛擬設計005
1.1.3 機械產(chǎn)品設計007
1.2 虛擬現(xiàn)實設計的意義009
1.2.1 目的009
1.2.2 意義010
1.3 國內(nèi)外相關研究概述011
1.3.1 國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術研究動態(tài)011
1.3.2 國內(nèi)外機械產(chǎn)品虛擬現(xiàn)實設計研究動態(tài)013
1.4 主要研究內(nèi)容與結構018
第2章 VR模型構建技術020
2.1 模型調(diào)研與分析020
2.2 基于CAD軟件的建模021
2.3 基于藝術設計軟件的建模024
2.4 模型資源庫下載和導入模型025
2.5 機械產(chǎn)品虛擬現(xiàn)實模型資源庫026
2.6 模型構建方法與技術對比分析030
第3章 VR場景構建技術031
3.1 場景需求與CAD模型031
3.1.1 場景需求031
3.1.2 CAD模型033
3.2 模型修補技術033
3.3 模型轉換技術036
3.4 模型導入042
3.5 位置布置042
3.6 場景渲染技術043
3.6.1 模型的渲染043
3.6.2 場景渲染043
3.6.3 粒子制作理論044
3.6.4 粒子系統(tǒng)設置045
3.6.5 后期屏幕渲染特效046
3.6.6 天空盒系統(tǒng)047
3.6.7 光照模擬與遮擋剔除048
3.7 場景構建方法與技術對比分析049
第4章 VR裝配設計技術051
4.1 虛擬裝配技術概述與功能規(guī)劃051
4.1.1 虛擬裝配的定義051
4.1.2 虛擬裝配的特征051
4.1.3 虛擬裝配的分類053
4.1.4 虛擬裝配的構成053
4.1.5 功能規(guī)劃054
4.2 裝配序列與路徑規(guī)劃技術057
4.2.1 破碎部裝配序列058
4.2.2 截割部裝配序列059
4.2.3 牽引部裝配序列060
4.3 裝配模型操縱技術062
4.3.1 模型的選擇063
4.3.2 模型的重置066
4.4 路徑記錄與回放技術067
4.4.1 路徑記錄067
4.4.2 路徑回放068
4.5 自動定位約束技術069
4.6 虛擬裝配人機交互子系統(tǒng)072
4.6.1 技術路線072
4.6.2 虛擬手模型的建立073
4.6.3 位置跟蹤器和數(shù)據(jù)手套的關系建立078
4.6.4 虛擬手裝配操作079
4.6.5 基于虛擬手的裝配交互實現(xiàn)086
4.7 網(wǎng)絡協(xié)同裝配技術086
4.7.1 工作流程086
4.7.2 基于WindowsSockets的網(wǎng)絡協(xié)同裝配087
4.7.3 具體實現(xiàn)流程088
4.8 裝配系統(tǒng)設計與集成089
4.8.1 基于UG的采煤機虛擬裝配系統(tǒng)總體設計089
4.8.2 系統(tǒng)集成094
第5章 VR運動仿真設計技術096
5.1 運動仿真總體思路096
5.2 采煤機運動仿真096
5.2.1 采煤機姿態(tài)解析096
5.2.2 采煤機虛擬聯(lián)動實現(xiàn)097
5.2.3 采煤機虛擬記憶截割方法099
5.3 液壓支架運動仿真103
5.3.1 液壓支架姿態(tài)解析103
5.3.2 液壓支架虛擬現(xiàn)實運動求解104
5.3.3 液壓支架虛擬聯(lián)動實現(xiàn)109
5.4 刮板輸送機運動仿真111
5.4.1 刮板輸送機姿態(tài)解析111
5.4.2 刮板輸送機彎曲段計算111
5.4.3 刮板輸送機虛擬聯(lián)動實現(xiàn)112
5.5 如何規(guī)劃產(chǎn)品的運動仿真115
第6章 VR多設備配套運動仿真技術116
6.1 配套運動仿真技術概述與規(guī)劃116
6.2 多設備配套運動軟件實現(xiàn)方法117
6.3 綜采工作面工藝分析與三機虛擬協(xié)同整體思路117
6.3.1 綜采工作面工藝分析117
6.3.2 三機虛擬協(xié)同整體思路118
6.4 液壓支架群協(xié)同119
6.4.1 液壓支架相互感知與記憶姿態(tài)方法119
6.4.2 液壓支架群協(xié)同運動實現(xiàn)125
6.5 采煤機與刮板輸送機協(xié)同126
6.5.1 采煤機與刮板輸送機進刀姿態(tài)耦合方法126
6.5.2 采煤機和刮板輸送機聯(lián)合定位定姿方法136
6.5.3 采煤機與刮板輸送機協(xié)同運動實現(xiàn)149
6.6 采煤機與液壓支架群協(xié)同150
6.6.1 采煤機與液壓支架群動作耦合策略150
6.6.2 采煤機與液壓支架群速度匹配計算151
6.6.3 采煤機與液壓支架群協(xié)同運動實現(xiàn)152
6.7 液壓支架與刮板輸送機協(xié)同153
6.7.1 液壓支架推移油缸解析模型153
6.7.2 液壓支架與刮板輸送機彎曲段協(xié)同與速度協(xié)同153
6.7.3 液壓支架與刮板輸送機協(xié)同運動實現(xiàn)161
第7章 VR虛實雙向映射技術163
7.1 綜采工作面裝備數(shù)字孿生理論163
7.1.1 數(shù)字孿生理論介紹163
7.1.2 綜采工作面裝備與DigitalTwins融合164
7.2 傳感器布置與感知信息獲取165
7.2.1 采煤機傳感器布置與位姿信息獲取165
7.2.2 液壓支架傳感器布置與位姿信息獲取166
7.2.3 刮板輸送機傳感器布置與位姿信息獲取167
7.2.4 傳感信息數(shù)據(jù)的二次融合和修正167
7.3 實時交互通道接口關鍵技術168
7.3.1 多軟件實時耦合策略168
7.3.2 分布式協(xié)同的驅(qū)動模式171
7.4 虛擬環(huán)境下綜采工作面三機虛擬重構與監(jiān)測172
7.4.1 虛擬環(huán)境下綜采裝備單機驅(qū)動方法172
7.4.2 采運裝備協(xié)同仿真與實時數(shù)據(jù)驅(qū)動172
7.4.3 支運裝備協(xié)同仿真與實時數(shù)據(jù)驅(qū)動174
7.4.4 液壓支架群協(xié)同仿真與虛擬驅(qū)動174
7.5 虛擬環(huán)境下綜采工作面三機反向控制175
7.5.1 綜采裝備單機動作控制設計175
7.5.2 綜采裝備自適應控制和協(xié)同控制186
7.5.3 基于GUI的虛擬控制面板設計196
7.5.4 虛擬系統(tǒng)與PLC數(shù)據(jù)通信198
第8章 VR人機交互技術201
8.1 VR人機交互技術概述與規(guī)劃201
8.2 基于HTCVive的機械產(chǎn)品人機交互技術202
8.2.1 基于HTCVive的全景虛擬現(xiàn)實漫游技術202
8.2.2 基于HTCVive的機械產(chǎn)品巡檢培訓技術207
8.3 基于Kinect的機械產(chǎn)品人機交互技術219
8.3.1 基于Kinect體感交互的機械產(chǎn)品虛擬操縱技術219
8.3.2 基于Kinect體感交互的機械產(chǎn)品虛擬巡檢技術230
第9章 基于Web的VR網(wǎng)絡設計技術243
9.1 VR網(wǎng)絡技術概述與規(guī)則243
9.2 ActiveX控件技術244
9.2.1 編寫OSG-ActiveX控件244
9.2.2 服務器端控件發(fā)布244
9.2.3 客戶端環(huán)境配置245
9.3 基礎界面設計245
9.4 后臺數(shù)據(jù)庫設計247
9.5 公共服務版設計248
9.5.1 選擇視頻錄制軟件248
9.5.2 選擇播放的格式248
9.5.3 網(wǎng)絡播放代碼與效果測試249
9.5.4 多視角播放249
參考文獻251
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