基于Unity3D移動增強現實技術的裝配工藝研究與實現

摘要：裝備制造業的自動化及智能化程度不斷提升，原有的生產方式正在進行變革。目前大多數離散型裝配制造業的裝配工藝還是原來的工藝卡片形式，可讀性及操作性不高，嚴重影響裝配質量及裝配效率。針對如何提升裝配工藝的可讀性，本文提出了一種基于Unity3D移動增強現實技術的裝配工藝方式，并完成了系統設計及實現。將該系統應用于裝配環節，對于提升裝配工藝的可讀性，具有非常重要的意義。Keys：Unity3D；移動增強現實；裝備制造；裝配工藝：TP391.9：ADOI:10.19727/ki.cbwzysc.2019.02.0010引言裝配工藝是由工藝工程師編制，用來指導及規范生產現場操作者進行產品或者部件裝配的工藝文件[1]。而隨著工廠工業化、信息化以及智能化的不斷發展，目前的二維裝配工藝已經漸漸不能滿足生產需求。增強現實技術（AugmentedReality，簡稱AR）作為目前的研究熱點之一，其主要的應用領域集中在軍事、醫療以及建筑工程等[2]。本文通過建設基于Unity3D移動增強現實技術的裝配工藝系統，將裝配工藝以近乎逼真的3D立體效果展示在裝配現場，可大大提升工藝內容的可讀性、裝配效率及質量。1AR技術在機械制造領域的相關研究2017年初，GE旗下意大利弗洛倫薩GE燃氣輪機械工廠的工人，就將采用AR技術，在燃氣輪機噴嘴制造中疊加虛擬圖像，對噴嘴的數十個指標進行精確測量[3]。美國紐約州立大學虛擬現實技術實驗室開發的虛擬樣機裝配驗證環境VPAVE（VirtualPrototypeAssemblyValidationEnvironment）建立了一個虛擬的裝配環境來對裝配過程進行驗證[4]。何福本、梁延德等人在工程訓練教學領域使用了虛擬仿真技術[5]，設計開發了一套應用在移動端的AR技術應用APP，并將該APP成功運用在普通車床加工的實訓教學環節。阮瑩針設計一個基于AR技術的三維交互式虛擬裝配系統，該系統解決了傳統的虛擬裝配系統交互匹配度偏低的問題[6]，通過實驗對比，其交互的匹配度提高了13.18%。2移動增強現實中的關鍵技術2.1三維注冊跟蹤技術對增強現實應用技術來講，三維注冊跟蹤技術是基礎技術。目前，對移動增強現實技術領域，主要有以下三種研究方向：1）基于計算機視覺的跟蹤注冊技術；2）基于硬件傳感器的跟蹤注冊技術；3）混合跟蹤注冊技術[4]。2.2虛擬融合顯示技術比較簡單的增強現實系統僅僅是將虛擬物體疊加到現實物理世界中，并不會真正融入到現實物理世界中。為了解決這個問題，就出現了虛擬融合顯示技術。虛擬融合現實技術的出現，可以使信息注冊更好的實現，提升增強現實信息的操作效率，促使物體動感操作有效實現[7]。2.3人機交互技術人機交互技術具體是指計算機和操作者之間完成信息流通。目前，在增強現實應用程序中，一般有三種人機交互方式：1）命令交互方式；2）空間點交互方式；3）特殊工具的交互方式[7]。3系統設計在系統的設計上，本文采用目前比較常用的Unity3D+VuforiaSDK的方式實現移動增強現實技術的裝配工藝，移動端采用Android系統，裝配工件的建模和處理采用Creo+3dsMax。3.1開發環境Unity3D軟件可以構建各種AR和VR互動體驗，支持基于安卓、IOS、PC等多種平臺發布[8]。VuforiaSDK是目前使用最廣泛的AR平臺之一，它通過自然特征的跟蹤注冊算法可以同時識別和捕捉5個用戶自定義的目標。Creo軟件是一款三維CAD系統，具有操作性強、容易學習和開放等特點。在使用Creo軟件建模完成之后，需要對建成的模型進行渲染，畫面優化等操作，來增加模型的真實感，目前使用較多的的渲染軟件有3dsMax、Maya等。本文選用3dsMax軟件。3.2系統設計基于以上的技術，本文提出了一種基于Unity3D移動增強現實技術的裝配工藝方法。具體的系統設計流程圖如圖1所示。圖1系統設計流程4系統實現離合器在整個汽車的轉動系統中是作為一個單獨的總成而存在的，起著傳遞和切斷動力傳輸的作用。本文實例建模以膜片彈簧離合器的裝配為例，完成基于Unity3D移動增強現實技術的裝配工藝實現。4.1實例建模通過Creo三維建模軟件對離合器實例建模如圖2所示。圖2膜片彈簧離合器模型圖膜片彈簧離合器三維模型建立完成完后，先把模型轉化為STL格式然后導入到3dsMax軟件中，進行優化處理，主要是提高仿真系統運行的流暢程度和畫面質量，同時降低系統的大小和運行時所占用的內存。4.2Vuforia工具包制作Vuforia工具包的制作是在Vuforia官網上制作的，主要步驟包括獲取產品密鑰、制作目標識別物數據庫（目標圖片如圖2所示），下載相應DataBase。4.3系統實現系統實現的具體步驟如下：1）打開Unity3D軟件，新建Project文件，切換發布平臺為Android，并啟用Vuforia；2）導入目標識別數據庫，并在相應額功能區域粘貼Vuforia產品密鑰；3）導入三維模型，并在Unity3D系統建模頁面編制裝配工藝；4）發布APK文件，導入Android設備，并安裝；5）打開已安裝完成的APK文件，將設備攝像頭對準目標識別圖片，就可以完成基于Unity3D移動增強現實技術的裝配工藝。具體展示界面如下圖3所示：圖3移動增強現實技術的裝配工藝功能展示5結語本文首先分析了AR技術在裝備制造領域的相關研究，然后介紹了涉及移動增強現實中的幾種關鍵技術，并進行了開發環境選擇及系統設計，最后完成了基于Unity3D移動增強現實技術的裝配工藝系統。該系統的應用可大大提高裝配工藝的可讀性及裝配效率，可為移動現實技術應用于機械裝配領域提供借鑒。Reference[1]趙旭，王建濤，潘巖巖等.三維裝配工藝在生產中的應用[J].農業工程，2018(4):104-106.[2]梁磊，李英杰，趙新偉等.基于Unity3D移動增強現實技術的景觀智慧旅游導覽探討[J].科技與信息，2020(5):107,163.[3]AR醬.GE將觸角伸向AR,航空等業務領域的供應鏈融合AR[EB/OL].https:///a/119414577_335284.2016-11-19.[4]馬帥.基于Unity3D的機械產品虛擬仿真及增強現實應用技術研究[D].河北:河北科技大學,2017.[5]何福本,梁延德,張紅哲等.增強現實技術在車削加工實訓教學中的應用[J].實驗技術與管理,2017(3):126-129,150.[6]阮瑩.基于AR技術的三維交互式虛擬裝配系統設計[J].現代電子