机械制造模具虚拟装配培训系统及培训方法
专利汇可以提供机械制造模具虚拟装配培训系统及培训方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了机械制造模具虚拟装配培训系统及培训方法，应用于一 电子 设备，所述方法包括构建教学、操作、评估为一体的培训系统；由所述培训系统形成虚拟装配场景；用户在所述虚拟装配场景中选择完成教学、操作、评估中的任一或两种或全部功能；所述培训系统包括 虚拟现实 软件 ；所述虚拟现实 软件包 括元部件模型库模 块 、虚拟现实场景生成模块、装配教学模块、装配操作模块和装配评估模块。本发明不仅提供培训人员培训练习的模式选择，同时也提供装配动画教学和熟练度考核模式选择，帮助用户快速掌握复杂模具的装配工作，大大激发了用户的积极性。，下面是机械制造模具虚拟装配培训系统及培训方法专利的具体信息内容。
1.机械制造模具虚拟装配培训方法，应用于一电子设备，其特征在于：所述方法包括S1：构建教学、操作、评估为一体的培训系统；由所述培训系统形成虚拟装配场景；
S2：用户在所述虚拟装配场景中选择完成教学、操作、评估中的任一或两种或全部功能；
所述培训系统包括虚拟现实软件；所述虚拟现实软件包括元部件模型库模块、虚拟现实场景生成模块、装配教学模块、装配操作模块和装配评估模块；所述培训系统通过虚拟现实场景生成模块调用元部件模型库模块中的各零部件模型，生成虚拟装配场景，由装配教学模块、装配操作模块和装配评估模块分别提供教学、操作和评估；
所述装配教学模块的教学方法包括：
S101：导入待装配的产品的全部零部件模型，通过虚拟现实场景生成模块调用元部件模型库模块中的各零部件模型，生成虚拟装配场景；
S102：规划S101步骤中所述全部零部件的初始位置；
S103：逐一建立基于特征位置的各零部件的运行路径和运行速度自适应算法的数学模型；
S104：根据S102和S103，形成S101步骤中所述全部零部件从初始位置到终点位置的三维装配教学动画；
所述S103步骤中，所述特征位置为零部件运行路径中的转折点位置；所述运行路径为从初始位置经过所有特征位置后到达终点位置；所述运行速度满足
其中，n为≥3的整数， 为零部件在世界坐标系下的初始位置的重心点坐标， 为该零部件世界坐标系下的终点位置的重心点坐标， , , ， ，
, , ，分别为零部件运行从初始位置到特征位置1、从特征位置1到特征位置2、从特征位置2到特征位置3、从特征位置n-1到终点位置这n+1段路程中的速度和所用时间，, , ， ， , , ，均不为0， 为 投影到y轴上的值、 为 投影到x轴
上的值、 为 投影到z轴的值、 为 投影到x轴上的值， 为 投影到z轴上的值， 为 投影到y轴上的值。
2.根据权利要求1所述的机械制造模具虚拟装配培训方法，其特征在于：
所述S1步骤中，所述培训系统还包括虚拟现实设备；所述虚拟现实设备包括虚拟现实显示模块、虚拟现实定位模块和虚拟现实操控模块；
所述虚拟现实显示模块为头戴显示设备或者虚拟眼镜；用于提供360度沉浸式的场景显示；
所述虚拟现实定位模块为安装于电子设备所处空间上方的红外深度传感器，用于确定用户的位置与姿势；
所述虚拟现实操控模块为单个或多个体感交互输入设备，用于为用户提供真实世界到虚拟环境的接口；所述体感交互输入设备包括设置有定位传感器和力传感器的手势识别工具或体感式输入设备；
所述S2步骤中，还包括建立将虚拟现实软件与虚拟现实设备结合的虚拟现实交互系统，通过虚拟现实设备进行教学、操作和评估。
3.根据权利要求2所述的机械制造模具虚拟装配培训方法，其特征在于：
所述S103步骤中，所述建立零部件运行路径为：
其中， 、 和 为该零部件运行到终点位置
必须经过的各特征位置的坐标， 为在该零部件运行过程中可以检测到的所有障碍物的最高点的高度加上m个高度单位，m为大于0的整数。
4.根据权利要求2所述的机械制造模具虚拟装配培训方法，其特征在于：
所述虚拟现实场景生成模块的虚拟现实场景生成方法为：通过三维重建、全景拼接、计算机建模得到的360度沉浸式表达的虚拟装配场景；所述360度沉浸式表达的虚拟装配场景的个数大于1。
5.根据权利要求2所述的机械制造模具虚拟装配培训方法，其特征在于：
所述S102步骤中，所述全部零部件的初始位置满足：全部零部件的初始位置随机产生，且在高度上不重叠；
所述S103步骤中，按照待装配产品的零部件装配顺序逐一建立基于特征位置的各零部件的运行路径和运行速度自适应算法的数学模型。
6.根据权利要求2所述的机械制造模具虚拟装配培训方法，其特征在于：
所述S104步骤中，三维装配教学动画交互方式为：
获取第一信息，所述第一信息为开始或者暂停的交互请求信息；
获取第二信息，所述第二信息为教学动画是否正在进行播放的判断信息；
根据第二信息发送第一指令信息，所述第一指令信息为若教学动画正在进行播放中，则暂停播放教学动画；若教学动画尚未开始播放，则开始播放教学动画；若教学动画处于暂停状态，则以暂停前的速度继续播放教学动画；
获取第三信息，所述第三信息为加速或还原的交互请求信息；
获取第四信息，所述第四信息为教学动画是否正在加速播放的判断信息；
根据第四信息发送第二指令信息，所述第二指令信息为若教学动画正在加速播放，则改为以初始速度播放；若教学动画正以初始速度播放，则改为以加速度播放。
7.根据权利要求2所述的机械制造模具虚拟装配培训方法，其特征在于：
所述装配操作模块的操作方法包括：
S201：用户佩戴虚拟现实显示模块进入装配操作模块，确定需要进行操作装配的模具；
S202：选择培训难度等级，分为简单难度、普通难度和困难难度；所述简单难度提供每步骤装配零件信息、装配位置高亮及语音提示；所述普通难度提供装配位置高亮提示；所述困难难度无任何提示；
S203：生成虚拟装配场景，将待装配的元部件散置在工作台上，并向用户提供引导信息；
S204：用户调用元部件模型库模块中的元部件，将模具的元部件逐个组合到一起；
S205：对装配元部件进行静态干涉检查和动态干涉检查，未通过干涉检查的元部件将返回工作台上，重复步骤S204和S205；通过干涉检查则完成装配操作；
所述静态干涉检查为检测各元部件之间以及元部件与装配工具之间是否存在碰撞；所述动态干涉检查为检测模具在运转中该元部件是否会与其他元部件发生碰撞。
8.根据权利要求2所述的机械制造模具虚拟装配培训方法，其特征在于：
所述装配评估模块的评估方法包括：
通过装配消耗时间、装配工具使用、装配步骤、装配难度、各零件装配误差和装配成功率六个方面对用户装配操作进行评估。
9.根据权利要求2所述的机械制造模具虚拟装配培训方法，其特征在于：
所述元部件模型库模块包括：对通过机械图纸建立或三维重建建立并经过金属渲染的模具模型依照层次化模型进行管理，以及使用数据库对零件尺寸信息，位置信息等进行管理。
10.机械制造模具虚拟装配培训系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
S1：构建教学、操作、评估为一体的培训系统；由所述培训系统形成虚拟装配场景；
S2：用户在所述虚拟装配场景中选择完成教学、操作、评估中的任一或两种或全部功能；
所述培训系统包括虚拟现实软件；所述虚拟现实软件包括元部件模型库模块、虚拟现实场景生成模块、装配教学模块、装配操作模块和装配评估模块；所述培训系统通过虚拟现实场景生成模块调用元部件模型库模块中的各零部件模型，生成虚拟装配场景，由装配教学模块、装配操作模块和装配评估模块分别提供教学、操作和评估；
所述装配教学模块的教学方法包括：
S101：导入待装配的产品的全部零部件模型，通过虚拟现实场景生成模块调用元部件模型库模块中的各零部件模型，生成虚拟装配场景；
S102：规划S101步骤中所述全部零部件的初始位置；
S103：逐一建立基于特征位置的各零部件的运行路径和运行速度自适应算法的数学模型；
S104：根据S102和S103，形成S101步骤中所述全部零部件从初始位置到终点位置的三维装配教学动画；
所述S103步骤中，所述特征位置为零部件运行路径中的转折点位置；所述运行路径为从初始位置经过所有特征位置后到达终点位置；所述运行速度满足
其中，n为≥3的整数， 为零部件在世界坐标系下的初始位置的重心点坐标，为该零部件世界坐标系下的终点位置的重心点坐标， , , ， ， , ,
，分别为零部件运行从初始位置到特征位置1、从特征位置1到特征位置2、从特征位置2到特征位置3、从特征位置n-1到终点位置这n+1段路程中的速度和所用时间， , , ，， , , ，均不为0， 为 投影到y轴上的值、 为 投影到x轴上的值、
为 投影到z轴的值、 为 投影到x轴上的值， 为 投影到z轴上的值， 为投影到y轴上的值。
机械制造模具虚拟装配培训系统及培训方法
技术领域
背景技术
发明内容
S2：用户在所述虚拟装配场景中选择完成教学、操作、评估中的任一或两种或全部功能；
所述培训系统包括虚拟现实软件；所述虚拟现实软件包括元部件模型库模块、虚拟现实场景生成模块、装配教学模块、装配操作模块和装配评估模块；所述培训系统通过虚拟现实场景生成模块调用元部件模型库模块中的各零部件模型，生成虚拟装配场景，由装配教学模块、装配操作模块和装配评估模块分别提供教学、操作和评估；
所述装配教学模块的教学方法包括：
S101：导入待装配的产品的全部零部件模型，通过虚拟现实场景生成模块调用元部件模型库模块中的各零部件模型，生成虚拟装配场景；
S102：规划S101步骤中所述全部零部件的初始位置；
S103：逐一建立基于特征位置的各零部件的运行路径和运行速度自适应算法的数学模型；
S104：根据S102和S103，形成S101步骤中所述全部零部件从初始位置到终点位置的三维装配教学动画；
所述S103步骤中，所述特征位置为零部件运行路径中的转折点位置；所述运行路径为从初始位置经过所有特征位置后到达终点位置；所述运行速度满足
其中，n为≥3的整数， 为零部件在世界坐标系下的初始位置的重心点坐标，为该零部件世界坐标系下的终点位置的重心点坐标， , , ， ， , ,
，分别为零部件运行从初始位置到特征位置1、从特征位置1到特征位置2、从特征位置2到特征位置3、从特征位置n-1到终点位置这n+1段路程中的速度和所用时间， , , ，， , , ，均不为0， 为 投影到y轴上的值、 为 投影到x轴上的值、
为 投影到z轴的值、 为 投影到x轴上的值， 为 投影到z轴上的值， 为
投影到y轴上的值。
所述虚拟现实定位模块为安装于电子设备所处空间上方的红外深度传感器，用于确定用户的位置与姿势；
所述虚拟现实操控模块为单个或多个体感交互输入设备，用于为用户提供真实世界到虚拟环境的接口；所述体感交互输入设备包括设置有定位传感器和力传感器的手势识别工具或体感式输入设备；
所述S2步骤中，还包括建立将虚拟现实软件与虚拟现实设备结合的虚拟现实交互系统，通过虚拟现实设备进行教学、操作和评估。
置必须经过的各特征位置的坐标， 为在该零部件运行过程中可以检测到的所有障碍物的最高点的高度加上m个高度单位，m为大于0的整数。通过检测零部件运行路径中所有的障碍物，找到最高障碍物，特征位置的选取是在其基础上增加m个高度单位，由此可以使得零部件的运行与障碍物保持一定距离，避免“感觉撞到了”的视觉感受，进行三维动画教学时能够更清楚准确。
获取第二信息，所述第二信息为教学动画是否正在进行播放的判断信息；
根据第二信息发送第一指令信息，所述第一指令信息为若教学动画正在进行播放中，则暂停播放教学动画；若教学动画尚未开始播放，则开始播放教学动画；若教学动画处于暂停状态，则以暂停前的速度继续播放教学动画；
获取第三信息，所述第三信息为加速或还原的交互请求信息；
获取第四信息，所述第四信息为教学动画是否正在加速播放的判断信息；
根据第四信息发送第二指令信息，所述第二指令信息为若教学动画正在加速播放，则改为以初始速度播放；若教学动画正以初始速度播放，则改为以加速度播放。
S202：选择培训难度等级，分为简单难度、普通难度和困难难度；所述简单难度提供每步骤装配零件信息、装配位置高亮及语音提示；所述普通难度提供装配位置高亮提示；所述困难难度无任何提示；由此可以由用户自主个性化设置操作难度，提供不同程度的装配提示的教学功能，可以根据不同培训人员的水平情况和培训进度调整虚拟装配难度。
S205：对装配元部件进行静态干涉检查和动态干涉检查，未通过干涉检查的元部件将返回工作台上，重复步骤S204和S205；通过干涉检查则完成装配操作；
所述静态干涉检查为检测各元部件之间以及元部件与装配工具之间是否存在碰撞；所述动态干涉检查为检测模具在运转中该元部件是否会与其他元部件发生碰撞。
S2：用户在所述虚拟装配场景中选择完成教学、操作、评估中的任一或两种或全部功能；
所述培训系统包括虚拟现实软件；所述虚拟现实软件包括元部件模型库模块、虚拟现实场景生成模块、装配教学模块、装配操作模块和装配评估模块；所述培训系统通过虚拟现实场景生成模块调用元部件模型库模块中的各零部件模型，生成虚拟装配场景，由装配教学模块、装配操作模块和装配评估模块分别提供教学、操作和评估；
所述装配教学模块的教学方法包括：
S101：导入待装配的产品的全部零部件模型，通过虚拟现实场景生成模块调用元部件模型库模块中的各零部件模型，生成虚拟装配场景；
S102：规划S101步骤中所述全部零部件的初始位置；
S103：逐一建立基于特征位置的各零部件的运行路径和运行速度自适应算法的数学模型；
S104：根据S102和S103，形成S101步骤中所述全部零部件从初始位置到终点位置的三维装配教学动画；
所述S103步骤中，所述特征位置为零部件运行路径中的转折点位置；所述运行路径为从初始位置经过所有特征位置后到达终点位置；所述运行速度满足
其中，n为≥3的整数， 为零部件在世界坐标系下的初始位置的重心点坐
标， 为该零部件世界坐标系下的终点位置的重心点坐标， , , ， ， ,
, ，分别为零部件运行从初始位置到特征位置1、从特征位置1到特征位置2、从特征位置2到特征位置3、从特征位置n-1到终点位置这n+1段路程中的速度和所用时间， , ,， ， , , ，均不为0， 为 投影到y轴上的值、 为 投影到x轴上的
值、 为 投影到z轴的值、 为 投影到x轴上的值， 为 投影到z轴上的值，
为 投影到y轴上的值。
具体实施方式
S1：构建教学、操作、评估为一体的培训系统；由所述培训系统形成虚拟装配场景；
S2：用户在所述虚拟装配场景中选择完成教学、操作、评估中的任一或两种或全部功能；
所述培训系统包括虚拟现实软件；所述虚拟现实软件包括元部件模型库模块、虚拟现实场景生成模块、装配教学模块、装配操作模块和装配评估模块；所述培训系统通过虚拟现实场景生成模块调用元部件模型库模块中的各零部件模型，生成虚拟装配场景，由装配教学模块、装配操作模块和装配评估模块分别提供教学、操作和评估；
所述装配教学模块的教学方法包括：
S101：导入待装配的产品的全部零部件模型，通过虚拟现实场景生成模块调用元部件模型库模块中的各零部件模型，生成虚拟装配场景；
S102：规划S101步骤中所述全部零部件的初始位置；
S103：逐一建立基于特征位置的各零部件的运行路径和运行速度自适应算法的数学模型；
S104：根据S102和S103，形成S101步骤中所述全部零部件从初始位置到终点位置的三维装配教学动画；
所述S103步骤中，所述特征位置为零部件运行路径中的转折点位置；所述运行路径为从初始位置经过所有特征位置后到达终点位置；所述运行速度满足
其中，n为≥3的整数， 为零部件在世界坐标系下的初始位置的重心点坐标，为该零部件世界坐标系下的终点位置的重心点坐标， , , ， ， , ,
，分别为零部件运行从初始位置到特征位置1、从特征位置1到特征位置2、从特征位置2到特征位置3、从特征位置n-1到终点位置这n+1段路程中的速度和所用时间， , , ，， , , ，均不为0， 为 投影到y轴上的值、 为 投影到x轴上的值、
为 投影到z轴的值、 为 投影到x轴上的值， 为 投影到z轴上的值， 为
投影到y轴上的值。
所述培训系统包括虚拟现实软件和虚拟现实设备。
所述装配教学模块的教学方法包括：
S101：导入待装配的产品的全部零部件模型，通过虚拟现实场景生成模块调用元部件模型库模块中的各零部件模型，生成虚拟装配场景；
具体来说，“导入待装配模具的零部件模型”即将3D创建（可通过三维重建和计算机仿真建模获得）的3D模型直接导入，比如直接拖进本发明装置上装载的本发明方法对应的软件画面中。然后通过三维重建（比如单目重建方法）、全景拼接（比如基于时域的方法）、计算机建模（3D建模软件，比如UG、solidworks等）得到360度沉浸式表达的虚拟装配场景来模拟真实的实验场景，比如太空场景、装配工厂场景、办公室场景、家居场景等，这样在后续交互中可以进行场景切换，为学生提供了多种感官刺激。
该零部件世界坐标系下的终点位置的重心点坐标， 、 和
为该零部件运行到终点位置必须经过的各特征位置的坐标， 为在该零
部件运行过程中可以检测到的所有障碍物的最高点的高度加上m个高度单位，m为大于0的整数，在本实施例中，m=5，这是经过大量试验得到的最佳值。比如零部件从起始位置x运行到终点位置y途中会经过特征位置A和特征位置B，在路径中，有m1和m2两个障碍物，m2的高度h2大于m1的高度h1，因此m2的高度是障碍物最高点，从起始位置到特征位置A，需要在高度上加上5个高度单位。
，分别为零部件运行从初始位置到特征位置1、从特征位置1到特征位置2、从特征位置2到特征位置3、从特征位置n-1到终点位置这n+1段路程中的速度和所用时间， , , ，， , , ，均不为0， 为 投影到y轴上的值、 为 投影到x轴上的值、
为 投影到z轴的值、 为 投影到x轴上的值， 为 投影到z轴上的值， 为 投
影到y轴上的值。
获取第一信息，所述第一信息为开始或者暂停的交互请求信息；在此具体表现为点击开始/暂停图标；
获取第二信息，所述第二信息为教学动画是否正在进行播放的判断信息；
根据第二信息发送第一指令信息，所述第一指令信息为若教学动画正在进行播放中，则暂停播放教学动画；若教学动画尚未开始播放，则开始播放教学动画；若教学动画处于暂停状态，则以暂停前的速度继续播放教学动画；
获取第三信息，所述第三信息为加速或还原的交互请求信息；在此具体表现为点击加速/还原图标；
获取第四信息，所述第四信息为教学动画是否正在加速播放的判断信息；
根据第四信息发送第二指令信息，所述第二指令信息为若教学动画正在加速播放，则改为以初始速度播放；若教学动画正以初始速度播放，则改为以加速度播放；
获取第五信息，所述第五信息为教学动画播放结束的信息；
获取第六信息，所述第六信息为重新开始的交互请求信息；在此具体表现为点击重新开始图标；则重新开始以上所有步骤。
S202：选择培训难度等级，分为简单难度、普通难度和困难难度；所述简单难度提供每步骤装配零件信息、装配位置高亮及语音提示；所述普通难度提供装配位置高亮提示；所述困难难度无任何提示；
S203：生成虚拟装配场景，将待装配的元部件散置在工作台上，并向用户提供引导信息；
S204：用户调用元部件模型库模块中的元部件，将模具的元部件逐个组合到一起；
S205：对装配元部件进行静态干涉检查和动态干涉检查，未通过干涉检查的元部件将返回工作台上，重复步骤S204和S205；通过干涉检查则完成装配操作；
所述静态干涉检查为检测各元部件之间以及元部件与装配工具之间是否存在碰撞；所述动态干涉检查为检测模具在运转中该元部件是否会与其他元部件发生碰撞。
S2：用户在所述虚拟装配场景中选择完成教学、操作、评估中的任一或两种或全部功能；
所述培训系统包括虚拟现实软件；所述虚拟现实软件包括元部件模型库模块、虚拟现实场景生成模块、装配教学模块、装配操作模块和装配评估模块；所述培训系统通过虚拟现实场景生成模块调用元部件模型库模块中的各零部件模型，生成虚拟装配场景，由装配教学模块、装配操作模块和装配评估模块分别提供教学、操作和评估；
所述装配教学模块的教学方法包括：
S101：导入待装配的产品的全部零部件模型，通过虚拟现实场景生成模块调用元部件模型库模块中的各零部件模型，生成虚拟装配场景；
S102：规划S101步骤中所述全部零部件的初始位置；
S103：逐一建立基于特征位置的各零部件的运行路径和运行速度自适应算法的数学模型；
S104：根据S102和S103，形成S101步骤中所述全部零部件从初始位置到终点位置的三维装配教学动画；
所述S103步骤中，所述特征位置为零部件运行路径中的转折点位置；所述运行路径为从初始位置经过所有特征位置后到达终点位置；所述运行速度满足
其中，n为≥3的整数， 为零部件在世界坐标系下的初始位置的重心点坐标，为该零部件世界坐标系下的终点位置的重心点坐标， , , ， ， , ,
，分别为零部件运行从初始位置到特征位置1、从特征位置1到特征位置2、从特征位置2到特征位置3、从特征位置n-1到终点位置这n+1段路程中的速度和所用时间， , , ，， , , ，均不为0， 为 投影到y轴上的值、 为 投影到x轴上的值、
为 投影到z轴的值、 为 投影到x轴上的值， 为 投影到z轴上的值， 为
投影到y轴上的值。
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