CN115311437A - 基于混合现实的设备模拟操作*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于混合现实的设备模拟操作***，属于机械培训技术领域，包括虚拟物体构建模块、现实图像采集模块、动作交互模块、实时计算模块、场景构建模块、输出模块、功能模块和服务器；所述虚拟物体构建模块用于根据场景任务的需要，进行虚拟物体的构建，建立3D模型库，获取需要的应用场景，根据获取的应用场景从3D模型库中匹配对应的3D模型集，识别需要进行任务种类，根据识别的任务种类从3D模型集中调用对应的任务的3D模型，实现虚拟物体的构建；在混合现实场景中进行工业生产的设备维护、检修训练能够节约实际训练的成本，更加有利于实际工业生产使用，可以解决资源匮乏、真实操作成本高和风险大等问题。
Description
技术领域
本发明属于机械培训技术领域，具体是基于混合现实的设备模拟操作***。
背景技术
目前MR技术已经在很多行业中有应用推广，例如：MR+医疗、MR+工业制造业、MR+游戏、MR+智慧园区、MR+文化娱乐等等。利用MR混合现实技术与工业应用结合，将工业制造、生产中的各类设备进行3D建模，从而实现设备的虚拟化，并在MR技术的支持下配合MR眼镜终端实现虚拟设备和现实世界的交互，MR技术辅助设备的维修和检测，实时同步检测数据，三维模型与现实物体的无缝衔接，可以让非行业专业人士用MR设备达到设备检测、维修的目的，节省企业用工成本。因此为了实现这个目标，本发明提供了基于混合现实的设备模拟操作***。
发明内容
为了解决上述方案存在的问题，本发明提供了基于混合现实的设备模拟操作***。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
基于混合现实的设备模拟操作***，包括虚拟物体构建模块、现实图像采集模块、动作交互模块、实时计算模块、场景构建模块、输出模块、功能模块和服务器；
所述虚拟物体构建模块用于根据场景任务的需要，进行虚拟物体的构建，具体方法包括：
建立3D模型库，获取需要的应用场景，根据获取的应用场景从3D模型库中匹配对应的3D模型集，识别需要进行任务种类，根据识别的任务种类从3D模型集中调用对应的任务的3D模型，实现虚拟物体的构建。
建立3D模型库的方法包括：
获取具有的设备种类信息，根据获得的设备种类信息建立对应的3D模型，识别具有的应用场景，根据识别的应用场景对建立的3D模型进行相应的渲染，将渲染后的3D模型进行对应应用场景的交互动作设计，建立第一数据库，将当前的3D模型输入到第一数据库中进行储存，将当前的第一数据库标记为3D模型库，将3D模型库设置在虚拟眼镜终端中。
所述现实图像采集模块用于进行图像采集，具体的是基于MR眼镜终端进行的图像采集，结合现有的图像识别技术，通过建模技术件实现现场环境变化的识别以及进行用户动作位移识别，结合动作交互模块，进行场景的更新。
所述动作交互模块用于根据用户在虚拟场景中的相关手势动作，结合图像实时进行计算，分析用户的动作指令，并对具体动作做出相应的响应。
所述实时计算模块用于进行相应的数据计算和分析；
所述场景构建模块用于根据现实物体和虚拟物体构建混合现实场景，并结合现实图像采集模块采集得到的周围图像，实现对周围环境实时建模，并根据周围的环境和用户的交互动作，对三维虚拟画面进行实时的调整。
所述输出模块用于将虚拟场景的图像实时显示在MR眼镜终端的透视全息透镜上，帮助使用者构造出现实混合图像。
所述功能模块用于使用者根据需要选择对应的功能单元进行学习、模拟或考试，并根据使用者的选择进入对应的功能单元，功能单元包括模拟学习单元、模拟训练单元和模拟考试单元。
所述模拟学习单元用于使用者进行模拟学习，选择学习模式后，虚拟场景模块构建3D学习场景，并且将该3D场景显示在MR眼镜的透视全息透镜上，使用者获知整个功能下的功能选项，根据需要选择对应的子功能进行模拟学习。
模拟训练单元用于使用者进行训练模拟，选择训练模式后，选择现场维护操作模式，在对应模式下通过虚拟场景跟现实场景结合，结合现场设备与虚拟3D场景实现模拟练习，引导使用者的标准化操作。
所述模拟考试单元用于对使用者的操作熟练程度进行检验，分为设备的拆装考试、在线故障排查考试和故障诊断分析考试；
设备的拆装考试，进入该模式后，以一台拆散的设备为例，进行在线拼装考试，使用者在规定的时长内实现对整个设备的零部件安装，记录使用者的所有操作步骤，待用户考试完毕提交以后对所有操作记录进行评分。可以采用建立对应的神经网络模型进行相应的智能评分。
使用者在虚拟环境下进行考试，操作完毕以后提交所有考试操作记录，然后***给予打分获得用户的考试成绩。可以采用建立对应的神经网络模型进行相应的智能评分。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在混合现实场景中进行工业生产的设备维护、检修训练能够节约实际训练的成本，更加有利于实际工业生产使用，可以解决资源匮乏、真实操作成本高和风险大等问题，在智能制造方面有极强的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明原理框图；
图2为本发明电机设备拆解图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图2所示，基于混合现实的设备模拟操作***，包括虚拟物体构建模块、现实图像采集模块、动作交互模块、实时计算模块、场景构建模块、输出模块、功能模块和服务器；
各个模块均与服务器之间通信连接；
所述虚拟物体构建模块用于根据场景任务的需要，进行虚拟物体的构建，具体方法包括：
建立3D模型库，获取需要的应用场景，根据获取的应用场景从3D模型库中匹配对应的3D模型集，识别需要进行任务种类，根据识别的任务种类从3D模型集中调用对应的任务的3D模型，实现虚拟物体的构建。可以是一个或多个3D模型。通过现有技术可以实现相应任务的3D模型调用，优选的，在建立3D模型时，可以打上对应的任务标签，便于后续的任务匹配。
建立3D模型库的方法包括：
获取具有的设备种类信息，即为现有的可能用到的设备种类，根据获得的设备种类信息建立对应的3D模型，识别具有的应用场景，根据识别的应用场景对建立的3D模型进行相应的渲染，将渲染后的3D模型进行对应应用场景的交互动作设计，建立第一数据库，将当前的3D模型输入到第一数据库中进行储存，将当前的第一数据库标记为3D模型库，将3D模型库设置在虚拟眼镜终端中。
示例性的，3D建模：利用MR模型制作软件Maya对现实世界中的电气、机械等工业设备进行3D建模，从而创建***所需的3D模型素材和视觉特效，完成混合现实内容所需的模型素材开发与建模，创建所需要的素材库，为模型的渲染和动画的交互打下基础；
模型渲染：使用Unity3D引擎开发平台将制作好的主题模型导入相对应的场景中，并对模型、场景环境进行混合现实引擎所独有的渲染工作，通过Unity3D完成虚拟场景的构建；
交互设计：通过Unity3D实现***中虚拟场景的交互动作设计，编写代码实现相对应的交互动作逻辑，满足场景的动静态结合；
***调试：将开发好的整个虚拟***资源打包或安装至虚拟眼镜终端中，运行使用。
所述现实图像采集模块用于进行图像采集，具体的是基于MR眼镜终端进行的图像采集，结合现有的图像识别技术，通过建模技术件现场环境变化的识别以及进行用户动作位移识别，结合动作交互模块，进行场景的更新。
示例性的，本发明配套的MR眼镜终端具备4个图像采集摄像头，实现对现实环境的图像采集，实时进行现实图片的采集，***通过这4个摄像头来感知现实环境，结合现有的图像识别技术，通过实时建模技术和不间断的反复计算，从而实现现场环境变化的识别以及进行用户动作位移识别，结合动作交互模块，***不断进行场景的更新。
所述动作交互模块用于根据用户在虚拟场景中的相关手势动作，结合图像实时进行计算，分析用户的动作指令，并对具体动作做出相关的响应。
在一个实施例中，直接通过现有的混合现实技术可以实现相应的交互功能。
在另一个实施例中，设置手部定位点，如当前手部识别技术中手腕、拇指－基底关节、拇指－掌指关节等关键点，设置为对应的手部定位点，基于当前的图像识别技术实时识别手部定位点的空间坐标，指的是相对于虚拟场景的空间坐标，根据识别的手部定位点的空间坐标建立对应的手部3D模型，具体的通过基于CNN网络或DNN网络进行建立对应的手部建模模型，通过建立的手部训练模型进行建模，建立标准手势库，计算建立的手部3D模型与标准手势库内的标准手势之间的相似度，标记为XSDi，其中i表示对应的标准手势，其中i＝1、2、……、n，n为正整数；计算对应手部位置符合度，标记为WHDi，即为计算对应的手部3D模型与各个标准手势对应的位置区域的符合度，结合对应的虚拟设备位置进行计算，根据公式Qi＝b1×XSDi+b2×WHDi计算匹配度，获取匹配度最高的标准手势，将对应的匹配度标记为Qs，当Qs低于阈值X1时，不进行操作，直接利用现有的技术进行用户的动作变动，反之，则匹配对应的虚拟设备关联步骤，根据匹配的虚拟设备关联步骤进行虚拟设备的变动。
即该实施例是基于现有的混合现实技术进行实施的，主要对虚拟设备的变动进行改进。
标准手势库是由专家组根据调整对应虚拟设备的动作和位置进行设置的，用于关联对应的虚拟设备移动等变化，同时根据标准手势库建立有对应的虚拟设备关联步骤。
所述实时计算模块用于进行相应的数据计算和分析，实时计算模块是整个***的核心，实时计算模块依靠处理器CPU的强大计算与分析功能，实现快速的响应，例如模型的渲染加工，用户动作的识别与响应，图像的收集与处理，都是依靠处理器的实时建模技术和对场景不间断的反复计算，从而实现实时输出。
所述场景构建模块用于根据现实物体和虚拟物体构建混合现实场景，并结合现实图像采集模块采集得到的周围图像，实现对周围环境实时建模，并根据周围的环境和用户的交互动作，对三维虚拟画面进行实时的调整。
所述输出模块用于将虚拟场景的图像实时显示在MR眼镜终端的透视全息透镜上，帮助使用者构造出现实混合图像。
所述功能模块用于使用者根据需要选择对应的功能单元进行学习、模拟或考试，并根据使用者的选择进入对应的功能单元，功能单元包括模拟学习单元、模拟训练单元和模拟考试单元；使用者在该模块中进行操作可以实现机电设备的模拟学习、训练、考试等应用操作，即可以在该虚拟***中完成对工业制造、生产中的各类设备的设备结构学习、机械拆装、电气接线等训练。
使用者通过查看纸质图纸、电子操作手册等学习了解设备的整体构造存在不直观的问题，使用者通过本虚拟学习***，配合MR眼镜终端，可以非常直观的了解设备的组成结构，以极高的沉浸感获得学习体验。
模拟学习单元：
当选择学习模式时，虚拟物体构建模块、动作交互模块、实时计算模块、场景构建模块、输出模块处于工作状态；
在学习模式下，整个***提供三维虚拟学习场景，具备的功能有：工艺学习资料调取学习、设备组装与拆解学习、帮助使用者清楚的了解工艺设备；
用户选择学习模式后，虚拟场景模块构建3D学习场景，并且将该3D场景显示在MR眼镜的透视全息透镜上，用户获知整个功能下的功能选项，例如：工艺学习、设备组装学习、设备拆解学习、设备零部件学习等等，用户根据自己的需要或者学习兴趣选择对应的子功能；
例如用户选择设备拆解子功能选型(自动学习模式、手动操作模式)，选择自动学习模式下，该场景进行某设备的自动拆解3D图像轮播，并配套相关的文字说明。虚拟场景拆解下述步骤进行设备的虚拟图像+文字的形式轮播：
(1)卸下电动机皮带或脱开联油器的连接销；
(2)拆下电动机接线盒内的电源接线和接地线；
(3)卸下电动机皮带轮或联轴器；
(4)卸下电动机底脚螺母和垫圈；
(5)卸下电动机前轴承外盖；
(6)卸下电动机前端盖；
(7)拆下电动机风叶罩；
(8)卸下电动机风叶；
(9)卸下电动机后轴承外盖；
(10)卸下电动机后端盖；
(11)抽出转子；
(12)拆下电动机前后轴承及前后轴承的内盖。
设备安装子功能学习：以电机为例，已拆卸电机的安装步骤与拆卸步骤相反，***将学习图片和文字投屏在透视全息透镜上，用在该虚拟场景下，可以非常直观的了解设备的零部件组成、安装步骤。
在传统的学***面知识理解，但是在虚拟场景中，用户可以看到设备的三维图像，每一个零部件的三维图像都可以清楚看到。在学***面展示不直观，无法快速掌握，在虚拟场景下，通过对设备进行3D模拟化，对零部件3D模拟化，用户可以非常直观的了解具体设备，并且具备极高的沉浸感和显示感，提到了学习的效率。
模拟训练单元：
在混合现实场景中训练能够节约实际训练的成本，更加有利于实际生产使用。基层员工流动大，新人入职及换岗员工需要做大量岗前集体培训，操作人员日常流程性工作复杂繁琐，工作效率低。
使用者佩戴MR眼镜终端，选择现场维护操作模式(虚拟场景模拟练习-A、真实场景模拟练习-B)时，使用者通过佩戴MR眼镜，在该模式下通过虚拟场景跟现实场景结合，结合现场设备与虚拟3D场景实现模拟练习，引导标准化操作。
依然以电机设备的拆装练习为例；当使用者佩戴MR眼镜后，并且选择练习模式下，使用者选择“电机设备拆装”任务后，场景构建模块开始工作，构建该任务下的虚拟3D场景，混合现实显示模块将场景投影在MR眼镜的透视全息透镜上。
当使用者佩戴MR眼镜，在“电机设备拆装”虚拟场景中，面对一台电机设备开展拆装练习，此时现实物体采集模块开始工作，进行实体场景的采集，环境感知摄像头和深度摄像头实时采集佩戴者的环境，并且采集的图像实时通过现实世界图像采集模块传递到实时计算模块。
实时计算模块根据具体的练习任务以及现实物体采集模块获得的图像数据，调用场景构建模块实时进行场景构建的更新。虚拟场景模拟练习-A环境下，用户对虚拟场景中的电机设备进行拆解，摄像头采集用户的动作得到拍摄图像，并且通过计算模块进行实时分析对比。真实场景模拟练习-B环境下，使用者既可以通过肉眼查看到实际场景设备，也可以通过MR眼镜的透视全息透镜查看到虚拟的场景，并且根据语音或者文字提示进行操作练习。
在用户对电机的拆装操作过程当中，现实物体采集模块实时采集用户的操作动作或者真实场景图片，并且传递给交互反馈模块，并且经过实时计算模块后，进行图片的对比检测，从而判断用户的操作是否正确，是否符合规范，对不正确的操作给予提示。
基层员工流动大，新人入职及换岗员工需要做大量岗前集体培训，操作人员日常流程性工作复杂繁琐，工作效率低。在混合现实场景中训练能够节约实际训练的成本，更加有利于实际生产使用。
模拟考试单元：
通过学习模式、练习模式等功能后，使用者对现场设备已经有了非常熟练的掌握，此时可以进入模拟考试单元，对使用者的操作熟练程度掌握情况进行检验。
通过利用MR混合现实技术，将大型设备的智能产线虚拟化，用硬件驱动MR模型操作可以进行机电联调的控制训练，又可在虚拟现实中完成机械拆装，电气接线等训练，既解决了设备不足，无法满足全班授课实训的问题，可彻底避免设备拆装、接线、调试训练带来的隐患，还可以解决场地不足的问题。
设备的拆装考试，进入该模式后，以一台拆散的某设备为例，进行在线拼装考试，使用者在一定的时长内实现对整个设备的零部件安装，***记录用户的所有操作步骤，并且将操作步骤记录到***中，待用户考试完毕提交以后对所有操作记录进行评分。
设备的在线故障排查考试。
设备故障诊断分析考试。
使用者在虚拟环境下进行考试，操作完毕以后提交所有考试操作记录，然后***给予打分获得用户的考试成绩。
上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。
Claims (7)
1.基于混合现实的设备模拟操作***，其特征在于，包括虚拟物体构建模块、现实图像采集模块、动作交互模块、实时计算模块、场景构建模块、输出模块、功能模块和服务器；
所述虚拟物体构建模块用于根据场景任务的需要，进行虚拟物体的构建；
所述现实图像采集模块用于进行图像采集，基于MR眼镜终端进行图像采集，结合图像识别技术，通过建模技术件进行现场环境变化和使用者动作位移的识别，结合动作交互模块，进行场景的更新；
所述动作交互模块用于根据用户在虚拟场景中的相关手势动作，结合图像进行实时计算，分析使用者的动作指令，并对具体动作做出相应的响应；
所述实时计算模块用于进行相应的数据计算和分析；
所述场景构建模块用于根据现实物体和虚拟物体构建混合现实场景，并结合现实图像采集模块采集得到的周围图像，对周围环境进行实时建模，并根据周围的环境和使用者的交互动作对三维虚拟画面进行实时的调整；
所述输出模块用于将虚拟场景的图像实时显示在MR眼镜终端的透视全息透镜上，帮助使用者构造出现实混合图像；
所述功能模块用于使用者根据需要选择对应的功能单元进行学习、模拟或考试，并根据使用者的选择进入对应的功能单元。
2.根据权利要求1所述的基于混合现实的设备模拟操作***，其特征在于，虚拟物体构建模块的工作方法包括：
建立3D模型库，获取需要的应用场景，根据获取的应用场景从3D模型库中匹配对应的3D模型集，识别需要进行任务种类，根据识别的任务种类从3D模型集中调用对应的任务的3D模型，实现虚拟物体的构建。
3.根据权利要求2所述的基于混合现实的设备模拟操作***，其特征在于，建立3D模型库的方法包括：
获取具有的设备种类信息，根据获得的设备种类信息建立对应的3D模型，识别具有的应用场景，根据识别的应用场景对建立的3D模型进行相应的渲染，将渲染后的3D模型进行对应应用场景的交互动作设计，建立第一数据库，将当前的3D模型输入到第一数据库中进行储存，将当前的第一数据库标记为3D模型库，将3D模型库设置在虚拟眼镜终端中。
4.根据权利要求1所述的基于混合现实的设备模拟操作***，其特征在于，功能单元包括模拟学习单元、模拟训练单元和模拟考试单元。
5.根据权利要求4所述的基于混合现实的设备模拟操作***，其特征在于，所述模拟学习单元用于使用者进行模拟学习，选择学习模式后，虚拟场景模块构建3D学习场景，并且将该3D场景显示在MR眼镜的透视全息透镜上，使用者获知整个功能下的功能选项，根据需要选择对应的子功能进行模拟学习。
6.根据权利要求4所述的基于混合现实的设备模拟操作***，其特征在于，模拟训练单元用于使用者进行训练模拟，选择训练模式后，选择现场维护操作模式，在对应模式下通过虚拟场景跟现实场景结合，结合现场设备与虚拟3D场景实现模拟练习，引导使用者的标准化操作。
7.根据权利要求4所述的基于混合现实的设备模拟操作***，其特征在于，所述模拟考试单元用于对使用者的操作熟练程度进行检验，分为设备的拆装考试、在线故障排查考试和故障诊断分析考试。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116301354A (zh) * | 2023-02-27 | 2023-06-23 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学士官学校 | 一种基于ar技术的火箭推进剂加注模拟*** |
| CN117130491A (zh) * | 2023-10-26 | 2023-11-28 | 航天宏图信息技术股份有限公司 | 混合现实多组协同的方法、***、电子设备和存储介质 |
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2022
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Cited By (3)
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| CN117130491B (zh) * | 2023-10-26 | 2024-02-06 | 航天宏图信息技术股份有限公司 | 混合现实多组协同的方法、***、电子设备和存储介质 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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