当前，随着计算机、传感、网络通信等技术的快速发展，虚拟现实逐渐向工业领域渗透应用，为制造业的研发、生产、管理和服务等各环节带来了深刻变革，进一步推动了智能工厂的发展。在先进制造业领域借助虚拟现实技术，可以实现虚拟产品设计、虚拟产品制造、虚拟生产过程、创建先进制造工厂、产品展示与维护等等。虚拟现实在完善产品设计、优化产品性能、提高产品质量和设计效率、降低开发成本方面具有重要作用。

　　一、应用需求介绍

　　德国宝沃汽车集团是一家致力于为全球中坚阶层提供智能产品及生态服务的德国汽车公司。其以革命性的技术、引领风潮的设计，全面的产品谱系、超过当时德国60%的出口份额，一度成为德国第三大汽车生产制造商。一直以来，宝沃汽车都以“增强创新研发能力、构建自主研发体系”为己任，在设计能力和创新方式上始终不断升级。

　　经过多年的应用实践和探索，宝沃汽车在智能制造、面向工业4.0可持续发展的大战略引领下，选择以虚拟现实技术作为新的发展方向，对设计流程中的数字样机评审、快速造型评审、人机工程分析、整车架构方案布置、虚拟维修保障等各类应用提出了全新的需求。这些新的应用需求就需要在传统的CAD设计基础上，有一个面向工业应用的虚拟现实系统来实现上述不同的应用。该系统需要在产品的研发过程中，能够在以下方面更有效地帮助用户：

　　●对产品CAD数据进行数字样机评审，帮助用户快速进行设计审查，发现问题，提高效率；

　　●支持高逼真度的实时渲染，并且将渲染效果进行立体展示，可以在设计前期进行快速的造型评审；

　　●支持实时物理引擎计算的虚拟拆装，使得工艺流程评审具有更高的置信度，获得更为真实可信的评审结果；

　　●能够对整车人机工程进行模拟评价，能够输出人机工程评价结果，同时还能够支持以不同视角（第一人称/第三人称）进行人机工程仿真。

　　●对总体设计方案进行协同仿真评审，能够让用户在同一个仿真环境下，从造型评审、人机工程、装配工艺等不同维度进行协同评审。

　　但是截止目前，还没有一个系统平台能够同时满足以上所有需求，实现“造型评审”+“人机校核”+“数字样机评审”的协同并行。经过多方调研和评审，宝沃汽车最终选择与Longtek MakeReal3D平台来共同开发“基于物理台架的虚拟人机工程仿真系统”，该系统在传统的CAD设计基础上，引入了“物理台架+虚拟现实”这样创新的系统设计。

　　图1 系统组成

　　二、为什么要用物理台架？

　　为什么要在虚拟现实仿真系统的基础之上，引入物理台架这样的硬件设备呢？这是因为，传统的虚拟现实仿真系统是借助立体显示系统（如CAVE）或者虚拟现实头盔（如HTC VIVE）给用户创建一个沉浸感十足的虚拟仿真环境，让用户有身临其境的感觉。这样的系统在游戏、展览、房地产等领域取得了良好的应用，因为该系统满足了用户对于沉浸式展示的需要。

　　但同样的系统在工业制造业领域的应用就显得有一些不足，这是因为：一方面，纯虚拟的仿真环境对于具体的作业任务而言，没有实际的操作反馈，这会很大程度上影响用户的操作体验；另一方面，用户在物理台架上的操作可以认为是与仿真场景交互的输入，这是实现真正“人在回路”仿真不可或缺的一环。有了用户输入，仿真场景才会给用户反馈相应的输出。

　　对于汽车用户而言更是如此。我们都知道，汽车用户是十分注重驾驶体验的，而在仿真环境中做虚拟驾驶任务的时候，如果没有方向盘，用户握不到，不但没有物理的操作反馈，更缺乏了仿真环境的用户输入。对于用户来说，体验感不佳的同时，也没法很好地完成驾驶任务。这就是为什么我们要引入物理台架的原因，物理台架的重要性不言而喻。

　　图2 虚拟驾驶

　　因此，为了满足工业用户的应用需要，我们特别提出了基于物理台架的虚拟现实仿真系统这样的解决方案。一方面，该解决方案具有所有传统虚拟现实仿真系统的功能和特点，例如沉浸式立体显示、实时驱动数字人体等；另一方面，该解决方案还提供物理台架，可以给用户提供实际的操作反馈，从而使得“虚拟”与“现实”真正地交互起来，获得更好的用户体验，更高的操作仿真度，并且使分析评审的结果更为真实、可信。

　　图3 半实物虚拟驾驶

　　三、解决方案：物理台架+虚拟现实

　　为了满足以上功能需求，我们在解决方案中设计了该系统的软硬件组成。硬件方面主要包括：

　　●采用LED立体显示技术及VR头盔显示技术，提供沉浸式的虚拟现实立体展示环境；

　　●采用光学动作捕捉系统，将用户的动作与姿态与数字人进行匹配，可以实时地驱动数字人体；

　　●借助物理台架，真正实现“虚拟-现实”交互，带来更高逼真度的操作仿真效果，完成“人在回路”的闭环系统设计。

　　图4 物理台架

　　软件方面主要包括：

　　●采用MakeReal3D虚拟现实仿真软件平台，可以快速地导入CAD数据、场景编辑、保留原始数据的完整结构树以及特征属性信息；

　　●可以进行漫游、标注、精确测量、剖切、爆炸图等数字样机评审，借助工业级别实时物理引擎可以进行虚拟装配/维修评审以及工艺验证；

　　●支持照片级的实时渲染，可以对不同造型方案进行虚拟评审；

　　●通过数字样机模拟真实驾驶体验，评审交通标识、车辆、行人等反馈的道路信息；

　　●对于虚拟现实环境下的人机工程分析，可以进行眩光、内饰、色彩搭配等主观评审；也可以完成可视性、可达性、舒适性等人机工程分析；

　　●可进行多部门多人协同评审，支持局域网协同；

　　●进行制造环节中以人为中心的人机可操作性验证；

　　●维修过程中人机工效分析与评估；

　　●支持柔性管线的创建及运动包络分析，可进行柔性线缆和管路的布置、柔性装配、柔性管路线缆的可维修可维护分析；

　　●录制拆装路径与顺序，输出可交互式的电子文档，以开展虚拟装配、维修维护等培训；

　　图 5 基于物理台架的虚拟人机工程仿真系统

　　我们希望通过引入物理台架这样的平台，结合虚拟现实技术，提出一种更完备的解决方案，能够给用户带来更逼真的仿真效果以及更好的操作反馈，从而提高交互体验，帮助用户大大的节约研发时间和研发成本，让虚拟现实在工业制造业领域得到更好的应用和发展。

　　四、结论

　　通过虚拟现实技术的研究和引入，主要集中在以下几个方面：

　　●弥补缺失的物理样机，减少昂贵的物理模型和物理样机，

　　●虚拟样机促进并行工程的开展，更好的设计理解、评估和实验；

　　●优化并促进工作协同，直观可视的决策制定流程；

　　●真实的体验交互式解决方案，建立对产品的准确理解，制定准确的产品策略。

　　技术发展越来越快，新的软件和硬件的在快速迭代，VR/AR的想象空间是无穷无尽的，未来我们将尝试在汽车产品设计、制造、营销、使用、维护等生命周期各环节中引入VR/AR技术。

　　案例提供商

　　北京朗迪锋科技有限公司是一家专注于虚拟现实技术工业应用的高科技企业，公司自创立以来一直致力于虚拟现实技术在工业应用场景的落地、深化及推广。始终坚持发扬“协作、创新、恭敬、敬畏”的企业价值观，以“虚拟成就现实，创新驱动制造”为公司使命，基于虚拟现实技术为客户提供卓越的解决方案，并已形成一套完善的设计、开发、部署、培训、维护整体服务体系。