1.1 虚拟装配学习系统概述

机械设计制造在国家的各个行业中均处于基础性的关键地位，对国家经济的发展，社会的进步起着尤为重要的影响。随着科技的进步、市场的激烈竞争，复杂机械的应用越来越广泛，机械产品的设计开发速度日益趋增。由于复杂机械装配体具有结构复杂、零件繁多、技术先进、成本昂贵等特点。因此，如果采用一般的传统的技术培训，将会给装配指导、开发设计学习等相关的学习过程带来极大的困难。传统的培训过程所带来的昂贵的时间，空间以及金钱成本，迫切要求业界设计出一种改良的培训方案。

近年以来，虚拟现实技术的出现和发展使得学习人员在虚拟世界的模拟环境中进行复杂机械零件的装配工作成为可能。虚拟装配(Virtual Assembly,VA)是虚拟制造的关键组成部分。它利用计算机工具,通过分析、预测产品模型,对产品进行数据描述和可视化,做出与装配有关的工程决策,而不需要实物产品模型作支 持^[1]。

虚拟现实技术的广阔蓬勃发展为虚拟装配技术的成长提供了丰富的土壤。传统的装配过程面对市场的激烈竞争，暴露出周期长、成本高等诸多缺点^[2]。而虚拟装配利用虚拟现实技术、计算机图形学、人工智能技术和仿真技术等构造虚拟环境以及产品虚拟模型,在产品装配过程中进行交互分析以及仿真产品装配过程和装配结果^[3]，从而全面逼真地反映了机械零件装配的整个过程，有效地缩短了新产品的学习训练周期，易于让受训者轻松实现对复杂机械部件的熟练操作。

1.2 基于VR头盔的虚拟装配学习系统工作原理

模块化虚拟装配系统,是从产品设计人员手中得到产品设计图开始,建立基础零件模型,在虚拟环境下预装配,进行装配路径和顺序规划,最后进行装配仿真,可输出装配演示动画或为机构运动仿真等做准备。系统的各部分功能均以相应的功能模块实现^[2]。

本系统对虚拟装配系统的设计采用模块化开发的方法，针对行星减速器，用户可以通过使用VR设备（HTC VIVE）与系统进行交互，实现虚拟装配过程的学习。

1.3 国内外的研究现状

虚拟装配发展至今可以分为3个阶段,第1阶段是虚拟装配理论的提出阶段,第2阶段是各研究机构在各自实验室复制、建立虚拟 装配系统的阶段,第3阶段是各研究机构对虚拟装配各发展方向进行深入研究的阶段。目前国外虚拟装配技术的发展已经进入了第3阶段^[4]。

在慕尼黑计算机展览会上，德国Fraunhofer工业工程研究所虚拟现实实验室开发的虚拟装配规划原型系统获得了最佳系统奖，这一系统的设计思想是：通过人体模型来在虚拟环境中进行装配。