12
эффекта укачивания рекомендуется при разработке виртуальной реальности
не допускать слишком быстрых движений персонажа, при перемещении
направлять взгляд персонажа вперед, обеспечивать плавный поворот головы,
при необходимости выполнения быстрых действий смещать ракурс;
используя камеру от третьего лица, создавать в окружающем пространстве
элементы для поддержания ощущения заземленности; избегать дрейфа путем
центрирования обзора; не использовать фрагментирование сцен, заменяя,
например, на затемнение экрана для перехода к другой сцене; поддерживать
комфортную для пользователя частоту кадров в секунду, напоминать
пользователям делать обязательные перерывы в процессе взаимодействия с
виртуальной средой.
Технология виртуальной реальности в настоящее время внедряется в
различные сферы и на все стадии разработки изделия - от проектирования
трехмерной концепции и виртуального прототипирования до планирования
производства и продажи
19
. Благодаря этой технологии продукт может быть
испытан среди людей в контексте его применения еще до изготовления.
Такой подход помогает в работе над функциональными и эргономическими
характеристиками изделия и способствует творческому подходу в разработке
дизайна и конструкции будущего продукта. Помимо разрабатываемого
продукта в VRможно планировать производственные линии, например, для
оценки безопасности или эргономичности, подобно системам
Tecnomatixкомпании Siemens
20
или DELMIAкомпании DassaultSystemes
21
.
В 3D-CAnPCreo5.0 компании PTCуже доступны возможности
19
Fujitsu and NVIDIA. Mixed reality for professionals. - Fujitsu, 2018. - 12 p. URL:
https://sp.ts.fujitsu.com/dmsp/Publications/public/br-Fujitsu-Develop3D-Special-Report- Mixed-
Reality.pdf(датаобращения: 06.02.2020)
20
Моделирование и проверка процесса производства с помощью Tecnomatix[Электронный ресурс]. //
SiemensPLMSoftware. - Режим доступа:
https://www.plm.automation.siemens.com/ru/products/tecnomatix/manufacturing- simulation/index.shtml(дата
обращения: 06.02.2020).
21
Голдовский А. Система DELMIAкак решение для моделирования производственной деятельности. /А.
Голдовский, П. Голдовский, О. Федотов // CAD/CAM/CAEObserver. - 2015. - №1 (19)
13
дополненной реальности
22
. Компания Autodeskтакже внедрила AR, VKи MRв
свои программные продукты: 3DSMax, VRED, ProjectPlay, RevitLive, Forge,
MayaLT. Причем ПО AutodeskVREDпозволяет загрузить файлы из
различных САПР, например, Maia, 3DSMax, Alias, AutoCAD, CATIA,
SolidWorks, и представить их в виртуальной реальности. Система
Teamcenterот SiemensPLMSoftwareподдерживает стандарт JT, который
позволяет визуализировать данные в системах виртуальной реальности, что
может помочь ознакомиться с проектом людям, не работающим с САПР
23
.
Также для реализации внедрения новой технологии различные
компании ведут совместные работы. Так компания Virtalisсотрудничает с
такими компаниями, как PTC, DassaultSystemes, Siemens, Senerс целью
создания системы, которая бы позволила автоматически конвертировать
данные из САПР в 3DVRмодель
2425
.
Помимо использования специализированных программ и встроенных
технологий визуализации данные для построения модели в виртуальной
реальности можно передать в игровые движки Unityили UnrealEngineчерез
нейтральные форматы, например, OBJ.
ТакойметодреализуемвСАПРAutodesk Inventor and Dassault Systemes
SOLIDWORKS. Для оптимизации перевода данных компания
EpicGamesвыпустила Datasmithдля UnrealEngine, упрощающий перевод
объектов: геометрии, текстур, материалов, освещения и камер.
Таким образом, несмотря на небольшой процент ожиданий
респондентов, работающих в сфере виртуальной и дополненной реальности,
эти технологии востребованы в области проектирования и производства.
22
Sagar P. CAD Trends & Creo Technology roadmap. - PTC Forum Europe, 2017. URL:
http://www.ptcuser.nl/conf_17/presentations/0-4 Creo%20Technology%20Update%20and%20Roadmap%20-
%20PTC/Creo%20Technology%20Roadmap%20-%202017.pdf (датаобращения: 06.02.2020)
23
Digital mockup and high-performance visualization to unleash designs. - Siemens PLM, 2018. URL:
https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/products/collaboration/ digital-mockup.html (датаобращения:
06.02.2020)
24
Fujitsu and NVIDIA. Mixed reality for professionals. - Fujitsu, 2018. - 12 p. URL:
https://sp.ts.fujitsu.com/dmsp/Publications/public/br-Fujitsu-Develop3D-Special-Report- Mixed-
Reality.pdf(датаобращения: 06.02.2020)
25
Virtalis. VR for manufacturing. - Virtalis, 2018. URL: https://www.virtalis.com/wp-
content/uploads/2015/07/Virtalis_VR_Manufacturing.pdf(датаобращения: 06.02.2020)
14
Различные компании стремятся к использованию новых разработок, к
внедрению новых способов визуализации и общения как с пользователем
САПР, так и с потребителем разрабатываемого в САПР продукта. А наличие
слабых мест в этих технологиях и методах реализации в настоящее время
лишь способствует проведению новых исследований и совершенствованию в
дальнейшем, как средств, так и методов взаимодействия с человеком.
1.2. Современные тенденции автоматизации проектирования
Конструкторское и технологическое проектирование используется в
производственной деятельности ведущих мировых производителей
современности. Любая автоматизация производства исключает человеческий
фактор и риски многомиллионных потерь из-за ошибок обслуживающего
персонала или инженеров. Данные риски заставляют производителей
переходить на автоматизацию всех технологических процессов, включая
конструкторское и технологическое проектирование, которое повышает
точность и происходит в более короткое время. Иными словами, переход
производств на автоматизацию уменьшает расходы производителей и
повышает конкурентоспособность выпускаемой продукции. Но у этого
процесса имеется один существенный недостаток - возможная безработица.
Рассмотрим отрасли, в которых внедрение автоматизации
конструкторского и технологического проектирования, наиболее важно.
Самой востребованной в этом направлении является машиностроение -
современная отрасль обрабатывающей промышленности, определяющая
развитие научного и технического процесса. Его основные задачи:
повышение качества оборудования и машин разных видов, увеличение роста
производительности труда на предприятиях. Машиностроение, как и все
остальные отрасли обрабатывающей промышленности, непрерывно
развивается. Автоматизация конструкторского и технологического
проектирования в данной отрасли позволяет подбирать необходимые
15
геометрические размеры деталей, потратив на расчёты меньше времени и
средств. Благодаря этой отрасли движется прогресс, развиваются технологии.
Она приносит большую прибыль. Созданные ей товары используется в
бытовой и профессиональной деятельности и является неотъемлемой частью
современной жизни. Данная отрасль состоит из тяжёлого, общего, среднего и
точного машиностроения, производства металлических изделий и заготовок,
ремонта машин и оборудования. Автоматизация в данной области
необходима, т.к. производится работа с массивными и большими объектами,
которые человек не в состоянии передвинуть, поднять или провести с ними
любые иные операции.
Несмотря на положительные качества, машиностроение является
загрязнителем окружающей среды, а производимые автомобили помимо
загрязнения создают на улицах городов шумные пробки. Человек пытается
уменьшить количество выбрасываемых в окружающую среду вредных
химических элементов.
Ракетостроение является направлением общего машиностроения, в
котором без автоматизации конструкторского и технологического проекти-
рования не обойтись. Современные учёные серьёзно занялись вопросами
колонизации и изучения космического пространства. Важность этих
изучений велика, но без специальных приборов изучение космоса
остановилось бы. Одними из важнейших приборов изучения космоса
являются продукты ракетостроения.
Автоматизация конструкторского проектирования ракет позволяет
создать правильную документацию получаемого продукта, по которой позже
будет создаваться ракета. Важность создания правильной формы ракеты
велика. От этого зависит успешность взлёта ракеты с поверхности земли.
К сожалению, ракетостроение - часть военной промышленности.
Иными словами, ракеты создаются с целью поражения, будь это
стратегический объект или человеческие ресурсы. Кроме данного факта
ракетостроение сильно загрязняет окружающую среду. Несмотря на
16
недостатки, ракетостроение является одной из перспективнейших
направлений современного машиностроения.
Направление точного машиностроения, занимающееся разработкой и
производством средств измерений, обработкой и представлением
информации, усовершенствованием автоматических и автоматизированных
систем управления, является приборостроение
26
. Оно тесно связано с
ракетостроением. Большие расстояния между космическими телами,
например, планетами в Солнечной системе, требуют точнейших вычислений,
с которыми человек не справится. Важность этих вычислений объясняется
тем, что неправильный расчёт может стать причиной промаха космического
аппарата на заданную точку или его крушением, и, следовательно, потеря его
и всего, что на нём находилось. Современная промышленность не может
обойтись без приборов и измерительной техники. Приборы используются в
жизни современных людей повсеместно. Возможно, приборы и будут
меняться со временем, будут создаваться новые вычислительные машины, но
приборостроение никогда не исчезнет. Оно будет только развиваться.
Недостаток данного направления в том, что в связи с созданием новой
продукции уменьшается количество рабочих мест на разных предприятиях.
Иными словами, количество приборов обратно пропорционально количеству
рабочих мест.
Одно из самых молодых направлений среднего машиностроения - это
робототехника. Оно занимается разработкой автоматизированных
технических систем. Именно эти системы и стали причиной появления
автоматизации, технической основы развития производства
27
.
Автоматизированные системы используются там, где невозможно
использование человеческого труда из-за каких-либо свойств используемой
местности или объектов, с которыми должна проводиться работа. Тем самым
26
Авлукова, Ю. Ф. Основы автоматизированного проектирования / Ю. Ф. Авлукова. - Минск : Высшая
школа, 2016. - 219 с. - ISBN978-985-06-2316-4.
27
Основы автоматизированного проектирования: Учебник / Под ред. А. П. Карпенко - М: НИЦ ИНФРА-М,
2015. - 329 с. - ISBN 978-5-16-010213-9.
17
опасность для человеческой жизни при выполнении поставленной задачи
становится гораздо меньше или совсем аннулируется. Несмотря на это, при
создании автоматизированных систем в окружающую среду выбрасывается
много отходов, уменьшается количество рабочих мест, а цели создаваемых
машин могут быть направлены на разрушения и ликвидацию человеческих
жизней (если машина создаётся для войны). Не стоит исключать того, что с
машиной может произойти сбой, выводящий её из строя, либо меняющий её
цели, независимо от оператора данного аппарата. В любом случае это
направление сейчас, как считают многие учёные, самое перспективное
28
.
Скоро появятся профессии, тесно связанные с робототехникой, благодаря
которой во многих опасных профессиях риск для жизни и здоровья человека
может исчезнуть.
Долгие рассуждения приведут к однозначному выводу: уже к концу
XXIвека профессий, связанных с физическим трудом, будет меньше. Эту
работу будут выполнять автоматизированные установки, как и проводить
сложные вычисления. В будущем люди должны будут уметь правильно
задавать машинам команды, управлять ими. К этому уже начинают
подготавливать представителей современной молодёжи. Автоматизация
проектирования не искоренит работу инженеров, а будет их инструментом
при создании новых технологий.
1.3. Возможность и перспективность использования технологии
формирования виртуальной реальности при проектировании и
эксплуатации КИТ
Автоматизация проектирования процессов сборки сложных изделий
(Computeraidedassemblyplanning, CAAP) - это важное и актуальное
28
Звонов, А. О. Системы автоматизации проектирования в машиностроении / А. О. Звонов, А. Г. Янишевская
; Минобрнауки России, Омский государственный технический университет. - Омск : Издательство ОмГТУ,
2017. - 122 с.: табл., схем. - ISBN 978-5-8149-2372-1.
18
направление теории проектирования и современной промышленности
29
. Для
решения этой сложной и многоаспектной проблемы применяют различные
модели информатики и дискретной математики: теория графов,
искусственный интеллект, программирование роботов, комбинаторная
геометрия, математическая логика, общая и булева алгебра, теория баз
данных, машинная графика, анализ столкновений (Collisiondetection),
планирование перемещений (Motionplanning) и др. (рис.1).
Рисунок 1. Модели автоматизированного проектирования.
В
30
описаны комбинаторные модели автоматизированного
проектирования, в которых изделие рассматривают как совокупность
элементов (деталей, поверхностей, геометрических примитивов и др.), на
которых заданы отношения различной физической природы (геометрические,
механические, размерные, кинематические и др.). Методы данной группы
требуют активного участия ЛПР в подготовке исходной информации
приведен обзор методов геометрического вывода при сборке сложных изде-
29
Ghandi S., Masehian El. Review and taxonomies of assembly and disassembly path planning problems and
approaches // Computer-Aided Design. 2015. Vol. 67-68. Pp. 58-86. DOI: 10.1016/j.cad.2015.05.001.
30
Божко А.Н. Комбинаторные модели для сборки и декомпозиции изделий // Наука и образование. МГТУ
им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 10. DOI: 10.7463/1015.0817524.
19
лий. Большая часть методов данного класса дает только необходимые
условия геометрической разрешимости. Достаточные условия можно
получить при помощи имитации движения устанавливаемой детали в среде,
которую образуют собранный фрагмент изделия и элементы
технологической системы. В общем случае, прямое моделирование
геометрической разрешимости требует очень высоких вычислительных
затрат.
Методы автоматизированного проектирования процессов сборки,
основанные на парадигме искусственного интеллекта, рассмотрены в
31
. Чаще
всего для этого используются прикладные системы логического вывода и
семантические сети. Основной недостаток этих популярных средств ИИ -
сложности при передаче конструкторской и технологической информации
между проектами.
В методах планирования перемещений сборка технической системы
рассматривается как движение точки в конфигурационном пространстве
собранного фрагмента. Размерность конфигурационного пространства
зависит от числа собранных деталей и может достигать больших значений
даже для изделий невысокой сложности. Кроме того, методы этой группы не
учитывают многочисленные ограничения не геометрической природы
(кинематические, размерные и пр.), которые накладывает конструкция и
технологическая система на допустимые проектные решения.
Методы оптимизации посвящены поиску рациональной
последовательности сборки из множества альтернатив очень высокой
мощности
32
. Во всех работах данного направления предполагается, что это
множество задано априори или существует эффективная процедура, которая
проверяет допустимость альтернатив. Для выбора рационального проектного
31
Божко А.Н., Родионов С.В. Методы искусственного интеллекта в автоматизированном проектировании
процессов сборки // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана: Электрон. журн. 2016. № 8. DOI:
10.7463/0816.0844719.
32
Карпенко А . П .Современные алгоритмы поисковой оптимизации. Алгоритмы, вдохновленные природой.
- М.: МГТУ, 2016. 448 с.
20
решения чаще всего используются методы бионические оптимизации (роя
частиц, колонии муравьев др.).
В методах декомпозиции обсуждаются способы автоматизированного
синтеза рационального разбиения изделия на сборочные единицы.
Рассмотрим интерактивные методы CAAP, в которых
автоматизированное проектирования процессов сборки сложных изделий
основано на интерактивном взаимодействии эксперта и вычислительной
системы. Инженер, который разрабатывает процесс сборки изделия в САПР,
располагает ограниченными средствами управления, состоящими из кла-
виатуры и мыши (джойстика, трекбола и др.). Обратная связь оператора со
трехмерной сценой поддержана единственным визуальным каналом -
отображение сцены на плоском экране. По этим причинам компьютерные
эксперименты с трехмерной моделью изделия становятся затруднительными,
а в некоторых ситуациях и невозможными. Все это снижает достоверность
экспертной информации для любой даже глубоко разработанной и
продуманной процедуры опроса ЛПР.Идея построения эффективной CAAP-
системы на основе рационального взаимодействия человека и комплекса
программно-технических средств получила развитие в исследованиях и
разработках, посвященных виртуальному прототипированию сборочных
процессов (Virtualprototypingofassemblyplanning). Ключевая особенность
систем виртуальной реальности (Virtualreality, VR) является человеко-
машинный интерфейс, который позволяет оператору управлять процессом
сборки цифровой модели изделия с иллюзией погружения в трехмерную
компьютерную реальность. Для этого оператору предоставляются средства
визуального, тактильного и аудио управления состоянием сцены в процессе
сборки/разборки 3D-модели. Системы виртуальной реальности призваны
освободить человека от неорганичных и неудобных сценариев извлечения
экспертных данных. Они, в идеале, предлагают оператору естественную роль
в ситуации, которая часто приближается к игровой, что повышает его
мотивацию и, следовательно, надежность экспертных данных.
21
Внедрение технологий виртуальной реальности в проектирование
сборочных процессов преследует две основные цели
33
. Во-первых, это дает
возможность оценить качество проекта на ранних этапах проектирования и
конструирования согласно принципам DFA (Designforassembly), распознать
нетехнологичные решения и внести необходимые изменения в проект без
математического моделирования и натурных экспериментов с макетом
изделия. Во-вторых, симуляция процесса сборки в системах VRпроисходит в
более реалистичных условиях, чем при математическом моделировании,
когда многие существенные факторы отбрасываются или значительно
огрубляются. Виртуальное прототипирование позволяет учесть наличие
приспособлений, геометрию сборочного инструмента, планировку
производственных помещений, технику выполнения сборочных переходов
оператором и многие другие особенности технологической и произ-
водственной систем. Из виртуальной сборки цифровой модели можно
извлечь важнейшую проектную информацию: рациональную
последовательность сборки, траектории перемещения деталей, сведения о
потребных средствах технологического оснащения (приспособлениях,
инструментах), оптимальное распределение нагрузки по рабочим местам, и
даже организовать обучение робота-сборщика
34
.
Большая часть работ по виртуальному прототипированию сборочных
процессов посвящена различным видам обеспечения технологии
виртуальной реальности. В них рассматриваются технические средства VR,
реализация человеко-машинных интерфейсов (визуального, тактильного и
аудио), сценарии взаимодействия оператора с виртуальной средой,
психологические аспекты поведения человека в виртуальном окружении
3536
.
33
Xia P., Lopes A., Restivo M.T. A review of virtual reality and haptics for product assembly (part 1): rigid part //
Assembly Automation. 2016. Vol. 33. Issue 1. Pp. 68-77. DOI: 10.1108/01445151311294784
34
Seth A., Vance J., Oliver J. Virtual reality for assembly methods prototyping: a review // Virtual Reality. 2011.
Vol. 15. Issue 1. Pp. 5-20. DOI: 10.1007/s10055-009-0153-y.
35
Jun Y., Liu J., Ning R., Zhang Y. Assembly process modeling for virtual assembly process planning //
International Journal of Computer Integrated Manufacturing. 2015. Vol. 18. Issue 6. Pp. 442-451. DOI:
10.1080/09511920400030153.
36
Xia P., Lopes A., Restivo M.T. Virtual reality and haptics for product assembly // International Journal of Online
Engineering. 2016. Vol. 8. Issue S1. DOI: 10.3991/ijoe.v8is1.1894.