CC BY
2Богданов А. А., Ермаков А. В., Кичко С. А., Миронова Н. С., Николенко М. В., Поляшов А. А., Фокин С. Г.
ТЕХНИКА / ТЕХНОЛОГИИ | TECHNOLOGY / TECHNOLOGIES
Оригинальная статья | Original paper г^чТтчггП
DOI:_УДК 004.92 + 004.94_[^¿г—Д^
МЕТОД ОТРАБОТКИ ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ РЕШЕНИЙ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ
А. А. Богданов1 , А. В. Ермаков1 , С. А. Кичко2 , Н. С. Миронова3 Ж, М. В. Николенко1 Ж, А. А. Поляшов2 Ж, С. Г. Фокин2 Ж
НИЦ «Курчатовский институт», г. Москва, Российская Федерация
2АНО «Центр подводных исследований Русского географического общества»,
г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
3АО «СПМБМ «Малахит», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация Ж [email protected]
Аннотация В настоящей статье описан примененный на практике метод оценки
проектно-конструкторских решений и эргономических характеристик на основе технологии виртуальной реальности (VR-технологии) и технологии захвата движения рук (технологии LeapMotion) в области проектирования объектов обитаемой подводной техники. Данный метод отработки конструкторских решений позволяет визуализировать 3D-модели систем автоматизированного проектирования (САПР-модели) и производить с ними различные взаимодействия на ранних стадиях проектирования. Структура 3D-моделей формируется на основе иерархии САПР-модели. С помощью данного метода проведена отработка проектно-конструкторских решений по удобству размещения оборудования, приборов и устройств во внутреннем пространстве обитаемого прочного корпуса подводного аппарата, в ходе которой участники проектного процесса провели экспертизу 3D-мо-дели внутреннего пространства для выявления недочетов и формирования предложений по доработке технических решений. Результаты работы показывают, что предложенный подход позволяет пользователям заблаговременно выявлять в 3D-моделях ошибки, которые не были или не могли быть обнаружены ранее с использованием традиционного подхода, основанного на оценке САПР-моделей в программном обеспечении САПР на экране персональных компьютеров (ПК) или путем анализа проектных документов проектанта. По результатам работы выявлены различия в восприятии обоих подходов. Интуитивное управление в виртуальной среде (УР-среде) быстрее, чем при работе в среде САПР, предоставляет пользователям набор инструментов для стандартных операций по взаимодействию с объектами УР-среды, к их числу относятся: изменение вида, перемещение, вращение и взаимодействие с деталями, сборками, элементами оцениваемого объекта. Отмечается, что взаимодействие с компонентами разрабатываемого объекта более приближенно к отработке решений на реальном изделии.
Ключевые слова Виртуальная реальность, виртуальное моделирование, конструкция, эргономика.
Для цитирования Богданов А. А.,Ермаков А. В., Кичко С. А., Миронова Н. С., Николенко М. В., Поляшов А. А., Фокин С. Г. Метод отработки проектно-конструкторских решений на основе технологии виртуальной реальности // Гидрокосмос. 2023. Т. 1, 1. № 1-2. С. 126-137. Р01: https://doi.org/
Bogdanov A. A., Ermakov A. V., Kichko S. A., Mironova N. S., Nikolenko M. V., Polyashov A. A., Fokin S. G. ^^
METHODOLOGY FOR REFINING PROJECT DESIGN SOLUTIONS BASED ON VIRTUAL REALITY TECHNOLOGY
A. A. Bogdanov1 , A. V. Ermakov1 , S. A. Kichko2 , N. S. Mironova3 ®, M. V. Nikolenko1 , A. A. Polyashov2 , S. G. Fokin2
National Research Center Kurchatov Institute, Moscow, Russian Federation 2ANO "Underwater Research Center of the Russian Geographical Society," St. Petersburg, Russian Federation
JSC Malakhit Marine Engineering Bureau, St. Petersburg, Russian Federation 1^1 [email protected]
Abstract This article proposes a practical approach for evaluating project design solutions
and ergonomic aspects in the construction of inhabited underwater vehicles using virtual reality technology (VR technology) and hand tracking technology (LeapMotion technology). This method allows visualizing 3D models of computer-aided design systems (CAD models) and interacting with them at early stages of the design process. The structure of 3D models is based on the CAD hierarchy. Using this method, design ideas for the positioning of equipment within the interior of a submersible vehicle's sturdy shell were refined. Participants in the design process analyzed the 3D model of the interior during this process to identify weaknesses and recommend improvements to technical solutions. The results show that the proposed approach allows users to detect errors in 3D models in advance that were not or could not be identified previously using the traditional approach based on evaluating CAD models on computer screens or analyzing project documentation. The results of the study revealed differences in the perception of both approaches. Working in a virtual environment with intuitive control is faster than working in a CAD system. It gives users a set of tools for typical interaction with objects in the VR environment, such as changing the view, moving, rotating, and interacting with the assessed object's features, assemblies, and elements. It is noted that interacting with the object's components is more similar to refining solutions on a real object.
Keywords Virtual reality, virtual modeling, design, ergonomics.
For citation Bogdanov, A. A., A. V. Ermakov, S. A. Kichko, N. S. Mironova, M. V. Nikolenko,
A. A. Polyashov, and S. G. Fokin. "Methodology for Refining Project Design Solutions Based on Virtual Reality Technology." Hydrocosmos, vol. 1, 1, no. 1-2, 2023, pp. 126-137. DOI: https://doi.org/ (In Russ.)
Введение
Современные VR-технологии основаны на идеях, впервые изложенных в 1960-х гг. В 1968 году Айвен Сазерленд1 создал первый головной дисплей, который визуализировал простые каркасные модели, изменяющиеся в зависимости от положения головы зрителя. Данное изобретение заложило основы технологий, которые в настоящее время называются виртуальной реальностью (VR), дополненной
1 SutherlandI.E. A Head-Mounted Three Dimensional Display // Proceedings of the Fall Joint Computer Conference. Soalt Lake City, University of Utah Publ., 1968. Part I, December 09-11. P. 757-764. D0l:10.1145/1476589.1476686
реальностью (AR) и смешанной реальностью (MR), как это определено Милграмом и др2. в их континууме реальность-виртуальность. Виртуальная реальность традиционно описывается как компьютерная среда или реальность, которая предназначена для имитации физического присутствия человека в иммер-сивной и реалистичной среде. Цель УР состоит в том, чтобы позволить человеку воспринимать и манипулировать окружающей виртуальной средой по аналогии с реальным миром.
2 MilgramP., TakemuraH., UtsumiA., Kishino F. Augmented Reality: A Class of Displays on the Reality-virtuality
Continuum // SPIE. 1995. Vol. 2351: Telemanipulator and Telepresence Technologies. P. 282-292. DOI:10.1117/12.197321
Богданов А. А., Ермаков А. В., Кичко С. А., Миронова Н. С., Николенко М. В., Поляшов А. А., Фокин С. Г.
VR-технология первоначально нашла свое применение в области игровой индустрии, индустрии маркетинга и рекламы. Применительно к промышленности VR-технологии имеют большой потенциал, который не ограничивается только просмотром и визуализацией 3D-моделей. Идея виртуального прототипирования (VP) или виртуальной оценки проектно-конструкторских решений позволяет пользователям исследовать разрабатываемые объекты и их прототипы на самых ранних стадиях проектирования. Организации в целях снижения своих издержек в процессе проектирования, постановки продукции на производство и поставки продукта на рынок стремятся выполнять оценку проектно-конструкторских решений для выявления проектных ошибок на самых ранних стадиях проектирования при помощи систем автоматизированного проектирования (CAD), далее в ходе инженерного анализа (CAE) и подготовки производства (CAM).
Традиционный процесс оценки проектно-конструкторских решений часто выполняется путем просмотра САПР-модели непосредственно на экране ПК с поддержкой программных пакетов САПР и/или при помощи анализа проектной документации. Основным ограничением такого подхода является то, что специалисты, незнакомые с программным обеспечением САПР, не могут провести оперативную оценку решений, не обладая навыками работы в конкретной среде проектирования.
В настоящее время для оценки эргономических характеристик разрабатываемых изделий (их валидации) используется двухмерное представление: чертежи, изображения, выводимые на экраны компьютеров или проекторы, статические макеты для имитации рабочего места оператора в реальном масштабе из различных материалов, динамические моделирующие комплексы, прототипы (тренажеры-имитаторы).
Рассмотрение технически сложных моделей САПР на экране в двумерном представлении не позволяет оперативно оценить такие эргономические характеристики, как досягаемость во всех плоскостях и направлениях, простота обслуживания, обзорность, удобство взаимодействия и размещения на рабочем месте. Динамические моделирующие комплексы создаются для внедрения и апробации конкретной функции или реализации определенной задачи и не позволяют оценить эргономические характеристики и конструкторские
решения в полном объеме. Создание реальных прототипов требует больших дополнительных финансовых затрат, к которым зачастую не готов заказчик. В настоящее время наиболее удобным и эффективным способом оценки досягаемости и зон зрительного наблюдения являются статические макеты. Однако они требуют дополнительных временных и финансовых затрат на создание, размещение и содержание и не позволяют оценить взаимодействие с человеко-машинными интерфейсами (работа с видеокадрами и сенсорными панелями).
VR в процессе разработки
VR позволяет воспроизводить реалистичный опыт, который ресурсоемко (макетирование, прототипирование) или невозможно воссоздать в реальных условиях. Одним из основных направлений в «Индустрии 4.0» является соединение цифрового, виртуального и физического миров, которые также именуются киберфизическими системами. Виртуальная реальность (и все связанные с ней технологии смешанной реальности) предлагает большой потенциал для развития данного направления. Ковар и др3. заявляют, что VR-технологии позволяют эффективно сократить затраты при проектировании новых технически сложных систем. Ключевым преимуществом VR является возможность отработки ряда факторов без материальных и временных затрат на изготовление макета или прототипа, тем самым уменьшая количество ошибок в готовом продукте. Таким образом, VR поддерживает процесс принятия решений с самых ранних стадий проектирования. В прошлом VR-технология использовалась преимущественно при разработке премиальных продуктов, поскольку она характеризовалась своей низкой окупаемостью инвестиций (ROI) из-за высокой стоимости4. Однако развитие технологии позволило значительно снизить стоимость инструментов VR-разработки.
Проведение технических совещаний с обсуждением проектных решений является
3 KovarJ., MouralovaK., KsicaF., KroupaJ., AndrsO., HadasZ. Virtual reality in context of industry 4.0 proposed projects at Brno university of technology // 17th International Conference on Mechatronics — Mechatronika (ME). 2016. Dec. 7-9. P. 1-7.
4 ChoiS., JungK., NohS.D. Virtual reality applications in manufacturing industries: past research, present findings, and future directions // Concurrent Engineering. 2015. № 23 (1). P. 40-63. D0l:10.1177/1063293X14568814
Bogdanov A. A., Ermakov A. V., Kichko S. A., Mironova N. S., Nikolenko M. V., Polyashov A. A., Fokin S. G. ^^
неотъемлемым процессом разработки технически сложных объектов. Подобные совещания призваны отслеживать работу проектных групп с предоставлением, где это возможно, рекомендаций по улучшению объекта разработки или процесса реализации разработки. Это процесс, в котором экспертная информация в форме рекомендаций, предложений и замечаний передается техническим специалистам для принятия конструкторских решений на более низком уровне принятия решений5. Наметившиеся в современном мире тенденции к переходу на полный цифровой процесс проектирования, особенности проектирования сложных систем и аппаратов, в процессе которого физические продукты не существуют до тех пор, пока большая часть разработки не будет завершена, наличие разветвленной системы соисполнителей одного проекта с различными подходами к моделям управления производственными процессами приводят к коммуникационному барьеру между узкопрофильными специалистами, занимающимися непосредственной разработкой изделий (продуктов), руководящими специалистами и заказчиками этих изделий, которые участвуют в процессе принятия решений. САПР используется в качестве одного из коммуникационных инструментов для передачи проектных идей6. Однако САПР не может отвечать всем требованиям, особенно в отношении функциональных и эргономических процессов разработки изделий, где зачастую важны неформализованные отраслевыми и государственными стандартами оценки удобства последующей эксплуатации объекта. Кроме того, как указывалось выше, программное обеспечение САПР не позволяет интуитивно анализировать и манипулировать 3D-моделями и их элементами пользователям, не обладающим навыками работы в конкретной среде САПР7. Для самих пользователей в некоторых САПР отсутствуют необходимые готовые решения для оценки эргономических характеристик — разработчику необходимо
5 Noël F., Nguyen A., Ba N., Sadeghi S. Qualitative comparison of 2d and 3d perception for information sharing dedicated to manufactured product design // IEEE 3rd International Conference on Cognitive Infocommunications (CoglnfoCom). 2012. December 2-5. P. 261-265.
6 Bassanino M., Wu K. C., Yao J., Khosrowshahi F., ugp. The impact of immersive virtual reality on visualisation for a design review in construction // 14th International Conference Information Visualisation. 2010. July 26-29. P. 585-589. DOI:10.1109/IV.2010.85
7 Naef M., Payne J. AutoEval mkII — interaction design
for a VR design review system // IEEE Symposium on 3D User
Interfaces. 2007. March 10-11. P. 45-48.
самостоятельно прорисовывать компоненты и элементы для оценки зон досягаемости и зрительного наблюдения, удобства обслуживания оборудования.
В отличие от этого УР предлагает новые способы взаимодействия пользователей с различными наборами данных. Согласно Чжану8 УР обеспечивает полностью погружающий и интуитивно понятный опыт взаимодействия с объектом при проектировании с довольно низкими требованиями к обучению. Новый способ визуализации имеет потенциал для упрощения процесса принятия решений как на верхнем уровне, так и на более низком уровне путем интуитивной проверки и выявления недостатков, любых других недоработок при проектировании.
В течение последних лет многие исследовательские работы были посвящены темам применения виртуальной реальности в различных отраслях промышленности. В следующем разделе подводятся итоги наиболее актуальных работ с акцентом на УР-прототипирование, принятие решений и обзор проектно-конструкторских решений.
Виртуальное прототипирование и принятие решений
Наиболее распространенными задачами для виртуальной реальности в промышленности являются те, которые используют ее интерактивность для поддержки виртуального прототипирования и проектирования разрабатываемого объекта. Уже в 1999 году Гомес и Захманн9 предсказали, что виртуальное прототипирование вскоре сыграет важную роль в автомобильной (и, вероятно, в других) отрасли, улучшив общее качество продукции. УР является перспективным инструментом для получения быстрых ответов интуитивно понятным способом на концептуальной фазе бизнес-процесса создания продукта, поскольку на этой фазе данные являются приблизительными и постоянно изменяются. Разработчик может сравнить концепции и представить их на рассмотрение заказчику, что значительно
8 Zhang H. Head-mounted display-based intuitive virtual reality training system for the mining industry // International Journal of Mining Science and Technology. 2017. № 27 (4). P. 717-722. D0I:10.1016/j.ijmst.2017.05.005
9 Gomes de SàA., Zachmann G. Virtual reality as a tool for verification of assembly and maintenance processes // Computers & Graphics. 1999. № 23 (3). P. 389-403. D0I:10.1016/S0097-8493(99)00047-3
Богданов А. А., Ермаков А. В., Кичко С. А., Миронова Н. С., Николенко М. В., Поляшов А. А., Фокин С. Г.
облегчает принятие решений еще до начала процесса полноценного проектирования10. Планирование процесса сборки и виртуальное прототипирование являются также важными шагами в процессе проектирования продукта, в которых формализуются детали внешнего вида и того, как будет обеспечена собираемость компонентов технически сложного нового продукта. Сет и др11. отмечают, что виртуальное прототипирование сокращает временные и денежные затраты по сравнению с физическим прототипированием, при этом позволяя отрабатывать такие аспекты, как эргономика, компоновка рабочих мест, промышленный дизайн, техническое обслуживание и удобство его выполнения. В одной из ранних работ 2003 года Буллингер и др12. предлагают систему интегрированного виртуального прототипирования и тестирования различных систем, таких как помощь водителю, информация о водителе и мультимедийные компоненты в УР-симуляторе вождения. В том же контексте Бордегони и Карузо13 представили методологию, которая позволяет анализировать дизайн и модифицировать компоненты автомобильного интерьера. Бордегони и Ферриз14 изучали использование виртуального про-тотипирования на основе визуальных, тактильных и акустических элементов, которые могут быть эффективно использованы вместо физических объектов для отработки нового продукта. Ферриз и др15. представляют набор тематических исследований, в которых интерактивные виртуальные прототипы используются для замены соответствующих физических прототипов во время их разработки. В области заводского планирования Гебхард
10 Berg L. P., Vance J. M. Industry use of virtual reality in product design and manufacturing: a survey // Virtual Reality. 2017. № 21 (1). P. 1-17. D0I:10.1007/s10055-016-0293-9
11 Seth A., Vance J. M., Oliver J. H. Virtual reality for assembly methods prototyping: a review // Virtual Reality. 2011. № 15 (1). P. 5-20. D0I:10.1007/s10055-009-0153-y
12 BullingerH. J., DangelmaierM. Virtual prototyping and testing of in-vehicle interfaces // Ergonomics. 2003. № 46. P. 41-51.
13 BordegoniM., Caruso G. Mixed reality distributed platform for collaborative design review of automotive interiors // Virtual and Physical Prototyping. 2012. № 7 (4). P. 243-259. D0I:10.1080/17452759.2012.721605
14 Bordegoni M., Ferrise F. Designing interaction with consumer products in a multisensory virtual reality environment // Virtual and Physical Prototyping. 2013. № 8 (1). P. 51-64. D0I:10.1080/17452759.2012.762612
15 Ferrise F., Bordegoni M., Cugini U. Interactive virtual
prototypes for testing the interaction with new products //
Computer-Aided Design and Applications. 2013. № 10. P. 515-
525. D0I:10.3722/cadaps.2013.515-525
и др16. представили приложение УР, которое способствует процессу планирования макета, предоставляя разработчикам возможность выполнять пошаговые инструкции с использованием реалистичных трехмерных моделей. Сампаио и др17. разработали виртуальные модели в качестве инструментов поддержки принятия решений при планировании управления строительством и технического обслуживания.
Описание метода
Программно-аппаратная часть
Парадигма взаимодействия основана на видении УР как оперативного инструмента, дополняющего традиционные, для верификации конструкторских решений в технически сложных инженерных 3D-моделях. Согласно Гомесу и Захманну18 система УР моделирует и визуализирует необходимые характеристики в иммерсивной среде наиболее точно и реалистично.
Среди существующих коммерческих вариантов для принятия решений с поддержкой виртуальной реальности стоит отметить программное обеспечение 1С.ЮО или TechViz, однако указанные системы нуждаются в экспертных знаниях, чтобы они могли быть применены к существующей производственной среде. Кроме того, большинство из них разработаны для сложных САУЕ-систем, что предполагает дополнительные расходы для компаний, внедряющих подобные решения19. Достижения в области компьютерной 3D-графики и появление доступного оборудования высокой производительности вызвали большой интерес к УР-приложениям промышленного назначения.
16 Gebhardt S., Pick S., Voet H., Utsch J. ugp. flapAssist: how the integration of VR and visualization tools fosters the factory planning process // 2015 IEEE Virtual Reality (VR). 2015. March 23-27. P. 181-182. D0l:10.1109/VR.2015.7223355
17 Sampaio A. Z., Gomes A. R., Gomes A. M., Santos J. P. u ftp. Collaborative maintenance and construction of buildings supported on virtual reality technology. 6th Iberian Conference on Information Systems and Technologies (CISTI 2011). 2011. June 15-18. P. 13-17.
18 Gomes de SàA., ZachmannG. Virtual reality as a tool for verification of assembly and maintenance processes // Computers & Graphics. 1999. № 23 (3). P. 389-403. D0I:10.1016/S0097-8493(99)00047-3
19 Juarez A., Schonenberg W., BartneckC. Implementing a low-cost cave system using the CryEngine2 // Entertainment Computing. 2010. Vol. 1, issue 3. P. 157-164. D0I:10.1016/j. entcom.2010.10.001
Bogdanov A. A., Ermakov A. V., Kichko S. A., Mironova N. S., Nikolenko M. V., Polyashov A. A., Fokin S. G. ^^
Рис. 1. Внешний вид шлема виртуальной реальности и устройства LeapMotion. Из открытых источников
В составе программно аппаратного комплекса использовалась гарнитура фирмы HTC модели Vive Pro. Оборудование HTC представляет собой набор устройств для погружения в виртуальную среду, в том числе шлем виртуальной реальности и станции слежения. Кроме того, HTC Vive Pro поддерживает разработку в среде Unity3D, которая де-факто стала стандартом для разработки VR-решений. Среда Unity3D поддерживает написание скриптов на языке программирования C#, что позволяет реализовывать различные сценарии работы. Программное обеспечение развернуто на ПК с графическим процессором GeForce GTX 2080 Max-Q 8 ГБ.
Кроме того, в целях предоставления пользователям возможности оценивать доступность размещения оборудования, приборов и устройств непосредственно с помощью рук человека была применена технология LeapMotion. LeapMotion — технология захвата движения рук человека с помощью устройства, закрепленного на шлеме виртуальной реальности (см. рис. 1). С помощью данной технологии пользователь в окружающей его среде имеет возможность видеть собственные руки и взаимодействовать с виртуальными объектами.
Подготовка САПР-данных
Интеграция САПР-данных в VR — сложная и ранее довольно трудоемкая задача.
Рапосо и др. в работах20 подробно описали эту проблему. Трудности возникают в большей степени из-за того, что инженерные модели напрямую не разрабатывались для визуализации в реальном времени. В некоторых случаях модели представляют собой визуально упрощенные конструктивные представления, служащие лишь для схематического изображения анализируемых характеристик. В других случаях модели слишком детализированы и технически сложны, чтобы их можно было напрямую визуализировать в реальном времени. Количество полигонов визуализируемой сцены существенно влияет на количество кадров, которые могут быть отрисованы в секунду реального времени. Для УР-приложений приемлемой считается частота не менее 90 кадров в секунду21.
Из-за большого количества полигонов, образующихся при преобразовании САПР-моделей в графические модели, частота кадров может снижаться до неприемлемого уровня.
20 RaposoA., CorseuilE.T. L., Wagner G. N., dos Santos I. H. F. и др. Towards the use of cad models in VR applications // Proceedings of the ACM International Conference on Virtual Reality Continuum and Its Applications, USA. 2006. July 14-17. P. 67-74.
21 IrisVR. The importance of frame rates. 2017 [Эл. ресурс]. URL: https://help.irisvr.com/hc/en-us/ articles/215884547-The-Importance-of-Frame-Rates (посл. посещение: 17.02.2023).
Богданов А. А., Ермаков А. В., Кичко С. А., Миронова Н. С., Николенко М. В., Поляшов А. А., Фокин С. Г.
Рис. 2. Процесс подготовки САПР-данных для использования в Unity3D
ИСХОДНАЯ CAD МОДЕЛЬ
CATIA, SolidWorks, Creo, Компас 3D и др. ;.stp, .stl, .asm и т.д.)
ОПТИМИЗИРОВАННАЯ ПОЛИГОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ
3DSMax, Blender, Maya и др. (.fbx, .obj)
Substance Painter, 3D-Coat и др. (карты текстур, высот, отражений и т.д.)
В организме человека это может вызывать реакцию, схожую с ощущениями при укачивании. В случае с применением Unity3D возникает еще одна сложность, связанная с тем, что программное обеспечение, которое первоначально предназначалось для разработки игр, не поддерживает распространенные форматы данных САПР, такие как STL (стандартный язык тесселяции) или JT (Jupiter Tessellation). Вместо этого Unity3D использует форматы файлов FBX или OBJ, широко используемые в игровых решениях. Особенность в создании хороших низкополигональных моделей заключается в удалении ребер без существенного изменения визуального представления модели22, вместе с этим при упрощении должны быть сохранены все необходимые конструктивные особенности.
Для достижения реалистичности внешнего вида в среде Unity3D (или другим ПО для разработки трехмерных интерактивных приложений) совместно с полигональной моделью используются файлы, которые задают с помощью материалов визуальные свойства трехмерных моделей.
На рисунке 2 показан процесс преобразования САПР-модели в интерактивную модель для среды Unity3D.
Апробация
Объектом для апробации данного метода был выбран обитаемый прочный корпус подводного аппарата. Объем внутреннего пространства корпуса заполнен приборами и устройствами. В стесненном объеме оператор
22 Tang Y., GuH. Cad model's simplification and conversion for virtual reality // 3rd International Conference on Information and Computing. 2010. Vol. 4. June 4-6. P. 265268. DOI:10.1109/ICIC.2010.338
выполняет тактические задачи посредством взаимодействия с органами управления, средствами индикации и видеомодулями (сенсорными экранами). Взаимодействие с человеко-машинным интерфейсом происходит как при помощи визуального наблюдения (например, визуальное снятие показаний на шкале манометра, глубиномера, цифровых приборов планшета оператора), так и по нажатию кнопок, тумблеров, в том числе органов управления на видеокадрах экранных форм планшета оператора, закручиванию/откручиванию вентилей арматуры (например, системы жизнеобеспечения), в форме захвата и перемещения объектов, размещенных внутри обитаемого корпуса (огнетушитель, средства индивидуальной защиты, запасы еды, воды, медикаментов, комплекта аварийных средств жизнеобеспечения и проч.).
Пользователям было предложено оценить удобство использования и обслуживания оборудования, приборов и устройств, их досягаемость, зоны зрительного наблюдения и другие эргономические характеристики, реализованные в проектно-конструкторских решениях в виртуальной среде, имитирующей внутреннее пространство обитаемого прочного корпуса. Трехмерные модели, которые были представлены в виртуальной среде, основаны на САПР-моделях и полностью повторяют их геометрию. Пользователь, размещаясь в кресле оператора, в ходе выполнения различных задач одновременно может оценить удобство взаимодействия с органами управления оборудованием (См. рис. 3). Неоспоримым преимуществом УР-модели рабочего места пользователя является возможность на ранних этапах проектирования оценить точность, надежность и скорость выполнения алгоритмов работы пользователя, рассчитать показатели качества его деятельности. Это позволяет совершенствовать алгоритм работы оператора, сокращать время его выполнения,
уменьшать количество ошибок и автоматизировать стереотипные действия, что недоступно для реализации на физической модели в ходе макетирования.
Необходимо отметить, что применение и внедрение УР сокращает время проведения эргономических экспертиз, упрощает процессы переговоров по разногласным позициям, позволяет провести полный перечень проверок и спрогнозировать на ранних этапах проектирования возможные отступления от эргономических требований, а также смоделировать альтернативные пути решения проблемных вопросов.
Результаты
В процессе отработки проектно конструкторских решений было отмечено, что УР обеспечивает реалистичную и интуитивно понятную среду. Благодаря применению технологии захвата движения рук нет необходимости в использовании пространственных манипуляторов. Все действия выполняются руками пользователей, как это было бы с физическими макетами. В отработке технических решений участвовали не только инженеры, но и специалисты без инженерной подготовки, эксплуатирующий персонал, представители заказчика. Специалисты,непосредственно проектирующие в среде САПР, оценили высокую степень реалистичности виртуальной среды, т.к. внешний вид и характер взаимодействия
с компонентами разрабатываемого изделия схож с методикой отработки решений на физических макетах. Пользователи без необходимости проведения дополнительного обучения по взаимодействию с виртуальными объектами и сценой намного быстрее выполняли базовые операции, такие как изменение вида, перемещение, вращение и взаимодействие с органами управления, чем это потребовалось бы при использовании САПР. С помощью данного метода в ходе эргономической экспертизы удалось оценить:
— зоны зрительного наблюдения, в которых должны размещаться приборы индикации состояния оборудования, средства отображения информации, приборы и устройства, требующие периодического визуального контроля; — зоны досягаемости (моторного поля), доступность и удобство взаимодействия с органами управления различным оборудованием.
В результате апробации метода выявлена необходимость доработки ряда проектно-конструкторских решений, в которых ранее при традиционном использовании среды САПР в процессе проектирования не были обнаружены недочеты. Стоит отметить, что данный метод не призван заменить макетирование, т.к. взаимодействие с физическими объектами макета или прототипа по-прежнему является более естественным и реалистичным взаимодействием, чем работа с виртуальными объектами.
Богданов А. А., Ермаков А. В., Кичко С. А., Миронова Н. С., Николенко М. В., Поляшов А. А., Фокин С. Г.
Заключение
В настоящей работе описывается апробация инновационного метода поддержки инженерного проектирования. С помощью данного метода удалось оценить проектно-конструкторские решения, принятые при разработке изделия, а также провести эргономическую экспертизу внутреннего пространства прочного корпуса обитаемого подводного аппарата на ранних этапах проектирования.
Технология захвата движения рук позволила имитировать взаимодействие с органами управления различными приборами и устройствами. Визуализация в виртуальной
среде позволила оценить посадку экипажа внутри ОПА, обзорность и досягаемость, расположение индикаторов и панелей управления. Данный метод помог выявить недочеты и сформировать предложения по улучшению эргономических характеристик и технических решений, недостатки которых не были ранее выявлены с помощью программного обеспечения САПР. Результаты работы показывают, что применение данного метода может быть дополнением к существующим технологиям отработки проектно-конструкторских разработок, упрощая процесс принятия решений путем добавления проверки, интуитивно понятной широкому кругу участников проекта разного уровня инженерной подготовки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мунипов В. М., Зинченко В. П. Эргономика: человекоориентированное проектирование техники, программных средств и среды. М.: Логос, 2001. 356 с.
2. Селиванова Л. Н., Селиванов В. В. Виртуальная реальность как метод и средство обучения // Образовательные технологии и общество. 2014. Вып. 3. Т. 17. С. 378-391.
3. Bassanino M., Wu K. C., Yao J., Khosrowshahi F., и др. The impact of immersive virtual reality on visualisation for a design review in construction // 14th International Conference Information Visualisation. 2010. July 26-29. Р. 585-589. D0I:10.1109/IV.2010.85
4. Berg L. P., Vance J. M. Industry use of virtual reality in product design and manufacturing: a survey // Virtual Reality. 2017. № 21 (1). P. 1-17. D0I:10.1007/s10055-016-0293-9
5. Bordegoni M., Caruso G. Mixed reality distributed platform for collaborative design review of automotive interiors // Virtual and Physical Prototyping. 2012. № 7 (4). P. 243-259. D0I:10.1080/17452759.2012.721605
6. Bordegoni M., Ferrise F. Designing interaction with consumer products in a multisensory virtual reality environment // Virtual and Physical Prototyping. 2013. № 8 (1). P. 51-64. D0I:10.1080/17452759.2012.762612
7. Bullinger H. J., Dangelmaier M. Virtual prototyping and testing of in-vehicle interfaces // Ergonomics. 2003. № 46. P. 41-51.
8. Choi S., Jung K., Noh S. D. Virtual reality applications in manufacturing industries: past research, present findings, and future directions // Concurrent Engineering. 2015. № 23 (1). P. 40-63. D0I:10.1177/1063293X14568814
9. Ferrise F., Bordegoni M., Cugini U. Interactive virtual prototypes for testing the interaction with new products // Computer-Aided Design and Applications. 2013. № 10. P. 515-525. D0I:10.3722/cadaps.2013.515-525
10. Gebhardt S., Pick S., Voet H., Utsch J. и др. flapAssist: how the integration of VR and visualization tools fosters the factory planning process // 2015 IEEE Virtual Reality (VR). 2015. March 23-27. P. 181182. D0I:10.1109/VR.2015.7223355
11. Gomes de Sà A., Zachmann G. Virtual reality as a tool for verification of assembly and maintenance processes // Computers & Graphics. 1999. № 23 (3). P. 389-403. D0I:10.1016/S0097-8493(99)00047-3
12. IrisVR. The importance of frame rates. 2017 [Эл. ресурс]. URL: https://help.irisvr.com/hc/en-us/ articles/215884547-The-Importance-of-Frame-Rates (посл. посещение: 17.02.2023).
13. Juarez A., Schonenberg W., Bartneck C. Implementing a low-cost cave system using the CryEngine2 // Entertainment Computing. 2010. Vol. 1, issue 3. P. 157-164. D0I:10.1016/j.entcom.2010.10.001
14. Kovar J., Mouralova K., Ksica F., Kroupa J., Andrs O., Hadas Z. Virtual reality in context of industry 4.0 proposed projects at Brno university of technology // 17th International Conference on Mechatronics — Mechatronika (ME). 2016. Dec. 7-9. P. 1-7.
15. Milgram P., Takemura H., Utsumi A., Kishino F. Augmented Reality: A Class of Displays on the Reality-virtuality Continuum // SPIE. 1995. Vol. 2351: Telemanipulator and Telepresence Technologies. P. 282292. D0I:10.1117/12.197321
16. Naef M., Payne J. AutoEval mkII — interaction design for a VR design review system // IEEE Symposium on 3D User Interfaces. 2007. March 10-11. P. 45-48.
17. Noël F., Nguyen A., Ba N., Sadeghi S. Qualitative comparison of 2d and 3d perception for information sharing dedicated to manufactured product design // IEEE 3rd International Conference on Cognitive Infocommunications (CogInfoCom). 2012. December 2-5. P. 261-265. D0I:10.1109/coginfocom.2012.6421991
Bogdanov A. A., Ermakov A. V., Kichko S. A., Mironova N. S., Nikolenko M. V., Polyashov A. A., Fokin S. G. ^^
18. PengQ. Virtual reality technology in product design and manufacturing // Proceedings of the Canadian Engineering Education Association. 2011. Jun. 6-8. P. 358-363. D0l:10.24908/pceea.v0i0.3792
19. RaposoA., CorseuilE. T. L., WagnerG. N., dos SantosI. H. F. u gp. Towards the use of cad models in VR applications // Proceedings of the ACM International Conference on Virtual Reality Continuum and Its Applications, USA. 2006. July 14-17. P. 67-74. DOI:10.1145/1128923.1128935
20. SampaioA. Z., GomesA. R., GomesA. M., Santos J. P. u gp. Collaborative maintenance and construction of buildings supported on virtual reality technology // 6th Iberian Conference on Information Systems and Technologies (CISTI 2011). 2011. June 15-18. P. 13-17.
21. SethA., Vance J. M., Oliver J. H. Virtual reality for assembly methods prototyping: a review // Virtual Reality. 2011. № 15 (1). P. 5-20. D0I:10.1007/s10055-009-0153-y
22. Sutherland I. E. A Head-Mounted Three Dimensional Display // Proceedings of the Fall Joint Computer Conference. Salt Lake City, University of Utah Publ., 1968. Part I, December 09-11. P. 757-764. DOI:10.1145/1476589.1476686
23. Tang Y., Gu H. Cad model's simplification and conversion for virtual reality // 3rd International Conference on Information and Computing. 2010. Vol. 4. June 4-6. P. 265-268. D0I:10.1109/ICIC.2010.338
24. Zhang H. Head-mounted display-based intuitive virtual reality training system for the mining industry // International Journal of Mining Science and Technology. 2017. № 27 (4). P. 717-722. D0I:10.1016/j.ijmst.2017.05.005
REFERENCES
1. Munipov, V. M., and V. P. Zinchenko. E'rgonomika: chelovekoorientirovannoe proektirovanie texniki, programmnyx sredstv i sredy [Ergonomics: Human-Oriented Design of Equipment, Software and Environment]. Moscow, Logos Publ., 2001. 356 p. (In Russ.)
2. Selivanova, L. N., and V. V. Selivanov. "Virtual'naya real'nost' kak metod i sredstvo obucheniya" ["Virtual reality as a method and means of teaching"]. Obrazovatel'nye texnologii i obshhestvo, issue 3, vol. 17, 2014, pp. 378-391. (In Russ.)
3. Bassanino, May, Kuo-Cheng Wu, Jialiang Yao, Farzad Khosrowshahi, et al. "The impact of immersive virtual reality on visualisation for a design review in construction." 14th International Conference Information Visualisation, July 26-29, 2010, pp. 585-589. D0I:10.1109/IV.2010.85 (In English)
4. Berg, Leif P., and Judy M. Vance. "Industry use of virtual reality in product design and manufacturing: a survey." Virtual Reality, no. 21 (1), 2017, pp. 1-17. D0I:10.1007/s10055-016-0293-9 (In English)
5. Bordegoni, Monica, and Giandomenico Caruso. "Mixed reality distributed platform for collaborative design review of automotive interiors." Virtual and Physical Prototyping, no. 7 (4), 2012, pp. 243-259. D0I:10.1080/ 17452759.2012.721605 (In English)
6. Bordegoni, Monica, and Francesco Ferrise. "Designing interaction with consumer products in a multisensory virtual reality environment." Virtual Physical Prototyping, no. 8 (1), 2013, pp. 51-64. D0I:10.1080/17452759. 2012.762612 (In English)
7. Bullinger, Hans-Jerg, and Manfred Dangelmaier. "Virtual prototyping and testing of in-vehicle interfaces." Ergonomics, vol. 46, 2003, pp. 41-51. (In English)
8. Choi SangSu, Kiwook Jung, and Sang Do Noh. "Virtual reality applications in manufacturing industries: past research, present findings, and future directions." Concurrent Engineering, no. 23 (1), 2015, pp. 40-63. D0I:10.1177/1063293X14568814 (In English)
9. Ferrise, Francesco, Monica Bordegoni, and Umberto Cugini. "Interactive virtual prototypes for testing the interaction with new products." Computer-Aided Design and Applications, no. 10, 2013, pp. 515-525. DOI:10.3722/cadaps.2013.515-525 (In English)
10. Gebhardt, Sasha, Sebastian Pick, Hanno Voet, Julian Utsch et al. // flapAssist: how the integration of VR and visualization tools fosters the factory planning process." 2015 IEEE Virtual Reality (VR), March 23-27, 2015, pp. 181 182. D0I:10.1109/VR.2015.7223355 (In English)
11. Gomes de Sa, Antonino, and Gabriel Zachmann. "Virtual reality as a tool for verification of assembly and maintenance processes." Computerand and Graphics, no. 23 (3), 1999, pp. 389-403. D0I:10.1016/S0097-8493(99)00047-3 (In English)
12. IrisVR. The importance of frame rates. 2017 [Digital resource]. URL: https://help.irisvr.com/hc/en-us/ articles/215884547-The-Importance-of-Frame-Rates (last visit: 17.02.2023). (In English)
13. Juarez, Alex, Willem Schonenberg, and Cristoph Bartneck. "Implementing a low-cost cave system using the CryEngine2." Entertainment Computing, vol. 1, issue 3, 2010, pp. 157-164. D0I:10.1016/j.entcom.2010.10.001 (In English)
14. Kovar, Jiri, Katerina Mouralova, Filip Ksica, Jiri Kroupa, Ondrej Andrs, and Zdenek Hadas. "Virtual reality in context of industry 4.0 proposed projects at Brno university of technology." 17th International Conference on Mechatronics — Mechatronika (ME), December 7-9, 2016, pp. 1-7. (In English)
rHApOKOCMOC.p0 135
Богданов А. А., Ермаков А. В., Кичко С. А., Миронова Н. С., Николенко М. В., Поляшов А. А., Фокин С. Г.
15. Milgram, Paul, Haruo Takemura, Akira Utsumi, and Fumio Kishino. "Augmented Reality: A Class of Displays on the Reality-virtuality Continuum." SPIE, vol. 2351: Telemanipulator and Telepresence Technologies, 1995, pp. 282-292. D0I:10.1117/12.197321 (In English)
16. Naef, Martin, and John Payne. "AutoEval mkII — interaction design for a VR design review system." IEEE Symposium on 3D User Interfaces, March 10-11, 2007, pp. 45-48. (In English)
17. Noël, Frederic, Anh Nguyen, Nguyen Ba, and Samira Sadeghi. "Qualitative comparison of 2d and 3d perception for information sharing dedicated to manufactured product design." IEEE 3rd International Conference on Cognitive Infocommunications (CogInfoCom), December 2-5, 2012, pp. 261-265. D0I:10.1109/ coginfocom.2012.6421991 (In English)
18. Peng, Qingjin. "Virtual reality technology in product design and manufacturing." Proceedings of the Canadian Engineering Education Association, June 6-8, 2011, pp. 358-363. D0I:10.24908/pceea.v0i0.3792 (In English)
19. Raposo, Alberto, Eduardo T. L. Corseuil, Gustavo N. Wagner, Ismael H. F. dos Santos, and Marcelo Gattass.
"Towards the use of cad models in vr applications." Proceedings of the ACM International Conference on Virtual Reality Continuum and Its Applications, USA, July 14-17, 2006, pp. 67-74. D0I:10.1145/1128923.1128935 (In English)
20. Sampaio, Alcinia Z., Ana R. Gomes, Augusto M. Gomes, Joana P. Santos et al. "Collaborative maintenance and construction of buildings supported on virtual reality technology." 6th Iberian Conference on Information Systems and Technologies (CISTI2011), June 15-18, 2011, pp. 13-17. (In English)
21. Seth, Abhishek, Judy M. Vance, and James Herman 0liver. "Virtual reality for assembly methods prototyping: a review." Virtual Reality, no. 15 (1), 2011, pp. 5-20. D0I:10.1007/s10055-009-0153-y (In English)
22. Sutherland, Ivan E. "A head-mounted three dimensional display." Proceedings of the Fall Joint Computer Conference, part I, December 09-11, 1968, pp. 757-764. D0I:10.1145/1476589.1476686 (In English)
23. Tang Yong, and Hongbin Gu. "Cad model's simplification and conversion for virtual reality." 3rd International Conference on Information and Computing, vol. 4, June 4-6, 2010, pp. 265-268. D0I:10.1109/ICIC.2010.338 (In English)
24. Zhang, Hui. "Head-mounted display-based intuitive virtual reality training system for the mining industry." International Journal of Mining Science and Technology, no. 27 (4), 2017, pp. 717-722. D0I:10.1016/j. ijmst.2017.05.005 (In English)
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Алексей Александрович Богданов, главный специалист, главный инженер проекта НИЦ «Курчатовский институт» (Россия, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1). e-mail: [email protected]
Антон Владимирович Ермаков, инженер-программист 1 категории, НИЦ «Курчатовский институт» (Россия, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1).
e-mail: [email protected]
Степан Александрович Кичко, начальник проек-тно-инженерного отдела АНО «ЦПИ РГО» (Россия, 191123, Санкт-Петербург, ул. Захарьевская, д. 3, лит. А).
e-mail: [email protected]
Наталья Сергеевна Миронова, начальник службы эргономического обеспечения АО «СПМБМ «Малахит» (Россия, 196135, Санкт-Петербург, ул. Фрунзе, д. 18). e-mail: [email protected]
Михаил Витальевич Николенко, начальник лаборатории НИЦ «Курчатовский институт» (Россия, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1). e-mail: [email protected]
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Aleksej Aleksandrovich Bogdanov, Chief Specialist, Chief Project Engineer, National Research Center Kurchatov Institute (pl. Akademika Kurchatova, d.1, Moscow, 123182, Russia). e-mail: [email protected]
Anton Vladimirovich Ermakov, Senior Software Engineer, National Research Center Kurchatov Institute (pl. Akademika Kurchatova, d.1, Moscow, 123182, Russia). e-mail: [email protected]
Stepan Aleksandrovich Kichko, Head of Project and Engineering Department, Autonomous Non-Profit Organization "URC RGS" (ul. Zaxar'evskaya, d. 3, lit. A, Saint Petersburg, 191123, Russia). e-mail: [email protected]
Natalya Sergeevna Mironova, Head of Ergonomie Support Department, JSC Malakhit Marine Engineering Bureau (ul. Frunze, d. 18, Saint Petersburg, 196135, Russia).
e-mail: [email protected]
Mixail Vitalevich Nikolenko, Head of Laboratory, National Research Center Kurchatov Institute (pl. Akademika Kurchatova, d.1, Moscow, 123182, Russia). e-mail: [email protected]
2023;1,1(1-2):126-137 ГИДРОКОСМОС HYDROCOSMOS 1-2' 2023
Bog^
Александр Александрович Поляшов, руководитель направления проектной деятельности АНО «ЦПИ РГО» (Россия, 191123, Санкт-Петербург, ул. Захарьевская, д. 3, лит. А). e-mail: [email protected]
Сергей Георгиевич Фокин, исполнительный директор АНО «ЦПИ РГО» (Россия, 191123, Санкт-Петербург, ул. Захарьевская, д. 3, лит. А). e-mail: [email protected]
Aleksandr Aleksandrovich Polyashov, Head of Project Activities, Autonomous Non-Profit Organization "URC RGS" (ul. Zaxar'evskaya, d. 3, lit. A, Saint Petersburg, 191123, Russia). e-mail: [email protected]
Sergej Georgievich Fokin, Executive Director, Autonomous Non-Profit Organization "URC RGS" (ul. Zaxar'evskaya, d. 3, lit. A, Saint Petersburg, 191123, Russia).
e-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 18.02.2023 Поступила после рецензирования 01.05.2023 Принята к публикации 03.05.2023
Received 18.02.2023 Revised 01.05.2023 Accepted 03.05.2023
