本书以虚拟现实技术与机械产品设计的深度融合为主线，将虚拟现实技术引入机械产品设计的各个流程中，并给出VR模型构建、VR场景构建、VR装配设计、VR运动仿真、VR多设备配套运动仿真、VR虚实双向映射、VR人机交互、VR网络设计等与机械产品虚拟现实设计相关的关键技术，旨在为机械产品设计人员与机械产品生产企业提供一定的指导，使得机械产品设计具备设计网络化、三维可视化和交互操作化的特点，革新传统机械产品设计方法，提升机械产品设计能力，增强机械产品生命力。本书可作为高等院校机械、计算机等相关专业的研究生和高年级本科生教材，也可供从事机械产品设计、虚拟现实仿真、人机交互、虚实双向映射等技术研发的科研和工程技术人员参考。

虚拟现实技术是当今跨学科发展的重点，在机械、航空航天、医疗等诸多领域发挥着越来越重要的作用。虚拟现设机械设计是绿色设计的代表，数字孪生技术即为其中代表。通过虚拟设计场景，可以大大缩短设计的时间，检验产品的设计是否合理，节省大量的物力和人力，必将在将来成为设计的主流方法。

作为新一代信息技术的重要前沿方向之一，虚拟现实(VR)技术近年来不断取得技术突破并在现代工业领域得到广泛应用。2022年10月，工信部等五部门联合印发《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划(20222026年)》，支持虚拟现实技术在设计、制造、运维、培训等产品全生命周期重点环节的应用推广，加速工业企业数字化、智能化转型。其中，在机械产品设计领域，虚拟现实技术也有十分广泛的应用前景。
基于以上背景，本书以虚拟现实技术与机械产品设计的深度融合为主线，通过描述VR模型构建、VR场景构建、VR装配设计、VR运动仿真、VR虚实双向映射、VR人机交互、VR网络设计等与机械产品虚拟现实设计相关的若干关键技术，为机械产品设计人员提供帮助，革新传统机械产品设计方法，提升机械产品设计水平，实现设计网络化、三维可视化和交互操作化。
全书共分为9章。第1章对虚拟现实技术、虚拟设计、机械产品设计等基本概念进行了概述，阐明了本书的编写目的与意义，回顾了相关领域的国内外研究动态，概述了主要研究内容与整体结构。
第2章研究了VR模型的构建技术，主要包括模型调研与分析、机械产品虚拟现实模型资源库的构建、不同模型构建方法与技术对比分析等内容。
第3章研究了VR场景构建技术，包括模型修补、模型转换、模型导入、位置布置、场景渲染等关键环节，并进行了模型构建方法与技术对比分析。
第4章研究了VR装配设计技术，给出了虚拟装配技术的概述与功能规划，并介绍了VR装配设计中的多种关键技术。
第5章对VR运动仿真设计技术进行了深入研究，并以煤矿机械中的综采工作面三机为案例介绍了VR运动仿真的具体方法与流程，以及如何规划机械产品的运动仿真。
第6章研究了VR多设备配套运动仿真技术，分别给出了配套运动仿真技术概述与规划以及多设备配套运动的软件实现方法。
第7章以数字孪生理论为基础，研究了VR虚实双向映射技术，包括传感器布置与感知信息获取、实时交互通道接口构建、机械设备虚拟重构与监测以及机械设备反向控制等技术。
第8章是对VR人机交互技术的研究，重点包括基于HTCVive和Kinect两种硬件设备的人机交互技术。
第9章研究了基于Web的VR网络设计技术，通过网络技术为机械装备企业，特别是中小企业，提供机械产品虚拟现实设计资源共享和技术支持。
本书由王学文、谢嘉成和刘曙光合著，其中王学文著第1、2、3、6章，并负责全书的统稿和审阅工作;谢嘉成著第4、5、9章;刘曙光著第7章和第8章。
本书内容研究与出版得到中央引导地方科技发展资金项目(YDZJSX2022A014)、山西省留学人员科技活动择优资助重点项目(20230008)、山西省科技重大专项计划揭榜挂帅项目(202101020101021)、中国学位与研究生教育学会重点课题(2020ZDA12)和中国高等教育学会研究规划重点课题(22SZH0306)等项目的资助。李娟莉、周帅、韩菲娟、李祥、葛星、李素华、沈宏达、温利强、池昱杉、刘怡梦、曹琦等对本书部分内容做出了贡献，向他们表示衷心的感谢。
鉴于著者水平所限，书中不足之处在所难免，敬请读者批评指正。

著者

王学文，1979年生，太原理工大学教授，博士生导师，煤矿综采装备山西省重点实验室主任。主持(完成)国家级和省部级项目约20项，获省部级科技二等奖以上奖励5项。山西省三晋英才、山西省高等学校优秀青年学术带头人、山西省高校131中青年拔尖创新人才等。兼任中国机械工程学会成组与智能集成技术分会委员、中国煤炭工业协会信息化分会理事、中国煤炭工业协会煤矿智能化与新技术专委会委员等。主要从事机械产品虚拟现实设计理论与技术应用研究，主持完成的面向煤机装备的虚拟现实装配技术与系统入选中国科协2022年科创中国先导技术榜。

第1章　概述001
1.1　虚拟现实设计简述001
1.1.1　虚拟现实技术001
1.1.2　虚拟设计005
1.1.3　机械产品设计007
1.2　虚拟现实设计的意义009
1.2.1　目的009
1.2.2　意义010
1.3　国内外相关研究概述011
1.3.1　国内外虚拟现实技术研究动态011
1.3.2　国内外机械产品虚拟现实设计研究动态013
1.4　主要研究内容与结构018

第2章　VR模型构建技术020
2.1　模型调研与分析020
2.2　基于CAD软件的建模021
2.3　基于艺术设计软件的建模024
2.4　模型资源库下载和导入模型025
2.5　机械产品虚拟现实模型资源库026
2.6　模型构建方法与技术对比分析030

第3章　VR场景构建技术031
3.1　场景需求与CAD模型031
3.1.1　场景需求031
3.1.2　CAD模型033
3.2　模型修补技术033
3.3　模型转换技术036
3.4　模型导入042
3.5　位置布置042
3.6　场景渲染技术043
3.6.1　模型的渲染043
3.6.2　场景渲染043
3.6.3　粒子制作理论044
3.6.4　粒子系统设置045
3.6.5　后期屏幕渲染特效046
3.6.6　天空盒系统047
3.6.7　光照模拟与遮挡剔除048
3.7　场景构建方法与技术对比分析049

第4章　VR装配设计技术051
4.1　虚拟装配技术概述与功能规划051
4.1.1　虚拟装配的定义051
4.1.2　虚拟装配的特征051
4.1.3　虚拟装配的分类053
4.1.4　虚拟装配的构成053
4.1.5　功能规划054
4.2　装配序列与路径规划技术057
4.2.1　破碎部装配序列058
4.2.2　截割部装配序列059
4.2.3　牵引部装配序列060
4.3　装配模型操纵技术062
4.3.1　模型的选择063
4.3.2　模型的重置066
4.4　路径记录与回放技术067
4.4.1　路径记录067
4.4.2　路径回放068
4.5　自动定位约束技术069
4.6　虚拟装配人机交互子系统072
4.6.1　技术路线072
4.6.2　虚拟手模型的建立073
4.6.3　位置跟踪器和数据手套的关系建立078
4.6.4　虚拟手装配操作079
4.6.5　基于虚拟手的装配交互实现086
4.7　网络协同装配技术086
4.7.1　工作流程086
4.7.2　基于WindowsSockets的网络协同装配087
4.7.3　具体实现流程088
4.8　装配系统设计与集成089
4.8.1　基于UG的采煤机虚拟装配系统总体设计089
4.8.2　系统集成094

第5章　VR运动仿真设计技术096
5.1　运动仿真总体思路096
5.2　采煤机运动仿真096
5.2.1　采煤机姿态解析096
5.2.2　采煤机虚拟联动实现097
5.2.3　采煤机虚拟记忆截割方法099
5.3　液压支架运动仿真103
5.3.1　液压支架姿态解析103
5.3.2　液压支架虚拟现实运动求解104
5.3.3　液压支架虚拟联动实现109
5.4　刮板输送机运动仿真111
5.4.1　刮板输送机姿态解析111
5.4.2　刮板输送机弯曲段计算111
5.4.3　刮板输送机虚拟联动实现112
5.5　如何规划产品的运动仿真115

第6章　VR多设备配套运动仿真技术116
6.1　配套运动仿真技术概述与规划116
6.2　多设备配套运动软件实现方法117
6.3　综采工作面工艺分析与三机虚拟协同整体思路117
6.3.1　综采工作面工艺分析117
6.3.2　三机虚拟协同整体思路118
6.4　液压支架群协同119
6.4.1　液压支架相互感知与记忆姿态方法119
6.4.2　液压支架群协同运动实现125
6.5　采煤机与刮板输送机协同126
6.5.1　采煤机与刮板输送机进刀姿态耦合方法126
6.5.2　采煤机和刮板输送机联合定位定姿方法136
6.5.3　采煤机与刮板输送机协同运动实现149
6.6　采煤机与液压支架群协同150
6.6.1　采煤机与液压支架群动作耦合策略150
6.6.2　采煤机与液压支架群速度匹配计算151
6.6.3　采煤机与液压支架群协同运动实现152
6.7　液压支架与刮板输送机协同153
6.7.1　液压支架推移油缸解析模型153
6.7.2　液压支架与刮板输送机弯曲段协同与速度协同153
6.7.3　液压支架与刮板输送机协同运动实现161

第7章　VR虚实双向映射技术163
7.1　综采工作面装备数字孪生理论163
7.1.1　数字孪生理论介绍163
7.1.2　综采工作面装备与DigitalTwins融合164
7.2　传感器布置与感知信息获取165
7.2.1　采煤机传感器布置与位姿信息获取165
7.2.2　液压支架传感器布置与位姿信息获取166
7.2.3　刮板输送机传感器布置与位姿信息获取167
7.2.4　传感信息数据的二次融合和修正167
7.3　实时交互通道接口关键技术168
7.3.1　多软件实时耦合策略168
7.3.2　分布式协同的驱动模式171
7.4　虚拟环境下综采工作面三机虚拟重构与监测172
7.4.1　虚拟环境下综采装备单机驱动方法172
7.4.2　采运装备协同仿真与实时数据驱动172
7.4.3　支运装备协同仿真与实时数据驱动174
7.4.4　液压支架群协同仿真与虚拟驱动174
7.5　虚拟环境下综采工作面三机反向控制175
7.5.1　综采装备单机动作控制设计175
7.5.2　综采装备自适应控制和协同控制186
7.5.3　基于GUI的虚拟控制面板设计196
7.5.4　虚拟系统与PLC数据通信198

第8章　VR人机交互技术201
8.1　VR人机交互技术概述与规划201
8.2　基于HTCVive的机械产品人机交互技术202
8.2.1　基于HTCVive的全景虚拟现实漫游技术202
8.2.2　基于HTCVive的机械产品巡检培训技术207
8.3　基于Kinect的机械产品人机交互技术219
8.3.1　基于Kinect体感交互的机械产品虚拟操纵技术219
8.3.2　基于Kinect体感交互的机械产品虚拟巡检技术230

第9章　基于Web的VR网络设计技术243
9.1　VR网络技术概述与规则243
9.2　ActiveX控件技术244
9.2.1　编写OSG-ActiveX控件244
9.2.2　服务器端控件发布244
9.2.3　客户端环境配置245
9.3　基础界面设计245
9.4　后台数据库设计247
9.5　公共服务版设计248
9.5.1　选择视频录制软件248
9.5.2　选择播放的格式248
9.5.3　网络播放代码与效果测试249
9.5.4　多视角播放249

参考文献251