（机械电子工程专业论文）基于数据手套及obb算法的虚拟装配系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 作为虚拟制造的关键技术之一，虚拟装配技术受到了学术界和工业界的广 泛关注。通过建立产品数字化装配模型，可以在计算机上创建近乎实际的虚拟 环境，以便对产品的装配过程进行模拟与分析，预估产品的装配性能，及早发 现潜在的装配冲突与缺陷，并将这些装配信息反馈给设计人员。运用虚拟装配 技术，可以用数字样机代替传统设计中的物理样机，这不但有利于并行工程的 开展，而且还可大大缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产品在市场中的 竞争力。因此，虚拟装配技术的研究对于敏捷制造、虚拟制造等先进制造模式 的实施具有重要的意义。 本文在分析国内外虚拟装配技术研究现状的基础上，对虚拟装配关键技术 进行了深入的研究。结合虚拟现实的特点，提出了虚拟装配系统的总体设计方 案及软硬件结构体系，并最终设计实现了一个基于普通p c 机的半沉浸式模具 虚拟装配系统v a s y s 。该系统利用数据手套、六自由度三维位置跟踪仪等作 为交互设备，设计了相应的数据读取模块及运动映射模块，以较高的效率和精 度实现了驱动虚拟手的交互操作。通过基于o b b 算法的r a p i d 碰撞检测库 配合w 6 r l d t o o k i t 仿真平台的接口支持，有效地解决了虚拟装配中的碰撞检 测问题，保证了虚拟装配系统操作的准确性、快速性。采用基于前向预防的闭 环控制思想，解决了虚拟手操作中的虚拟手抓取、释放及防穿透等关键问题， 使虚拟手操作真实、自然、精确。最后，利用p r o t o o l k i t 二次开发工具和o d b c 数据库技术，开发了针对p r o e 装配体模型的装配约束信息提取接口，提取虚 拟装配系统中约束导航所依赖的各类装配约束信息，较好地解决了c a d 系统 与虚拟装配系统之间的模型数据集成问题。虚拟装配过程中，考虑到硬件条件 下的触觉反馈缺失，采用约束导航及视觉反馈的思想，逐步限制零部件的运动 自由度并通过零部件的颜色变化向用户传递信息，使用户得以自然、精确、流 畅地完成装配仿真操作。系统提供装配路径的生成和管理模块，记录信息可用 于装配规划及装配评价。 最后，设计实现了基于v i s u a lc + + 6 0 的复杂电机壳体模具的虚拟装配系 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 统。仿真实验表明该系统具有较理想的反应速度和操作真实感，为产品的数字 化设计与制造提供了一种新的技术手段，有助于企业产品设计的优化及装配质 量的提高。 关键词：虚拟装配；o b b 算法；碰撞检测；虚拟手操作；信息提取；约束导 航 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 a bs t r a c t a sak e yt e c h n o l o g yo ft h ev i r t u a lm a n u f a c t u r e ，v i r t u a la s s e m b l ya t t r a c t s c o n c e r n sf r o mb o t ha c a d e m i ca n di n d u s t r i a lf i e l d s t h ev i r t u a l a s s e m b l y e n v i r o n m e n ti sb u i l tb yd a t am o d e lo ft h ep r o d u c tt os i m u l a t ea n da n a l y s et h e a s s e m b l yp r o c e s s ，t oe v a l u a t et h ea s s e m b l ys c h e m a ，a n dt of i n dt h ea s s e m b l y d e f a u l t sa se a r l ya sp o s s i b l e a l s ot h ea s s e m b l yi n f o r m a t i o nc a nb ef e e d e db a c kt o t h ed e s i g n e r s u s i n gt h i st e c h n o l o g y ，t h et r a d i t i o n a lp h y s i c a lp r o t o t y p eo ft h e p r o d u c tc a nb er e p l a c e dw i t ht h ed i g i t a lp r o t o t y p e i tc a nn o to n l yb ef a v o u r a b l et o t h ed e p l o y m e n to fc o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，b u ta l s oc a ng r e a t l ys h o r t e nt h e p r o d u c t sd e s i g np e r i o d ，r e d u c et h ep r o d u c t sd e s i g nc o s t s ，a n di m p r o v et h e p r o d u c t sc o m m e r c i a lc o m p e t i t i v ea b i l i t y s ov i r t u a la s s e m b l yh a si m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u et ot h ei m p l e m e n to fa g i l em a n u f a c t u r e ，v i r t u a l m a n u f a c t u r ea n do t h e ra d v a n c e dm a n u f a c t u r em o d e l b a s e do nt h ea n a l y s i so fb o t hh o m ea n da b r o a ds t a t u sq u oo fv i r t u a la s s e m b l y , t h i sp a p e rm a k e sad e e pr e s e a r c hi nk e yt e c h n o l o g i e sf o rv i r t u a la s s e m b l y c o m b i n i n gw i t ht h ef e a t u r e so fv i r t u a lr e a l i t y , t h eg e n e r a ld e s i g ns c h e m ea n d s o f t w a r e h a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fv i r t u a l a s s e m b l y a r e p r e s e n t e d a n da s e m i i m m e r s i v em o u l d s v i r t u a la s s e m b l ye n v i r o n m e n tb a s e do ng e n e r a lp ci s d e v e l o p e d f i r s t l y , d a t er e c e i v i n gm o d u l ea n dm o t i o nm a p p i n gm o d u l ef o rd r i v i n g v i r t u a lh a n da r ed e s i g n e df o rt h ei n t e r a c t i o nd e v i c e ss u c ha sd a t eg l o v ea n d3 d p o s i t i o nt r a c k e ri nt h es y s t e m s e c o n d l y , a f t e rt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n a c c o r d i n gt ot h em e t h o d so fc o l l i s i o nd e t e c t i o ni nw b r l d t o o l k i ta n dp r e v a l e n t s o f t w a r ep a c k a g e sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o nf u n c t i o n r a p i dp a c k a g eb a s e do n o b ba l g o r i t h mi ss e l e c t e dt od e a lw i t ht h ec o l l i s i o nd e t e c t i o nf o rt h es y s t e m w i t h t h ep r o b l e mo fc o l l i s i o nd e t e c t i o ne f f e c t i v e l ys o l v e d ，a c c u r a c ya n dr a p i d i t ya r e g u a r a n t e e df o ri n t e r a c t i v em a n i p u l a t i n g a d o p t e dw i t ht h ei d e ao fc l o s e d 1 0 0 p c o n t r o lb a s e do nf o r w a r dp r e v e n t i o n ，t h ep r o p o s e ds y s t e ms o l v e ss e v e r a lk e y t e c h n i c a lp r o b l e m s ，i n c l u d i n gp e n e t r a t i o na v o i d a n c eo fv i r t u a lh a n da n dg r a s p i n g ， p u l l i n go rr e l e a s i n gv i r t u a lo b je c t sw i t l lv i r t u a lh a n d w h i c hm a k e st h ei n t e r a c t i v e m a n i p u l a t i n gm o r et r u l y , n a t u r a l l ya n dp r e c i s e l y i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rd e v e l o p e d a ni n t e r f a c eu s i n gp r o t o o l k i te x p l o i t a t i o np a c k a g ef o ri n f o r m a t i o ne x t r a c t i o n u n d e rp r o ep l a t f o r mc o m b i n i n gw i t hd a t a b a s et e c h n o l o g yo fo d b c a n dr e a l i z e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1v 页 t h ee x t r a c t i n ga n dl o a d i n go fa s s e m b l yc o n s t r a i n ti n f o r m a t i o nf o rv as y s t e m w h i c h w e l ls o l v et h ep r o b l e mo fm o d e ld a t ai n t e g r a t i o nb e t w e e nc a ds y s t e ma n dv i r t u a l a s s e m b l ys y s t e m l a s t l y , c o n s i d e r i n gt h el a c ko fh a p t i cf e e d b a c kl i m i t e d t o h a r d w a r ec o n d i t i o n t h es y s t e mu s e st h em e t h o do fc o n s t r a i nn a v i g a t i o na n dv i s u a l f e e d b a c k , r e s t r i c t st h ec o m p o n e n t sm o v e m e n td o fg r a d u a l l ya n dt r a n s f e r i n f o r m a t i o nb yc o m p o n e n t sc o l o rc h a n g ei nt h ep r o c e s s i n go fv i r t u a lm a n i p u l a t i o n ， w h i c he n s u r e st h eu s e r sc a nf i n i s ht h ea s s e m b l ys i m u l a t i o ni nan a t u r a l ，p r e c i s e ， e a s yw a y 1 1 1 i ss y s t e ma l s op r o v i d e st h em e a n st og e n e r a t ea n dm a n a g ea s s e m b l y p a t hi nv i r t u a ls c e n e r e c o r di n f o r m a t i o nc o u l db ea p p l i e dt oa s s e m b l ye v a l u a t i o n a n da s s e m b l yp l a n n i n g f i n a l l y , u s i n gt h ev i r t u a la s s e m b l ys y s t e mb a s e do nt h ep l a t f o r mo fv i s u a l c + + 6 0 ( m f c l t h ea s s e m b l ys i m u l a t i o no fc o m p l i c a t e dm o t o rs h e l lm o u l ds h o w s t h a tt h es y s t e mi so fa ni d e a lr e s p o n d i n gs p e e da n do p e r a t i n gr e a l i t y , p r o v i d i n ga n e wt e c h n o l o g ya n dm e t h o df o rm o u l d sd i g i t a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，a n da l s o h e l p i n gt oo p t i m i z et h ep r o d u c td e s i g na n di m p r o v et h ea s s e m b l yq u a l i t y k e yw o r d s ：v i r t u a l 。a s s e m b l y ；o b ba l g o r i t h m ；c o l l i s i o nd e t e c t i o n ；v t r t u a lh a n d m a n i p u l a t i o n ；i n f o r m a t i o ne x t r a c t i o n ；c o n s t r a i n tn a v i g a t i o n 西南交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彰使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：芰书 日期：1 他号 指导老师签名：旁以仪、 日期：勿罗2 、，弓 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究 工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的 个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 借助数据手套及电磁跟踪仪等虚拟外设实现了一半沉浸式的虚拟装 配系统。采用基于o b b 算法的r a p i d 库解决了碰撞检测问题，系统对 于复杂场景的碰撞反应速度可以达到o 1 1 7 m s ，这在同类虚拟装配系统 中是不多见的。同时解决了虚拟手建模、运动映射、抓取释放等关键问 题，创新性地提出了基于前向预防的防穿透处理机制。在p r o t o o l k i t 平 台上进行了二次开发，实现了p r o e 装配体模型的信息提取及存储，以 利于装配过程中的约束导航及精确定位。 学位论文作者签名： 日期： 主带 沙叶，t l ； i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 当今世界，基于信息和知识的产品制造技术高速发展，要求制造企业以最 短的产品开发时间( t i m e ) 、最优的产品质量( q u a l i 妫、最低的成本和价格( c o s t ) 、 最优的服务( s e r v i c e ) 、最清洁的环境( e n v i r o n m e n t ) 和快速的市场适应性 ( f l e x i b i l i t y ) 叫o c s e f 来赢得用户和市场。将系统科学、计算机科学、 虚拟现实、人工智能等技术与制造技术相结合，形成全新概念的具有信息化、 自动化、智能化、敏捷化等特点的现代虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v m ) 技术就是实现这一目标的方法之一。 虚拟装配( v a ，v t r t u a la s s e m b l y ) 技术是虚拟制造技术的重要组成部分，也 是虚拟制造的关键技术问题之一，它是虚拟产品开发系统的根本途径和手段之 一，所以对于虚拟装配技术进行研究具有重要的理论意义【l j 。 随着计算机技术的发展，面向装配的设计( d f a ，d e s i g nf o r a s s e m b l y ) 技术 逐渐成熟，但是由于装配规划的复杂性高、随意性大，需要人的智能的参与， 而d f a 这种数字化的设计能提供的人机交互能力有限，不能为装配专家作用 的发挥提供良好的交互平台。虚拟现实( v r ，v i r t u a lr e a l i t y ) 技术的发展为d f a 和装配评价提供了新的机遇。v r 技术可以为设计人员提供一个逼真自然的虚 拟环境，充分发挥人的主观能动性，对于产品的装配设计的规划和评价有很大 作用，为解决d f a 目前发展所遇到的困难提供了有效途径，同时也有利于异 地协同设计效率与质量的提高【2 】。利用d f a 技术并结合v r 技术，产生的虚 拟装配，成为虚拟制造技术的重要组成部分。 虚拟现实技术是一种模拟人类视觉、听觉、触觉等感知行为的高度逼真的 人机交互技术，是在数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、人一机接口 技术、计算机仿真技术及传感器技术等多种信息技术基础上发展起来的一门多 学科交叉技术p j 。沉浸感( i m m e r s i o n ) 、多感知性( m u l t i s e n s o r y ) 、交互性 ( i m a g i n a t i o n ) 是虚拟现实系统的三个重要特征。在基于各种软硬件实现的沉浸 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 式交互环境中，用户可以通过语言、手势等自然的方式与虚拟现实系统进行实 时交互，获取相关反馈信息。 虚拟现实技术提供沉浸感、交互性与实时性能极大地促进了设计者想象力 与创造力的充分发挥。在沉浸式的虚拟环境中，设计者通过直接三维操作对产 品模型进行管理及交互，并通过视觉、听觉与触觉反馈感知产品模型的几何属 性、物理属性与行为表现。虚拟现实技术提供沉浸感、交互性与实时性极大地 促进了设计者想象力与创造力的充分发挥。利用虚拟装配技术，我们可以验证 装配设计和操作的正确性，及早地发现装配中的问题，对产品模型进行修改， 并通过可视化技术显示装配过程 4 】。虚拟装配技术给工程设计领域带来了全新 的设计环境，可以整体考虑设计合理性和装配可行性。因此，对于制造业来说， 虚拟装配技术具有巨大的应用潜力。 1 2 课题研究背景及意义 众所周知，在产品的寿命循环中，装配是一个很重要的环节，是产品功能 实现的主要过程。有关研究表明，产品设计中良好的装配设计可以减少2 0 4 0 的制造费用，同时提高1 0 0 - 2 0 0 的生产率。 传统装配多依赖于人的技巧和判断力来进行复杂的操作。对产品的外观和 功能评估以及装配协调性检查，一般是借助于实物模型来完成的，这是一个费 时、费力的过程，因为对设计的任何小的修改都可能导致实物模型的重建。这 种基于“实物验证”的模式带来了成本的巨大浪费，也不符合快速市场反应的 需要。近年来，在制造技术和信息技术迅速发展的推动下，计算机辅助装配工 艺规划( c a a p p ) 与设计理论的研究与应用日益成为热点，并取得了显著的 进步。c a a p p 的目的是通过一定的决策机制和计算机辅助手段，来优化产品 装配工艺规程，从而增强企业对市场的快速响应能力。其中，基于虚拟装配技 术的可视化装配工艺设计系统的研究尤为引人注目。 虚拟装配设计技术的出现为彻底解决传统装配中存在的弊端带来了希望。 虚拟装配是虚拟制造的关键技术之一，它无需产品或支撑过程的物理实现，通 过计算机对产品零部件进行虚拟分析和虚拟设计，对装配过程进行仿真模拟， 检查产品零部件之间的正确装配关系，包括可靠性、顺序性、方向性、干涉情 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 况以及公差配合等方面的内容，帮助设计人员及早发现产品装配设计中的缺 陷。虚拟装配是实际装配过程在计算机上的本质体现，是虚拟现实技术与装配 技术相结合的产物。虚拟装配作为先进制造技术领域的研究热点，其技术潜力 是巨大的，应用前景十分广阔。国外统计表明，目前制造业应用虚拟装配技术 节约了2 5 的研制经费，并有效缩短了研制周期。所以对虚拟装配技术的研 究和开发具有非常重大的工程应用价值。 开展虚拟装配技术研究具有重要的理论意义和实际应用价值： 充分利用计算机图形技术等可视化手段，在计算机上建立一个虚拟交互环 境，实现对产品的可装配性、装配工艺及装检设备设计的合理性等项目的预先 检验，为工程技术人员提供一个可视化的辅助装配工艺设计系统，以达到缩短 产品开发周期、降低生产成本以及优化产品性能之目的。在传统的c a d 系统 进行模具设计时，人机交互模式比较单一，无法有效发挥人在模具设计中的知 识优势。将虚拟装配技术引入模具设计，可以为设计人员提供一个多感知、沉 浸式的虚拟装配环境，使其更充分地参与到模具的装配过程中，对模具的可装 配性进行评价，改进设计方案，并为装配工艺规划提供决策依据。因此，虚拟 装配技术对于减少模具设计错误、提高设计效率、缩短模具生产周期等都具有 十分重要的意义。此外，借助虚拟装配系统提供的学习和培训功能，可以缩短 装配操作人员的培训周期。 1 3 国内外研究现状 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【5 j 。 国外对虚拟装配技术的研究始于2 0 世纪9 0 年代中前期【6 】，作为虚拟制造 的关键技术之一，世界各国的政府、企业、大学等机构对其进行了全方位多层 次的研究，有些成果已经实现了工业应用。 美国华盛顿州立大学v r c i m ( v i r t u a lr e a l i t ya n dc o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n g ) 实验室是国际上较早开展虚拟装配技术研究的机构之一，他们 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 与美国国家标准技术研究所n i s t 合作开发的虚拟装配设计环境v a d e ( v i r t u a l a s s e m b l yd e s i g ne n v i r o n m e n t ) 是- - 个最具代表性的虚拟装配系统【7 j 。利用该系 统，设计人员在设计工作的初期便可考虑有关装配和拆卸的问题以避免这些方 面的设计缺陷。在进行虚拟装配时，设计人员首先将在c a d 系统中建立的零 件模型导入虚拟装配系统，然后在虚拟装配系统中设计人员直接操作虚拟零件 进行装配，对产品的可装配性问题进行验证，同时获得有关产品的设计和制造 工艺信息。 德国f r a u n h o f e r 工业工程研究所虚拟现实实验室较早地进行了基于虚拟 现实的装配规划系统的研究与开发。他们开发的第一个虚拟装配规划原型系统 就获得了1 9 9 6 年慕尼黑计算机展览会的最佳系统奖。该系统可以通过虚拟人 体模型在虚拟环境中交互式地进行装配操作，在用户交互的基础上产生装配前 趋图，并进行装配时间和装配成本分析。通过对真实装配环境的模拟，规划者 在进行产品装配规划时，能够综合考虑装配特征和其他装配条件如装配空间的 制约、装配零件供应以及必需的装配工具等对产品装配的影响【8 | 。 德国b i d e f e l d 大学人工智能与虚拟现实实验室将虚拟现实交互技术与人 工智能技术相结合，基于构造工具箱( c o n s t r u c t i o nk i t s ) 的概念，建立了一个虚 拟装配系统c o d yv i r t u a lc o n 咖c t o r 【9 1 ，允许设计者在虚拟环境中通过直接三 维操作或简单的自然语言命令与系统交互。 慕尼黑大学s t o r k 等人从人机交互的角度出发，为人机虚拟装配操作设计 了一适应性辅助系统【lo 】。该系统通过数据库方式预先收集操作人员的工作状 态信息及每一装配工步的时间，然后根据工人的当前工作精神状态、技能、经 验、工作复杂度等因素自动调节当前交互方式下的工作量并给出相应工作提 示，同时系统在交互动态操作过程中能及时发现错误并提出解决方案。通过考 虑操作人员心理上的各种感知性非量化因素，交互更加趋于智能化。 美国亚利桑那州立大学y e 等【1 1 1 ，对传统交互方式与虚拟现实交互方式中 的装配规划进行了对比试验。实验对象分别在传统环境( t e ) 、非沉浸式桌面虚 拟环境( d v r ) 、沉浸式c a v e 环境( c v r ) 中进行装配序列规划。实验表明，虚 拟现实交互方式能显著地提高装配规划的质量与效率。 日本核反应科学研究所f l 勺t a m u r a 等【1 2 】使用两台计算机设计实现了一个用 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 于核子反应堆部件的虚拟装配系统。该系统使用s m a r t c o l l i s i o n 干涉检查引擎， 碰撞干涉由一台计算机独立完成，可以达到实时检测的效果，另一台计算机则 用于虚拟环境的生成。通过这种配置方式，虚拟装配系统的运行非常快速，可 用于精细模型的装配。 韩国电子信息研究所的y o n g w a nk i m 等u3 】开发的虚拟装配系统采用基于 启发式和物理式的二步抓取策略，使虚拟手操作更加真实自然、精细。当虚拟 手的手指与抓取对象发生接触碰撞时，进入启发式抓取机制，虚拟手变换成最 优的抓取姿态，接着启用物理式抓取机制，处理后续抓取过程中涉及到的静摩 擦、动摩擦、重力等各类物理因素的影响。该虚拟装配系统成功应用于汽车发 动机零部件的装配。 国内对虚拟装配技术的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期，但发展较快，取 得了不少研究成果，清华大学、浙江大学、北京理工大学、上海交通大学、华 中科技大学等单位在虚拟装配及其关键技术研究与开发方面并提出了许多有 价值的新理论和新方法。 清华大学国家c i m s 工程技术研究中心是国内率先开展虚拟装配研究开 发的单位之一，多年来在面向装配的设计( d f a ) 、装配建模、装配顺序与路径 规划、装配过程建模等方面做了较为深入的探索。并在基于p r o e n g i n e e r 软件 平台上开发实现了一个虚拟装配支持系统v a s s ( v i r t u a la s s e m b l ys u p p o r t s y s t e m ) 【1 4 1 。利用该系统可在产品设计阶段进行基于三维实体模型的试拆卸仿 真，直观地分析、验证与改善产品的可装配性，进行产品及其部件的装配工艺 规划，生成对实际装配操作具有指导意义的装配工艺文件。 浙江大学万华根等人开发实现了一个基于多通道的、集成的虚拟设计与虚 拟装配系统v d v a s 1 5 】，设计者可以通过直接三维操作和语音命令直观方便地 建立机械零件及其装配模型，并通过交互拆装来得到零件的装配顺序和装配路 径等信息。通过集成虚拟设计与虚拟装配过程，使设计者能在一个集成的虚拟 环境中修改零件几何信息。 北京理工大学刘检华等人在对虚拟装配中的装配路径规划问题进行了重 点研究，提出了基于有效采样点的装配路径优化方法、基于几何约束的零件三 维空间运动方法，集几何约束自动识别、交互式约束定义和位置约束为一体的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 混合模式的零部件精确定位方法【l6 1 。相关算法有效提高了虚拟环境下装配路 径规划的操作效率，并在航天产品的虚拟装配工艺规划实施中取得了良好的效 果。 上海交通大学的c i m 研究所针对复杂产品装配设计过程中协同工作的需 求，开发了一个面向多用户协同设计的基于高层体系结构( i - t l a ) 的分布式虚拟 装配系统( d c v a e ) 1 7 】。提出了分布式虚拟装配系统体系结构、对协同虚拟装 配操作方法进行了研究，在基于分布式仿真支撑环境d m s o h l a r t i 下，利 用实时视景仿真软件开发库o p e n g lp e r f o r m e r ，实现了d c v a e 的原型系统。 并利用该系统给出了某汽车总成协同装配的实例。 华中科技大学彭涛等从增强虚拟交互沉浸感的角度，提出了基于虚实融 合、增强信息和约束代理的增强交互技术【l8 l 。虚实融合在保留虚拟现实全部 交互方式的同时附加真实装配场景来丰富装配过程感知，能为用户提供全方位 的装配体验；基于文字和特征表示的增强信息为用户提供装配知识来引导装配 操作，可提高装配效率并减少装配错误；约束代理及其匹配规则可视化可以重 建零件装配约束关系并避免了复杂计算，使用户在方便的装配操作同时获得逼 真的装配过程体验。 山东省科学院郑轶等人针对虚拟装配系统中存在仿真程度不够高的缺点， 进行了基于物理属性的虚拟装配过程研究【l9 1 ，给出了确定零部件各物理属性 以及自由运动状态的方法，还对碰撞响应对运动状态的影响进行了分析。对于 装配对象间的交互过程，使用多刚体系统动力学分析方法建立了装配对象的运 动学与动力学方程，通过把抽象的约束关系转换为基本约束方程表达运动副约 束，提出了基于碰撞以及静力学的装配对象局部稳定状态分析方法。 此外，在基于w e b 的协同虚拟装配方面国内学者也进行了有益的探索。 例如，行开新、田凌【2 0 j 设计实现了采用v r m l 通用格式的支持异地协同设计 的异构c a d 模型虚拟装配系统，提出了一种v r m l 零件装配特征参数提取方 法，并在此基础上实现了零件装配约束。同时针对当前互联网环境低传输速率 特点，使用基于参数一命令的操作命令传输机制，运用操作令牌思想解决了协 同过程中操作冲突的问题。甄希金、武殿梁等 2 l 】从解决复杂产品异地协同设 计中零部件数模验证和装配评审的困难出发，研究了基于网络的分布式协同虚 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 拟装配技术，提出基于高层体系结构运行时间框架( h i g hl e v e l a r c h i t e c t u r e r u nt i m ei n f r a s t r u c t u r e ，h l a r t i ) 的分布式协同虚拟装配方案，以 解决虚拟环境中的用户管理、操作协同和交互式装配操作等问题。刘高君、孟 广耀等 捌利用n e t 技术开发了面向w e b 的虚拟装配信息集成管理系统，系统 采用b s 三层网络体系结构，通过对零部件库进行综合管理，可实现装配信息 集成与共享。 纵览国内外虚拟装配研究的现状，国内虚拟装配的研究目前正处于从第2 阶段向第3 阶段过渡的时期，与国外相比仍然存在一定的差距，总体研究水平 差距在5 7 年，在虚拟装配的人机交互技术方面的差距有缩小的趋势。 1 4 虚拟装配技术的应用举例 虚拟装配技术带来了全新的设计和制造理念，改变了传统的产品开发从设 计到生产的反复修改，不断试制的过程，便于从整体上考虑设计合理性和装配。 虚拟装配技术的应用为企业节约了大量的成本，缩短了新产品投放市场的时 间。尤其是虚拟装配技术在汽车和航天工业的应用，取得了明显的经济效益。 美国波音飞机公司采用虚拟装配技术检查波音7 7 7 飞机装配过程中零件 间的干涉情况，并确保所有零部件对不同身材的装配工人来说都是可接触的。 通过虚拟现实技术在飞机设计、装配、维护等各个环节的应用，确保了组成波 音飞机的4 万个零件能恰到好处地装配在一起。 美国麦道飞机公司采用沉浸式虚拟现实系统进行新型发动机的设计与拆 装性能分析，检查拆装过程中发动机是否可能与其他零件发生干涉。此外，麦 道飞机公司还利用虚拟装配系统为特定的零件开发专用的装拆工具【2 3 1 。 美国福特汽车公司较早地将虚拟现实技术应用于装配仿真。福特汽车公司 在c 3 p 项目中，采用虚拟现实技术进行汽车的设计与装配，以确保产品的可 装配性、易装配性及人机性能。此外，福特汽车公司还利用虚拟装配系统评估 装配工人装配操作的舒适程度，分析零件的可达性。通过采用虚拟装配及其他 计算机工具，福特汽车公司的产品周期由原来的3 6 个月缩短为2 4 个月，每年 可节约开发成本2 亿美元，实现9 0 的物理样机由虚拟样机代替【2 4 1 。 美国克莱斯勒汽车公司在道奇i n t r e p i d 车型的设计中采用虚拟装配技术进 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 行产品的可装配性检验【2 5 】。设计者在虚拟环境中通过零件间的干涉检查确保 汽车的可装配性，并反复地进行“装配性能分析一改进结构设计一装配性能分 析”的设计循环。由于无需制作物理样机就可进行产品的装配性能验证，大大 缩短了产品开发周期。 德国宝马汽车公司为了加快新型汽车的开发周期，与德国f r a u n h o f e r 计算 机图形学研究所( i g d ) 合作开展了虚拟装配技术的研究。宝马汽车公司为车门 的装配操作设计了一个虚拟装配系统，该系统能够识别语音输入，并完成相应 的装配操作，当发生干涉碰撞时，能够发出声音报警。宝马汽车公司与i g d 在对基于虚拟现实的产品装配技术的研究与应用中得出结论：采用虚拟现实技 术进行虚拟产品原型开发将在汽车及其他工业中起十分重要的作用【2 6 1 。 上述有世界影响力的大型公司对虚拟装配技术卓有成效的工业应用，再一 次表明虚拟装配技术对提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品开发 成本具有不可替代的技术优势。 1 5 本文所做的工作 本文在分析虚拟装配系统的功能、目标、总体结构的基础上，提出虚拟装 配系统的解决方案，并最终借助数据手套、位置跟踪仪等虚拟现实设备开发实 现了一个基于普通p c 机的半沉浸式复杂电机壳体模具虚拟装配系统。用户可 以在虚拟装配系统中以虚拟手抓取操作形式与零部件进行自然交互，获取一定 的沉浸感，同时在完成装配后系统将提供各种反馈信息，帮助操作人员完成装 配工艺规划。具体的研究内容为： ( 1 ) 虚拟装配系统的构建 在综合分析虚拟装配系统所依赖的软硬件基础上，提出虚拟装配系统的总 体结构方案，对各模块的功能进行分析和说明，并设计了各模块的实现方法。 ( 2 ) 虚拟装配环境中的碰撞检测技术 虚拟装配环境对实时性要求较高，无论虚拟手操作还是进行装配干涉检查 等，均涉及到碰撞检测问题的处理。本文在分析比较现有流行的碰撞检测算法 及其软件包的基础上，根据虚拟装配系统及仿真平台本身的特点，选用快速精 确的碰撞检测函数库来建立碰撞检测模型，以完成系统交互过程中手抓取、零 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 件与零件装配接触等各类碰撞检测，为虚拟手操作和虚拟装配提供先决条件。 ( 3 ) 虚拟装配中虚拟手操作技术 根据数据手套及位置跟踪仪的实际硬件状况，将手指简化为连杆一关节操 作器，建立了虚拟手的运动学模型和几何层次结构模型，以便于数据驱动及操 作。并考虑了手抓取、释放及零件拖动的规则、提出了虚拟手防穿透算法，以 实现虚拟手在虚拟装配系统中的灵巧操作，使交互更加自然。 ( 4 ) c a d 环境下装配约束信息的提取接口开发 由于虚拟装配系统无法直接利用三维c a d 系统生成的参数化实体模型， 这些模型必须经过数据转换，才能导入集成虚拟装配环境。如何将这些模型数 据转换到集成虚拟装配环境，是展开虚拟装配工作的第一步，也是影响虚拟装 配系统显示效果、装配效果、精度要求的关键步骤。基于此本文开发了针对 p r o e 装配体模型的约束配合信息提取接口，通过该接口，可将参与装配约束 的基本要素( 例如点、线、面) 以特定的数据结构形式提取出来，并存储在数 据库中以供虚拟装配系统的调用。这样就为后面的基于几何约束的装配引导提 供了可操作性。 ( 5 ) 基于几何约束的装配过程实现 从c a d 系统中预先提取出装配模型对象的约束配合信息，并载入虚拟装 配系统，在手抓取零件的虚拟装配过程中，动态地识别零部件间的几何约束关 系，并在基于约束引导的条件下实现零部件的运动导航及精确定位，完成最终 装配。 ( 6 ) 三维交互界面设计及虚拟装配系统的实现 在虚拟装配系统总体结构方案设计的基础上，实现了复杂电机壳体模具的 半沉浸虚拟装配系统。在半沉浸式虚拟环境中，预先载入虚拟手及零件模型， 通过虚拟手操作，实现虚拟手对零件的灵活抓取、释放等功能；并在约束引导 的思想下实现零部件装配的精确定位。在装配过程中系统实时记录零部件每帧 所经过的离散的空间位姿点，并储存在记录文件中以供装配工艺规划人员参 考。同时系统支持零件的装配动画回放，可用于装配评判或装配训练演示。虚 拟装配系统的实现对提高设计效率、缩短产品生产周期等具有重要现实意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第二章虚拟装配系统的设计 虚拟装配是先进制造技术的研究内容之一，它体现了面向产品生命周期的 思想，是虚拟制造技术和计算机仿真技术中的重要研究领域，也是产品数字化 中的一个重要环节1 27 1 。无论是维修培训、设计验证还是装配工艺设计，都需 要虚拟装配系统的支持。因此虚拟装配系统应该包括虚拟装配建模、虚拟装配 规划、虚拟装配仿真、虚拟装配评价等组成部分。 在经济全球化的趋势下，企业间合作更加紧密，为了解决异地企业的虚拟 装配问题，提高协同设计效率，应该考虑虚拟装配在网络环境下的实现【2 8 】【2 9 】。 2 1 虚拟装配系统的功能及目标 考虑虚拟装配过程的自然性、舒适性，以及模型数据处理的跨平台性等特 点，我们认为虚拟装配系统应包含以下功能： ( 1 ) 要为装配设计、规划和分析人员提供一个良好的虚拟装配环境。场景 中可随意载入产品装配模型和硬件设备，同时这个场景应当具有很强的可交互 性和可感知性：从而使人的创造性和主动性得以更好的发挥。 ( 2 ) 为了体现先进制造的理念，考虑到各个企业c a d 平台的差异性，装 配系统必须要能处理各种异构c a d 平台的装配模型。 ( 3 ) 在虚拟装配场景中，可以对数字化模型进行自然操作，并模拟实际产 品装配过程。其主要包括读取虚拟现实设备的输入数据、对零部件的运动进行 导航，并按约束的要求调整零部件的位姿使之精确定位、记录零部件的装配顺 序和所经过的空间路径，其实质是在虚拟环境中对数字化产品进行试装配，为 产品的装配工艺规划提供依据。 ( 4 ) 对设计结果进行可装配性验证，并提供参考意见，同时以操作反馈记 录文件为依据，进行装配规划，生成最符合实际的装配工艺并用于指导生产。 设计虚拟装配系统的结构图如图2 1 如示。首先在商用c a d 系统( 如 p r o e ) 中建立产品的装配模型，对c a d 系统生成的装配模型( 包括零件模型 及其在装配体中的最终位置、装配约束关系、装配层次关系) 通过数据接口转 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 化到虚拟仿真环境中。然后，在虚拟环境中模拟产品的实际装配过程，分析装 配过程中零部件的运动形态，检查装配过程中的干涉，评价装配过程中的人机 因素，从而验证与改进产品的装配性能。 各类c a d 系统建立产品模型ii 虚拟手模型 输入接口i 载入 图2 - 1 虚拟装配系统结构图 2 2 虚拟装配的关键技术 操作 界面 操作 人员 ( 佩戴 数据 手套、 跟踪 仪等 设备) 在基于虚拟现实的虚拟装配技术研究中，需要解决几个关键的基本问题