（机械设计及理论专业论文）人机协同的智能装配规划.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 ( 装配工艺规划是产品开发中的重要内容，同时也是决定产品生产成本的重要因 素。近年来，装配规划技术引起了众多学术界的研究人员和工业界的产品开发人员 的广泛关注j 本文针对传统装配规划方法的困难和不足，利用虚拟现实和演化优化 技术，提出了一种基于虚拟拆卸的人机协同智能装配综合规划方法。 首先，总结了目前国内外有关装配规划的研究方法，分析了它们的困难与不足， 提出了人和计算机协同工作、各擅所长，智能地产生较优装配过程的方法o 该方法 主要包括两方面的内容：一是人在计算机产生的虚拟环境中智能协同地拆卸，产生 可行的装配过程；二是通过演化优化技术，得到被优化的装配工艺过程。该体系形 成了“人主拆、机主优”的协同工作机制，使设计者能够更好地完成装配规划任务。) 其次，提出了人机系统的一般模型，并基于该模型在虚拟环境下建立了人机协 同智能拆卸规划系统。( 为了实现该系统，重点研究了虚拟环境中装配约束的获取和 动态维护机制、零件可拆卸方向自动推理方法和拆卸操作稳定性判别算法等关键技 术。该系统最终使设计人员在虚拟环境中很方便地得到几何上可行且具有操作稳定 性的装配序列。，一 随后，为了达到产品结构和装配过程优化的目标，从三个层次、面向两种装配 方式建立了一个具有三维视图的装配复杂性评价体系。f 该体系针对面向设计方案的 装配性分析和面向装配工艺的过程评价，从零件层、工艺层和产品层以及针对自动 化装配和手工装配，建立了多种涉及装配的评价指标。该体系为产品面向装配的再 设计和装配工艺的选择提供了依据。l ，。 然后，提出了多层次并行演化方法以得到最优或次最优的装配过程方案。 亥方 法提出了描述装配操作信息的基因团概念，并以此建立装配过程的基因模型。针对 基因团和其中的位的不同层次信息，使用不同的遗传算子，并构建了排序选择机制 和基于集成干涉矩阵的可行性检查方法来保证算法的有效性。另外，对不同算子和 选择机制的效果做了对比分析。土。 最后，给出了实现本研究内容的原型系统体系结构，将该原型系统用于装配规 划实例，验证了该研究成果的有效性。文末对全文进行了总结，并展望了进一步研 究的方向。凡夕、 n 一 厂、一、 关键词：装配规划0 虚拟拆卸 人机协同 c 演化优化，装配评价 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t a s s e m b l yp r o c e s sp l a n n i n g i sa ni m p o r t a n t p a r t o fp r o d u c td e v e l o p m e n t ，w h i c h d e t e r m i n e st h ep r o d u c t i o nc o s to fp r o d u c t st oag r e a te x t e n t i nr e c e n ty e a r s ，a s s e m b l y p l a n n i n gt e c h n i q u e h a s a l r e a d y a t t r a c t e dt h ee x t e n s i v ec o n c e r n so fr e s e a r c h e r si n a c a d e m i aa n dd e v e l o p e r so fi n d u s t r i a lc o m m u n i t y i na l l u s i o nt ot h ed i 伍c u l t ya n d d e f i c i e n c y o ft h ec o n v e n t i o n a l p l a n n i n gm e t h o d s ，a no r i g i n a lh u m a n c o m p u t e r c o l l a b o r a t i v ei n t e l l i g e n ta s s e m b l yp l a n n i n ga p p r o a c hb a s e do nv i r t u a ld i s a s s e m b l yi s p r e s e n t e d i nv i r t u eo ft h ea d v a n c e dv i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g y a n dt h ee v o l u t i o n o p t i m i z a t i o nm e t h o d s f i r s t l y , t h i s d i s s e r t a t i o n a l l s i d e d l y s u m m a r i z e st h e p r e v i o u sa s s e m b l yp l a n n i n g m e t h o d s f i n d so u tt h ed i f f i c u l t ya n dd e f i c i e n c yo ft h e s em e 也o d s ，a n db r i n g sf o r w a r dt h e f r a m e w o r ki nw h i c hh u m a nb e i n ga n dc o m p u t e rh a v et h e i ro w na d v a n t a g e st od os o m e w o r k sr e s p e c t i v e l y a n dc o l l a b o r a t i v e l yg e n e r a t et h eo p t i m a la s s e m b l yp r o c e s s 1 1 1 e a r c h i t e c t u r ei s c o m p o s e d o ft w op a r t s ；o no n eh a n d ，h u m a nb e i n ga n dc o m p u t e r c o l l a b o r a t i v e l yd i s m a n t l et h ep r o d u c tt og e n e r a t ef e a s i b l ea s s e m b l yp r o c e s s e s ；o nt h e o t h e rh a n d ，t h eo p t i m a la s s e m b l yp r o c e s si so b t a i n e di nv i r t u eo fe v o l u t i o no p t i m i z a t i o n t e c h n o l o g y t h ef r a m e w o r kf o r m st h ec o o p e r a t i v ew o r k i n gm e c h a n i s mi nw h i c hh u m a n b e i n gd i s a s s e m b l ep r o d u c t sa n dc o m p u t e r so p t i m i z ea s s e m b l yp r o c e s s ，a n dm a k e st h e d e s i g n e ra c c o m p l i s he f f i c i e n t l yt h ea s s e m b l yp l a n n i n g t a s k s s e c o n d l y , ag e n e r a l m o d e lo fh u m a n c o m p u t e r s y s t e m i s p r e s e n t e d ，a n d a h u m a n c o m p u t e rc o l l a b o r a t i v ei n t e l l i g e n td i s a s s e m b l yp l a n n i n gs y s t e mi sb u i l tb a s e do n t h eh u m a n - c o m p u t e rc o l l a b o r a t i o nm o d e l i no r d e rt oc a r r yo u tt h es y s t e m ，s o m ek e y t e c h n i q u e s s u c ha s d y n a m i c m a i n t e n a n c eo f a s s e m b l y c o n s t r a i n t su n d e rv i r t u a l e n v i r o n m e n t ，r e a s o n i n go fd i s a s s e m b l yd i r e c t i o n so fc o m p o n e n t sa n dj u d g i n ga l g o r i t h m o fs t a b i l i t yo fd i s a s s e m b l yo p e r a t i o n s h a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t l l i ss y s t e mc a nh e l pt h e d e s i g n e r t o g e te a s i l y t h ef e a s i b l e a s s e m b l ys e q u e n c e s w i t h g e o m e t r i c a l l y s t a b l e o p e r a t i o n s t h i r d l y ，f o rp u r p o s eo fo p t i m i z a t i o no fp r o d u c ts t r u c t u r ea n da s s e m b l yp r o c e s s ，a h i e r a r c h i c a le v a l u a t i o ns y s t e mo fa s s e m b l yc o m p l e x i t yw i t ht h r e e d i m e n s i o nv i e w sh a s b e e nc o n s t r u c t e df r o mt h r e el e v e l s ，t w oa s s e m b l yt y p e sa n dt w oe v a l u a t i o no b j e c t i v e s t h eh i e r a r c h i c a ls y s t e mp r e s e n t sm a n ya s s e m b l ye v a l u a t i o nc r i t e r i af r o mc o m p o n e n t s l e v e l ，p r o c e s sl e v e la n dp r o d u c tl e v e la i m i n g a ta s s e m b l a b i l i t ya n a l y s i so fd e s i g ns c h e m e o fp r o d u c t sa n dc o s te v a l u a t i o no fa s s e m b l yp r o c e s s t h e r e f o r e ，t h ee v a l u a t i o ns y s t e m p r o v i d e sa ni m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rp r o d u c tr e d e s i g nf o ra s s e m b l ya n d t h es e l e c t i o no f i i 华中科技大学博士学位论文 ! ! ! ! i i i ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = = ! ! ! ! ! ! ! a s s e m b l yp r o c e s s e s f o u r t h l y ，a i m i n ga tt h eo p t i m i z a t i o no fa s s e m b l yp r o c e s s ah i e r a r c h i c a lc o n e u r r e n t e v o l u t i o na p p r o a c h1 sp r e s e n t e dt og e n e r a t e o p t i m a lo rn e a r - o p t i m a la s s e m b l yp r o c e s si n t h e a p p r o a c h ，t h ec o n c e p to fg e n e g r o u pi sb r o u g h tf o r w a r d ，a n dt h eg e n em o d e lo f a s s e m b l yp r o c e s si sb u i l tb a s e do ng e n e g r o u p d i f f e r e n tg e n e t i co p e r a t o r sa r ea p p l i e dt o g e n e g r o u p s a n dt h e i rm e t a d a t ai nd i f f e r e n tl e v e l s ak i n do fs p e c i a l s o r ts e l e c t i o i l m e c h a n i s ma n dt h ef e a s i b i l i t yc h e c ko f a s s e m b l yp r o c e s sb a s e do ni n t e g r a t e da s s e m b l y i n t e r f e r e n c em a t r i xa r eu s e dt oe n s u r et h ev a l i d i t yo f t h ea l g o r i t h m t h ep e r f o r m a n c e so f d i f f e r e n tg e n e t i co p e r a t o r sa n dt h es e l e c t i o nm e c h a n i s ma r e a n a l y z e d a tl a s t ，t h e g e n e r a la r c h i t e c t u r eo ft h ep r o t o t y p es y s t e mt h a tr e a l i z e st h er e s e a r c h c o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r e g i v e n ，a n dt h e p r o t o t y p es y s t e m i s a p p l i e d t ot w o p r a c t i c a la s s e m b l ye x a m p l e s s o ，t h ef e a s i b i l i t ya n dt h ee f f e c t i v e n e s so fr e s e a r c hr e s u l t s a r ev a l i d a t e d i nt h ee n do ft h ed i s s e r t a t i o n ，c o n c l u s i o n sh a v eb e e nd r a w na n dt h ef h t u r e d i r e c t i o n si nt h ef i e l da r eg i v e n k e yw a r d s ：a s s e m b l yp l a n n i n g ，v i r t u a ld i s a s s e m b l y , h u m a n c o m p u t e rs y s t e m ，e v o l u t i o n o p t i m i z a t i o n ，a s s e m b l ye v a l u a t i o n i l l - 华中科技大学博士学位论文 1 绪论 全球化市场的形成为新世纪的制造业展现了巨大的市场潜力，并为企业提供了 历史的发展机遇，同时，世界范围内的市场竞争也为企业的生存和发展提出了严峻 的挑战。在当前的新经济时代，企业在产品开发中如何缩短开发周期，降低产品成 本，提高产品的质量并且提供最优质的服务是决定企业在激烈的市场竞争中存亡的 生死攸关问题。为了满足企业的这种要求，工程设计领域出现了以并行工程为代表 的全生命周期设计方法。在并行工程的众多支持技术中，由于装配成本在产品成本 中占据着相当重要的地位，面向装配的设计d f a ( d e s i g n f o ra s s e m b l y ) 又成为国 内外学者重点探讨和研究的热点问题。d f a 主要是在产品设计阶段，较早地考虑到 产品零部件的可装配性、装配过程的难易程度、装配成本、装配序列和路径等各种 因素，根据面向装配的设计评价和装配规划的结果，它一方面为产品的再设计提出 合理的修改意见，另一方面规划出较优的装配序列为制定产品的装配工艺规程提供 指导性意见，从而提高产品下游设计与制造的一次成功率。 本章首先阐述了本课题的来源、目的和意义，描述装配综合规划的研究背景， 然后分四节较详细综述了有关装配规划的研究情况和进展，最后强调本文的主要研 究工作和创新点并对后续的章节安排做出说明。 1 1 课题的来源、目的和意义 本课题来源于国家自然科学基金资助重大项目之静产荔剑薪融结蘑蒯蹬技 术若于基础研究鹊二 课题，、镙题名为：支持产品龟b 额设讨的知识获取、组织、传递 友运劈万院。该项目编号为：5 9 9 9 0 4 7 0 2 。 近年来，计算机技术日新月异的发展为企业的产品开发提供了前所未有的机遇。 微电子芯片技术遵循莫尔定律地迅猛发展和软件技术在工程设计领域的广泛应用为 产品的开发开辟了一片新的天地，各种各样的计算机辅助产品开发工具被大量的企 业所应用，比如三维的计算机辅助设计c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，计算机辅 助制造c a m ( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r e ) ，生产过程仿真软件等等。这些软件工 具都大大地提高了企业自主产品的开发能力，缩短了产品开发周期，降低了开发成 本。装配过程规划是产品开发中个极其重要的阶段，但与其在产品开发中的重要 地位不相称的是目前市场上还基本上看不到成熟的计算机辅助装配规划c a a p 1 华中科技大学博士学位论文 ( c o m p u t e ra i d e da s s e m b l yp l a n n i n g ) 软件。传统的计算机辅助装配规划主要是基 于图搜索理论，由于装配过程本身所具有的复杂性，比如复杂产品装配序列的组合 爆炸问题，装配成本难于评价等问题，该种方法很难用于复杂产品的装配规划。目 前在企业中的装配规划过程还主要依靠具有丰富经验的装配专家靠手工来完成。此 种装配规划方法一方面对于复杂的产品有时较难于发现可行的装配序列，另一方面 无法估算装配序列的优劣而选择较优的装配方案，同时势必将花费大量的时间和人 力，从而延长产品的开发周期增加开发成本。 本课题的研究目的就是针对以前装配规划方法的缺点和不足，利用最新的虚拟 现实和演化优化技术，在虚拟环境中构建个人机协同的智能装配综合规划系统。 该系统充分利用人的装配拆卸知识和计算机的强大计算能力，首先在虚拟环境中， “人主机辅”地智能拆卸得到可行的装配序列，然后通过构建的特殊演化算法，“机 主人辅”地产生更加优化的装配过程。该研究从而突破以前在计算机辅助装配规划 中，依靠图搜索产生装配序列并进行事后评价的方法，探索出一条进行装配规划的 新途径。此外该课题的研究为最新的虚拟现实技术应用于产品设计领域以及演化算 法用于复杂的工程优化问题提供了有益的尝试，并有可能为解决其它工程问题开辟 套新的方法。 在大多数企业，产品装配是制造过程的最后一个环节，也是决定产品质量和成 本的重要环节之一。产品装配质量的好坏直接影响到产品的性能，对于当前市场需 求的多品种、小批量、复杂产品的装配，装配车间也成为劳动力最密集的部门，因 此装配工艺的好坏直接影响着产品的生产成本。本课题的研究对于产品开发和工程 问题的优化都具有深远的意义，其研究意义体现如下： ( 1 ) 提出了基于虚拟环境的人机协同方法来解决复杂的产品装配规划和优化问 题，该方法充分利用人和计算机各自的优势协同工作来较好地完成装配规划 任务，同时也为设计人员解决其它复杂工程设计问题开辟了新的思路。 ( 2 ) 探索了虚拟现实技术在工程设计领域的应用，为计算机辅助工程设计的研究 开拓了一条新的方向，并为以后全数字化的虚拟设计和虚拟制造奠定基础。 ( 3 ) 实现了产品设计和装配规划的集成，大大降低了用于装配规划的时间。本研 究可以使规划者在设计完成产品设计后，直接对产品模型进行虚拟的“试拆 卸装配”，并能够根据拆卸装配的情况，修正装配方案或者是更改产品设计 方案以利于装配。此种方法必能够大大缩短用于装配规划的时间，并提高装 配质量。 ( 4 ) 对装配过程复杂性的研究使产品设计和装配工艺密切联系，使在产品设计阶 华中科技大学博士学位论文 i i i i 段，就从装配的角度评价设计方案以有利于装配，降低装配成本，同时对装 配过程的综合评价，可以利用演化算法对一些装配序列进行优化，从而规划 出最优或次最优的装配工艺过程，大大降低装配成本。 ( 5 ) 本研究为解决装配过程的优化问题，提出了一种新的多层次并行演化算法， 本方法对于利用演化算法解决较复杂的工程问题，也开辟了新的思路。 1 2 研究背景 装配规划的研究最早源于人工智能中自动规划的研究，主要用于机器人装配和 生产自动化领域。由于装配过程本身的复杂性，近二十年来，始终吸引了众多学者 和产品开发者的研究目光。经过多年的研究，很多学者和产品开发者提出了多种计 算机辅助装配规划方法，这些方法是总体上或者是针对某一范围的产品，或者需 要对产品进行简化，或者需要使用者人机交互地回答大量的有关装配的问题，在计 算机的帮助下，这些方法经过大量的计算，也能够产生产品初步可行的装配序列。 然而为了降低装配成本，设计方案的装配性评价和装配过程的选择都具有更加现实 的意义，在可行的装配序列中找到最优的装配序列其意义超过了能够找到一些可行 的装配序列。如果说仅仅是找到产品可行的装配序列还可以依靠装配专家的经验去 完成的话，从大量可行的装配序列中选择最优的装配序列，想依靠人力来完成几乎 是不可能的。同时，对于大规模产品装配，装配序列中的一个变化都会对装配生产 造成很大的影响，从而直接影响产品的生产成本。 本研究就是在此背景下提出了装配复杂性的综合评价体系，使产品设计和装配 工艺紧密地集成起来，在产品设计时就充分考虑装配的复杂性，而尽量简化装配结 构有利于装配。同时对于规划出的装配方案从多种角度建立评价模型，以便于选出 最优的装配方案，基于这些评价指标，本研究构建了一种多层次并行演化算法对产 生的可行装配序列进行优化，以获得最优的装配方案。 在装配规划研究领域，尽管经过多年的研究，已出现了各种方法能够利用计算 机辅助装配规划。但从商业c a d 软件的装配模块来看，还没有发现实用的装配规 划模块。这些方法中大部分都是基于图搜索的原理，首先建立产品零件的联接图， 根据图论的原理在装配约束的作用下对联接图进行搜索从而可以得到可行的装配序 列。这类的方法从原理上是可行的，但对复杂产品的装配规划不可避免地会遇到组 合爆炸问题，有些方法还需要用户交互地回答很多有关装配的问题，操作起来比较 复杂，因此，该类装配规划方法在实用性方面还有相当的不足。然而虚拟现实技术 的出现，为装配规划研究开辟了一个新的领域。 华中科技大学博士学位论文 虚拟现实技术是一种带有高级输入输出交互外设的三维图形的自然扩展技术 f 2 1 。1 9 9 5 年，在斯图加特召开的虚拟现实国际会议上，s e p h a ne l l i s 给虚拟环境下了 这样一个定义p j ：虚拟环境就是用户戴上或穿上计算机交互外设，所感受到的一种 综合的，交互的，虚幻的环境，它能模拟物理环境提供各用户一个综合的感官信息。 虚拟现实技术应用于工程设计领域将为设计自动化开拓新的方法。设计者可以用三 维的产品模型和相关的装配工具建立逼真的虚拟装配环境，操作者戴上头盔显示器 和数据手套后，就可以进入个完全模仿物理装配环境的虚拟环境。操作者在虚拟 环境中可以象在现实中拆卸装配物理原型一样，自然地“试拆卸装配”虚拟的产 品，而同时系统可以自动记录操作者拆卸零件的顺序和零件的运动轨迹，将拆卸的 序列和路径逆转过来就变成了装配序列和路径。这种方法允许没有装配拆卸经验的 操作者仅靠直觉去拆卸产品，即可完成相应的装配规划，找到多条可行的且令人满 意的装配序列。 在此背景下，本文提出了人机智能耦合协同虚拟拆卸的装配规划方法，如上所 述，操作者需要进入虚拟装配环境借助虚拟外设来直接操作装配体，在此过程中， 需要解决的技术问题包括装配约束的动态管理和维护，装配干涉实时检测等。此外， 本文还提出了人机智能耦合的系统拆卸策略，即在拆卸过程中既充分发挥操作者具 有拆卸经验的模糊智能，系统又能提供一些必要的拆卸智能推理来提示操作者如何 更好地拆卸，从而达到人机一体化协同拆卸的目的。 1 3 文献综述 装配作为产品制造的一个重要环节，装配规划始终都是产品开发者重点研究的 内容。传统的装配规划方法大多是利用规划者的经验根据产品的装配模型进行手工 规划，此种方法一方面耗费大量的人力，另一方面也难于保证装配序列的可行性和 经济性。从2 0 世纪8 0 年代末开始，随着计算技术的快速发展，计算机辅助的装配 规划技术成为众多学者的研究热点。早期主要研究都集中在图搜索的方法上。在计 算机的辅助下寻找可行的装配序列，但该种方法对零件多的产品不可避免地会遇到 “组合爆炸”问题，同时众多可行的装配序列无法选择出最优的。针对这种情况， 近年来有关装配规划的研究一部分转向了装配序列和装配结构的评价方面，其目的 就是对产品设计方案进行装配性评价，并以此修改设计方案，该方法需要建立装配 过程评价指标，以此对众多装配序列进行评价而选择最好的序列。另一部分研究则 是针对序列“组合爆炸”的问题，提出了虚拟装配拆卸的方法进行装配规划。虚拟 装配利用最新的虚拟现实技术，操作者进入虚拟装配环境，通过数据手套沉浸式地 4 华中科技大学博士学位论文 直接操作虚拟零件进行试装配，从而产生可行的装配序列。此外，还有一些研究开 始探讨利用人工智能的方法，利用些启发信息直接寻找最优或较优的装配序列。 此后两种研究内容还是当前研究的热点，没有形成成熟的体系。本节针对上述提出 的有关计算机辅助装配规划的多方面内容进行综述。 1 3 。1 基于图的装配规划方法综述 用联接图和联接矩阵的形式建立产品的装配模型是基于图的装配序列规划方法 的基础【6 引。产品零件的连接图和联结矩阵形象地表达了产品内部零件之间的联接关 系，并且便于用计算机程序来搜索装配序列。法国学者b o u r j a u l t 最早建立了产品零 件的联接图装配模型1 4 l ，并以此为基础提出了基于装配约束优先关系的装配序列生 产方法。其方法主要是通过人机交互提问的形式获得零件间装配的优先约束关系， 并以此推导出装配序列。b o u r j a u l t 给出的问题是【5 6 l ： 1 联接关系l 和厶完成之后，联接关系厶不能完成吗? 2 联接关系厶和“未完成时，联接关系厶不能完成吗? 该方法需要用“y e s ”或“n o ”回答所有联接关系之间的优先次序，因此当产品 的零件数较多时，需要回答的问题量太大，而不具有实用性。后来，d ef a z i o 和 w h i t n e y 改进了b o u r j a u l t 的提问方式，可以大大减少人机交互回答问题的数量。d e f a z i o 和w h i t n e y 的问题是队 1 哪些装配关系必须在完成联接关系l 之前完成? 2 哪些装配关系必须在完成联接关系厶之后完成? 这种提问题的方式虽然减少了问题的数量，但也同时增大了回答问题的难度，有 时设计者可能会回答错误。 为了减少交互回答问题的数量，并且使用户很容易地回答问题，b a l d w i n 等人在 b o u r j a u l t 和d ef a z i o 等人的工作基础上，提出了零件是否可装配的两条准则【8 】： 超集准则：如果某个零件或子装配体由于几何干涉无法装配，那么在该零件 或子装配体上增加一个零件，同样不能装配该零件。 子集准则：如果两子装配体可以装配，那么去掉两子装配体中和另外子装配 体不发生装配关系的任何零件，两予装配体仍然可以装配。 根据此准则，可以由系统自动判别一些装配优先约束关系，而需要由用户交互 回答的问题可以进一步减少。 一 5 华中科技大学博士学位论文 h o m e md em d l o 秘s a n d e r s o n 爨是提文了以撼卸法求瓣装配序列的系统方法， 它通过获取产最拆卸过程中的零部l 牛优先约束关系规划出零部l 牛的拆卸序列，秀憋 拆卸序列反向即可得到产品的装配序列j 。由于装配体可能存在着大量的装配序列， h o m e md e m e l l o 和s a n d e r s o n 撼出了装配序列的a n d o r 陶表达方法可以简洁地表 示装配体所有可能的装配序列“。a n d o r 图中的节点对应装配过程中的子装配体 藏零件，超弧对应将予装配体戴零件联接在一起形成蔓大予装配体的装配操作。超 援的起始点对庭上一级燹大子装配体，终囊点黠瘦下级子装配俸或零 串。辫1 1 显示了个出题个零馋组成熬装配体，其装怒黟列的a n d o r 麴表达魏恩1 2 疑示。 口妇贮 s t i c kr 洲e 止m 峨e 图i 1 简单装配体f 9 】 凰l 。2 针对图1 1 装配体的装配序 列a n d o r 图( 9 】 h o m e m 穗m e l l o 采瑶了“豁榘”算法来求褥产赫辨有装配滓辫静a n 驺硒瑟篷表 达，首先建立产品的联接图共进程维劳，联接图懿割集就对应从产晶枣据卸爨静零 部馋，利用“塞4 集”算法对联接图进行循环分解，直到不可髯分为止，势犍满足拆 卸条件的子装配体或零l 牛以a n d o r 图的节点进行纪录。将分解的过程用超弧联 接，就形成了产品拆卸序列的a n d o r 图，并根据一定的评价指标来选择较优的装 配序列i 1 ”。 w i l s o n 和l a t o m b e 提出了种非有向阻止图n d b g ( n o n d k e e f i o n a lb l o c k i n g g r a 曲) 来定性地描述一个产品的内部装配缩构，并以此为基础实现装配序列的规剜 和评价 1 2 l 。该方法的核心内容是掇密了n d b g 静概念，n d b g 描述了在多顼式空 阕中零件运动静裾匿予涉美系瓣集合，溺辩也握爨了译价装懿过程复杂魔的定量指 6 华中科技大学博士学位论文 标，根据该图的结构，很容易推导出产品装配序列。 此外，国内的一些学者也提出了类似于上述图搜索方法的装配规划方法 1 4 - 1 9 】， 这些基于图搜索的装配序列规划方法在原理上是可行的，但是它们过分依靠计算机 的自动推理能力，对于具有较多零件数的产品进行装配序列规划很可能存在“组合 爆炸”现象，可能需要大量的计算资源被用于无尽地搜索可行的装配序列，因此此 类方法对于零件较多的产品实用价值较低。 1 3 2 虚拟现实技术 虚拟现实的思想最早是在1 9 6 5 年的i f i p 会议上，由计算机图形学的创始人 s u t h e r l a n d 提出，他指出可以通过计算机图形图像技术，使用户对操作对象有身临 其境的感觉。1 9 8 9 年，美国v p l 公司的l a n i e r 正式提出了“v i r t u a lr e a l i t y ”概念1 1 10 1 ， 他认为虚拟现实能够使用户身临其境地“投入”到计算机产生的三维交互环境中。 1 9 9 0 年的s i n g g r a p h 会议重点对v r 主题进行了讨论，明确提出了v r 技术的主要 内容 1 1 1 ：实时的三维图像生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术。虚拟 现实技术是一种扩展到多维空间中的自然人机交互技术，它为用户与虚拟环境和虚 拟对象的交互提供了强有力的手段。 早期虚拟现实技术主要应用于游戏娱乐业，为用户提供感官上的享受。随后， 其在工程设计领域的应用也显示了巨大的潜力，它能够为设计人员提供一个更加逼 真的设计和制造环境，有利于避免产品开发中的盲目性，提高产品设计的成功率。 最典型的工程应用是波音飞机公司利用虚拟设计制造技术成功开发了波音7 7 7 机 型一“，该机型所有的6 5 0 0 0 0 0 个零件都建立虚拟原型并被共享数据库管理，极大方 便了产品开发人员。虚拟现实的发展也为机器人的研究开辟了新的渠道【8 9 】，b u r d e a 讨论了v r 技术应用于机器人远程操作监视的方法和原理，该方法能够很好地克服 传统机器人操作遇到的较差可视化反馈的困难。r y k e n 将虚拟现实技术应用于拖车 起重臂的交互应力分析，开发了一个合并有限元分析、敏感度分析和冲突检测的虚 拟交互环境【9 0 j ，该环境通过在环形屏幕进行立体投射产生三维立体图像并附有立体 声音反馈系统，使设计者能够实时看到和更改零件形状，分析零件的结果应力。虚 拟现实系统的沉浸特性同样引起了人机工程分析学的极大关注。利用虚拟现实的高 交互、高沉浸特性，可以方便地对待开发的产品进行人机工程因素的分析。w i l s o n 讨论分析了在虚拟环境中进行人机工程分析的特点及其潜在的价值，并给出了产品 结构开发和评价以及工作台再设计的两个例子应用到虚拟环境中进行人机工程分析 【9 1 1 。 华中科技大学博士学位论文 d a if a n 总结了虚拟现实技术研究在欧洲的进展状况【2 0 】，描述了不同虚拟环境的 分类和特征和影响沉浸式虚拟环境的各种因素，展望了虚拟现实技术在一些工业方 面的应用前景。 1 、虚拟环境下的人机工程研究 产品的人机工程特性，使产品增加客户的满意度上起着很重要的作用，而虚拟 现实技术为人机工程分析提供了很好的工具。虚拟原型使人机工程研究更有现实意 义，它允许工程师在设计阶段的早期就能验证产品的用户界面是否友好，比如：飞 机驾驶舱的设计，汽车的驾驶室的桌椅设计等， 2 、虚拟设计在工业中的应用 虚拟环境中的原型仿真是一种高效的方法，可以用来加速设计过程，虚拟的设 计原型模型在沉浸式v r 中能够完全被表现，设计原型的真实的颜色和光照效果能 够进行比较，来进行修改设计，用户能够真实地感受产品的结构和功能。 3 、远程操作控制 在一些远程控制中，由于距离的遥远，较难于进行实时控制的。一种典型的应 用就是在太空无人空间站中被控制的科学实验，对于这种情况的远程控制，可以用 虚拟现实技术来解决，太空站上的真实环境可用地面操纵者的虚拟环境来代替，把 虚拟环境中的活动和命令有延迟地传输到太空站，在太空站中执行。这种远程操作 能够很好地控制恶劣环境下或人不便于涉足地方的操作。 4 、工业中的培训 一些行业在真实环境中的培训是危险的，代价昂贵的( 如内科医生、飞行员、 宇航员等) ，由于受训者错误的决策和贫乏的技能都可能导致无法挽回的结果，甚至 有些过程是不可重复的。沉浸式的虚拟环境为较危险的培训提供了新的方法。他不 但是更便宜的，也是更加安全的，也是更高效的，而且训练的场景还可以根据具体 个人的要求进行变化。 1 3 3 虚拟拆卸，装配研究综述 由于图搜索方法装配序列规划的局限性，研究者开始考虑能否将人的智慧融入 装配序列规划的过程中。同时，虚拟现实技术在近年来取得了突破性的发展，其在 工程领域的应用也为装配序列规划开辟了新的途径。尽管该项技术还不是很成熟， 尚未在工业界得到普遍应用，但其本身具有的特点被学术界和工业界所推崇，并被 认为是可行的和有价值的。作为虚拟制造中的一个关键组成部分，华盛顿州立大学 华中科技大学博士学位论文 的c o n n a c h e r h ，i 最早给出了虚拟装配的定义1 2 u ：“无需产品或支撑过程的物理实现， 通过分析、先验模型、可视化和数据表达等手段，利用计算机工具来安排或辅助与 装配有关的工程决策”。虚拟装配拆卸突破了传统的被动式计算机仿真技术，而是 由操作者通过数据手套和三维立体显示设备直接三维操作虚拟零部件来模拟装配 拆卸过程。本节从多个侧面对虚拟装配拆卸研究进行综述。 虚拟装配设计环境研究 晟著名的虚拟装配环境是由美国华盛顿州立大学和美国标准技术局( n i s t ) 联 合开发的沉浸式虚拟装配系统v a d e ( v i r t u a la s s e m b l yd e s i g ne n v i r o n m e n t ) 肛n “。 v a d e 在s g ic r i m s o n 工作站上实现，三维显示由h m d 提供；通过f l o c ko f b i r d s 来跟踪虚拟环境中虚拟手的位置；手指和手腕的运动由c y b e r g l o v e 数据手套监控； 同时，t a & o o l s 反馈系统用于在手指指尖出产生触觉反馈。事实上v a d e 是一种基 于v r 的工程应用系统，它允许设计者去规划、评价和验证产品的装配过程，并且 能够改变难于装配的设计方案。v a d e 系统还与c a d 系统维持了一个紧密联接，在 虚拟装配过程中可以产生一些设计修改信息直接被c a d 系统所利用。 v a d e 系统的运行示意图如图1 3 所示，该系统具有如下特点【2 l j ： 一 完全逼真地模拟真实装配环境，虚拟物体可以由其它的c a d 系统导入。 _ 支持双手的灵活装配和操作，基于物理的建模方法保证了虚拟装配操作的 真实性。 _ 将捕获的c a d 系统产生的装配约束信息导入虚拟环境并引导装配过程。 一 可记录虚拟装配过程中产生的扫体积和路径信息并可进行编辑。 一 支持在虚拟装配环境中，对难于装配情况下的设计参数的更改，将更该信 息反馈到参数化c a d 系统中。 一 支持装配工具在虚拟装配环境中的运用，建立了工具零件人 图1 3v a d e 系统的运行示意图2 1 1 9 华中科技大学博士学位论文 ( t o o l p a r t j h v , m a n ) 相互作用的模型。 t a y l o rf 等人在v a d e 的基础上又开发出了利用起重机械的沉浸式虚拟装配仿真 系统【2 ”。该系统完整地模拟了人在虚拟环境中对起重机的操作，并能够灵活地对重 机械进行装配。该研究中建立了起重机操作模型，起重机和零件之间的交互作用， 以及人和起重机之间的交互控制机制。该系统建立了多种起重机、提升机和专用夹 具的模型以供随时调用，操作者通过一个按钮盒输入设备，控制超重机的运动，并 且使操作者的视点在虚拟环境中自由“飞翔”更加方便地观察起重装配过程的状态。 该研究运用基于物理的建模方法确保在虚拟装配环境中起重机吊挂的重物能够自由 摇摆，图1 4 显示了该系统在进行起重机吊装的一个画面。 图1 4 起重机械虚拟装配仿真【2 5 1 图1 5 利用扳手的虚拟装配【2 6 】 u j a y a r a m 等人在v a d e 上开发出了基于装配约束的人一工具一零件的协同交 互仿真系统口6 1 。为了实现人一工具一零件的协同仿真，装配过程的中间定位约束 ( i n t e r m e d i a t e l o c a t i o nc o n s t r a i n t s ) 和工具咬合约束( t o o le n g a g e m e n tc o n s t r a i n t s ) 被建 立，在装配操作过程中，手带动工具运动，零件在满足自身运动约束条件下随工具 一起运动。图1 5 显示了利用扳手进行的虚拟装配操作。 基于虚拟原型的拆卸，装配分析 s i d d i q u ez 和r o s e nd w 开发了一种虚拟原型的方法来进行产品拆卸过程的推 理，并且给出了虚拟原型的定义【孙】。“虚拟原型就是产品最终显示的产品模型和其 工艺过程的模型，产品模型包括组成产品的零部件模型及其装配信息，工艺过程模 型包括执行该工艺过程的相关信息，比如拆卸f 装配序歹l j 、工具的变化和装配，拆卸 的方向等”。虚拟原型的产品模型直接从c a d 模型中产生，而其拆卸过程模型通过 1 0 华中科技大学博士学位论文 自动推理技术来产生，并且可以在虚拟环境中交互拆卸该产品。拆卸过程自动推理 技术包括计算可拆卸零件的拆卸方向和角度，以便于拆卸过程的规划。该拆卸过程 自动推理技术主要基于w o oa n dd u t t a 的提出的球形算法【2 9 】f 3 0 】，并在该算法的基础 上作了两个扩展来用于计算零件所有局部可行拆卸方向的空间范围和考虑装配配合 条件下的零件可拆卸性。此外该