（机械设计及理论专业论文）具有三维力反馈的协同虚拟装配系统关键技术研究.pdf

0 i l 、 i 一 ， 悖 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：马旮匿一一 日期：羔! ! ! ：兰：! 垒 关于论文使用授权的说明 ， 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适 本人签名：蛊盘 导师签名：么銎卜 用本授权书。 日期：2 1 ：竺：兰： 受 日期：叠芝f 旦! 蔓：f 五 ，l ：， 嚣 警 埘氐ia 。- 鼍0 ，磐 _ i l f 具有三维力反馈的协同虚拟装配系统关键技术研究 摘要 网络化的协同虚拟装配系统允许身处异地的多方参与者协作完 成产品的预装配过程，从而共同验证产品可装配性、协商优化产品参 数，进而缩短研制周期、降低生产成本。异地协同虚拟装配系统具有 极其广阔的应用前景，是未来虚拟装配技术的发展方向之一。 本文研究了协同虚拟装配系统体系结构构建方法，及相应的同步 和冲突控制技术；并将三维力反馈技术应用到协同虚拟装配系统中， 研究了虚拟装配场景中的实时碰撞检测和碰撞响应技术。论文的主要 研究工作如下： 首先，本文研究了协同装配系统体系结构构建方法，在比较分析 几种典型结构优缺点的基础上，通过对协同装配系统特点的深入剖 析，设计了基于c s 结构的混合式协同虚拟装配系统软件架构方案； 在该体系结构的基础上，研究了同步与冲突控制技术，采用了基于 c p 消息的数据传输方式实现系统中的同步控制；设计了一种基于令 牌的机制实现协同装配操作中的冲突控制。 然后，本文研究了基于空间域和基于时间域的实时碰撞检测算 法，提出了适用于协同虚拟装配系统的“a a b b 包围盒八叉树”算 法，该方法将包围盒技术与空间剖分技术相结合，大大提高了碰撞检 测的效率，进而提高了系统的整体性能；本文还研究了虚拟装配场景 中的碰撞响应算法，提出在显示层面应用基于运动分析、在力觉输出 层面应用基于物理分析的方法，该方法利用碰撞检测的结果对碰撞响 应进行了运动和物理两方面的分析和解算，提高了碰撞响应的综合效 果。 最后，基于上述理论，本文实现了具有三维力反馈的协同虚拟装 配系统。在该平台上进行了模拟装配仿真实验，对本文提出的相关算 法进行了实验验证和结果分析。实验表明，该协同虚拟装配系统能够 满足实时性、同步性和协同性的要求。 关健词：协同装配同步策略冲突控制碰撞检测三维力反馈 一、芷 ，山j 。，bmnt唯1 f r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g yo f c o l l a b o r 久n v ev i 王u a la s s e m b i y s y s t e m 、m t h3 dh a p t i cf e e d b a c k a b s t r a c t n e t w o r k e dc o l l a b o r a t i v ev i r t u a la s s e m b l ys y s t e ma l l o w sp e o p l e ， w h oa r ef r o md i f f e r e n tp a r t i c i p a n t si nd i f f e r e n tp l a c e s ，f o rc o l l a b o r a t i o n o np r o d u c tp r e a s s e m b l yt h e nt h ed e v e l o p m e n tt i m ec a nb es h o r t e na n d t h ec o s t so f p r o d u c t i n gc a nb er e d u c e db yc o - v e r i f i c a t i o no fa s s e m b l ya n d c o o p t i m i z a t i o no fp a r a m e t e r s t h e r ew i l lb eav e r yb r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c to fc o l l a b o r a t i v ev i r t u a la s s e m b l ys y s t e mi nt h ef u t u r e f i r s to fa 1 1 t h es t r u c t u r eo fc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l y s y s t e mi s r e s e a r c h e di nt h i s p a p e r a t t e ra n a l y s i s i n g t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so fs e v e r a lt y p i c a ls t r u c t u r e s ，c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fc o i l a b o r a t i v ea s s e m b l ys y s t e m s ，b a s e do nc ss t i u c t u r eah y b r i d c o l l a b o r a t i v ev i r t u a la s s e m b l ys y s t e ms t r u c t u r ei sd e s i g n e d b a s e do nt h i s s y s t e mt h es y n c h r o n i z a t i o n sa n dc o n f l i c tm a n a g e m e n tt e c h n i q u e sa r e s t u d i e d s y n c h r o n i z a t i o ni sa c h i e v e db yu s i n gc pd a t ai nt h em e s s a g e t r a n s m i s s i o n at o k e n b a s e dm e c h a n i s mi sd e s i g n e dt oc o n t r o l t h e o p e r a t i o nc o n f l i c ti nc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l ys y s t e m t h e n ，s p a c ed o m a i n b a s e da n d t i m ed o m a i n b a s e dr e a l t i m e c o l l i s i o nd e t e c t i o na l g o r i t h mi sr e s e a r c h e d a ”a a b bb o u n d i n gb o x o c t r e e a l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rc o l l a b o r a t i v ev i r t u a la s s e m b l ys y s t e m t h i sm e t h o dc o m b i n e sb o x t e c h n o l o g y a n d s p a c es e g m e n t a t i o n t e c h n o l o g y t h ee f f i c i e n c yo f c o l l i s i o nd e t e c t i o ni sg r e a t l ye n h a n c e d ，a n d t h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fs y s t e mi si n c r e a s e d t h ec o l l i s i o nr e s p o n s e a l g o r i t h mi sa l s oe x a m i n e di st h i sp a p e r am e t h o dw h i t hc o m b i n e s m o t i o n b a s e da n a l y s i so nd i s p l a yl e v e lw i t hp h y s i c s - b a s e da n a l y s i so n h a p t i co u t p u tl e v e li sa d o p t e d u s e dt h er e s u l t so fc o l l i s i o nd e t e c t i o nt h e c o m b i n e de f f e c to fc o l l i s i o n r e s p o n s e i s i m p r o v e db y m o v e m e n t l；警 c a l c u l a t i o na n dp h y s i c a la n a l y s i s f i n a l l y , ac o l l a b o r a t i v ev i r t u a la s s e m b l ys y s t e mw i t h3 dh a p t i c f e e d b a c ki sa c h i e v e d o nt h i sp l a t f o r ms o m es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r e p r o c e s s e d t h ea l g o r i t h m sp r o p o s e di nt h i sp a p e ra r ev a l i d a t e da n d a n a l y s is e d e x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h i sc o l l a b o r a t i v ev i r t u a la s s e m b l y s y s t e m c a nm e e tt h e r e a l - t i m e ，s y n c h r o n i z a t i o na n dc o l l a b o r a t i o n r e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：c o l l a b o r a t i v ea s s e m b l y s y n c h r o n i z a t i o np o li c y c o n f l i c tc o n t r o l c o l l i s i o nd e t e c t i o n3 dh a p t i cf e e d b a c k 蔷 t 淳 ； ； ； 毫 目录 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景和意义1 1 2 课题关键技术的国内外研究现状分析l 1 2 1 协同装配技术的国内外研究现状1 1 2 2 协同虚拟装配系统体系结构的研究现状分析3 1 2 3 力觉反馈技术的国内外研究现状分析4 1 3 课题的主要研究内容5 1 4 本文的组织结构6 第二章协同虚拟装配系统体系结构中关键技术研究7 2 1 系统体系结构研究7 2 1 1 基于c s 模式的体系结构研究7 2 1 2 基于b s 模式的体系结构研究9 2 1 3 协同虚拟装配系统特殊性分析1 0 2 1 4 产品模型数据的层次结构分析l l 2 1 5 一种针对协同虚拟装配系统的混合式体系结构1 1 2 2 协同装配系统中的冲突与同步控制策略研究。1 3 2 2 1 协同编辑系统中常见冲突控制策略1 3 2 2 2 协同装配系统与协同编辑系统比较1 5 2 2 3 改进的针对协同装配系统的令牌冲突控制策略1 5 2 2 4 针对协同装配系统的c p 同步控制方法1 6 2 3 本章小结17 第三章协同虚拟装配系统中反馈力解算算法研究1 8 3 1 协同虚拟装配系统中碰撞检测算法概述1 8 3 1 1 基于空间域的碰撞检测算法1 8 3 1 2 基于时间域的碰撞检测算法。1 9 3 2 基于空间域的碰撞检测算法研究1 9 3 2 1 包围盒技术研究2 0 3 2 2 层次包围盒方法2 6 3 2 3 本文采用的 a a b b 包围盒八叉树 算法2 8 3 3 实时三维力觉响应方法研究3 0 3 。3 1 基于运动分析的碰撞响应算法3 0 3 3 2 基于物理分析的碰撞响应算法3l 3 3 3 本文采用的方法3 4 3 4 本章小结3 5 第四章具有三维力反馈的协同虚拟装配系统的实现3 6 4 1 客户端与服务器的功能划分3 6 4 2 功能模块间关系及系统的工作流程一3 6 4 3 三维力反馈技术的实现3 7 4 4 虚拟装配过程仿真及实验3 8 4 5 本章小结。4 5 第五章总结与展望4 6 参考文献4 7 致谢4 9 攻读学位期间发表的学术论文目录5 0 h j 瘩0瓠；善；争。一 。 l 一 北京邮电大学硕士论文 1 i 课题的研究背景和意义 第一章绪论 虚拟制造是实际制造在计算机上的数字实现，是计算机仿真技术和虚拟现实 技术在制造领域的综合发展及应用，是企业以信息集成为基础的一种新的制造哲 理【l j 。虚拟装配是虚拟制造的关键技术之一，用户可在设计阶段对产品进行预装 配，验证装配工艺的正确性，分析装配时间和装配成本【2 1 。 工业中，产品的设计是一项复杂繁难的工作，通常一个产品的各零部件是由 不同部门甚至不同开发商分别设计的。产品各个局部及整体结构是否具有可装配 性、能否在生产中采用，取决于各零部件约束尺寸是否匹配，同时受制于装配工 艺经验和实际装配条件。因此产品的预装配需要多个部门或开发商协作完成，同 时需要充分利用跨地域人员的装配知识、经验等技术资源参与方案确定。而这一 项协同工作就需要一个网络化的协同虚拟装配环境的支持，计算机支持的协同工 作环境( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ，c s c w ) 【3 】为产品的分布式协同装 配提供了技术基础。 协同虚拟装配系统中的技术难点之一是虚拟装配过程的仿真，这主要是由于 装配过程仿真需要很好的交互性。在真实环境中进行装配时，人们能够感受到零 件或工具的反作用力，可以对装配的零件进行精确的定位。然而通常情况下，计 算机提供给人的输出信息大多是视觉和听觉信息，但要使人们获得“身临其境” 的逼真感觉，还必须有触觉和动感的反馈。只有通过人手的运动，与零件模型进 行交互，获取触觉和动感的反馈，才能形成对零件模型的一个完整的认识。如果 没有力觉触觉反馈，操作者将无法感受到装配不合法时零件间的碰撞作用力， 得不到真实的操作感，从而直接影响对装配设计的评价。因此，在提供常规的视 觉反馈的同时，为虚拟装配系统提供力觉触觉反馈也是十分必要的。 1 2 课题关键技术的国内外研究现状分析 异地人员协同装配的实现必然需要一个网络化协同工作环境的支持：多用户 在异地分布条件下，基于三维可视化技术进行装配方案的实时协同决策，因此它 是一个面向装配应用的实时c s c w 环境。实现协同装配环境的重点在于支持装 配相关的应用，在前期装配序列规划结果的基础上进行装配干涉检查、装配过程 可视化和装配序列优化等工作。 1 2 1 协同装配技术的国内外研究现状 目前主流的协同装配系统平台主要可分为两大类：一类是针对特定c a d 系 统的平台；一类是基于虚拟现实技术的平台。 具自兰维力反馈的协同虚拟装配系统关键技术研究 对于特定c a d 系统平台的协同装配，国外的相关研究比较成熟，主流的c a d 公司已经推出了能与其公司的c a d 软件无缝集成的协同装配平台产品，其功能 十分强大但是不具备和其他c a d 平台数据的兼容性，很大程度上影响了其使用 价值。 u g s 公司的t e a m c e n t e r 系列产品【4 】具备强大的产品全生命周期管理的功能， 它帮助企业建立基于w e b 的广义企业来支持产品全生命周期中的所有设计过程 及支持所有参与者协同工作。在整个企业( 即广义企业) 中跨越产品生命周期， 维护产品设计信息，完成产品开发的全过程。将深陷在企业中的、各个孤立于应 用系统中的产品信息解放出来，消除了产品全生命周期中的屏障。需求分析、企 业协同、工程协同、制造协同、项目协同、社区协同、可视化协同等过程全面覆 盖了产品全生命周期中的每个阶段。t e a m c e n t e r 系列产品能够帮助企业降低开发 成本，最大限度地支持企业间及部门间的智力资源重用，在产品生命周期中提早 发现设计缺陷。 c o c r e a t e 公司的o n e s p a c e 5 j 是一个成熟的、商品化的协同装配系统软件，它 的着眼点是通过共享设计理念来实现创新。o n e s p a c e 的协同部分使得人们能够 通过交互共享设计文档和2 d 3 d 设计模型方案。o n e s p a c e 能够直接打开s t e p 、 i g e s 等格式的模型。借助于这个平台，设计人员能够在虚拟团队中协商设计方 案、发现问题，进而解决设计冲突。 对于基于虚拟现实技术的协同装配系统，国内外许多机构展开了大量的研 究。w i s c o n s i n m a d i s o n 大学s h y a m s u n d a r 等【6 】率先对基于i n t e m e t 的协同装配设 计开展了较为深入的研究。他们提出了一种面向协同装配设计的产品表示a r e p ( a s s e m b l yr ep r e s e n t a t i o n ) 。利用该系统，设计人员能够对自己所设计的部件 或者子装配体进行接口装配特征和特定包围体的定义和抽取，并将其通过 i n t e r n e t 传输给相关的协作者，使他们在了解应该满足的装配约束条件下进行部 件或者子装配体的设计，从而保证由不同设计人员设计的部件和子装配相互匹 配。加拿大t o r o n t o 大学的c h e n 等【_ 7 】提出了一种面向i n t e m e t 进行实时协同装配 建模的主装配模型，具体由协同装配表示、多视图、协调控制以及协同任务4 部 分组成。荷兰d e l f t 大学的b i d a r r a 8 】等给出了一个支持分布式开发团队成员问通 过网络同步的协同框架体系，该框架能够建立一种带有单个和复合组件的层次化 产品结构，同时将装配设计任务分配给团队成员。o s u n a 9 】等建立了一种基于w e b 的协同环境下的智能装配任务规划系统，使得产品设计过程和装配系统设计过程 集成在一起。j o r g e 等【l o 】给出了一种采用二维输入设备将分布异构的三维c a d 模型进行装配的创新方法。k i m 等【l i 】通过分析指出当前的装配设计方法在获取非 几何方面连接意图方面存在限制并且在协同的设计环境效率不高，给出了一种装 2 一 # ， ， 一 一 ，1 0 # # l c 厂 。一 l ： 一 北京邮电人学硕上论文 配设计的形式化表达方法和相关的工具，用于表示连接关系和空间隐含关系。在 国内，山东大学的王海军【1 2 】将多通道的人机交互方式应用于虚拟装配当中，实现 了语音、数据手套和跟踪器以及键盘鼠标的多通道交互方式，从面提高了人机交 互的方便性和高效性。 1 2 2 协同虚拟装配系统体系结构的研究现状分析 对协同装配系统体系结构的研究一直是计算机协同工作环境研究领域中的 热点和难点，因此得到了众多人员的关注。国外对于此项技术的研究开展较早， 研究工作也比较深入，技术相对成熟；国内对协同装配系统的研究相对较少，有 几家高校对其进行了研究，也取得了一定的成绩。 k i m 等人【1 3 j 开发了一个基于浏览器朋艮务器模式的具有标注功能的三维交互 系统c y b e r v i e w 。客户端包括v r m l 浏览器、标注界面和产品v r m l 模型，服 务器端由浏览标注管理器、模型转换器和数据库管理系统组成。该系统能使多 个用户对服务器端的三维模型进行浏览和标注，从而达到一定程度的协同装配， 不足之处是只能在高速网络下实现协同浏览。 加拿大t o r o n t o 大学的c h e n 掣7 j 提出了一种面向i n t e m e t 进行实时协同装配 建模的主装配模型，具体由协同装配表示、多视图、协调控制以及协同任务4 部 分组成。 西班牙f o u n d a t i o nl a b e i n 机构的r o s al g l e s i a s 掣1 4 】开发了带碰撞检测和自动 7 约束识别的触觉装配仿真器d a t u m ，该系统分别使用了客户机服务器和点对点 两种网络拓扑结构。试验结果表明，客户机服务器模式对网络条件较为敏感， 在网络条件较好时系统具有很好的性能，但网络条件差时系统不能很好地工作。 点对点模式在网络条件好时也具有较好的性能，网络较差时远程装配用户甚至还 能够将零件装配到另一个用户抓着的零件上。 国内，哈尔滨工业大学的刘江省i l5 】提出了面向管路系统设计的虚拟装配体系 结构。其体系结构主要由4 层组成：物理层、支撑层、功能层和数据层，提供了 对p o v a e 系统硬件、软件、算法、数据等层次上的支持；p o v a e 系统的工作 流程分为三个阶段：数据预处理阶段、管路设计环境构建阶段和管路设计阶段， 充分利用沉浸式虚拟环境的优势，依靠装配人员的装配经验，人机交互地进行装 配组件的装配定位和管路的设计与布置。 山东大学的孟祥旭等f 1 6 1 1 7 】提出了一种支持协同虚拟装配的体系结构，该体 系采用一种集中式和复制式结合的“复合式 的协同体系架构，采用基于c p 消 息的数据传输方式实现实时传输，进一步采用任务的分解执行方式实现协同任务 的实时处理，并基于该架构开发了一个支持实时协同操作的虚拟装配系统。 清华大学的董兴辉等【1 8 】针对协同装配中的预装配、装配顺序规划和装配路径 3 具有三维力反馈的协同虚拟装配系统关键技术研究 规划等过程对模型数据的需求，提出协同装配模型的信息构成：零件信息、装配 信息和决策信息三部分。提出的协同装配系统采用了基于w e b 机制的三层结构， 即用户浏览器、w e b 服务器和数据库服务器，并提出了装配顺序规划和协同消解 装配冲突的策略，但系统采用v r m l 作为模型数据的载体，这使用户对模型的 编辑受到了限制。 华中科技大学的王峻峰等人【1 9 】为支持协同装配设计过程中的过程预装配决 策活动，分析了网络环境下协同装配平台的功能需求，给出了采用b r o w s e r s e r v e r 模式的平台体系结构。提出并分别定义了面向协同装配的应用主模型和可视化从 模型的概念，在w 曲环境下实现了基于应用主模型的装配干涉检查和产品多个 装配序列动态组合的协同装配过程。开发原型系统的应用说明了协同装配应用主 模型方法的可行性和有效性。 北京理工大学的郦仕云、宁汝新等【2 0 j 提出用户界面层、业务逻辑层、管理服 务层、数据服务层、协议层、网络层六层次的协同虚拟装配系统体系结构。该体 系结构支持实时协同操作、动态响应和动态虚拟模型加载。 综上所述，现有的协同虚拟装配系统中c s 结构是较常用的一种，典型的 c s 挈饷工一+ 气中式和复制式两类：集中式结构，将数据存储和处理功能集 。位服务器执行，客户端只负责图形显示与简单的人机交互功能，这种结构简单， 有利于协同控制，但网络负载较重，且服务器性能容易成为系统瓶颈，实时性较 差：复制式结构，与集中式结构相反，每个客户端都保存一份模型数据，人机交 互、命令解析与执行和场景显示等功能都由客户端完成，服务器主要负责消息转 发等简单功能，这种结构网络负荷少，响应速度快，但并发控制困难。由于复杂 产品零部件数量较大，协同装配过程设计部门和用户较多，使用这两种体系架构 都很难同时满足其同步性和实时性的要求。b s 结构是另一种较常用于协同虚拟 装配系统的架构，但基于浏览器的系统只支持v r m l 格式模型的显示，而v r m l 格式文件只提供显示模型数据、无装配约束信息，因此很难完成装配过程中的特 征匹配、碰撞检测、干涉检查等过程。 1 2 3 力党反馈技术的国内外研究现状分析 力触觉交互技术在许多领域都有重要的应用价值，国内外纷纷展开对于该 项技术的研究，但相关研究多集中于遥操作、远程医疗、运动动作技能训练、 教育等领域，针对虚拟装配系统中的力觉反馈技术少有涉及，尤其是三维力反馈 技术的研究更是鲜见。 r o s a 等醒球找粥佣瓤 2 2 】设计了一个基于p 2 p 结构的协同式触觉虚拟装配环境， 该环境允许空间分散的多个用户同时在同一个虚拟环境中完成一个装配任务。 a b h i s h e k 等【2 3 】设计了一个面向虚拟装配的桌面式网络触觉系统，在该系统中， 4 1 i a _ 雾“ 一i 0 、 一肇 7 ? 一 北京邮电人学硕士论文 阻抗式触觉设备p h a n t o m 位于服务器端，客户端只显示装配场景。 s e o k h os o n 等【2 4 】提出了一种基于服务器端h i p 位置预测的方法计算虚拟场 景中的反馈力，该方法通过从客户端接收到的h i p 的位置序列，计算h i p 的运 动速度，在已知网络延时的条件下预测将来的h i p 的位置，通过该预测值来计算 相应的响应力。 欧洲多媒体实验室c l a r k s o n e 2 5 】提出触觉可以作为人类通讯过程中的情感表 达方式。其设计的手机在通话时可以采集用户手握的压力特征参数，并将其实时 传递给通话的另一方，以不同强度的振动在对方手机上进行表征，通过听觉和触 觉的结合达到了丰富信息沟通的目的。 a j h a r d w i c k 等 2 6 】通过触觉交互装置实现了用m o o nt e x t 代替盲文以帮助盲 人更好地学习，其中m o o n t e x t 模型由直线段和圆弧拼接而成。但是，并没有实 现基于更一般的曲线模型的描述方法。 陈成军等【27 】基于c s 结构的触觉式协同虚拟装配系统提出了一种基于接触 状态预测的协同式触觉渲染方法。该方法在服务器端预测基本的接触状态，在客 户端根据本地h i p 的位置和从服务器端接收到的接触状态计算具体的反馈力，发 送给该客户端的触觉设备，并通过实验验证了该方法的有效性。该方法可以大大 的减轻网络传输的负荷，减小由于h i p 位置预测误差造成的反馈力误差。该方法 适用于固定曲率和曲率变化较小的曲线和曲面体的渲染。 综上所述，力觉反馈技术的应用领域较广，但对于三维力觉反馈技术的研究 并不多见，而且目前为止该技术还很少应用于虚拟装配环境，尤其是协同虚拟装 配环境。然而，协同虚拟装配系统中力觉反馈又是十分必要的，当零件装配约束 不匹配或装配过程不合法时，操作者实时逼真地感受到零件间碰撞的作用力，将 有利于参与人员准确评价零件的可装配性，同时有利于零件设计人员及时有效地。 发现零件约束尺寸中存在的问题等。本文将三维力觉反馈技术应用于协同虚拟装 配系统，针对网络协同工作环境的特殊性、模型数据格式的局限性，设计三维反 馈力解算算法，该算法适用于异端网络环境下的实时同步传输。 1 3 课题的主要研究内容 本文的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 研究了协同装配系统体系结构构建方法，在比较分析几种典型结构优缺 点的基础上，通过对协同装配系统特点的深入剖析，设计了基于c s 结构的混合 式协同虚拟装配系统软件架构方案； ( 2 ) 在上述体系结构的基础上，研究了同步与冲突控制技术，采用了基于c p 消息的数据传输方式实现系统中的同步控制；设计了一种基于令牌的机制实现协 同装配操作中的冲突控制； 5 具有二三维力反馈的协同虚拟装配系统关键技术研究 ( 3 ) 研究了基于空间域和基于时间域的实时碰撞检测算法，提出了适用于协 同虚拟装配系统的“a a b b 包围盒八叉树 算法，该方法将包围盒技术与空间 剖分技术相结合，大大提高了碰撞检测的效率，进而提高了系统的整体性能； ( 4 ) 研究了虚拟装配场景中的碰撞响应算法，提出在显示层面应用基于运动 分析、在力觉输出层面应用基于物理分析的方法，该方法利用碰撞检测的结果对 碰撞响应进行运动和物理两方面的分析和解算，提高了碰撞响应的综合效果； ( 5 ) 基于上述理论，本文在w i n d o w sx p 环境下，使用v c + + 2 0 0 5 开发工具， 借助o p e n g l 编程接口构建零件模型，选用n o v i n tf a l c o n 作为力反馈交互设备， 实现了具有三维力反馈的协同虚拟装配系统。在该平台上进行了模拟装配仿真实 验，对本文提出的相关算法进行了实验验证和结果分析。实验表明，该协同虚拟 装配系统能够满足实时性、同步性和协同性的要求。 1 4 本文的组织结构 本文的章节安排如下： 第一章绪论阐述了本文的项目背景、研究容及意义，介绍了论文所涉及 关键技术的国内外研究现状。 第二章协同虚拟装配系统中关键技术研究首先研究协同装配系统的体 系结构构建方法，在比较分析了几种典型结构优缺点的基础上，通过对协同装配 系统特点的深入剖析，设计基于c s 结构的混合式协同虚拟装配系统软件架构方 案；然后研究系统中同步与冲突控制技术，提出针对协同装配系统的基于c p ( 命 令参数) 消息的同步控制策略和一种基于令牌机制的冲突控制方案。 第三章协同虚拟装配系统中反馈力解算算法研究首先研究基于空间域 和基于时间域的碰撞检测算法，并提出适用于协同虚拟装配系统的“a a b b 包围 盒八叉树 算法；然后研究基于运动分析和基于物理分析的碰撞响应算法，提 出在显示层面应用基于运动分析、在力觉输出层面应用基于物理分析的方法。 第四章具有三维力反馈的协同虚拟装配系统的实现基于前述章节的理 论分析，本章完成具有三维力反馈的虚拟装配系统的构建，并通过实验分析验证 本文设计的基于c s 结构的混合式协同虚拟装配系统软件架构方案及三维力反 馈解算法。 第五章总结与展望对论文的研究成果进行了总结，并针对目前的研究状 况分析了进一步研究方向。 6 # i i，望#if，p0k萝营篱z l 、 一 北京邮电人学硕士论文 第二章协同虚拟装配系统体系结构中关键技术研究 2 1 系统体系结构研究 系统的体系结构直接影响协同装配系统的性能、效率、数据的管理和过程的 控制。通常情况下，在构建异地协同装配系统框架时应考虑企业间及企业不同部 门间存在的平台差异问题，不同企业或部门人员工作地点的分布式特点等因素。 另外，协同虚拟装配系统还应具有响应实时性、数据可管理性、操作可控性和节 点可伸缩性等。 而且，零件数据的一致性维护和装配操作的并发冲突问题在很大程度上取决 于协同装配系统的体系结构，特定的系统结构要求有与之相适应的的数据一致性 模型和并发冲突控制方法。 2 1 1 基于c s 模式的体系结构研究 基于c s 模式的体系结构是较常见的协同装配体系结构之一。从层次结构的 角度，可将协同虚拟装配系统体系结构分为：客户柳服务器( c l i e n t s e r v e ! f , c s ) 二层结构和多层结构；从集成模式的角度，可将协同虚拟装配系统体系结构分为： 集中式、复制式、和混合模式。其中，集中式体系结构又可以细分为胖服务器 瘦客户机结构、瘦服务器胖客户机结构和主从式结构。 ，( 1 ) 按层次结构分类 ( a ) 典型的c s 二层结构 该结构的核心思想是将一个应用分成前后台两部分执行：前台计算由客户机 完成，后台计算由服务器承担。运行在客户机端的应用程序包括发给用户的信息 的表达方式、接受用户输入的机制等；服务器则提供数据库的查询和管理、大规 模计算等服务。按功能划分，服务器是服务的提供者，客户机是服务的消费者。 c s 二层体系结构的技术特点包括：根据服务的观点对功能进行了明确的划分； 共享资源；不对称协议；定位透明性；基于消息的交换；可扩展性。 在一般的协同装配系统中，典型的c s 二层结构较为常见，其优点是结构简 单明了易于实现，而且系统易于对零件模型数据进行统一化管理，客户端负载较 轻；缺点是服务器承载了过多的计算量，服务器的性能往往是整个系统的瓶颈， 而且此类结构对网络环境要求较高，在网络环境较差的情况下，很容易出现操作 响应滞后现象。 ( b ) 多层结构 此类结构的基本组成部分有：客户机、服务器和中间件。 客户机运行数据请求程序，并将这些请求传送到服务器。客户机软件由网络 接口软件、支持用户需求的应用程序以及实现网络能力的实用程序组成。网络接 7 具有三维力反馈的协同虚拟装配系统关键技术研究 口软件提供各种数据传输服务。 服务器上执行后端处理。后端处理设备是一台管理数据资源并执行数据库引 擎功能( 如存储、操作和保护数据) 的计算机。服务器软件既包括遵循于o s i 或其他网络结构的网络软件，又包括由该服务器提供给网络上客户机的应用程序 或服务软件。 中间件保证了网络中各部件( 软件和硬件) 之问透明地连接，即隐藏网络部 件的异构性，尤其保证不同网络和不同访问语言的透明性。由于用途不同，存在 着不同种类的中间件。主要有数据访问中间件、远程过程调用( r p c ) 中间件、 分布式事务处理中间件、对象调用中间件以及面向消息的中间件等。此类体系结 构的示意图如图2 1 所示。 图2 1 三层c s 模式体系结构示意图 此类结构的优点在于任务划分清晰，以及对于不同网络和不同语言间异构的 兼容性，缺点是系统不易于移植，以及对于需求变化的敏感性。在协同虚拟装配 应用中并不多见。 ( 2 ) 按集成模式分类 ( a ) 胖服务器瘦客户机结构 这是一种最为典型的集中式结构，由服务器处理所有客户输入和显示输出事 件：所有客户的输入事件都被发送到服务器上的集中式应用( c e n t r a l i z e d a p p l i c a t i o n ) ，由该应用处理这些输入事件，生成显示输出界面，并采用广播的 形式转发给所有的客户站点。这里的客户机相当于一个哑终端，仅负责输入输 出界面。 ( b ) 瘦服务器胖客户机结构 服务器提供一些共享数据的访问功能，由各个客户机上的分布式应用 ( d i s t r i b u t e d a p p l i c a t i o n ) 来处理输入输出事件。这里的客户机相当于一个智能 终端，不仅负责输入输出界面，而且要处理事件。 ( c ) 主从式结构 f l - 围 圈 圈 ，_。l厂，_。，、，j 务o；等o；拳：；垫蛰。一 北京邮电人学硕十论文 客户机服务器结构的一个变种，将其中的某一个客户机同服务器合在一起 组成主方，其它客户机组成从方。 集中式结构，特别是胖服务器瘦客户机结构，由于应用程序和应用数据都 放在服务器上集中管理，使协同装配系统的零件数据一致性维护和装配操作并发 冲突控制得以简化，可以采用较为简单的集中式并发控制来维持共享数据的一致 性维护。 ( d ) 复制式结构 每个客户端上都有一个相同的复制式应用( r e p l i c a t e da p p l i c a t i o n ) 和复制 式数据拷贝( r e p l i c a t e dd a t ec o p y ) 。每个客户端一方面接受本地用户的输入事 件，对本地数据拷贝进行操作，另一方面通过交换各个客户端上的事件来保证系 统中共享数据的一致性。因此，严格复制式系统的各个客户端不仅要保证有一个 共享数据拷贝，而且要有一个完整的成员对象通讯列表，以便进行对等方式下的 多点传输。 复制式体系结构的优点是本地速度响应快、可靠性能高，能真j 下体现异地协 同装配系统平等、分散的协同工作特征。缺点是需要运用复杂的并发控制技术以 及保证共享零件模型数据的一致性。 ( e ) 混合式结构 介于集中式和复制式之间，将应用程序和应用数据在各个站点之间进行分 配。混合式结构的一致性维护和并发冲突特点各异。c o c a d t o o l a g e f i t 的总体协 作框架采用了一种偏复制式混合体系结构，以兼容现有的c a d 系统的图形数据 库格式，其一致性维护和并发冲突有其自身的特点，因此综合了上述并发控制方 法，采用了复合的技术路线。 2 1 2 基于b s 模式的体系结构研究 分布处理计算技术随着具体应用的需要不断发展，开发的分布系统规模越来 越大，尤其是在i n t e m e t 环境下，分布处理技术仅支持位置透明性是不够的，分 布处理技术必须得到发展。在这种需求的驱动下，伴随着w e b 和数据库技术的 发展，促使了b s 模式的产生。实质上它是一种特殊的c s 模式，利用客户端的 w e b 浏览器集成了c s 模式的客户端程序，通过w e b 服务器来扩展服务器的功 能，更加适合于i n t e m e t 环境下异地资源的远程调用，是支持机械产品协作开发 的重要技术。 c s 模式是松散偶合结构，它们通过消息传递机制进行对话，客户向服务器 发出请求，服务器进行相应的处理后将结果返回客户。b s 模式简化了客户端软 件，只需装上浏览器作为客户端应用的运行平台，而将所有的开发、维护和升级 工作集中在服务器端。用户使用浏览器上网，向w e b 服务器发送请求，w e b 服 9 具有三维力反馈的协同虚拟装配系统关键技术研究 务器处理请求，查询数据库，执行应用程序，并将结果信息组织成超文本标记语 言( h y p e r t e x t m a r k 即l a n g u a g e ，h t m l ) 页面发送给用户，在用户的浏览器上 显示，组成了分布式的b s 计算模式。 2 1 3 协同虚拟装配系统特殊性分析 产品的开发是一个反复迭代、不断优化的并行过程，而数字化预装配技术是 联系产品的设计和后续工艺规划的纽带。如图2 2 ，数字化预装配技术将产品设 计阶段产生的产品数字数据信息在计算机内进行虚拟实物复现，并进行装配过程 仿真、装配路径规划和装配质量性能验证等，以验证产品的可装配性。从而能够 在产品实际制造和装配之前，及时发现产品装配设计和工艺规划中的缺陷与错 误，在计算机上分析与验证产品的装配性能及工艺过程，改进设计，优化装配工 艺，降低生产成本，缩短开发周期。 设计 人员人员资源 图2 2 产品装配并行开发全过程 协同虚拟装配是指物理地址很远的各个设计人员通过网络在同一个场景中 进行虚拟装配。协同装配设计区别于传统装配设计方式的特点是需要集中广义装 配设计人员，共同决策、讨论装配相关问题，它强调集体的智能和问题的协同求 解，当出现装配矛盾和冲突时召集相关设计人员进行设计修改。它是借助于计算 机软硬件设备对装配过程的实时仿真。而虚拟装配的目的是通过预装配得到一条 或几条可行的装配顺序。因此协同虚拟装配系统必须具备以下的功能： ( 1 ) 场景实时渲染。 工程设计人员在虚拟环境中能“