对于虚拟环境交互式装配的约束行为控制外文翻译资料

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对于虚拟环境交互式装配的约束行为控制

摘要 交互式装配给用户提供了与虚拟原型而不是物理模型的交互机会，并且用现实的方法验证产品的装配表面。这样的评估将可在产品的早期未来任何物理样机的开发过程。减少或消除物理样机的组装所需性能验证可以大大缩短产品开发周期，降低开发成本。虽然虚拟现实技术为用户提供一个直观，身临其境的3D互动接口，它往往是不准确的，因为人类难以实现精确定位任务。因此，有必要对装配操作进行有效的动作操纵，使得用户可以在虚拟装配系统中实现精确定位。约束行为管理器已经开发并应用到虚拟装配系统中。实验表明本文提出的约束装配操纵不仅仅提高了装配关系辨识的效率，而且有利于在虚拟环境中的装配互动。

关键词 虚拟装配 约束识别 约束操纵 装配特征 虚拟环境

1. 简介

虚拟装配是一个强大的工具，有利于产品开发过程。通过直观的三维虚拟样机技术，用户可以实现交互执行装配操作，计划装配顺序和路径，检查装配干涉和分析产品装配性能。除此之外，这种验证可以在建立物理模型之前提早应用于产品开发过程。这个减少或消除物理样机所需的装配性能验证可大幅缩短产品开发周期，降低开发成本。

装配操作通常是在受限制的空间中执行。在虚拟装配系统中，用户所期望的是组装组件可以与其他物体像在现实世界中一样进行交互，即，他们可以彼此相接触并且可以无渗透的沿某些路径环绕其他物体。与键盘和鼠标的桌面交互相比，虚拟现实绝不是一种精确的交互方法，因为人类有精确定位任务的度。不借助任何外部设备的帮助，人们很难沿着确定的轨迹将物体移动到某个特定的位置或保持手在一个确定的位置毫不抖动的静止不。人类在现实世界中可以依赖视觉和触觉的反馈调整自己的动作来补偿不精确的位置。然而，由于复杂装配任务的高成本和实时力反馈技术不成熟，在虚拟环境中主要依赖于视觉反馈以调整用户的装配操作。因此，必须提供有效的方法来指导和限制在虚拟装配过程中组件的行为，使用户可以高效直观地组装组件。

本文探讨和开发在虚拟环境中对于交互式装配的约束行为管理（CBM)。CBM负责装配关系识别，装配约束求解和虚拟装配过程中的约束运动。为了一个更有效的行为管理，CBM充分利用装配连接知识，包括组件之间的几何约束，尺寸约束，装配顺序控制约束和几何约束满足的顺序。

下一节介绍了在虚拟装配中关于约束和行为操纵的相关研究。文中第3节给出了CBM开发的概述。第4节介绍了装配端口的概念和装配特征，前者是一个零件上装配表面的集合，后者描述的是耦合装配端口的关系。之后，介绍了装配口的规范方法。第5节提出了一种基于组件连接关系的行为信息捕获的方法。第6节提出了一种在虚拟装配中的行为管理方法，这种方法通过对装配特征和几何结构的识别来捕捉装配关系，通过求解几何约束执行约束动作。CBM在虚拟装配系统中的一些试验在第7节做了介绍。第8节给出了一些讨论。最后，9节介绍这项工作的结论和定义了未来工作的方向。

1. 相关工作

随着工程应用的虚拟现实技术日益成熟，近几年关于虚拟装配的研究已迅速增加。研究人员从装配模拟[ 1,2 ]，装配规划[ 3，5 ]，虚拟拆装[ 6 ]，人为因素分析[ 7，8 ]和汇编任务训练[ 9 ]各个方面进行了虚拟装配研究。作为一个关键问题，在大多数虚拟装配的研究约束和行为操作方法一般都可以分类分成四类：

1、基于触觉反馈的约束与行为操纵[ 10 - 12 ]：它通过触觉设备限制用户手的移动，如PHANToM触觉装置或CyberForce力反馈装置。例如，在虚拟装配中一旦组装对象与其他对象有接触，触觉设备将施放力到用户的手上，使组装物体无渗透的沿接触面移动。这种方法反映对象的实际约束运动，这种运动需要一种特殊的触觉反馈装置的支持。到现在为止，触觉反馈系统和算法还没有成熟到足以适用于复杂的虚拟装配。一般情况下，触觉渲染频率的需要约1000赫兹，这对于一个单一的点时可能实现的，但对于大多边形和大工作环境的复杂装配特征是无法达到的。

2、基于捕捉的约束和行为控制[ 7，13，14 ]：它更类似于CAD系统的捕捉功能。假定每个对象的最终位置已经被确定，如果组装对象靠近最终位置，虚拟装配系统将会自动调整组装对象到最后的位置。“接近捕捉”和“碰撞捕捉”[ 13 ]是该理论方法的典型应用。在虚拟环境中，只要在组装对象之间发现了碰撞（碰撞捕捉），或者组装对象十分接近其最终位置（接近捕捉），系统就会立即把组装对象移到其预先定义好的位置。然而，捕捉理论假定每一个对象的最终位置是预先知道的，这就意味着不同物体的定位在虚拟装配中是不能改变的。此外，捕捉理论不能完全检测到装配过程中可能发生的干涉，因为它直接将物体从先前的位置（用P′表示）移动到最终位置（用P表示），而忽略了P′和P之间的中间过程。

3、基于几何约束的约束和行为控制[ 1,15-17 ]：通过根据其几何约束来修改对象的运动，这种方法仅使物体在其允许的运动空间运动。实时几何约束识别是该方法的关键。Fa et al.[ 15 ]提出了一种带有约束的直观的三维操作方法，它利用几何约束识别和许用运动推理来实现定位任务。Jayaram等[ 1 ]在VADE中实现了沿轴线或水平线的约束运动。Zachmann[ 16 ]介绍了基于装配模拟的接触式的约束运动。Marcelino 等[ 17 ]提出了可以支持在虚拟环境中交互式拆装的约束管理器。约束管理器中采用的关键技术是直接交互，自动约束识别，约束满足和约束运动。然而，几何约束识别算法的复杂性随着装配复杂性的增长显著增加。此外，一些公认的约束实际上并不符合用户的意图。

4、基于信息的约束和行为控制：Jung等[ 18 ]提出了COAR（对于物体装配和作用的概念）和对于虚拟装配模拟系统的信息推理方法。基于信息的可视化机械对象连接端口的描述，使得沿旋转变化的自由度进行零件装配和拆卸的模拟变得可行，其中包括用于钉孔状插入建模的输出端口，用于共面连接建模的水平断口和用于不引起自由度变化的点状连接的点端口。然而，信息推理方法有较弱的可扩展性并且用户需要构建对每个产品的信息描述。

3 系统概述

本文的约束行为管理器（CBM）旨在准确地控制组件的约束以有利于用户在虚拟装配系统中直接和现实的装配操作。图1表明了CBM的结构。

CBM的主要模块包括：

1、装配端口定义：CBM中的模型以IGES格式或SAT格式导入。具有这样格式的模型只包含几何信息。因此，虚拟装配前的一个必要步骤是定义装配端口，它通过挑选零件上的表面描述了零件之间的交界面。

2、行为信息捕捉：装配端口要被捕捉的行为信息涉及到虚拟环境中装配关系、装配顺序和装配操作的规则和约束。

3、装配特征识别和约束识别：前者辨别装配端口间潜在的装配特征，而后者实现了曲面间几何约束的识别。

图1 约束行为管理器的结构

4、约束求解和约束运动：组件的运动通过求解应用约束而被控制，使组件总是在其允许活动空间运动。

CBM起初应用于桌面虚拟装配系统（见图2），该系统使用 Windows2000 /XP作为操作系统，使用数据手套和鸟群追踪系统作为手势输入设备，使用i_glasses头盔显示器（HMD）作为立体显示设备。我们最近把CBM移到一个基于仿真CAVE（见图3）的虚拟装配系统中，该系统采用IRIX 6.5作为操作系统，利用数据手套和鸟群追踪装置作为手势输入工具。此外，用户可以利用立体视觉眼镜在CAVE中观察装配场景。

图2 桌面虚拟装配系统 图3 CAVE虚拟装配系统

4 装配端口和装配特征

4.1装配端口

文献中有许多装配端口的定义。在[ 18 ]中，一个端口代表在一个物体里允许对象与其他对象匹配的位置。在[ 19 ]中，装配端口被定义为一组或多个低级别的几何实体，经过交配的约束，从而成为CAD装配体的一部分。

在本文中，装配端口是一个零件连接表面的集合并能表示零件连接交界面。从装配任务的角度看，零件是由一系列的装配端口组成的，装配体可以被视为有确定关系中的装配端口的连接。装配端口的定义可以归结为几何表面集合，端口类型，参数列表，兼容组件端口类型及其相关的组装特点。装配端口是一个附着于组件的实体。它的特点是不可见性，因为它在虚拟装配场景中不能显示出来。

我们将装配端口分为两类。一类是几何端口，指装配体的配合面，如平面，圆柱面和锥形表面。另一类是连接端口，它是一组几何端口，通常在工程中规范。图4显示了一些连接端口的实例，例如螺栓，螺母，销，孔，轴承，键（包括平键、半圆键、楔键等）、槽（包括平行槽、槽、楔形槽等）。

4.2 装配特征

在文献当中有许多装配特征的定义。在[ 20 ]中，装配特征是在不同零件上两种形态特征的联系，即用规范形式表达的属于不同零件的几何特征。在[ 21 ]中，装配特征是延伸装配体信息的组件之间的基本关系。在[ 22 ]中，装配特征被定义为关于其他组件的或在其他组件的背景下装配体单元的特征，他可以提供关于产品装配的设计，制造或功能的装配体信息。

本文将装配特征定义为在不同组件上一组装配端口之间的相互关系，其中包含装配端口间的几何约束，尺寸约束，装配顺序，几何约束满意度。熟悉的装配特点有“销孔连接”，“面-面配合”，“螺栓紧固”、“螺栓螺母紧固”、“平行键-槽连接”等。

4.3 装配端口的规范

通过目前CAD系统的数据接口很难实现形态特征和装配约束的数据交换。因此，有必要在虚拟装配之前明确装配端口以获得不同组件间的配合表面。规范过程如下：

1. 几何端口提取：从最终装配体到构造几何端口自动提取配合面。图5b阐明了从图5a所示的支架装配体中提取的几何端口。

图4 连接端口.

a.螺栓端口.b.螺母端口c.销端口.d.孔端口.e.齿轮端口.f.键端口g. 榫端口.h.楔形端口.i.平行槽端口.j.凹槽端口.k.楔形槽端口

2、圆柱形和锥形表面的凹凸分析：就凹凸表面而言，圆柱形和锥形表面可以

进一步分为销端口和孔端口。销端口由凸面构成，孔端口由凹面构成。此外，，向量平行于表面轴线的端面也被视为销或孔端口的表面。

3、连接端口定义：用户通过选择一组几何端口和输入相关参数来确定连接端口。为了提高效率，我们为每个连接预定义了端口模板，它描述了附属的几何端口和它们的拓扑关系。在实践中，用户需要根据系统指示选择连接端口类型，和一个或一些几何端口（用Gi表示）。然后系统自动搜索Gi附近的几何端口，并且利用预先定义好的模型把它们匹配起来从而发现所需要的几何端口和属性值的剩余部分。图5c展示了一个用不同颜色表示的支架装配体的连接端口，其中包括销，孔，键，键槽，形孔，形销、圆螺母，平行键槽，平键和轴承的端口。这些连接端口是由图5b所示的几何端口组成的。例如，圆螺母端口由两个平面端口和一个圆柱面个端口组成。通过连接端口，在装配体特征中可以简洁地描述不同组件之间的关系。例如图5c中r1（轴），r2（键）和r3（齿轮）之间的关系可以被表示为“平行键-槽连接”。

图5 支架装配端口.a.支架装配体.b.几何端口提取.c.支架的连接端口

5 从装配关系中推断行为信息

行为信息表示了在虚拟装配系统中有关组件的约束和规则。行为信息，如几何约束、尺寸约束、装配顺序和几何约束满意度序列，可以推断装配连接关系。

在虚拟装配过程中，几何约束在一定的顺序中被确认和满足。有三种情况：（1）约束结构psi;_i优先于psi;_j（表示为S（psi;_i）＞S(psi;_j)）;(2)约束结构psi;_j优先于psi;_i并且psi;_j趋近于psi;_i（表示为S(psi;_j)→S(psi;_i)）;(3) 同时满足约束psi;_i和psi;_j（表示为S(psi;_j)=S(psi;_i)）。基于上述情况，我们可以获得三种对应的约束集：

1. 优先满足约束集：如果约束集A中每个单元的满足度都优先于psi;,则A就是psi;的优先满足约束集（表示为A=prior(psi;)）；
2. 次级满足约束集：如果约束集A中的所有单元都满足了，约束集B才满足，约束集B就是约束集A的次级满足约束集（表示为B=next(A)）；
3. 同步满足约束集：如果约束集A中的每个单元在psi;满足的同时也满足，则约束集A就是psi;的同步满足约束集（表示为A=stimulatenous（psi;））。

以上暂时的标记符号也可以用来描述装配顺序约束。

在图6中，part1和part2用螺栓和螺母紧固，这隐含以下行为信息：（1）几何约束：part1和part2的螺栓，螺母，螺纹孔是同轴的；part1和part2的顶面相对的，等；（2）尺寸约束：两个螺纹孔直径是相等的，而螺栓的长度应该是比part1，part2和螺母的总厚度长；（3）装配顺序约束：part1和part2需要先装配组装后，然后再进行螺栓和螺母的装配；（4）几何约束的满足序列：以螺栓装配为例，首先满足螺栓和孔之间的“同心”约束，然后再满足螺栓底面和part1之间的“相对”约束。因此，图6中“螺栓-螺母紧固”装配体特征的行为信息可以表示如下：

螺栓-螺母紧固（part1，part2，螺栓，螺母）

{几何约束：

C₁ 同轴（part1.孔，pa

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