專利名稱：虛擬環(huán)境中裝配工具庫建立的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種制造業(yè)仿真技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體地說，是一種虛擬環(huán)境中裝配工具庫建立的方法。
背景技術(shù)：
產(chǎn)品的裝配是產(chǎn)品的設(shè)計實現(xiàn)過程關(guān)鍵的一步。另外，裝配規(guī)劃提供主要的反饋，有助于設(shè)計者從制造的角度改進設(shè)計。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)品裝配能夠減少勞動力，提高產(chǎn)品裝配規(guī)劃的質(zhì)量和完整性。而裝配工具是驗證產(chǎn)品可裝配性的一個重要因素，在虛擬環(huán)境中使用工具對產(chǎn)品進行裝配，一方面增加了產(chǎn)品裝配過程的真實性，提高了產(chǎn)品可裝配驗證的效率；另一方面為產(chǎn)品裝配的工藝規(guī)劃和裝配線的設(shè)計以及裝配工人的人機工程學評價提供了依據(jù)。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，裝配工具模板庫(Phong Tran，Simmy Grewal；A data model for an assembly planning software system；Computer IntegratedManufacturing Systems Vol.10，No.4.p.267-275，1997)被建立了，由用戶根據(jù)裝配任務選擇和定義對應的工具。通過定義工具的參數(shù)可以在裝配規(guī)劃過程中充分考慮到工具對裝配工藝的影響。Wilson(Randall H.Wilson；A Framework forGeometric Reasoning About Tools in Assembly；Proceedings of the IEEEInternational Conference on Robotics and Automation Minneapolis，Minnesota-April 1996，1836-1844；Randall H.Wilson；Geometric Reasoning About Toolsin Assembly；Artificial Intelligence 98(1998)237-279)主要研究裝配工具的表達和推理，對各種裝配工具給出了表達和幾何可達性問題的總體框架。(Wang.C.L，Cannon.D.J；Virtual-reality-based point-and direct robotic inspectionin manufacturing；IEEE Transactions on Robotics and Automation.Vol.12，(1996)No，4，pp.516-531)開發(fā)了一個柔性制造范例，為了盡可能快的執(zhí)行任務，交互的指定機器人使用虛擬工具將零件拾取并放置在工作臺上。文獻[5]開發(fā)了一個具有智能屬性的虛擬工具進行虛擬環(huán)境下神經(jīng)血管手術(shù)，虛擬工具的位姿通過位置跟蹤器獲得。(Luis Serra，Wieslaw L.Nowinski，Timothy Poston，Ng Hern etc.；The Brain BenchVirtual tools for stereotactic frame neurosurgery；MedicalImage Analysis(1996/7)Vol.1，number 4，pp 317-329)利用虛擬工具進行腦外科手術(shù)，使得操作者很容易學習，而且快速的使用二維鼠標操作三維虛擬工具，可視化虛擬工具的操作軌跡，進行手術(shù)的規(guī)劃。虛擬環(huán)境中零件模型的表達以及幾何對象的組織方式我們已經(jīng)在(武殿梁、楊潤黨等；虛擬裝配環(huán)境中的裝配模型表達技術(shù)研究；計算機集成制造系統(tǒng)；2004(10)11p1364-1369)中進行專門的研究。
目前，對虛擬環(huán)境下裝配工具的表達和使用技術(shù)的研究較少，已經(jīng)給出的研究存在一些問題主要集中在醫(yī)學方面的應用或者就是針對某種特定工具，沒有研究虛擬環(huán)境中裝配工具的統(tǒng)一表達和裝配工具庫以及裝配工具的使用方法和過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種虛擬環(huán)境中裝配工具庫建立的方法。使其根據(jù)工具的驅(qū)動方式以及與操作對象作用方式對工具進行分類，在虛擬環(huán)境中建立工具庫，操作者根據(jù)需要選擇工具，利用虛擬手在虛擬環(huán)境中操作工具，動態(tài)建立工具與操作對象的幾何約束關(guān)系，當工具和操作對象的約束關(guān)系建立完成，就可以利用工具對操作對象進行交互式的裝配。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明分虛擬環(huán)境中工具的統(tǒng)一表達、工具的定位時工具與操作對象的約束動態(tài)建立、工具對操作對象的精確定位三個步驟來完成①虛擬環(huán)境中工具的統(tǒng)一表達，為了滿足虛擬現(xiàn)實中產(chǎn)品裝配的要求，工具的幾何和拓撲表達統(tǒng)一采用B-rep方法，為了實現(xiàn)虛擬環(huán)境中對零部件的操作，工具類需要具有查詢、物理、操作、幾何拓撲和操作對象5種屬性，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬環(huán)境中利用工具對操作對象的交互裝配，使其到達最終的裝配位置；所述的工具，包括螺絲刀、套筒和螺栓扳手手工工具以及零件操作設(shè)備。
所述的工具，根據(jù)其幾何特征、與操作對象的連接關(guān)系以及虛擬環(huán)境下虛擬工具的使用特點來表達和推理裝配中所使用的各種工具。
所述的操作，其屬性是工具被虛擬手操作過程中的一些變量值，顯示屬性標識工具碰撞時候的顯示狀態(tài)，抓取標志是標識工具是否被虛擬手抓取，約束鏈表是記錄工具與操作對象之間的幾何約束信息，它的主要功能是記錄和設(shè)置工具與操作對象之間的位姿固定關(guān)系。
所述的操作對象，其屬性是記錄工具操作對象的信息，對象的類型和ID是指工具選擇操作對象的零件或者裝配體類型，以及它在零件庫或者工具庫中的編號；與工具的固定關(guān)系標志指工具和操作對象之間是否固定，如果它們之間的所有約束都滿足在關(guān)系是固定的，否則他們之間是可以相對運動的，此時工具不能和操作對象一起移動；當工具和操作對象之間的關(guān)系固定時，操作對象與工具的固定變換就記錄了它們之間的相對位姿關(guān)系矩陣；待捕捉約束鏈表是操作對象與其它零部件之間需要滿足的幾何約束。
②工具的定位時工具與操作對象的約束動態(tài)建立，在虛擬手驅(qū)動工具運動的每一幀，根據(jù)工具約束的鏈表、符合約束類型的幾何元素信息和操作對象信息進行動態(tài)的約束幾何元素關(guān)系判別，通過工具與零件之間的約束類型和約束兩個幾何元素的類型，實時的計算約束兩個幾何元素之間的位姿關(guān)系，當它們的位姿達到設(shè)置的約束捕捉誤差時，自動將兩個約束幾何元素高亮顯示；操作者工具約束識別的結(jié)果發(fā)出信號確定此約束成立，此時系統(tǒng)將自動調(diào)整工具的位姿使其滿足約束關(guān)系，在存在作用的約束后就要對工具的運動進行引導；這樣的過程反復直到工具和操作對象之間建立了固定關(guān)系；所述的工具的定位，其過程包括虛擬手對工具的抓取和工具操作對象的選擇、工具與操作對象約束的動態(tài)建立。
虛擬環(huán)境中由操作者根據(jù)與工具發(fā)生碰撞的結(jié)果選取操作對象，確定對應的BREP零件、確定裝配層次和最高子裝配、確定并設(shè)置工具操作對象的類型和ID，進一步生成并設(shè)置工具操作對象的各動態(tài)鏈表，記錄本幀位置跟蹤器的位姿矩陣和操作對象的變換矩陣。
⑧工具對操作對象的精確定位，當工具和裝配的零部件的位姿關(guān)系固定后，就可以利用工具對零部件進行操作，使其到達最終的裝配位置，將工具和操作對象看作一個剛體，那么操作對象定位的基本步驟和過程與工具的定位基本一致。


圖1虛擬環(huán)境中裝配工具的模型表達示意2工具的抓取過程示意圖其中2-a為虛擬手與工具發(fā)生碰撞的情況，2-b為系統(tǒng)自動將虛擬手的位置調(diào)整至抓取點位置圖3工具與操作對象約束的動態(tài)建立過程示意框4工具和操作對象的約束識別示意圖其中4-a是軸對齊約束的識別，4-b是螺栓和工具的定位結(jié)果圖5套筒的表達示意圖具體實施方式
以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明提供具體實施例如圖1-5所示，本發(fā)明三個步驟虛擬環(huán)境中工具的統(tǒng)一表達、工具的定位時工具與操作對象的約束動態(tài)建立、工具對操作對象的精確定位實施內(nèi)容1、虛擬環(huán)境中工具的統(tǒng)一表達對于一般機械產(chǎn)品和生產(chǎn)線而言，虛擬環(huán)境和實際裝配中使用工具的最大區(qū)別就是工具與操作對象之間關(guān)系的建立，虛擬現(xiàn)實硬件缺乏真實力反饋的條件下，動態(tài)的建立和刪除工具與操作對象之間的幾何約束是解決工具與操作對象關(guān)系的重要手段。
利用虛擬環(huán)境中零件模型的表達以及幾何對象的組織方式公開的現(xiàn)有技術(shù)，虛擬環(huán)境中零件、工具和裝配體都是虛擬手的操作對象，零件是裝配體的最小單元，工具是操作對應零部件的主動體，裝配體是有零部件組成的對象；而約束是將零部件之間以及工具與零部件之間聯(lián)系起來的橋梁。工具可以看作特殊的零件。
為了滿足虛擬現(xiàn)實中產(chǎn)品裝配的要求，工具的幾何和拓撲表達統(tǒng)一采用B-rep方法。為了實現(xiàn)虛擬環(huán)境中對零部件的操作，工具類需要具有查詢、物理、操作、幾何拓撲和操作對象5種屬性，具體的表達如圖1所示。
<查詢屬性>∷＝<工具ID><工具名稱><工具類型><面片模型ID>
<物理屬性>∷＝<抓取點坐標><質(zhì)量><密度><轉(zhuǎn)動慣量>
<幾何拓撲屬性>∷＝<局部坐標><特征參數(shù)><包圍盒><面表><邊表><點表>
<操作屬性>∷＝<顯示屬性><抓取標志><約束鏈表>
<操作對象屬性>∷＝<對象類型和ID><與工具的固定關(guān)系標志><與工具的固定變換矩陣><待捕捉鏈表>
查詢屬性中工具ID是在工具庫中的編號，具有唯一性。工具名稱是另外一種工具的工具庫的查詢方式。工具類型是枚舉型，具有可擴展性，不同的類型具有不同約束信息。面片模型ID是指工具在虛擬環(huán)境中的顯示模型庫中的編號，具有唯一性；面片模型是從CAD軟件中轉(zhuǎn)換的，包括wrl、stl等格式。碰撞模型ID在工具在碰撞模型庫中的編號，用來查詢工具和零部件對應的碰撞模型。
物理屬性中抓取點的坐標指虛擬手抓取工具時根據(jù)虛擬手的姿態(tài)和抓取點的坐標確定虛擬手和工具的相對位姿，它是在工具局部坐標系下描述的，目的是為了使得虛擬手每次抓取工具時始終與工具的相對位置一定并在工具的適當位置。工具的質(zhì)量、密度和轉(zhuǎn)動慣量是評價工具可操作性和操作難易程度的主要指標。
幾何拓撲關(guān)系中的局部坐標系記錄工具坐標系和三個坐標軸的姿態(tài)角。特征參數(shù)是指工具兩個工作面的距離或者操作對象的給出直徑，主要是來區(qū)別同類工具中的不同型號。裝配操作中，零件與工具所處的狀態(tài)對系統(tǒng)進行約束進行捕捉時直接影響系統(tǒng)的性能如果范圍過大，則需要實時處理很多不符合預定誤差限的約束，增加了系統(tǒng)的計算量；如果范圍過小，用戶難以捕捉到某個約束，影響操作效率。包圍盒是用來確立工具與操作對象動態(tài)約束捕捉范圍的，當工具與操作對象的包圍盒相交時才進行約束捕捉與處理。幾何與拓撲信息中的面表和線表是用來描述工具中可能與操作對象產(chǎn)生約束的幾何元素信息面表記錄所有面的ID和類型，面結(jié)構(gòu)分為平面、圓柱面、旋轉(zhuǎn)面等，每個面結(jié)構(gòu)面的參數(shù)、局部坐標、邊環(huán)等信息；先結(jié)構(gòu)包括直線、圓弧等；點記錄以工具坐標系為參考的定位點和控制點等坐標。參與工具約束的幾種幾何元素類型主要是平面和直線。
約束信息由三部分組成約束基本信息、與主動體相關(guān)的信息以及與配合體相關(guān)信息。主動體是與此約束相關(guān)由虛擬手控制運動的零件或工具，操作屬性中約束的主動體指的是工具，配合體指的是工具的操作對象；操作對象屬性中的主動體是與工具固聯(lián)的零部件，配合體是與工具操作對象存在約束、靜止不動的零件。約束基本信息包括在約束庫中的ID、約束類型(包括貼合，對齊，貼合偏移、對齊偏移、定角等約束)、約束參數(shù)，對齊和偏移為0，偏移約束是偏移距離，定角型約束參數(shù)是角度值、約束標志是指此約束是否已經(jīng)滿足。主動體中的信息包括此約束涉及兩個零件中運動零件的ID、主動體中參與此約束的幾何元素ID以及類型。配合體中的信息與主動體類似。工具操作對象中待捕捉約束鏈表中的約束是從CAD軟件通過專用接口得到的，所有的信息是已知的。而工具操作屬性中約束鏈表中的約束的基本信息在建立工具庫時給出，而主動體和配合體的信息是未知的。
②工具與操作對象的約束動態(tài)建立，在虛擬手驅(qū)動工具運動的每一幀，根據(jù)工具約束的鏈表、符合約束類型的幾何元素信息和操作對象信息進行動態(tài)的約束幾何元素關(guān)系判別，通過工具與零件之間的約束類型和約束兩個幾何元素的類型，實時的計算約束兩個幾何元素之間的位姿關(guān)系，當它們的位姿達到設(shè)置的約束捕捉誤差時，自動將兩個約束幾何元素高亮顯示；操作者工具約束識別的結(jié)果發(fā)出信號確定此約束成立，此時系統(tǒng)將自動調(diào)整工具的位姿使其滿足約束關(guān)系，在存在作用的約束后就要對工具的運動進行引導；這樣的過程反復直到工具和操作對象之間建立了固定關(guān)系；2、工具的定位時工具與操作對象的約束動態(tài)建立(1)工具的抓取碰撞檢測算法可實時獲得虛擬手與虛擬場景中工具之間的碰撞情況。系統(tǒng)對該接觸的反饋方式是圖像視覺上的，即將與虛擬手接觸的工具的顯示顏色改為亮黃色，以提示用戶該工具為目前虛擬手接觸到的對象。此時，用戶借助數(shù)據(jù)手套，發(fā)出抓取指令選取工具。具體過程如下a、根據(jù)碰撞檢測結(jié)果獲得與虛擬手發(fā)生碰撞面片模型的ID；b、通過面片模型ID在工具庫中查找精確模型的對象；c、根據(jù)抓取時虛擬手與工具的姿態(tài)關(guān)系以及工具對象中的抓取點坐標計算VH與工具的變換矩陣，并以此矩陣設(shè)置虛擬手的顯示模型和碰撞模型；d、設(shè)置工具數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里的“工具與VH變換矩陣”值、顯示屬性和抓取標志。
(2)操作對象的選擇在虛擬裝配過程中，當虛擬手抓取工具移動時候，工具就要操作零部件使其到達最終的裝配位置。但是工具具體的操作那個零部件是未知的，為了提高工具與操作對象的定位效率，必須先選擇工具的操作對象。
虛擬環(huán)境中由操作者根據(jù)與工具發(fā)生碰撞的結(jié)果選取此工具的操作對象，即與工具發(fā)生碰撞的零部件為此工具的操作對象。操作對象選擇過程如下a、根據(jù)工具碰撞檢測獲得與工具發(fā)生碰撞面片模型的ID，確定對應的BREP零件；b、根據(jù)與工具發(fā)生碰撞零件的ID確定裝配層次和最高子裝配；c、確定并設(shè)置工具操作對象的類型和ID；d、生成并設(shè)置工具操作對象的各動態(tài)鏈表，包括主動體鏈表、待捕捉約束鏈表、目標零件鏈表和主動體碰撞模型ID鏈表等動態(tài)鏈表；e、記錄本幀位置跟蹤器的位姿矩陣和操作對象的變換矩陣。
(3)工具對操作對象的精確定位工具與操作對象約束的動態(tài)建立過程就是工具相對于操作對象的定位過程，如圖3所示(按幀執(zhí)行)。操作者佩戴數(shù)據(jù)手套，虛擬環(huán)境中的虛擬手與操作者的手對應，根據(jù)數(shù)據(jù)手套的位置跟蹤器(FOB)產(chǎn)生的運動驅(qū)動虛擬空間中的虛擬手從而驅(qū)動工具的運動。從數(shù)據(jù)手套上的FOB提取虛擬手(VH)的位姿矩陣MVH，然后根據(jù)VH與工具的固定變換TP-VH，得到工具在虛擬空間中的位姿MP＝TP-VH×MVH。
采用FOB的運動增量驅(qū)動VH，即根據(jù)檢測FOB本幀的位姿和前一幀記錄的位姿計算VH的理論驅(qū)動增量ΔMVH。根據(jù)工具操作屬性中約束鏈表的滿足標志，構(gòu)造已確認的約束鏈表。如果約束鏈表不為空，則調(diào)用sub-1和導航過程中的碰撞檢測與響應。在工具運動過程中，調(diào)用sub-2執(zhí)行約束動態(tài)識別。如果識別到滿足的約束并接到用戶由數(shù)據(jù)手套發(fā)出的確認指令，則調(diào)用sub-3進行約束的確認。根據(jù)約束識別結(jié)果設(shè)置約束對象中的數(shù)據(jù)項，即主動體和配合體中的信息。最后進行約束確認過程中的碰撞檢測與響應，并根據(jù)計算的結(jié)果設(shè)置VH和工具在虛擬環(huán)境中的位姿。
工具與操作對象之間約束的動態(tài)識別(sub-2)在虛擬手驅(qū)動工具運動的每一幀，根據(jù)工具約束的鏈表、符合約束類型的幾何元素信息和操作對象信息進行動態(tài)的約束幾何元素關(guān)系判別。通過工具與零件之間的約束類型和約束兩個幾何元素的類型，實時的計算約束兩個幾何元素之間的位姿關(guān)系，當它們的位姿達到設(shè)置的約束捕捉誤差時，自動將兩個約束幾何元素高亮顯示。在進行約束識別時系統(tǒng)給出了兩個約束識別誤差，即角度誤差α和距離誤差d，具體的識別規(guī)則我們在文獻(楊潤黨、武殿梁、范秀敏、嚴雋琪；虛擬環(huán)境下產(chǎn)品裝配技術(shù)的研究與實現(xiàn)；計算機集成制造系統(tǒng)；2004(10)10p1220-1224)中給出。在操作過程中，用戶可以實時的增大或者減小這兩個誤差閾值。工具與操作對象約束動態(tài)識別過程如下S1根據(jù)工具的ID在工具庫中查找工具對象。
S2根據(jù)工具中操作對象ID和類型在零件庫和裝配庫中查找主動體對象。
S3計算工具操作對象主動體的包圍球，獲得工具的包圍球數(shù)據(jù)項。
S4檢測包圍球是否相交，即兩個包圍球中心錯誤小于半徑之和。
S5.1如果包圍球不相交則不進行約束識別，并將約束的幾何元素設(shè)為不顯示，滿足標志設(shè)為0。
S5.2當包圍球相交時，對于沒有滿足的約束調(diào)用“約束兩個幾何元素位姿關(guān)系判別子過程”。
“約束兩個幾何元素位姿關(guān)系判別子過程”如下V1從工具中取出一個與此約束所要求匹配的幾何元素。
V2在主動體中查找與此約束匹配的另一個幾何元素，并取出其中一個。
V3比較兩個幾何元素的位姿關(guān)系，判斷其是否滿足此約束。
V3.1如果不滿足，將幾何元素設(shè)為不顯示，轉(zhuǎn)入V2。
V3.2如果滿足，將兩個幾何元素設(shè)為顯示；設(shè)置此約束中的屬性；轉(zhuǎn)到第二步。
V4如果第二步的幾何元素判斷結(jié)束，則轉(zhuǎn)入V1。
V5如果第一步的幾何元素判斷結(jié)束，在這個子過程結(jié)束，進入下一個幀循環(huán)。
如圖4所示為工具和操作對象的約束識別，其中左圖是軸對齊約束的識別，右圖是面對齊的約束識別。
工具與操作對象之間的約束確認(sub-3)當用戶交互的發(fā)出信號，使工具實時地滿足當前捕捉到的約束的過程叫做約束確認。它就是根據(jù)約束識別的結(jié)果以及工具的運動自由度，對工具的空間位姿進行調(diào)整，使之精確地滿足工具當前的約束狀態(tài)。約束的確認實際上就是根據(jù)工具姿調(diào)整量最小原則在可行解空間中構(gòu)造一個變換矩陣即定位求解矩陣，使得約束確認時工具的位姿變換最小。求解過程如下MP′＝Tlocation×M式中MP是約束確認前工具的位姿矩陣；Tlocation是定位求解矩陣；MP′是約束確認后工具的位姿矩陣。約束確認的主要目的就是要構(gòu)造定位求解矩陣Tlocation。
工具與操作對象之間的約束運動導航(sub-1)在工具與操作對象運動導航中，由于操作者佩戴的FOB隨著操作者的手在實際空間是任意運動的，而在虛擬環(huán)境中，VH所抓取的工具必須滿足一些約束關(guān)系，此時FOB所檢測到VH的位姿和VH的在虛擬空間中的實際位姿不能滿足一致性。約束運動導航的主要目的就是在運動的每一幀中，以FOB檢測的理論位姿矩陣為輸入，求解實際的位姿變換矩陣，使工具運動即滿足約束條件又盡可能減少實際位姿與理論位姿的調(diào)整誤差。此處的求解思路是以數(shù)據(jù)手套位姿相對于上一幀的增量矩陣為輸入，這樣做的目的是不將前一幀的調(diào)整誤差帶入本幀以致于增加累計誤差，將平移自由度和旋轉(zhuǎn)自由度進行分開求解，最后求解出實際的增量位姿變換矩陣，以此來驅(qū)動工具在虛擬空間中的運動。
根據(jù)歸約原理處理多約束的自由度，最后計算被操作工具在允許自由度條件約束下，外部原始運動變化量產(chǎn)生的真實位姿變化。算法主要分為二個階段第一步，計算工具的理論位姿變化量。計算FOB在一幀內(nèi)的位姿變化量，將該變化量作為虛擬手的理論位姿變化量；隨后計算工具的理論位姿變化量。第二步，計算工具在滿足約束條件下的實際位姿變化。根據(jù)歸約原理對主動體所受的約束進行歸約處理；根據(jù)規(guī)約后的主動體自由度，以及理論位姿變化量，求解實際位姿變化。
操作對象的定位當工具和裝配的零部件的位姿關(guān)系固定后，就可以利用工具對零部件進行操作，使其到達最終的裝配位置。將工具和操作對象看作一個剛體，那么操作對象定位的基本步驟和過程與工具的定位基本一致。首先通過操作對象與對應零件的位姿關(guān)系計算約束幾何元素之間的位姿關(guān)系，根據(jù)約束判別規(guī)則進行約束的識別與捕捉。它與工具約束識別的區(qū)別在于約束相關(guān)兩個零件以及幾何元素都是確定的。其次對識別到的約束進行確認，在滿足已確認約束的基礎(chǔ)上調(diào)整操作對象的位姿，使其以最小的位姿變化滿足當前的約束，直到操作對象的位置被確定。最后是進行約束的導航，即根據(jù)當前的約束和FOB獲得的數(shù)據(jù)以及操作者的意圖對操作對象的運動進行引導。
工具和操作對象固定后，將它們看作一個剛體時，操作對象的約束捕捉和確認算法與前面的基本相同，只是中間多了一層變換關(guān)系。在此不做詳細的描述。但是操作對象的運動導航過程與上述過程有較大的不同。當操作對象沿軸線運動時，它的平移量d＝α/2π×l，其中α是一幀中的旋轉(zhuǎn)量，l是操作對象的螺距。
如圖5所示為套筒的模型，它的查詢信息中的ID號、對應的顯示模型ID以及碰撞模型信息在工具庫文件中由系統(tǒng)自動分配，套筒型的工具的類型號為2，名稱從CAD軟件中輸出。物理屬性中的質(zhì)量、密度從CAD軟件中通過專用接口獲得，抓取點的坐標在工具庫文件中給定，此套筒抓取點在它局部坐標系中描述為(0-65-230)。幾何拓撲屬性中的局部坐標系在初始狀態(tài)是單位矩陣，在被操作過程中系統(tǒng)可以獲得它在虛擬環(huán)境中的位姿矩陣，特征參數(shù)為10，即它可操作對象的螺母或螺栓的公稱直接是10，此工具的面表中包含兩個平面即圖中所示，一個是底面，它的類型為平面，ID是0，點點坐標為(0 15 0)，方向向量是(0 1 0)，另外一個面是任意一個側(cè)面，它的類型為平面，ID是1，點點坐標為(00-11.691)，方向向量是(001)，線表中包含圖中所示的一條軸線，類型是直線，ID是0，兩點坐標分別是(0 20)和(0 1 0)。工具的操作屬性中的顯示是根據(jù)工具的狀態(tài)改變其顏色，抓取標志為true表明工具當前被虛擬手抓取，否則沒有被操作。約束鏈表是工具和操作對象定位的重要信息，對于套筒工具由三個約束組成軸線對齊、面貼合和面對齊，所有約束中的ID、類型、參數(shù)在工具庫文件中給定，滿足標志的初值是-1，約束中的主動體就是操作的工具，對于套筒它的信息是確定的，而配合體的信息是未知的，要根據(jù)工具選擇的操作對象確定。
當工具和操作對象的關(guān)系固定以后，就可以利用虛擬手對零件進行操作。分為四個步驟，a、虛擬手移動工具從而驅(qū)動螺栓在虛擬空間中運動，捕捉螺栓軸線與配合零件軸線的對齊約束，并對此約束進行確認；b、滿足軸線對齊的約束運動導航過程，即操作者通過旋轉(zhuǎn)工具從而帶動螺栓插入孔中；c、在運動導航過程中，捕捉到螺栓的一個面與配合零件的一個面的貼合約束關(guān)系時，操作者繼續(xù)旋轉(zhuǎn)工具直到螺栓到達最終的裝配位置；d、當螺栓到達最終裝配位置后，操作者可以通過手勢發(fā)信號解除工具與螺栓的固定關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種虛擬環(huán)境中裝配工具庫建立的方法，其特征在于，分虛擬環(huán)境中工具的統(tǒng)一表達、工具的定位時工具與操作對象的約束動態(tài)建立、工具對操作對象的精確定位三個步驟來完成①虛擬環(huán)境中工具的統(tǒng)一表達，為了滿足虛擬現(xiàn)實中產(chǎn)品裝配的要求，工具的幾何和拓撲表達統(tǒng)一采用B-rep方法，為了實現(xiàn)虛擬環(huán)境中對零部件的操作，工具類需要具有查詢、物理、操作、幾何拓撲和操作對象5種屬性，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬環(huán)境中利用工具對操作對象的交互裝配，使其到達最終的裝配位置；②工具的定位時工具與操作對象的約束動態(tài)建立，在虛擬手驅(qū)動工具運動的每一幀，根據(jù)工具約束的鏈表、符合約束類型的幾何元素信息和操作對象信息進行動態(tài)的約束幾何元素關(guān)系判別，通過工具與零件之間的約束類型和約束兩個幾何元素的類型，實時的計算約束兩個幾何元素之間的位姿關(guān)系，當它們的位姿達到設(shè)置的約束捕捉誤差時，自動將兩個約束幾何元素高亮顯示；操作者工具約束識別的結(jié)果發(fā)出信號確定此約束成立，此時系統(tǒng)將自動調(diào)整工具的位姿使其滿足約束關(guān)系，在存在作用的約束后就要對工具的運動進行引導；這樣的過程反復直到工具和操作對象之間建立了固定關(guān)系；③工具對操作對象的精確定位，當工具和裝配的零部件的位姿關(guān)系固定后，就可以利用工具對零部件進行操作，使其到達最終的裝配位置，將工具和操作對象看作一個剛體，那么操作對象定位的基本步驟和過程與工具的定位基本一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬環(huán)境中裝配工具庫建立的方法，其特征是，所述的工具，包括螺絲刀、套筒和螺栓扳手手工工具以及零件操作設(shè)備。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的虛擬環(huán)境中裝配工具庫建立的方法，其特征是，所述的工具，根據(jù)其幾何特征、與操作對象的連接關(guān)系以及虛擬環(huán)境下虛擬工具的使用特點來表達和推理裝配中所使用的各種工具。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬環(huán)境中裝配工具庫建立的方法，其特征是，所述的操作，其屬性是工具被虛擬手操作過程中的一些變量值，顯示屬性標識工具碰撞時候的顯示狀態(tài)，抓取標志是標識工具是否被虛擬手抓取，約束鏈表是記錄工具與操作對象之間的幾何約束信息，它的主要功能是記錄和設(shè)置工具與操作對象之間的位姿固定關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬環(huán)境中裝配工具庫建立的方法，其特征是，所述的操作對象，其屬性是記錄工具操作對象的信息，對象的類型和ID是指工具選擇操作對象的零件或者裝配體類型，以及它在零件庫或者工具庫中的編號；與工具的固定關(guān)系標志指工具和操作對象之間是否固定，如果它們之間的所有約束都滿足在關(guān)系是固定的，否則他們之間是可以相對運動的，此時工具不能和操作對象一起移動；當工具和操作對象之間的關(guān)系固定時，操作對象與工具的固定變換就記錄了它們之間的相對位姿關(guān)系矩陣；待捕捉約束鏈表是操作對象與其它零部件之間需要滿足的幾何約束。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬環(huán)境中裝配工具庫建立的方法，其特征是，所述的工具的定位，其過程包括虛擬手對工具的抓取和工具操作對象的選擇、工具與操作對象約束的動態(tài)建立。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬環(huán)境中裝配工具庫建立的方法，其特征是，虛擬環(huán)境中由操作者根據(jù)與工具發(fā)生碰撞的結(jié)果選取操作對象，確定對應的BREP零件、確定裝配層次和最高子裝配、確定并設(shè)置工具操作對象的類型和ID，進一步生成并設(shè)置工具操作對象的各動態(tài)鏈表，記錄本幀位置跟蹤器的位姿矩陣和操作對象的變換矩陣。
全文摘要
一種虛擬環(huán)境中裝配工具庫建立的方法，本發(fā)明分虛擬環(huán)境中工具的統(tǒng)一表達、工具的定位時工具與操作對象的約束動態(tài)建立、工具對操作對象的精確定位三個步驟來完成，使其到達最終的裝配位置，將工具和操作對象看作一個剛體，那么操作對象定位的基本步驟和過程與工具的定位基本一致。本發(fā)明根據(jù)工具的驅(qū)動方式以及與操作對象作用方式對工具進行分類，在虛擬環(huán)境中建立工具庫，操作者根據(jù)需要選擇工具，利用虛擬手在虛擬環(huán)境中操作工具，動態(tài)建立工具與操作對象的幾何約束關(guān)系，當工具和操作對象的約束關(guān)系建立完成，就可以利用工具對操作對象進行交互式的裝配。
文檔編號G06F17/50GK1710566SQ20051002681
公開日2005年12月21日 申請日期2005年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月16日
發(fā)明者楊潤黨, 范秀敏, 武殿梁, 嚴雋琪 申請人:上海交通大學