專利名稱：一種用于虛擬三維零部件快速裝配的吸附方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)品零部件裝配方法，尤其是涉及到一種用于虛擬三維零部件快速裝配的吸附方法。
背景技術(shù)：
裝配是產(chǎn)品設(shè)計和制造的重要環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的裝配性能直接影響產(chǎn)品設(shè)計和制造的成本，據(jù)統(tǒng)計，產(chǎn)品的裝配費(fèi)用約占整個生產(chǎn)成本的20% 50% (劉檢華，姚裙，寧汝新.虛擬裝配工藝規(guī)劃實現(xiàn)技術(shù)研究.機(jī)械工程學(xué)報.2004，40 ):138-143.)。裝配設(shè)計的目標(biāo)是通過改進(jìn)和重新規(guī)劃產(chǎn)品設(shè)計來提高產(chǎn)品裝配工藝的質(zhì)量和效率，降低產(chǎn)品的制造成本。裝配設(shè)計包括裝配線規(guī)劃、裝配布局規(guī)劃、裝配順序規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃和工裝夾具設(shè)計等。虛擬裝配(Virtual Assembly,簡稱VA)是虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,簡稱VR)技術(shù)在CAD/CAM領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一。采用虛擬裝配技術(shù)，無需產(chǎn)品或支持過程的物理實現(xiàn)，通過分析并建立產(chǎn)品的裝配模型，利用計算機(jī)工具來安排或輔助與裝配有關(guān)的工程決策，實現(xiàn)產(chǎn)品裝配過程的計算機(jī)驗證、可裝配性能分析、裝配后主要技術(shù)參數(shù)預(yù)測和裝配方案優(yōu)選、裝配過程中人的因素影響分析等(見Sankar Jayaram, Hugh I Connacher, KevinW Lyons.Virtual Assembly Using Virtual Reality Techniques.Computer-AidedDesign.1997, 6(8):575-584)裝配操作過程中的人機(jī)交互是進(jìn)行虛擬裝配研究的面臨的首要問題，開展虛擬裝配研究必須建立一個適合所研究內(nèi)容的、包含相關(guān)設(shè)備的人機(jī)交互系統(tǒng)。對場景的導(dǎo)覽和物體的操縱是三維應(yīng)用所須具備的基本操作，在虛擬裝配中這些操作尤為頻繁。然而傳統(tǒng)的基于鼠標(biāo)的虛擬物體操控方法通常比實際生活中直接操控現(xiàn)實物體所花費(fèi)的時間要多得多(詳見Colin Ware and Jeff Rose.Rotatingvirtual objects with real handles.ACM Transactions on Computer-HumanInteraction, 6(2): 162 - 180, 1999.)。由于提供了更高的自由度以及力反饋的觸感，觸覺反饋設(shè)備在三維導(dǎo)覽和操控的相關(guān)應(yīng)用，如三維彩繪等(Arthur D.Gregory, StephenA.Ehmann, and Ming C.Lin.1ntouch:1nteractive multiresolution modeling and3dpainting with a haptic interface.1n Proceedings of the IEEE Virtual Reality2000Conference, page45, 2000.),受到了廣泛的歡迎。然而這種方式不夠直觀，跟真實世界中人們所習(xí)慣的操縱物體方式仍然有著較大的區(qū)別。多點觸屏設(shè)備的出現(xiàn)則提供了一種靈活而自然的三維導(dǎo)覽和物體操縱方式(見Kenrick Kin, Tom Miller, Bjorn Bollensdorff, TonyDeRose, Bjorn Hartmann, and Maneesh Agrawala.Eden: a professional multitouchtool for constructing virtual organic environments.1n Proceedings of ACMSIGCHI,pagesl343 - 1352, 2011.)，然而這種方式本質(zhì)上仍然是二維的。總而言之，已有的對三維場景導(dǎo)覽和操縱的方式仍然存在著不夠直觀、操控繁瑣等問題，尤其對于虛擬裝配這種精確度要求比較高的應(yīng)用問題特別嚴(yán)重。

在很多圖形操作軟件中都提供有吸附(Snapping)功能可以講繪制中(移動中)的形體自動吸附到特定的位置(如網(wǎng)格點)或其他物體邊上。這種吸附功能極大地減輕了用戶進(jìn)行精確定位的繁瑣操作。一些學(xué)者將這種吸附的功能延伸到三維自由形體的操作上極大的方便了三維模型的編輯操作(見Sharf, A., Blumenkrants, M., Shamir, A., And CohenOr, D.2006.SnapPaste: an interactive technique for easy mesh composition.TheVisual Computer22, 9，835 - 844.)。然而由于人造物體跟自由形體的不同特點，這樣的功能并無法直接推廣應(yīng)用到三維零部件的虛擬裝配上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有虛擬裝配的交互方式存在的不直觀、操作繁瑣、難以精確定位等問題，提供可改善虛擬裝配的效率和質(zhì)量的一種用于虛擬三維零部件快速裝配的吸附方法。本發(fā)明包括以下步驟:I)用戶從三維零件庫中選擇待裝配的零部件；2)用戶通過輸入設(shè)備控制零部件在裝配場景中的運(yùn)動路徑；3)系統(tǒng)對裝配場景中的所有三維零部件進(jìn)行形體分析，抽取主要特征及屬性，并將表面分割成基本形體，根據(jù)其朝向不同將基本形體進(jìn)一步劃分為三類:基面、支撐面和側(cè)面；4)確定潛在的支撐面:綜合考慮平衡、落差情況，在場景中搜索可能成為當(dāng)前裝配零件擺放位置的支撐面情況；5)吸附能量定義和計算:根據(jù)三維零部件虛擬裝配過程的一些重要特點和要求如對稱性、對齊等定義和計算當(dāng)前裝配零件在特定位置的吸附能量；6)最優(yōu)裝配方位計算:尋找吸附能量最小的一個裝配方位作為推薦的裝配方位，首先執(zhí)行朝向過濾，即根據(jù)對齊原則，去除零件擺放的錯誤朝向；接著進(jìn)行位置優(yōu)化，通過隨機(jī)優(yōu)化的方法在所有可能的支撐情況中尋找吸附能量最小的擺放位置；7)用戶通過輸入設(shè)備執(zhí)行裝配指令，則待裝配零部件將自動裝配到計算出的吸附位置上。在步驟2)中，所述輸入設(shè)備可包括鍵盤、鼠標(biāo)等。在步驟3 )中，所述系統(tǒng)對裝配場景中的所有三維零部件進(jìn)行形體分析是指將三維零部件的表面分解成基本的構(gòu)成元素如柱面、球面、平面等并依據(jù)其朝向分為基面、支撐面和側(cè)面三類；首先抽取零部件的所有特征邊并將它們組成環(huán)路，這里的特征邊指的是其相鄰兩個面片之間的二面角大于給定的閥值Gs (在這里取40° );接著從任意一個種子三角片開始以泛洪的方式(flooding)擴(kuò)張其鄰域成為區(qū)域，在擴(kuò)張的同時限制該區(qū)域不會越過特征邊，重復(fù)這個過程直到所有的三角面片都被劃分到特定區(qū)域里；最后通過對這些區(qū)域進(jìn)行平面擬合、錐面擬合或球面擬合以確定其具體形狀；將當(dāng)前待裝配零部件上法向朝下的區(qū)域稱為基面，已裝配零部件上法向朝上的區(qū)域稱為支撐面，所有零部件(包括已裝配和待裝配)上法向垂直于上下方向的區(qū)域稱為側(cè)面；所述基本形體可為柱面、平面、錐面、螺紋面等中的一種。在步驟5)中，所述吸附能量定義和計算是指將三維零部件虛擬裝配過程的一些重要特點和要求如對稱性、對齊等抽象成數(shù)學(xué)表示用于衡量特定裝配位置的合適度；具體地，考慮了距離的因素EdW使得吸附方法推薦的位置盡可能的接近于當(dāng)前所在位置，對齊因素Ea以使得待裝配零部件的側(cè)面與裝配場景中的側(cè)面在距離上保持一致，接觸因素E。以尋求待裝配零件與已裝配零件之間接觸面積最大，平衡因素Eb以保持裝配的整體平衡性，對稱因素Es以保持裝配的整體協(xié)調(diào)性；將上述的各項能量加權(quán)疊加在一起就構(gòu)成了吸附方法的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù):F (P, Θ ) = wdEd+waEa+wcEc+wbEb+wsEs所述零件與已裝配零件之間接觸面積包括基面和支撐面之間的接觸以及側(cè)面接觸。在步驟6)中，所述最優(yōu)裝配方位計算是指尋找一個吸附能量最小的裝配方位(P和Θ的值)作為吸附位置，采用分離求解的方法以減少計算復(fù)雜性:(I)朝向的過濾:根據(jù)對齊原則去除零件擺放的錯誤朝向，將待求角度Θ的解空間
以Λ Θ = 5°為增量進(jìn)行分割采樣，對于每個采樣朝向，首先檢查基面的法向與支撐面的法向是否一致，然后計算一個朝向?qū)R度量C。，接著計算所有通過法向測試的方位的度量平均值，舍棄所有度量值高于該平均值的方位；該過濾過程可以有效地消除80%不合適的朝向；(2)位置優(yōu)化:對每個可能方位Θ計算一個吸附能量最小的最優(yōu)位置P;采用一種分層的搜索方法，通過將基面和側(cè)面的各種約束進(jìn)行合并得到第二層約束(兩個平面約束可以合并成一個直線約束，兩個直線約束合并成點約束等)，重復(fù)這個過程(通過合并第k-Ι層得到第k層)直到不能合并為止，這樣就構(gòu)造了一個層次化的約束；接下來從約束層次的頂層往下開始搜索可能的最優(yōu)吸附位置，采用這種自頂向下的方法是因為頂層的約束會存在較多的邊接觸從而使得吸附能量更小；對于點約束直接將該點位置賦給即可并計算其吸附能量；然而平面約束和線約束則相對復(fù)雜，采用一種隨機(jī)優(yōu)化的方法來求解最優(yōu)位置，首先用Markov chainMonte Carlo采樣器來探索目標(biāo)函數(shù)空間，對于每個代價函數(shù)定義一個Boltzmann密度函數(shù)，接下來用Metropolis-Hasting算法搜索該密度函數(shù)空間以得到最優(yōu)解。在步驟7)中，所述輸入設(shè)備可包括鍵盤、鼠標(biāo)等。本發(fā)明針對現(xiàn)有虛擬裝配的交互方式中存在的不夠直觀、操作繁瑣、難以精確定位等問題，通過分析零部件裝配的特點及約束，提出了一種虛擬三維零部件快速裝配的吸附方法，自動尋找在當(dāng)前待裝配零部件附近最為合適的裝配方位。本發(fā)明算法明確、界面友好、結(jié)果魯棒、該方法可以極大提高虛擬三維零部件裝配的效率，為該領(lǐng)域提供了一種新型的交互方式。


圖1為本發(fā)明的技術(shù)方案流程圖。圖2為圖1中形體分析的過程圖。圖3為圖1中吸附能量構(gòu)成圖。圖4為圖1中最優(yōu)裝配方位計算流程圖。
具體實施例方式以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。參見圖1 4，一種用于虛擬三維零部件快速裝配的吸附方法:用戶首先從模型庫中選取待裝配零部件，然后通過鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備在場景中操縱(平移、旋轉(zhuǎn))當(dāng)前待裝配零部件，系統(tǒng)首先對場景中的所有零部件進(jìn)行形體分析，將它們分割為基本面(柱面、錐面、平面等)并依據(jù)朝向進(jìn)行分類；然后綜合考慮平衡、落差情況確定當(dāng)前場景中可能的適合待裝配零部件的支撐面；接著依據(jù)三維零部件虛擬裝配過程的一些重要特點和要求如對稱性、對齊等對待裝配零部件的吸附能量進(jìn)行定義和計算，最后根據(jù)吸附能量確定三維零部件的最優(yōu)裝配方位。具體流程參見圖1。本發(fā)明實施的關(guān)鍵有四點:形體分析、吸附能量定義、最優(yōu)裝配方位計算。下面具體介紹關(guān)鍵的實現(xiàn)細(xì)節(jié):1、形體分析作為一種人造物體，三維零部件幾何形狀一般都比較簡單，僅包含諸如柱面、球面、平面等基本元素，它們提供了裝配的重要約束，對這些基本元素的抽取和分析就顯得很重要。首先抽取零部件的所有特征邊并將它們組成環(huán)路，這里的特征邊指的是其相鄰兩個面片之間的二面角大于給定的閥值Qs (在這里取40° );接著從任意一個種子三角片開始以泛洪的方式(flooding)擴(kuò)張其鄰域成為區(qū)域，在擴(kuò)張的同時限制該區(qū)域不會越過特征邊，重復(fù)這個過程直到所有的三角面片都被劃分到特定區(qū)域里；最后通過對這些區(qū)域進(jìn)行平面擬合、錐面擬合或球面擬合以確定其具體形狀。完成對零部件的分割及分析后，進(jìn)一步將這些基本區(qū)域依據(jù)法向朝向(對于非平面情況，取區(qū)域的平均法向)分為以下三類:1)基面。當(dāng)前待裝配零部件上法向朝下的區(qū)域。2)支撐面。已裝配零部件上法向朝上的區(qū)域。3)側(cè)面。所有零部件(包括已裝配和待裝配)上法向垂直于上下方向的區(qū)域。 2、吸附能量定義吸附方法中比較關(guān)鍵的一步是如何去衡量特定的方位適合當(dāng)前待裝配零部件的程度。注意到在現(xiàn)實世界的裝配過程中通常遵循如下的兩個準(zhǔn)則:I)支撐準(zhǔn)則:至少存在一個法向與上方向一致的支撐面，而且待裝配零部件的重心必須位于這樣的一個或多個支撐面的支撐范圍內(nèi)。2)次序準(zhǔn)則:只有當(dāng)所有的支撐面都已經(jīng)就位的情況下，人們才會往上裝配新的零部件。結(jié)合這兩個準(zhǔn)則并考慮三維零部件虛擬裝配過程的一些重要特點和要求如對稱性、對齊等，定義如下的吸附能量:(I)距離能量。該能量的目的是使得吸附方法推薦的位置盡可能的接近于當(dāng)前所在位置，定義如下:￡, =Icfr-CjII2/(r2+/r)其中Cb味當(dāng)前裝配零件的中心位置，Cs為吸附方法推薦的目標(biāo)位置，h表示零部件的最大高度，r為影響區(qū)域的半徑。(2)對齊能量。對齊是零部件裝配中一個很重要的準(zhǔn)則，即包括在朝向上比較整齊，還要求待裝配零部件的側(cè)面與裝配場景中的側(cè)面在距離上保持一致(比如較接近的兩個相同法向的側(cè)平面，一般要求它們在同一平面上)。搜集支撐面上與基面特征(記為t相
匹配的所有特征線(記為Cf ),以它們?yōu)榛A(chǔ)定義如下的對齊能量:
權(quán)利要求
1.一種用于虛擬三維零部件快速裝配的吸附方法，其特征在于包括以下步驟: 1)用戶從三維零件庫中選擇待裝配的零部件； 2)用戶通過輸入設(shè)備控制零部件在裝配場景中的運(yùn)動路徑； 3)系統(tǒng)對裝配場景中的所有三維零部件進(jìn)行形體分析，抽取主要特征及屬性，并將表面分割成基本形體，根據(jù)其朝向不同將基本形體進(jìn)一步劃分為三類:基面、支撐面和側(cè)面； 4)確定潛在的支撐面:綜合考慮平衡、落差情況，在場景中搜索可能成為當(dāng)前裝配零件擺放位置的支撐面情況； 5)吸附能量定義和計算:根據(jù)三維零部件虛擬裝配過程的一些重要特點和要求如對稱性、對齊等定義和計算當(dāng)前裝配零件在特定位置的吸附能量； 6)最優(yōu)裝配方位計算:尋找吸附能量最小的一個裝配方位作為推薦的裝配方位，首先執(zhí)行朝向過濾，即根據(jù)對齊原則，去除零件擺放的錯誤朝向；接著進(jìn)行位置優(yōu)化，通過隨機(jī)優(yōu)化的方法在所有可能的支撐情況中尋找吸附能量最小的擺放位置； 7)用戶通過輸入設(shè)備執(zhí)行裝配指令，則待裝配零部件將自動裝配到計算出的吸附位置上。
2.如權(quán)利要求1所述一種用于虛擬三維零部件快速裝配的吸附方法，其特征在于在步驟2)中，所述輸入設(shè)備可包括鍵盤、鼠標(biāo)。
3.如權(quán)利要求1所述一種用于虛擬三維零部件快速裝配的吸附方法，其特征在于在步驟3)中，所述系統(tǒng)對裝配場景中的所有三維零部件進(jìn)行形體分析是指將三維零部件的表面分解成基本的構(gòu)成 元素并依據(jù)其朝向分為基面、支撐面和側(cè)面三類；首先抽取零部件的所有特征邊并將它們組成環(huán)路，所述特征邊指的是其相鄰兩個面片之間的二面角大于給定的閥值Θ s ;接著從任意一個種子三角片開始以泛洪的方式擴(kuò)張其鄰域成為區(qū)域，在擴(kuò)張的同時限制該區(qū)域不會越過特征邊，重復(fù)這個過程直到所有的三角面片都被劃分到特定區(qū)域里；最后通過對這些區(qū)域進(jìn)行平面擬合、錐面擬合或球面擬合以確定其具體形狀；將當(dāng)前待裝配零部件上法向朝下的區(qū)域稱為基面，已裝配零部件上法向朝上的區(qū)域稱為支撐面，所有零部件上的法向垂直于上下方向的區(qū)域稱為側(cè)面。
4.如權(quán)利要求1所述一種用于虛擬三維零部件快速裝配的吸附方法，其特征在于在步驟3)中，所述基本形體為柱面、平面、錐面、螺紋面中的一種。
5.如權(quán)利要求1所述一種用于虛擬三維零部件快速裝配的吸附方法，其特征在于在步驟5)中，所述吸附能量定義和計算是指將三維零部件虛擬裝配過程的一些重要特點和要求抽象成數(shù)學(xué)表示用于衡量特定裝配位置的合適度；具體地，考慮了距離的因素Ed以使得吸附方法推薦的位置盡可能的接近于當(dāng)前所在位置，對齊因素Ea以使得待裝配零部件的側(cè)面與裝配場景中的側(cè)面在距離上保持一致，接觸因素E。以尋求待裝配零件與已裝配零件之間接觸面積最大，平衡因素Eb以保持裝配的整體平衡性，對稱因素Es以保持裝配的整體協(xié)調(diào)性；將上述的各項能量加權(quán)疊加在一起就構(gòu)成了吸附方法的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù): F (P, Θ ) = wdEd+waEa+wcEc+wbEb+wsEs 所述零件與已裝配零件之間接觸面積包括基面和支撐面之間的接觸以及側(cè)面接觸。
6.如權(quán)利要求1所述一種用于虛擬三維零部件快速裝配的吸附方法，其特征在于在步驟6)中，所述最優(yōu)裝配方位計算是指尋找一個吸附能量最小的裝配方位:P和Θ的值作為吸附位置，采用分離求解的方法以減少計算復(fù)雜性:(I)朝向的過濾:根據(jù)對齊原則去除零件擺放的錯誤朝向，將待求角度Θ的解空間[O，360° ]以Λ Θ = 5°為增量進(jìn)行分割采樣，對于每個采樣朝向，首先檢查基面的法向與支撐面的法向是否一致，然后計算一個朝向?qū)R度量C。，接著計算所有通過法向測試的方位的度量平均值，舍棄所有度量值高于該平均值的方位；該過濾過程可以有效地消除80%不合適的朝向；(2)位置優(yōu)化:對每個可能方位Θ計算一個吸附能量最小的最優(yōu)位置P;采用一種分層的搜索方法，通過將基面和側(cè)面的各種約束進(jìn)行合并得到第二層約束，通過合并第k-Ι層得到第k層重復(fù)該過程直到不能合并為止，這樣就構(gòu)造了一個層次化的約束；接下來從約束層次的頂層往下開始搜索可能的最優(yōu)吸附位置，采用這種自頂向下的方法是因為頂層的約束會存在較多的邊接觸從而使得吸附能量更小；對于點約束直接將該點位置賦給即可并計算其吸附能量；然而平面約束和線約束則相對復(fù)雜，采用一種隨機(jī)優(yōu)化的方法來求解最優(yōu)位置，首先用Markov chainMonte Carlo采樣器來探索目標(biāo)函數(shù)空間，對于每個代價函數(shù)定義一個Boltzmann密度函數(shù)，接下來用Metropolis-Hasting算法搜索該密度函數(shù)空間以得到最優(yōu)解。
7.如權(quán)利要求1所述一種用于虛擬三維零部件快速裝配的吸附方法，其特征在于在步驟7)中，所述輸入設(shè)備包括鍵 盤、鼠標(biāo)。
全文摘要
一種用于虛擬三維零部件快速裝配的吸附方法，涉及產(chǎn)品零部件裝配方法。提供可改善虛擬裝配的效率和質(zhì)量的一種用于虛擬三維零部件快速裝配的吸附方法。用戶從三維零件庫中選擇待裝配的零部件；用戶通過輸入設(shè)備控制零部件在裝配場景中的運(yùn)動路徑；系統(tǒng)對裝配場景中的所有三維零部件進(jìn)行形體分析，抽取主要特征及屬性，并將表面分割成基本形體，根據(jù)其朝向不同將基本形體進(jìn)一步劃分為三類基面、支撐面和側(cè)面；確定潛在的支撐面；吸附能量定義和計算；最優(yōu)裝配方位計算；用戶通過輸入設(shè)備執(zhí)行裝配指令，則待裝配零部件將自動裝配到計算出的吸附位置上。
文檔編號G06F17/50GK103198192SQ201310126198
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月12日
發(fā)明者林俊聰, 高星, 廖明宏 申請人:廈門大學(xué)