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1、第 27卷2007年 6 月计算机应用Comp u te r App lica tion sVo l. 27J une 2007文章编号 : 1001 - 9081 ( 2007 ) S1 - 0083 - 02网络环境下基于立体视觉和数据手套的模具虚拟装配陈鹏 ,王培俊 ,龙时丹 ,朱润华(西南交通大学 机械工程学院 ,四川 成都 610031 ) (chenp eng_2001 sina. com. cn)摘要 :以 J ava /J ava3D 为工具 ,开发了一个基于 W eb的半沉浸式模具虚拟装配环境 ,实现了系 统的立体显示功能 ,解决了虚拟手操作中的广义碰撞检测问题 。提供了虚拟
2、场景中生成和管理装配路径的方法 ,可应用于装配评价和装配规划 。系统采用 B / S模式 ,充分发挥 W eb3D 的优势 ,以多通 道的交互式平台支持模具的协同设计 ,有助于提高模具设计效率 。关键词 : W eb;模具 ;协同设计 ;虚拟装配 ; J ava3D中图分类号 : TP391. 9文献标识码 : A0 引言模具属于工具范畴 , 精度高 、结构复杂 ,其设计与制造带 有很强的经验性和盲目性 ,是一个复杂的过程 。从模具的图 纸设计到后续的工程分析 、加工处理 、装配 、试模 ,均需要不同 领域的技术人员甚至不同企业的紧密协作 。传统的串行开发 模式一般需要反复修改试制才能满足需求
3、 , 导致模具的开发 周期长 ,降低了市场响应速度和竞争能力 。而模具的主要应 用领域如汽车 、轻工业和电子消费品等行业又迫切要求缩短 产品的开发周期 。利用计算机网络支撑的协同设计方法 ,可 以有效地解决这种矛盾 ,使分布在不同地点的企业和技术人 员形成一个动态联盟 ,通过网络迅速地进行技术交流和信息 共享 ,发挥各自的技术优势 ,共同完成模具 的设计与制 造 任 务 。因此 ,现代模具设计需要一个支持网络的计算机协同工 作环境 1 。模具设计人员和企业通常根据各自 的情况 采 用 不 同 的 CAD /CAM /CA E软件 。虽然一些大型的模具设计软件具有一 定的网络功能 ,但由于这些软
4、件生成的模型格式不同 ,不利于 动态联盟中的成员进行实时信息交换和共享 。与此同时 ,较大的三维模型文件在异地分布的用户间传输也会受到网络带宽的限制 ,无法形成真正意义上的协同 。一个体积紧凑 、符合 ISO 标准的文件格式 ,是模具协同设计系统所必需的 。VRML 是一种在 In te rne t上描述三维模型的 ISO 标准 ,得到大型 CAD 平台的 广 泛 支 持 。生 成 VRML 格 式 的 模 型 , 可 以 为 利 用W eb3D 技术创建协同工作环境提供前提 。在传统的 CAD 系统中进行模具设计 ,人机交互模式比较 单一 ,无法有效地发挥人在模具设计中的知识优势 。将虚拟
5、现实技术引入模具设计 ,在多感知 、沉浸式的虚拟环境中对模 具设计进行评价分析 ,及时对模具设计进行改进 ,使人成为模 具设计系统的有机组成部分 。模具装配是模具设计的重要环节 ,一个交互手段多样化的模具装配虚拟环境 ,能够使模具设计人员更完全地参与到模具装配过程中 ,对模具的可装配性 进行评价 ,从而为装配工艺规划提供决策依据 。本文从网络 环境下模具装配的角度 ,以 J ava /J ava3D 为开发工具 ,设计实 现了可用于压铸模装配的 W EVMA 系统 。1 模具虚拟装配系统组成在协同设计中 ,由于参与者来自不同地点和企业 ,使用不 同的软硬件系统 ,为避免客户端应用程序对协作的限
6、制 ,需要 一个客户端零安装 2 的协同设计平台 ,因此 W EVMA 系统采 用 B / S模式 。由于 J ava语言具有良好的跨平台性能 , J ava3D 作为其图形 A P I,封装了 Op enGL 的功能并提供了包括 VRML 文件在内的多种图形文件格式导入器 ,支持虚拟外设的接入 , 生成的三维图形及程序 控制数据避免了图形文件 的直接传 输 ,减小了网络的负担 ,因此本文采用 J ava /J ava3D 作为开发 工具 ,构建满足协同设计要求的虚拟环境 。W EVMA 系统接入了 3D G - S2立体眼镜 、5D T D a ta Glove5型数据手套和 Po lhem
7、 u s Pa trio tTM 六自 由 度 跟 踪 仪 等 虚 拟 现实硬件设备 ,利用立体显示技术形成具有半沉浸感的虚拟 环境 。系统的软件部分由外设管理 、零件库 、立体显示 、视点 调节 、虚拟手操作和装配路径管理等模块组成 ,用户可以在虚 拟环境中 ,选择需要装配的模具零件 ,利用虚拟手抓取零件进 行装配操作 。在操作过程中 ,可以实时调节视差及视点 ,保存 零件的装配坐标 ,生成装配路径 ,作为评价 、分析和修改设计 的参考 。图 1 W EVMA 系统结构2 半沉浸式虚拟装配环境的建立虚拟现实系统的一个重要特征就是给用户以沉浸感 。虽 然高端虚拟现实设备如 HMD、数据手臂等能
8、够实现更为接近 现实世界的沉浸感 ,但考虑到模具研发机构和生产企业当前 的技术水平和经济承受能力 ,完全沉浸式的系统并非最理想 的选择 。本文选择较为低端的虚拟现实设备 ,在不具备力反 馈功能的条件下 ,为用户提供一个观察虚拟世界的窗口和实 现手工装配操作的人机界面 。半沉浸式的虚拟装配环境通过收稿日期 : 2006 - 09 - 23基金项目 :教育部留学回国人员科研启动基金资助项目作者简介 :陈鹏 ( 1981 - ) ,男 ,黑龙江齐齐哈尔人 ,硕士研究生 ,主要研究方向 : 虚拟技术 、协同设计 ; 王培俊 ( 1962 - ) ,女 ,浙江宁波人 ,教授 ,博士 ,主要研究方向 :
9、VR /CAD、协同设计 ; 龙时丹 ( 1982 - ) ,女 ,湖北荆州人 ,硕士研究生 ,主要研究方向 :虚拟技术 、协同设计 ; 朱润华 ( 1982 - ) ,2. 1 立体显示的实现在虚拟环境中 , 通过 模拟人眼视觉系 统 3 , 利 用 计 算 机 的软硬件生成具有一定视差的两个观察模型产生立体视觉 。 在本系统中 ,立体眼镜两个镜片液晶开关交替开启和关闭 ,通 过与显卡连接的发生器实现液晶开关与程序中两个观察模型 的刷新同步 ,观察者佩戴立体眼镜观察显示器上的图像 ,即可 获得立体视 觉 。 J ava3D 支 持 HMD、立 体 眼 镜 等 虚 拟 现 实 设 备 ,利用
10、J ava3D 中 Canva s3D 类的成员方法 se tSte reoEnab le ( ) 即可启动图形工作站四缓冲显卡的立体显示功能 。借助本系 统的立体显示模块 ,用户可以实时调节视差的正负和大小 ,实 现用户满意的立体显示效果 ,获得与装配场景相适应的视觉 沉浸感 。2. 2 虚拟手操作的实现除了立体视觉 ,虚拟手操作作为人机交互的另一通道 ,也 是半沉浸式虚拟环境的重要组成部分 。从虚拟外设的角度出 发 ,数据手套和位置跟踪仪是实 现虚拟手操作的硬件 基 础 。 本系统界面中的虚拟手是数据手套和位置跟踪仪的功能在虚 拟环境中手模型上的映射 ,虚拟手的位置反映了位置跟踪仪 传感器
11、测得的位置和方向信息 4 ,而虚拟手手指的弯曲表明 了用户手操作零件时手指的弯曲程度 。本文通过外设管理模 块 ,将虚拟装配环境同现实的设备联系起来 。外设管理模块 的功能主要是读取虚拟设备传感器中的数据 ,并将这些数据 转换为适合驱动虚拟手运动的数据类型 、数据结构和数据范 围 ,为虚拟手操作奠定基础 。虚拟手 操 作 的 关 键 是 碰 撞检测 ,包括零件与虚拟手的 碰撞检测和零件间的碰 撞 检 测 5 。碰撞检测的主 要 功 能 是在虚拟环境中检查对 象 间 相互作用 ,触发一系列反映作 用结果的事件并做出响 应 处 理 。广义的 碰 撞 检 测 包 括 碰 撞检 测 、碰 撞 响 应
12、和 碰 撞 处 理 。 J ava3D 虽 然 可 以 提 供 W akeupO nCo llisionEn try,件作用时的碰撞事件 ,实现虚拟手对零件的抓取 、释放以及拖动零件在虚拟场景中运动 ,最终实现零件的装配 。在装配过 程中 ,虚拟手操作的流程如图 2所示 。当用户开启系统 ,佩戴好立体眼镜和数据手套后 ,导入相 应的零件 ,即可对模具进行装配操作 ,图 3所示的虚拟装配场 景 ,是用户在进行阀体模具上箱装配时的操作 。图 3 阀体装配场景3 系统管理功能的实现W EVMA 系统的核心功能是实现 装配操作 , 系 统的管理 功能则是在进行装配前为装配操作模型来源 、场景调整提供
13、保证 ,同时也可以在装配后对装配过程所产生的信息进行处 理 ,提供给用户进行评价和分析 。3. 1 零件导入和视点调整模具产品的种类和数量繁多 ,同一个模具产品也由多个 零件组成 ,模具产品的管理往往通过模型库来实现 。W EVMA 系统通过零 件 导 入 模 块 , 将 服 务 器 端 产 品 模 型 库 中 存 放 的 VRML 格式的模具零件按装配需要导入到虚拟装配环境 ,供 装配操作使用 。当模具零件和虚拟手处于同一场景时 ,通过 视点调整模块 ,用户可根据装配进程和个人观察习惯改变场 景的观察角度 。对程序中 V iewP la tfo rm (观察平台 ) 对象的父节点进行相应的坐
14、标变换 ,便可以达到视点转换的效果 。系统提供了 6个观察方向供用户选择 。3. 2 模具装配的实现及装配路径的生成W EVMA 系统的最终目的是生成为装配工艺规划提供依 据的系 统 , 而 装 配 路 径 规 划 又 是 装 配 规 划 的 重 要 内 容 之W akeupO nCo llisionE ixt和W akeupO nCo llisionMovem en t 等和碰撞检测相关的对象 ,但 它们只能检测到碰撞 ,无法为 后续 的 碰 撞 处 理 提 供 信 息 。 为在虚拟装配环境中更 好 地 处理碰撞事件 ,本文采用改进 了 L in - Canny 算 法 , 可 以 返 回多
15、面体间距离的碰撞 检 测 8 一。装配路径管理模块是为生成和管理装配路径设计的 。如图 2 所示 ,在虚拟手抓取并且在虚拟空间中移动零件进行装配时 ,如果满足装配条件 ,系统则对模具零件实现最终的装 配 。在 实 现 零 件 装 配 时 , 系 统 要 依 据 装 配 位 置 矩 阵 T ra n sA sem ( R a , Pa ) 对零件的位置矩阵 T ra n sP a r t ( R p , Pp ) 进 行运算 , 将零件附于装配体的适当位置上 , 通过式 ( 1) 计算零件装配后的位置 T ra n sF ix ( R f , Pf ) , 其中 R 为旋转变换 , P 为 平移
16、变换阵 ,写成式中的形式便于利用数据手套和位置跟踪仪的数据 。在 J ava3D 中 ,求逆矩阵和矩阵相乘可以分别通过inve rt ( )和 m u l ( )方法实现 。T ra n sF ix ( R f , Pf )图 2 虚拟手操作流程库 V - C lip 6 。将虚拟手和零件的模型树映射到 V - C lip 的碰撞检测树 ,同时将外设管理模块中经过处理的外设数据作 为参数传入碰撞检测树 ,就可以实现虚拟手与零件间的实时碰撞检测 。本文中的数据手套不具备触觉反馈功能 ,需要克 服真实物理约束缺失条件下的缺陷 7 。一方面 ,利用视觉反 馈代替触觉反馈 ,即在发生碰撞 时 ,使零件
17、 的颜色变为 高 亮 度 ,向用户发出虚拟场景中碰撞事件发生的信号 ; 另一方面 ,使碰撞检测程序与虚拟手驱动程序放入不同线程 ,相当于对虚拟手运动做一个前向的预测 ,从而校正场景中虚拟手的位 置 ,防止虚拟手与零件间的穿透 ,增强虚拟手操作的真实感 。- 1 (Pp ) 3 T ra n sA ssem ( R , P )= T ra n sP a r t R p ,aaxpxaR pypR aya( 1)=zp0 1za0 10 00 0(下转第 86页 )86计算机应用2007年虚证据也称之为软证据 , 是一种最一般形式的证据 ,化 ;虚证据可以用一个概率 V ( v) 表示 , 其中
18、V ( v) 0, 1 。2 发现 , 此时 V ( v) 只能取 0或 1。3 观察值 , 这实际上是一种特殊的发现 , 此时对一个特定 的变量 v的 V ( v) 为 1。当证据进入后我们进行如下的信息传递 :2) 重新初始化连接树的概率表 ;3) 对每一个变量 V , 对某些 V 1的值按照 2. 1中信息 传递的方法更新 。参考文献 :1 B EN GTSSON H . B ayesian ne two rk s Z . M a them a tica l Sta tistic s Cen te r fo r M a them atica l Sc ience s, L und In
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23、广到证 据状态 , 一 个 变 量 的 证 据 状 态 就 是 指 这 个 变 量 的 似 然 度 V ( v) 。我们把观察值 e的概念推广 , 用它来表示所有变量的组合证据状态 , 此时我们就可以把 e称之为证据结构 7 。考虑 一个证据结构从 e1 变为 e2 , 变量在 e1 中的似然率为 V , 当变 3 4 5 new为 e2 时为 V , 故两者之间发生的变化可以归类为 :new1) 无变化 ,V = V ; 6 new2) 更新 , 对每一个值 v,V ( v) = 0暗含着 V ( v) = 0;new3) 撤销 , 对某些值 v, e1 但 V 0。这样我们就可以处理动态的
24、证据了 , 假设我们有一个连 续的连接树 , 此时的证据结构为 e1 , 想要计算 P (V | e2 ) , 其中V 是我们想要得到的变量 , 此时可以进行以下操作 :1) 对每一个变量 V , 更新似然率来反映 V 的观察值的变 7 (上接第 84页 )在装配过程中 ,零件一旦被抓取 ,其位置就和虚拟手的位 置建立了联系 。由于虚拟手在场景中的位置是由位置跟踪仪 确定的 ,所以零件被抓取后的位置可以由系统实时取得 ,并显示在用户界面的文本框中 。将取得的位置信息进行保存 ,可以生成一个储存装配路径关键点的文件 。装配路径关键点文 件不仅可以直接 供 装 配 工 艺 规 划 人 员 参 考
25、, 而 且 可 以 利 用 J ava3D 中 L ineStripA rray ( )方法生成折线 ,显示在对应的装配 场景中 ,为用户提供更为直观的装配路径图形 ,如图 4所示 。设计的效率 。在实现虚拟手装配操作的基础上 ,系统有装配路径生成与管理的功能 ,为用户提供了装配路径规划的新途 径 。系统的管理功能能够根据用户的需要进一步扩充 ,从而实现更为复杂的装配规划 。W EVMA 系 统基于网络的特点 ,使其可作为模具设计系统的一部分 ,最终形成完善的模具协 同设计制造体系 ,为模具研发机构和生产企业提供一个网络 化的虚拟平台 ,缩短模具的开发周期 ,降低模具制造成本 。 参考文献 :
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