CN109376432B - 一种装配过程的仿真方法、装置及仿真设备 - Google Patents

一种装配过程的仿真方法、装置及仿真设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种装配过程的仿真方法、装置及仿真设备，该装配过程的仿真方法包括：建立用于对线缆进行数字化表达的线缆信息模型和用于计算线缆位姿的线缆物性模型；接收用户输入的装配操作的操作约束；根据所述操作约束和所述线缆物性模型，获得所述线缆进行装配操作后的位姿；根据进行装配操作后的位姿，对所述线缆信息模型进行更新，并根据更新后的所述线缆信息模型对所述线缆进行碰撞检测，输出检测结果。本发明实施例通过建立线缆的物性模型和线缆信息模型，使得在进行模拟装配时可以对装配进行描述，同时可以通过碰撞检测对装配操作进行调整，从而实现了对复杂机电产品的刚柔混合装配过程进行有效描述。

Description

一种装配过程的仿真方法、装置及仿真设备
技术领域
本发明涉及装配技术领域，特别涉及一种装配过程的仿真方法、装置及仿真设备。
背景技术
复杂机电产品中不仅包含刚性零件，而且含有大量的柔性线缆，随着其中各类光纤和电缆所占比重的增加，有时线缆装配所消耗的人力、时间和成本已经超过了刚性零件。同时线缆的可靠装配对最终产品的装配质量和精度具有重要影响。
但是，传统的线缆装配工艺设计，主要需在物理样机上反复试装以制定其装配工艺，存在着设计周期长、成本高等问题。计算机仿真和虚拟现实技术的发展，使得产品的装配过程能够通过数字样机进行仿真，从而在设计阶段对其可装配性进行验证，提前发现并解决可能出现的问题，有效缩短了产品研制周期、降低了研制成本。但是，目前工程中的虚拟装配仿真大多主要考虑刚性零件，对于含有大量线缆的复杂机电产品刚柔混合装配过程，无法准确实现验证。同时，现有的商业化软件，如CATIA、Creo等虽然提供了虚拟布线功能，但一般不涉及线缆装配过程仿真，同时其建立的线缆模型主要包含线缆的几何和拓扑信息，缺乏支撑线缆装配过程中线缆变形等物理属性。因此，考虑柔性线缆的刚柔混合装配过程仿真技术逐渐受到了国内外学者的关注。
发明内容
本发明实施例要解决的技术问题是提供一种装配过程的仿真方法、装置及仿真设备，用以实现对复杂机电产品的刚柔混合装配过程进行有效描述。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种装配过程的仿真方法，包括：
建立用于对线缆进行数字化表达的线缆信息模型和用于计算线缆位姿的线缆物性模型；
接收用户输入的装配操作的操作约束；
根据所述操作约束和所述线缆物性模型，获得所述线缆进行装配操作后的位姿；
根据进行装配操作后的位姿，对所述线缆信息模型进行更新，并根据更新后的所述线缆信息模型对所述线缆进行碰撞检测，输出检测结果。
优选的，所述操作约束包括对刚性零件的装配操作约束和对线缆的装配操作约束；
所述方法还包括：
建立用于记录装配过程的装配过程模型；
根据所述装配过程模型和对刚性零件的装配操作约束，获得刚性零件进行装配操作后的位姿；
通过所述装配过程模型，对装配操作的操作约束、线缆进行装配操作后的位姿和刚性零件进行装配操作后的位姿进行记录。
优选的，建立用于对线缆进行数字化表达的线缆信息模型的步骤包括：
通过广度优先搜索算法对线缆上的每一线缆段进行处理，生成每一线缆段上的分支点、操作约束和亚线缆段信息；
根据每一线缆段上的分支点、操作约束和亚线缆段信息，生成用于对线缆进行数字化表达的线缆信息模型。
优选的，建立用于计算线缆位姿的线缆物性模型的步骤包括：
建立基本坐标系；
根据所述基本坐标系，获得线缆的外形；
通过线缆的轴向拉压矢量描述线缆的轴向拉压变形，并通过线缆的弯扭度描述线缆弯曲和扭转变形的剧烈程度；
根据所述线缆的外形、所述线缆的轴向拉压矢量和所述线缆的弯扭度，通过能量最小化法对线缆的平衡状态进行建模，获得线缆存在等式约束情况下的静平衡状态；
通过将线缆存在等式约束情况下的静平衡状态中的等式约束转换为罚函数，建立用于计算线缆位姿的线缆物性模型。
优选的，所述方法还包括：
建立碰撞检测模型，所述碰撞检测模型包括：以线缆的两端点的连线为轴线的第一圆柱体包围盒的第一层碰撞模型、在所述第一层碰撞模型的内部由多个球形包围盒沿线缆依次串接组成的第二层碰撞模型和在所述第二层碰撞模型的内部由多个第二圆柱体包围盒沿线缆依次串接组成的第三层碰撞模型；
对所述线缆进行碰撞检测，输出检测结果的步骤包括：
当刚性零件的位姿发生变化时，执行第一检测操作，获得第一检测结果；
当线缆的位姿发生变化时，执行第一检测操作和第二检测操作，获得第二检测结果；
其中所述第一检测操作包括：检测所述第一层碰撞模型是否发生碰撞，若所述第一层碰撞模型未发生碰撞，则输出未发生碰撞的检测结果，否则检测所述第二层碰撞模型是否发生碰撞，若所述第二层碰撞模型未发生碰撞，则输出所述第一层碰撞模型发生碰撞的检测结果；否则检测所述第三层碰撞模型是否发生碰撞，若所述第三层碰撞模型未发生碰撞，则输出所述第一层碰撞模型和所述第二层碰撞模型均发生碰撞的检测结果；否则输出所述第一层碰撞模型、所述第二层碰撞模型和所述第三层碰撞模型均发生碰撞的检测结果；
所述第二检测操作包括：检测所述第二层碰撞模型的自碰撞，若所述第二层碰撞模型未发生自碰撞，则输出未发生自碰撞的检测结果；否则检测所述第三层碰撞模型的自碰撞，若所述第三层碰撞模型未发生自碰撞，则输出所述第二层碰撞模型发生自碰撞的检测结果；否则输出所述第二层碰撞模型和所述第三层碰撞模型均发生自碰撞的检测结果。
优选的，每一所述球形包围盒的直径为线缆上的相邻的两个线缆段的中心线离散点之间的距离，每一所述第二圆柱体包围盒的轴线与相邻的两个线缆段的中心线离散点的连线重合，每一所述第二圆柱体包围盒的半径为线缆段的半径，每一所述第二圆柱体包围盒的长度为相邻的两个线缆段的中心线离散点之间的距离与线缆段的直接的差值。
根据本发明另一方面，本发明实施例还提供了一种装配过程的仿真装置，包括：
第一建模模块，用于建立用于对线缆进行数字化表达的线缆信息模型和用于计算线缆位姿的线缆物性模型；
接收模块，用于接收用户输入的装配操作的操作约束；
第一获取模块，用于根据所述操作约束和所述线缆物性模型，获得所述线缆进行装配操作后的位姿；
处理模块，用于根据进行装配操作后的位姿，对所述线缆信息模型进行更新，并根据更新后的所述线缆信息模型对所述线缆进行碰撞检测，输出检测结果。
优选的，所述操作约束包括对刚性零件的装配操作约束和对线缆的装配操作约束；
所述装置还包括：
第二建模模块，用于建立用于记录装配过程的装配过程模型；
第二获取模块，用于根据所述装配过程模型和对刚性零件的装配操作约束，获得刚性零件进行装配操作后的位姿；
记录模块，用于通过所述装配过程模型，对装配操作的操作约束、线缆进行装配操作后的位姿和刚性零件进行装配操作后的位姿进行记录。
根据本发明另一方面，本发明实施例还提供了一种仿真设备，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上所述的装配过程的仿真方法的步骤。
根据本发明另一方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的装配过程的仿真方法的步骤。
与现有技术相比，本发明实施例提供的一种装配过程的仿真方法、装置及仿真设备，至少具有以下有益效果：本发明实施例通过建立线缆的物性模型和线缆信息模型，使得在进行模拟装配时可以对装配进行描述，同时可以通过碰撞检测对装配操作进行调整，从而实现了对复杂机电产品的刚柔混合装配过程进行有效描述。
附图说明
图1为本发明实施例的装配过程的仿真方法的流程图；
图2为本发明实施例的装配过程的仿真装置的结构示意图；
图3为本发明实施例的线缆信息模型类图；
图4为本发明实施例的刚柔混合装配过程模型的示意图；
图5为本发明实施例的装配操作顺序的表达的示意图之一；
图6为本发明实施例的装配操作顺序的表达的示意图之二；
图7为本发明实施例的子装配操作的表达的示意图；
图8为本发明实施例的线缆装配操作的表达的示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本发明的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本发明的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，省略了对已知功能和构造的描述。
应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。
在本发明的各种实施例中，应理解，下述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本申请所提供的实施例中，应理解，“与A相应的B”表示B与A相关联，根据A可以确定B。但还应理解，根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其它信息确定B。
参见图1，本发明实施例提供了一种装配过程的仿真方法，包括：
步骤101，建立用于对线缆进行数字化表达的线缆信息模型和用于计算线缆位姿的线缆物性模型；
这里，线缆装配过程中其外形通过线缆物性模型计算得到，并考虑抗拉、抗弯和抗扭等物理属性，可以准确描述线缆的变形，从而保证仿真的真实性与有效性。线缆信息模型是在虚拟环境中进行线缆装配仿真的基础，通过线缆信息模型实现线缆的数字化表达。
步骤102，接收用户输入的装配操作的操作约束；
步骤103，根据所述操作约束和所述线缆物性模型，获得所述线缆进行装配操作后的位姿；
步骤104，根据进行装配操作后的位姿，对所述线缆信息模型进行更新，并根据更新后的所述线缆信息模型对所述线缆进行碰撞检测，输出检测结果。
这里，当检测到碰撞时可以输出一提示信息，以便用户及时发现碰撞，进行相应的操作，例如调整操作约束。这里的提示信息可以是语音提示信息，也可以是对碰撞部分进行处理，从而通过处理后的图像信息进行提示，例如对碰撞部分进行高亮显示。
这里，在虚拟环境中进行线缆可装配性验证时，需要寻找无干涉的线缆装配路径。因此，有必要对线缆与其它物体的碰撞以及线缆自碰撞情况进行检查，同时碰撞检测算法具有实时性，以满足虚拟系统的交互需求。
本发明实施例的装配方法适用于刚柔混合装配过程仿真，刚柔混合装配过程仿真技术的难点在于线缆的装配仿真，线缆需要根据用户的输入改变其操作约束状态，并对其外形进行预测，进而通过虚拟环境中线缆实体模型将线缆外形和位姿的变化反馈给用户，同时进行线缆实时碰撞检测。本发明实施例通过建立线缆的物性模型对外形进行预测，通过线缆信息模型反馈线缆外形和位姿的变化，使得在进行模拟装配时可以对装配进行描述，同时可以通过碰撞检测对装配操作进行调整，从而实现了对复杂机电产品的刚柔混合装配过程进行有效描述。
优选的，所述操作约束包括对刚性零件的装配操作约束和对线缆的装配操作约束；
由于复杂机电产品中存在大量的柔性线缆和刚性零件，且装配过程中线缆不仅具有位姿的变化，外形也会发生改变。为了描述产品的装配过程，并驱动虚拟环境中刚性零件和线缆的虚拟实体模型进行刚柔混合交叉装配过程的仿真，以支持装配工艺的编制，需要建立适用于刚柔混合的装配过程模型。
所述方法还可以包括：
建立用于记录装配过程的装配过程模型；
这里，通过如图4所示的装配过程模型对复杂机电产品的装配过程进行描述和记录，其中Activity是所有操作的基类，线缆和刚性零件的装配分别由C-ableAct和RigidPartAct表示。由于线缆的移动和变形是由于电连接器、卡箍等操作约束引起的，所以在线缆操作CableAct中包含卡电连接器操作Connec torAct和卡箍操作CollarAct，另外线缆虚拟实体的外形变化表示为CableRep Act，它也属于线缆操作的一部分，包含了线缆虚拟实体中的刚性球和刚性圆柱段的位姿变化。
各项装配操作占用的时间通过“操作开始时间”和“操作持续时间”来描述，其中“操作开始时间”表示该操作开始执行的时刻与前一操作完成的时刻的延迟，“操作持续时间”表示该操作的耗时。刚性零件、电连接器和卡箍在操作中的位姿变化通过装配路径来描述，而线缆的外形改变由其中心线上各离散点的路径表示。
通过以上对装配过程的建模，可以将线缆和刚性零件的装配操作进行统一的组织和管理，并通过设置操作的前驱和后继来实现操作顺序的表达。如图5和图6所示，图5表示串行操作，每个操作完成后才进行其后继的操作，每个操作也只有在其前驱操作完成后才开始执行。图6表示并行操作，各并行操作同时开始执行，当所有操作完成后才开始后继操作的执行。
一个操作可能包含多个子操作，如图7所示，其中Start和End分别表示操作的开始和结束，各子操作同样通过前驱和后继表示执行顺序，各子操作也可以包含多个操作。
由于线缆的装配操作包含对卡箍、电连接器的移动和线缆的外形变化，所有操作的同时进行，所以线缆的操作表示为图8所示的形式。
根据所述装配过程模型和对刚性零件的装配操作约束，获得刚性零件进行装配操作后的位姿；
通过所述装配过程模型，对装配操作的操作约束、线缆进行装配操作后的位姿和刚性零件进行装配操作后的位姿进行记录。
这里，复杂机电产品中柔性线缆和刚性零件的装配交叉进行，通过刚柔混合装配过程模型对复杂机电产品的装配过程进行描述，以支持装配过程的回放和装配工艺制定等功能。
优选的，建立用于对线缆进行数字化表达的线缆信息模型的步骤包括：
通过广度优先搜索算法对线缆上的每一线缆段进行处理，生成每一线缆段上的分支点、操作约束和亚线缆段信息；
根据每一线缆段上的分支点、操作约束和亚线缆段信息，生成用于对线缆进行数字化表达的线缆信息模型。
这里，线缆的信息模型是求解线缆物性模型、建立线缆虚拟实体和碰撞检测模型的基础。该模型除了需要对线缆的拓扑、几何以及材料属性进行描述，还应该考虑装配中的各种操作约束信息。已有研究中线缆信息模型大多数从拓扑和几何的角度对线缆信息进行组织，而装配中的操作约束难以在这类信息模型中体现。由于装配中的操作约束是造成线缆形变的原因，并为线缆物性模型的求解提供了边界条件，从操作约束的角度建立线缆的信息模型更符合装配仿真应用的特点。
线缆零件通常由电连接器、线缆分支组成，具有多分支且复杂的拓扑结构。线缆信息模型建立的难点在于对线缆的拓扑进行有效的描述，并记录线缆的几何尺寸等信息，能够支持线缆的物性模型求解与虚拟环境中的实时显示，同时需要考虑柔性线缆安装的特点，如支持线缆装配过程中的夹持、对电连接器的插装、线缆安装完成后的卡箍固定等操作约束。
分支线缆在装配过程中受到操作约束，由于操作约束的存在，被约束部分的自由度受到限制，线缆段被“分割”为多个部分。建立线缆信息模型时将线缆抽象为操作约束CC，分支点BP，亚线缆段SS，物性模型计算单元CAL以及线束CB五类基本元素。以下对这几种基本元素进行说明
(1)操作约束
操作约束在装配过程中对线缆的自由度进行限制，包括电连接器、卡箍、夹持工具等，操作约束数目和位姿的改变会引起线缆外形的变化。操作约束CC可表示为
CC＝{CT,CP,SSG}
其中CT是操作约束的类型，CP是操作约束的位姿，SSG为所约束的亚线缆段的集合，表示为
SSG＝{SS1,SS2,…,SSn}
(2)分支点
分支点连接各个分支，并记录所连接的亚线缆段的信息。分支点BP可以表示为
BP＝{SSG}
其中SSG是分支点所连接的亚线缆段的集合。
(3)亚线缆段
通过操作约束将线缆段划分为亚线缆段，亚线缆段的两端可以为操作约束或分支点，将亚线缆段SS表示为
SS＝{HE,TE,HR,TR,SG,SP,CAL}
其中HE和TE分别表示亚线缆段的首端和尾端，HR和TR分别亚线缆段两端受约束部分与操作约束的相对位置关系，SG为线缆的长度、半径以及中心线插值点坐标等几何信息，SP为线缆的材料属性信息，CAL为亚线缆段所属的物性模型计算单元。
(4)物性模型计算单元
由于操作约束的“分割”作用，对操作约束位姿的改变只会影响一部分亚线缆段的外形，物性模型的求解也只针对这一部分亚线缆段进行。将一组以分支点相连接，以操作约束为边界的亚线缆段组合在一起形成亚线缆段的集合，作为物性模型的计算单元。各物性模型计算单元之间的形变相互独立，只有当物性模型计算单元中的操作约束位姿发生改变时，才会影响该物性模型计算单元中所有亚线缆段的外形。
物性模型计算单元CAL表示为
CAL＝{SSG,CB}
其中SSG为包含的亚线缆段的集合，CB为物性模型计算单元所属的线束。
(5)线束
一个线束可包含多个物性模型计算单元，表示为
CB＝{CALG}
其中CALG为包含的物性模型计算单元的集合，即
CALG＝{CAL1,CAL2,…,CALn}
引入CableInfo作为所有线缆信息模型基本元素的基类，通过类图3描述各基本元素间的关系，其中CICB为线束，CICAL为物性模型计算单元，CISS为亚线缆段，CICC为操作约束，CIBP为分支点。
目前商品化的三维建模软件都支持线缆的布局设计，如CATIA和Creo等。但在大部分虚拟装配过程仿真系统中，需要通过人工交互的方式重新建立线缆的信息模型，无法直接利用设计产生的线缆三维模型，降低了仿真的效率。本申请提出一种线缆信息模型生成方法，能够利用建模软件建立的线缆三维模型，自动生成用于装配过程仿真的线缆信息模型。
一个线束包括多个线缆段，通过广度优先搜索算法对每个线缆段进行处理，生成每个线缆段上的分支点、操作约束以及亚线缆段信息。在对线缆段进行处理之前，需要确定该线缆段的弧坐标原点和弧坐标方向，为了保持和已处理线缆段的连续性，需要保证当前处理的线缆段和已处理的线缆段在分支点处的中心线的切向方向一致。对于CAD软件建立的线缆三维模型，当前处理的线缆段和已处理的线缆段需要满足在分支点处的中心线切向间夹角为锐角。生成亚线缆段之后，根据其连接关系将其加入到所属的线缆物性模型计算单元中。如果当前没有亚线缆段所属的物性模型计算单元，则建立一个新的物性模型计算单元，并将亚线缆段添加到该物性模型计算单元中，同时将该物性模型计算单元添加到所属的线束中。其中，广度优先搜索是关键步骤，下面对其进行详细说明：
定义两个集合，未处理的线缆段集合Guncon，已处理线缆段集合Gconed；
定义一个队列，待处理的线缆段队列Qnext；
将位于待处理队列Qnext首端中的线缆段bscurr出队；
处理该线缆段bscurr，并加入已处理线缆段集合；
将与当前处理线缆段bscurr相连的未处理线缆段bsuncon入队，同时从未处理
线缆段集合Guncon中删除bsuncon。
该过程的伪代码描述如下：
InitiateCB(cablePart)
begin
callNewCB(cablePart,cb,Guncon)
Figure BDA0001842817210000111
//判断未处理线缆段集合和待处理线缆段集合是否都为空
Figure BDA0001842817210000112
//判断待处理线缆段集合是否为空
bsunpro←Guncon.member
call EnQueue(Qnext,bsuncon)//将未处理线缆段集合中的线缆段加入待处理线缆段队列
call Erase(Guncon,bsuncon)
call DeQueue(Qnext,bscurr)//待处理线缆队列首端线缆段出队
call Convert(bscurr,GCAL,cb,Guncon)//处理线缆段
call Insert(Gconed,bscurr)//加入已处理线缆段集合
for each bsuncon∈Guncon
if call IsConnect(bsuncon,bscurr)
call EnQueue(Qnext,bsuncon)//将与当前处理线缆段相连的未处理线缆段加入待处理线缆段队列
call Erase(Guncon,bsuncon)
end
优选的，建立用于计算线缆位姿的线缆物性模型的步骤包括：
建立基本坐标系；
这里，准确的几何描述是模拟线缆形变的第一步，包括外形和形变的描述，同时也便于后续的建模和计算。首先建立弧坐标s、世界坐标系(O-ξηζ)以及局部坐标系(P-xyz)作为描述线缆的几何形态的基本坐标系。
根据所述基本坐标系，获得线缆的外形；
这里，为了便于描述局部坐标系的姿态，认为局部坐标系的当前姿态由世界坐标系的一个旋转变换得到。故将世界坐标系进行旋转变换获得局部坐标系的当前姿态，其中通过四元数λ表示旋转，λ＝(λ0λ1λ2λ3)T；
由于线缆几何形态通过中心线和截面沿中心线的移动和转动进行描述，通过所述基本坐标系，获得线缆的外形
Figure BDA0001842817210000129
其中r表示线缆的半径，l表示线缆的长度。
通过线缆的轴向拉压矢量v描述线缆的轴向拉压变形，并通过线缆的弯扭度u描述线缆弯曲和扭转变形的剧烈程度；其中v＝dr/ds，根据弹性杆模型，轴向拉压内力Fs＝Ks(||v||-1)，Ks表示轴向拉压刚度，Ks＝Esπr2，Es为轴向拉压刚度的杨氏模量；线缆的弯扭度根据线缆截面转动的角度相对于弧坐标的变化率获得，
Figure BDA0001842817210000121
其中u1和u2分别表示局部坐标系x轴和y轴方向上的弯曲应变，u3表示扭转应变，λk′(0≤k≤3)表示四元数各元素对弧坐标的变化率，
Figure BDA0001842817210000122
其中内力矩Mb＝(Mb1，Mb2，Mb3)与弯扭度呈线性关系，
Figure BDA0001842817210000123
其中
Figure BDA0001842817210000124
和
Figure BDA0001842817210000125
分别为线缆在主轴坐标系的x轴和y轴方向上的原始弯曲，
Figure BDA0001842817210000126
为原始扭转，对于无扭转的直线缆段，各部分的原始弯曲和扭转
Figure BDA0001842817210000127
为零，Kbk是线缆的刚度，Kb1和Kb2分别为主轴坐标系x轴和y轴方向上的弯曲刚度，Kb3为扭转刚度，对于半径为r的圆形截面，各方向上刚度为
Figure BDA0001842817210000128
其中E为决定弯曲刚度的杨氏模量，G为切变模量；
根据所述线缆的外形、所述线缆的轴向拉压矢量和所述线缆的弯扭度，通过能量最小化法对线缆的平衡状态进行建模，获得线缆存在等式约束情况下的静平衡状态；
这里，弹性杆的静平衡状态已有相关研究，主要是通过微分方程描述线缆的平衡状态，然后通过施加位置边界条件，利用“打靶法”求得线缆处于静平衡时的外形。其中平衡方程基于线缆微元段建立，使微元段受到的合力及合力矩为零，这种方法建立的线缆平衡状态模型在求解上存在困难，由于微分方程存在很强的非线性，存在多解的情况，另外“打靶法”求解效率较低，难以满足装配仿真的实时性需求。本申请采用能量最小化方法对线缆的平衡状态进行建模，在满足各操作约束的情况下，当线缆具有最小能量时，线缆处于平衡状态。对于静平衡的线缆，由于不存在动能和耗散能，其总能量P包括弹性势能和外力势能，弹性势能包括拉压弹性势能Ps和弯扭弹性势能Pb，外力势能Pf包括重力和接触力产生的势能；因此，线缆静平衡状态可以通过求解如下最小化问题得到。
通过对公式：
min P＝Ps+Pb+Pf
Figure BDA0001842817210000131
||λ||＝1
求解获得用于计算线缆存在等式约束情况下的静平衡状态，由于对线缆外形的描述方法引入了平行约束和四元数标准化约束，在上述公式中包含等式约束，其中r′＝dr/ds，d3为局部坐标系z轴的单位矢量，λ为四元数；
通过弹性杆模型获得的线缆的拉压内力和弯扭内力矩与形变的关系，由功能关系可以进一步推导获得线缆的弹性势能，其中拉压势能Ps为
Figure BDA0001842817210000132
弯扭势能Pb为
Figure BDA0001842817210000133
外力产生的势能Pf为
Figure BDA0001842817210000134
F表示外力；
通过将线缆存在等式约束情况下的静平衡状态中的等式约束转换为罚函数，建立用于计算线缆位姿的线缆物性模型。
这里，描述的线缆能量最小化问题中存在等式约束(平行约束和四元数标准化约束)，在计算机图形学领域，对于这类约束常采用罚函数的方法处理。将等式约束写成罚函数的形式为，
Figure BDA0001842817210000141
Figure BDA0001842817210000142
其中Pp和Pn分别为由平行约束和四元数标准化约束产生的能量，Kp和Kn为罚函数系数。罚函数系数越大，对于约束的满足效果越好，但会造成求解的困难，降低求解效率，在实际使用时可根据实际求解精度要求选择适当的罚函数系数。
通过将约束转换为罚函数，作为能量项加入到目标函数中，带约束的线缆能量最小化问题转换为无约束的能量最小化问题，
min P＝Ps+Pb+Pf+Pp+Pn
也即通过将线缆存在等式约束情况下的静平衡状态中的等式约束转换为罚函数，通过公式min P＝Ps+Pb+Pf+Pp+Pn建立用于计算线缆位姿的线缆物性模型；
其中
Figure BDA0001842817210000143
Kp和Kn为罚函数系数。
线缆的装配过程中可能存在与装配场景内的其它物体或者与其自身发生干涉的情况，对线缆的可装配性产生影响。为了便于在虚拟装配过程仿真系统中进行装配工艺的制定和验证，需要建立线缆的碰撞检测方法，对仿真中的干涉进行准确和快速地检测。
优选的，所述方法还包括：
建立碰撞检测模型，所述碰撞检测模型包括：以线缆的两端点的连线为轴线的第一圆柱体包围盒的第一层碰撞模型、在所述第一层碰撞模型的内部由多个球形包围盒沿线缆依次串接组成的第二层碰撞模型和在所述第二层碰撞模型的内部由多个第二圆柱体包围盒沿线缆依次串接组成的第三层碰撞模型；
这里，由于线缆具有柔性，其碰撞检测模型需要随着线缆的变形而随时进行更新，同时还要考虑与自身发生碰撞的情况，大大增加了线缆的碰撞检测难度。采用多个相连圆柱体包围盒来建立线缆的碰撞检测模型，以体现线缆的柔性。
对所述线缆进行碰撞检测，输出检测结果的步骤包括：
当刚性零件的位姿发生变化时，执行第一检测操作，获得第一检测结果；
当线缆的位姿发生变化时，执行第一检测操作和第二检测操作，获得第二检测结果；
其中所述第一检测操作包括：检测所述第一层碰撞模型是否发生碰撞，若所述第一层碰撞模型未发生碰撞，则输出未发生碰撞的检测结果，否则检测所述第二层碰撞模型是否发生碰撞，若所述第二层碰撞模型未发生碰撞，则输出所述第一层碰撞模型发生碰撞的检测结果；否则检测所述第三层碰撞模型是否发生碰撞，若所述第三层碰撞模型未发生碰撞，则输出所述第一层碰撞模型和所述第二层碰撞模型均发生碰撞的检测结果；否则输出所述第一层碰撞模型、所述第二层碰撞模型和所述第三层碰撞模型均发生碰撞的检测结果；
所述第二检测操作包括：检测所述第二层碰撞模型的自碰撞，若所述第二层碰撞模型未发生自碰撞，则输出未发生自碰撞的检测结果；否则检测所述第三层碰撞模型的自碰撞，若所述第三层碰撞模型未发生自碰撞，则输出所述第二层碰撞模型发生自碰撞的检测结果；否则输出所述第二层碰撞模型和所述第三层碰撞模型均发生自碰撞的检测结果。
线缆的碰撞检测包括线缆与场景中其它物体(刚性零件或线缆)的碰撞检测，以及线缆段自身的碰撞检测。当场景中的刚性零件的位姿发生变化时，只需要进行第一检测操作，检查所操作的刚性零件与场景中的各线缆是否碰撞，由于操作的对象为刚性零件，不会导致线缆外形的改变，因此无需进行线缆自碰撞检测。如果发生位姿变化的物体为线缆，被操作的线缆除了和场景中的其它物体进行第一检测操作，还需要进行第二检测操作的线缆自碰撞检测流程。
通过构造线缆的三层碰撞检测模型，使得线缆的碰撞检测可以逐层进行，其中每一层所需要的时间依次递增，只有当前一层发生干涉或接触时才进行下一层的检测，从而减少了对线缆进行碰撞检测所需的时间，满足实时性的要求。
优选的，每一所述球形包围盒的直径为线缆上的相邻的两个线缆段的中心线离散点之间的距离，每一所述第二圆柱体包围盒的轴线与相邻的两个线缆段的中心线离散点的连线重合，每一所述第二圆柱体包围盒的半径为线缆段的半径，每一所述第二圆柱体包围盒的长度为相邻的两个线缆段的中心线离散点之间的距离与线缆段的直接的差值。
参见图2，根据本发明另一方面，本发明实施例还提供了一种装配过程的仿真装置，包括：
第一建模模块201，用于建立用于对线缆进行数字化表达的线缆信息模型和用于计算线缆位姿的线缆物性模型；
接收模块202，用于接收用户输入的装配操作的操作约束；
第一获取模块203，用于根据所述操作约束和所述线缆物性模型，获得所述线缆进行装配操作后的位姿；
处理模块204，用于根据进行装配操作后的位姿，对所述线缆信息模型进行更新，并根据更新后的所述线缆信息模型对所述线缆进行碰撞检测，输出检测结果。
本发明实施例的控制装置能够实现上述方法实施例中的各个过程，并具有相应的有益效果，为避免重复，这里不再赘述。
优选的，所述操作约束包括对刚性零件的装配操作约束和对线缆的装配操作约束；
所述装置还包括：
第二建模模块，用于建立用于记录装配过程的装配过程模型；
第二获取模块，用于根据所述装配过程模型和对刚性零件的装配操作约束，获得刚性零件进行装配操作后的位姿；
记录模块，用于通过所述装配过程模型，对装配操作的操作约束、线缆进行装配操作后的位姿和刚性零件进行装配操作后的位姿进行记录。
优选的，第一建模模块包括：
第一生成单元，用于通过广度优先搜索算法对线缆上的每一线缆段进行处理，生成每一线缆段上的分支点、操作约束和亚线缆段信息；
第二生成单元，用于根据每一线缆段上的分支点、操作约束和亚线缆段信息，生成用于对线缆进行数字化表达的线缆信息模型。
优选的，第一建模模块还包括：
第一建立单元，用于建立基本坐标系；
第一获取单元，用于根据所述基本坐标系，获得线缆的外形；
描述单元，用于通过线缆的轴向拉压矢量描述线缆的轴向拉压变形，并通过线缆的弯扭度描述线缆弯曲和扭转变形的剧烈程度；
第二获取单元，用于根据所述线缆的外形、所述线缆的轴向拉压矢量和所述线缆的弯扭度，通过能量最小化法对线缆的平衡状态进行建模，获得线缆存在等式约束情况下的静平衡状态；
第二建立单元，用于通过将线缆存在等式约束情况下的静平衡状态中的等式约束转换为罚函数，建立用于计算线缆位姿的线缆物性模型。
优选的，所述装置还包括：
第三建模模块，用于建立碰撞检测模型，所述碰撞检测模型包括：以线缆的两端点的连线为轴线的第一圆柱体包围盒的第一层碰撞模型、在所述第一层碰撞模型的内部由多个球形包围盒沿线缆依次串接组成的第二层碰撞模型和在所述第二层碰撞模型的内部由多个第二圆柱体包围盒沿线缆依次串接组成的第三层碰撞模型；
所述处理模块包括：
第一处理单元，用于当刚性零件的位姿发生变化时，执行第一检测操作，获得第一检测结果；
第二处理单元，用于当线缆的位姿发生变化时，执行第一检测操作和第二检测操作，获得第二检测结果；
其中所述第一检测操作包括：检测所述第一层碰撞模型是否发生碰撞，若所述第一层碰撞模型未发生碰撞，则输出未发生碰撞的检测结果，否则检测所述第二层碰撞模型是否发生碰撞，若所述第二层碰撞模型未发生碰撞，则输出所述第一层碰撞模型发生碰撞的检测结果；否则检测所述第三层碰撞模型是否发生碰撞，若所述第三层碰撞模型未发生碰撞，则输出所述第一层碰撞模型和所述第二层碰撞模型均发生碰撞的检测结果；否则输出所述第一层碰撞模型、所述第二层碰撞模型和所述第三层碰撞模型均发生碰撞的检测结果；
所述第二检测操作包括：检测所述第二层碰撞模型的自碰撞，若所述第二层碰撞模型未发生自碰撞，则输出未发生自碰撞的检测结果；否则检测所述第三层碰撞模型的自碰撞，若所述第三层碰撞模型未发生自碰撞，则输出所述第二层碰撞模型发生自碰撞的检测结果；否则输出所述第二层碰撞模型和所述第三层碰撞模型均发生自碰撞的检测结果。
优选的，每一所述球形包围盒的直径为线缆上的相邻的两个线缆段的中心线离散点之间的距离，每一所述第二圆柱体包围盒的轴线与相邻的两个线缆段的中心线离散点的连线重合，每一所述第二圆柱体包围盒的半径为线缆段的半径，每一所述第二圆柱体包围盒的长度为相邻的两个线缆段的中心线离散点之间的距离与线缆段的直接的差值。
根据本发明另一方面，本发明实施例还提供了一种仿真设备，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上所述的装配过程的仿真方法的步骤。
根据本发明另一方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的装配过程的仿真方法的步骤。
综上，本发明实施例通过建立线缆的物性模型和线缆信息模型，使得在进行模拟装配时可以对装配进行描述，同时可以通过碰撞检测对装配操作进行调整，从而实现了对复杂机电产品的刚柔混合装配过程进行有效描述。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。
此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种装配过程的仿真方法，其特征在于，包括：
建立用于对线缆进行数字化表达的线缆信息模型和用于计算线缆位姿的线缆物性模型；
接收用户输入的装配操作的操作约束；
根据所述操作约束和所述线缆物性模型，获得所述线缆进行装配操作后的位姿；
根据进行装配操作后的位姿，对所述线缆信息模型进行更新，并根据更新后的所述线缆信息模型对所述线缆进行碰撞检测，输出检测结果；
建立用于对线缆进行数字化表达的线缆信息模型的步骤包括：通过广度优先搜索算法对线缆上的每一线缆段进行处理，生成每一线缆段上的分支点、操作约束和亚线缆段信息；根据每一线缆段上的分支点、操作约束和亚线缆段信息，生成用于对线缆进行数字化表达的线缆信息模型；
建立用于计算线缆位姿的线缆物性模型的步骤包括：建立基本坐标系；根据所述基本坐标系，获得线缆的外形；通过线缆的轴向拉压矢量描述线缆的轴向拉压变形，并通过线缆的弯扭度描述线缆弯曲和扭转变形的剧烈程度；根据所述线缆的外形、所述线缆的轴向拉压矢量和所述线缆的弯扭度，通过能量最小化法对线缆的平衡状态进行建模，获得线缆存在等式约束情况下的静平衡状态；通过将线缆存在等式约束情况下的静平衡状态中的等式约束转换为罚函数，建立用于计算线缆位姿的线缆物性模型。
2.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述操作约束包括对刚性零件的装配操作约束和对线缆的装配操作约束；
所述方法还包括：
建立用于记录装配过程的装配过程模型；
根据所述装配过程模型和对刚性零件的装配操作约束，获得刚性零件进行装配操作后的位姿；
通过所述装配过程模型，对装配操作的操作约束、线缆进行装配操作后的位姿和刚性零件进行装配操作后的位姿进行记录。
3.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述方法还包括：
建立碰撞检测模型，所述碰撞检测模型包括：以线缆的两端点的连线为轴线的第一圆柱体包围盒的第一层碰撞模型、在所述第一层碰撞模型的内部由多个球形包围盒沿线缆依次串接组成的第二层碰撞模型和在所述第二层碰撞模型的内部由多个第二圆柱体包围盒沿线缆依次串接组成的第三层碰撞模型；
对所述线缆进行碰撞检测，输出检测结果的步骤包括：
当刚性零件的位姿发生变化时，执行第一检测操作，获得第一检测结果；
当线缆的位姿发生变化时，执行第一检测操作和第二检测操作，获得第二检测结果；
其中所述第一检测操作包括：检测所述第一层碰撞模型是否发生碰撞，若所述第一层碰撞模型未发生碰撞，则输出未发生碰撞的检测结果，否则检测所述第二层碰撞模型是否发生碰撞，若所述第二层碰撞模型未发生碰撞，则输出所述第一层碰撞模型发生碰撞的检测结果；否则检测所述第三层碰撞模型是否发生碰撞，若所述第三层碰撞模型未发生碰撞，则输出所述第一层碰撞模型和所述第二层碰撞模型均发生碰撞的检测结果；否则输出所述第一层碰撞模型、所述第二层碰撞模型和所述第三层碰撞模型均发生碰撞的检测结果；
所述第二检测操作包括：检测所述第二层碰撞模型的自碰撞，若所述第二层碰撞模型未发生自碰撞，则输出未发生自碰撞的检测结果；否则检测所述第三层碰撞模型的自碰撞，若所述第三层碰撞模型未发生自碰撞，则输出所述第二层碰撞模型发生自碰撞的检测结果；否则输出所述第二层碰撞模型和所述第三层碰撞模型均发生自碰撞的检测结果。
4.根据权利要求3所述的仿真方法，其特征在于，每一所述球形包围盒的直径为线缆上的相邻的两个线缆段的中心线离散点之间的距离，每一所述第二圆柱体包围盒的轴线与相邻的两个线缆段的中心线离散点的连线重合，每一所述第二圆柱体包围盒的半径为线缆段的半径，每一所述第二圆柱体包围盒的长度为相邻的两个线缆段的中心线离散点之间的距离与线缆段的直接的差值。
5.一种装配过程的仿真装置，其特征在于，包括：
第一建模模块，用于建立用于对线缆进行数字化表达的线缆信息模型和用于计算线缆位姿的线缆物性模型；其中，通过广度优先搜索算法对线缆上的每一线缆段进行处理，生成每一线缆段上的分支点、操作约束和亚线缆段信息；根据每一线缆段上的分支点、操作约束和亚线缆段信息，生成用于对线缆进行数字化表达的线缆信息模型；建立基本坐标系；根据所述基本坐标系，获得线缆的外形；通过线缆的轴向拉压矢量描述线缆的轴向拉压变形，并通过线缆的弯扭度描述线缆弯曲和扭转变形的剧烈程度；根据所述线缆的外形、所述线缆的轴向拉压矢量和所述线缆的弯扭度，通过能量最小化法对线缆的平衡状态进行建模，获得线缆存在等式约束情况下的静平衡状态；通过将线缆存在等式约束情况下的静平衡状态中的等式约束转换为罚函数，建立用于计算线缆位姿的线缆物性模型；
接收模块，用于接收用户输入的装配操作的操作约束；
第一获取模块，用于根据所述操作约束和所述线缆物性模型，获得所述线缆进行装配操作后的位姿；
处理模块，用于根据进行装配操作后的位姿，对所述线缆信息模型进行更新，并根据更新后的所述线缆信息模型对所述线缆进行碰撞检测，输出检测结果。
6.根据权利要求5所述的仿真装置，其特征在于，所述操作约束包括对刚性零件的装配操作约束和对线缆的装配操作约束；
所述装置还包括：
第二建模模块，用于建立用于记录装配过程的装配过程模型；
第二获取模块，用于根据所述装配过程模型和对刚性零件的装配操作约束，获得刚性零件进行装配操作后的位姿；
记录模块，用于通过所述装配过程模型，对装配操作的操作约束、线缆进行装配操作后的位姿和刚性零件进行装配操作后的位姿进行记录。
7.一种仿真设备，其特征在于，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述的装配过程的仿真方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述的装配过程的仿真方法的步骤。
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