专利名称：柔性线缆的装配仿真方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械工程领域，尤其涉及一种虚拟环境下柔性线缆的装配仿真方法及
直O
背景技术：
线缆是机电或电气产品中连接电气元器件、电气设备或控制装置的柔性电线或电缆的总称。作为信号和能量传输的介质和桥梁，线缆大量广泛应用于航空、航天、船舶、车辆等复杂产品中。装配是产品制造生命周期中最关键的环节之一，也是产品获得整体性能的最后环节，一旦发生问题，导致的时间和成本损失相对于其它早期环节要大的多。柔性线缆是复杂产品装配中的必要部分，也是工艺制定和装配实施的难点，同时，线缆的装配质量还直接影响到产品整机的性能和可靠性。在传统的线缆装配中，依靠制作物理样机进行实物试装，靠实际实验来制定装配工艺和验证装配的可靠性和稳定性，成本高，周期长，可靠性差。随着计算机软硬件和虚拟现实技术的发展，数字化样机开始取代物理样机被广泛的应用于装配相关的设计和制造过程中。利用虚拟环境下的柔性线缆装配仿真技术可进行装配工艺规划，装配性验证等工作， 从而降低成本，缩短周期，提高可靠性。线缆在装配仿真中的柔性变形仿真是一个核心问题。在柔性物体建模理论的研究过程中，Terzopoulos所提出的基于物理属性的弹性变形模型建立了此研究领域的里程碑。 该模型从连续介质力学的角度考虑物体的变形，认为变形体的变化遵循牛顿力学和经典弹性力学原理，将问题归结为一个微分方程，求解方程得到物体上各点的空间几何位置，其后的研究都秉承了这种动力学思想，提出了许多模拟技术。现有技术中还有一种利用人机交互方法进行电缆路径规划，得到一个基于NURBS 曲线的电缆几何模型，然后利用“蛇形机器人”方法建立电缆的物理模型，基于逆运动学原理计算其弯曲角度。现有技术中还有一种方法针对定长线缆，提出了虚拟线缆(Virtual Cable)的概念，其线缆模型由一系列等长的圆柱段组成，圆柱间由球形结点联结，结点上设置卷簧表征线缆弯曲时的弹性性能，以模型能量(包括各段的势能和卷簧的弹性变形能)最低为判据确定线缆形变。线缆装配仿真中的模型需要满足实时交互性，同时又能基本反映线缆的真实形态 (例如线缆的定长特性，在伸出电连接器的地方要保持一定的方向性，线缆的弯曲曲率不能超过一定值等等)。然而，上述模型大都在实时性和真实性上有缺陷。总的来说，目前国内外在虚拟环境下的线缆运动仿真和装配仿真方面的研究尚处于初期阶段，还有很多技术难题没有解决
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种线缆的装配仿真方法及装置，能够更加真实准确地表达线缆在装配仿真中的变形和形态特征(定长，接头端伸出的方向，弯曲曲率的约束等)，并能实现实时的线缆装配运动仿真。为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种柔性线缆的装配仿真方法，包括 建立柔性线缆装配物理特性模型，所述柔性线缆装配物理特性模型中，所述柔性线缆用所述柔性线缆上的离散控制点之间的线段来描述；获取所述柔性线缆的第一端点的第一位置信息和第二端点的第二位置信息，以及所述第一端点处的第一切线方向信息和所述第二端点处的第二切线方向信息；根据所述第一位置信息和所述第二位置信息及所述第一切线方向信息和所述第二切线方向信息，求解所述柔性线缆装配物理特性模型，得到所述柔性线缆上的离散控制点的位置信息；根据所述离散控制点的位置信息拟合所述柔性线缆，并显示所述柔性线缆的位置姿态。其中，所述离散控制点为六点二次B样条曲线的控制点。 其中，所述六点二次B样条曲线为
权利要求
1.一种柔性线缆的装配仿真方法，其特征在于，包括建立柔性线缆装配物理特性模型，所述柔性线缆装配物理特性模型中，所述柔性线缆用所述柔性线缆上的离散控制点之间的线段来描述；获取所述柔性线缆的第一端点的第一位置信息和第二端点的第二位置信息，以及所述第一端点处的第一切线方向信息和所述第二端点处的第二切线方向信息；根据所述第一位置信息和所述第二位置信息及所述第一切线方向信息和所述第二切线方向信息，求解所述柔性线缆装配物理特性模型，得到所述柔性线缆上的离散控制点的位置信息；根据所述离散控制点的位置信息拟合所述柔性线缆，并显示所述柔性线缆的位置姿态。
2.根据权利要求1所述的柔性线缆的装配仿真方法，其特征在于，所述离散控制点为六点二次B样条曲线的控制点。
3.根据权利要求2所述的柔性线缆的装配仿真方法，其特征在于，所述六点二次B样条曲线为
4.根据权利要求3所述的柔性线缆的装配仿真方法，其特征在于，根据所述第一位置信息和所述第二位置信息及所述第一切线方向信息和所述第二切线方向信息，求解所述柔性线缆装配物理特性模型，得到所述柔性线缆上的离散控制点的位置信息的步骤包括在所述第一切线方向和所述第二切线方向上，分别设置一切线作用距离为L ；根据所述第一位置信息和所述切线作用距离L，得到与所述第一端点相邻的第一控制点的位置信息；根据所述第二位置信息和所述切线作用距离L，得到与所述第二端点相邻的第二控制点的位置信息；根据第一控制点的位置信息以及所述第二控制点的位置信息，得到与所述第一控制点相邻的第三控制点的位置信息，以及与所述第二控制点相邻的第四控制点的位置信息。
5.根据权利要求4所述的柔性线缆的装配仿真方法，其特征在于，所述根据所述第一位置信息和所述切线作用距离L，得到与所述第-骤具体为L-端点相邻的第一控制点的位置信息的步根据公式
6.根据权利要求5所述的柔性线缆的装配仿真方法，其特征在于，所述第一控制点、所述第二控制点用直接连接，采用B样条曲线拟合所述包括所述第一端点、所述第二端点、所述第一控制点和所述第二控制点的线缆，得到拟合后极限状态下的柔性线缆，所述极限状态下的柔性线缆不超过第一预设长度。
7.根据权利要求5或6所述的柔性线缆的装配仿真方法，其特征在于，所述根据第一控制点的位置信息以及所述第二控制点的位置信息，得到与所述第一控制点相邻的第三控制点的位置信息，以及与所述第二控制点相邻的第四控制点的位置信息的步骤包括获得包含所述第一控制点、所述第二控制点、所述第三控制点以及所述第四控制点的B 样条曲线的第一段线缆的能量E1以及第二段线缆的能量E2 ；根据所述第一控制点的位置信息和所述第一段线缆的能量E1,以及所述第二控制点的位置信息和所述第二段线缆的能量氏，得到所述第三控制点的位置信息和所述第四控制点的位置信息。
8.根据权利要求7所述的柔性线缆的装配仿真方法，其特征在于，获得包含所述第一控制点、所述第二控制点、所述第三控制点以及所述第四控制点的B样条曲线的第一段线缆的能量E1以及第二段线缆的能量氏的步骤包括根据所述六点二次B样条曲线得到
9.根据权利要求8所述的柔性线缆的装配仿真方法，其特征在于，所述根据所述第一控制点的位置信息和所述第一段线缆的能量E1,以及所述第二控制点的位置信息和所述第段线缆的能量E2，得到所述第J控制点和所述第四控制点的位置信息具体为根据公式
10.根据权利要求9所述的柔性线缆的装配仿真方法，其特征在于，根据所述离散控制点的位置信息拟合所述柔性线缆的步骤包括所述柔性线缆采用包括所述第一端点、所述第二端点、所述第一控制点、所述第二控制点、所述第三控制点和所述第四控制点的六点二次B样条曲线拟合，得到拟合后的柔性线缆；所述拟合后的柔性线缆的极限长度符合长度不变搜索条件；所述长度不变搜索条件包括根据上述所述第一段线缆的能量E1和所述第二段线缆的能量氏，得到能量最小状态下的所述第三控制点和所述第四控制点的位置信息；在得到线缆能量最小时的控制点的位置信息时，按照搜索方向移动所述第三控制点和所述第四控制点，直到线缆长度符合第二预设长度；所述搜索方向是指以所述第一控制点与所述第二控制点的连线的中点为起点，以所述能量最小状态下的所述第三控制点或者所述第四控制点为终点得到的矢量方向。
11.根据权利要求10所述的柔性线缆的装配仿真方法，其特征在于，所述拟合后的柔性线缆的曲率符合线缆插值点局部搜索条件；所述线缆插值点局部搜索条件包括所述第一控制点、所述第二控制点、所述第三控制点和所述第四控制点中，每两个控制点之间进行插值，得到多个插值点，并获得所述线缆在所述多个插值点中的一个第一插值点处的曲率，若所述曲率大于预设曲率值，则将与所述第一插值点相连的其它插值点，向所述其它插值点与所述第一插值点连线的反方向移动， 使所述曲率小于或者等于所述预设曲率值。
12.根据权利要求11所述的柔性线缆的装配仿真方法，其特征在于，通过公式
13. —种柔性线缆的装配仿真装置，其特征在于，包括模型建立模块，用于建立柔性线缆装配物理特性模型，所述柔性线缆装配物理特性模型中，所述柔性线缆用所述柔性线缆上的离散控制点之间的线段来描述；获取模块，用于获取所述柔性线缆的第一端点的第一位置信息和第二端点的第二位置信息，以及所述第一端点处的第一切线方向信息和所述第二端点处的第二切线方向信息；模型求解模块，用于根据所述第一位置信息和所述第二位置信息及所述第一切线方向信息和所述第二切线方向信息，求解所述柔性线缆装配物理特性模型，得到所述柔性线缆上的离散控制点的位置信息；运动仿真模块，用于根据所述离散控制点的位置信息拟合所述柔性线缆，并显示所述柔性线缆的位置姿态。
全文摘要
本发明提供一种柔性线缆的装配仿真方法及装置，其中方法包括建立柔性线缆装配物理特性模型，柔性线缆装配物理特性模型中，柔性线缆用柔性线缆上的离散控制点之间的线段来描述；获取柔性线缆的第一端点的第一位置信息和第二端点的第二位置信息，以及第一端点处的第一切线方向信息和第二端点处的第二切线方向信息；根据第一位置信息和第二位置信息及第一切线方向信息和第二切线方向信息，求解柔性线缆装配物理特性模型，得到柔性线缆上的离散控制点的位置信息；根据离散控制点的位置信息拟合柔性线缆，并显示柔性线缆的位置姿态。本发明的方案能够更加精确地表达线缆装配的准确性，并能实现线缆装配运动仿真。
文档编号G05B11/14GK102323747SQ20111029617
公开日2012年1月18日 申请日期2011年9月27日 优先权日2011年9月27日
发明者刘检华, 宁汝新, 尚炜, 王志斌 申请人:北京理工大学