专利名称：柔性线缆的实时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实时装配仿真方法及装置。
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。柔性线缆的装配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运动是一个核心问题。在柔性物体运动仿真的研究中，德国戴姆勒-克莱斯勒的LoockAchim, SchCimerEImar利用弹簧质点模型仿真了线缆的物理性质。他们采用卷簧代替相隔质点间的伸缩弹簧表示弯曲以改进线缆的动态弯曲表达效果，并应用该模型模拟了不同刚度线缆在重力作用下的空间形态，取得了较好的效果。Thal-mann和Okabe分别提出了粒子系统技术(particle systems),该模型将网格的顶点看成粒子，对柔性物体的模拟分两阶段，即加速度分析阶段和能量分析阶段，根据受力分析和能量分析，最终得到研究对象的几何外形。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。北京理工大学的刘检华、赵涛等人提出一种基于弹性细杆力学模型的活动线缆物性建模与运动仿真方法。该方法针对活动线缆的柔性及连续性特性，通过建立固定的惯性坐标系、与活动线缆微元固连的Frenet坐标系和主轴坐标系等三套坐标系，并对活动线缆微元进行平衡状态下的受力分析，得到了活动线缆在平衡状态下的KirchhofT方程，进而建立了活动线缆物理特性模型。最后建立了相关试验验证系统，通过试验对相关模型和算法进行了有效验证。然而，该模型目前还不能实现实时的运动仿真。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柔性线缆的实时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:步骤1:建立柔性线缆的物理特性模型，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性弹簧来描述，所述柔性线缆的弯曲程度采用所述离散控制点上的卷曲弹簧的旋转角度来描述；步骤2:获取所述柔性线缆的线缆长度信息以及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；步骤3: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以及线缆长度信息，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；步骤4:根据离散控制点的位置信息反求贝塞尔曲线的控制多边形顶点的位置信息；步骤5:根据所述贝塞尔曲线的控制多边形顶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。进一步的，所述 步骤2包括:步骤21: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 ；步骤22: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；步骤23: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；步骤24:将所述第一控制点、所述第二控制点用直线连接，并根据所述第一控制点、所述第二控制点、以及所述第一控制点与所述第二控制点之间的直线获得所述第一控制点和所述第二控制点之间的控制点的位置信息。进一步的，所述步骤22具体为:
* 1x2 =x I 2 2 = + χι
yjx + y + Z根据公式:Λ-J* I 2，+X得到与所述第一端点相邻的第一控制点
yjx +y- +Z-
_ * /■z2=z 卜 ,τ+ -1
+ jr +:r
的位置信息；其中，所述第一位置信息是第一端点的坐标(Xl，Y1, Z1),所述第一控制点的位置信息为(X2，I2, Z2)，切线方向矢量为(X，1，z), L为切线作用距离；所述步骤23具体为:
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: 步骤1:建立柔性线缆的物理特性模型，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性弹簧来描述，所述柔性线缆的弯曲程度采用所述离散控制点上的卷曲弹簧的旋转角度来描述； 步骤2:获取所述柔性线缆的长度信息以及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； 步骤3: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以及线缆长度信息，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； 步骤4:根据离散控制点的位置信息反求贝塞尔曲线的控制多边形顶点的位置信息；步骤5:根据所述贝塞尔曲线的控制多边形顶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，所述步骤2包括: 步骤21: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 ; 步骤22: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； 步骤23: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； 步骤24:将所述第一控制点、所述第二控制点用直线连接，并根据所述第一控制点、所述第二控制点、以及所述第一控制点与所述第二控制点之间的直线获得所述第一控制点和所述第二控制点之间的控制点的位置信息。
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，所述步骤22具体为:
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，所述第一控制点、所述第二控制点用直线连接，采用分段贝塞尔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。
5.根据权利要求3或4所述的柔性线缆的装配仿真方法，其特征在于， 所述步骤24具体为:根据以下公式得到所述第一控制点和所述第二控制点之间的控制点的位置信息:
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，所述柔性线缆为单根线缆时，所述步骤24包括: 步骤240:根据胡克定律，计算线性弹簧对相邻控制点产生的线性弹簧力； 步骤241:计算控制点上的卷曲弹簧对相连控制点产生的卷曲弹簧力； 步骤242:根据每个控制点所受的包括线性弹簧力、卷曲弹簧力的受力，计算在预设时间内每个控制点的加速度、速度和位移； 步骤243:根据每个控制点的位移得到所有控制点的新的位置信息，计算所有控制点的加速度、速度和位移，在满足计算停止条件时，得到所有控制点的位姿，所述计算停止条件是所有控制点的加速度和速度绝对值的最大值小于预设值。
7.根据权利要求6所述的单根线缆的装配仿真方法，当线缆上的一个控制点的位置被固定后，所述步骤24包括: 步骤240:根据胡克定律，计算线性弹簧对相邻控制点产生的线性弹簧力； 步骤241:计算控制点上的卷曲弹簧对相连控制点产生的卷曲弹簧力； 步骤242:根据每个控制点所受的包括线性弹簧力、卷曲弹簧力的受力，计算在预设时间内每个控制点的加速度、速度和位移； 步骤243:根据每个控制点的位移得到该线缆上其他控制点的新的位置信息，计算所有控制点的加速度、速度和位移，在满足计算停止条件时，得到所有控制点的位姿，所述计算停止条件是所有控制点的加速度和速度绝对值的最大值小于预设值。
8.根据权利要求6所述的柔性线缆的装配仿真方法，其特征在于，所述柔性线缆为带分支线缆的复杂柔性线缆时，在分支处的控制点为分支点，并取消所述分支点的卷曲弹簧，所述步骤24包括: 步骤201:根据胡克定律，计算线性弹簧对分支点产生的线性弹簧力； 步骤202:计算相邻控制点上的卷曲弹簧对分支点产生的卷曲弹簧力； 步骤203:根据分支点所受的包括线性弹簧力、卷曲弹簧力的受力，计算在所述预设时间内分支点的加速度、速度和位移； 步骤204:根据所述分支点的位移得到分支点的位置信息； 步骤205:根据胡克定律，计算分支线缆上线性弹簧对相邻控制点产生的线性弹簧力； 步骤206:计算分支线缆上控制点的卷曲弹簧对相连控制点产生的卷曲弹簧力； 步骤207:根据分支线缆上每个控制点所受的包括线性弹簧力、卷曲弹簧力的受力，计算在预设时间内分支线缆上每个控制点的加速度、速度和位移； 步骤208:根据分支线缆上每个控制点的位移得到所有控制点的新的位置信息，计算所有控制点的加速度、速度和位移，在满足计算停止条件时，得到分支线缆上所有控制点的位姿，所述计算停止条件是所有控制点的加速度和速度绝对值的最大值小于预设值； 步骤209:重复步骤201-208，直至分支点以及分支线缆上的所有控制点的加速度、速度均小于预设值，停止计算。
步骤210:根据所述分支点的位置信息、分支线缆上所有控制点的位姿获得复杂柔性线缆的位姿。
9.根据权利要求8所述的带分支线缆的装配仿真方法，在单根分支线缆的长度超过预设长度时，步骤24包括: 步骤2001:将超长的单根线缆设置为一个拉伸弹簧，计算该拉伸弹簧对相连分支点产生的线性弹簧力； 步骤2002:计算相邻控制点上的卷曲弹簧对分支点产生的卷曲弹簧力； 步骤2003:根据分支点所受的包括线性弹簧力、卷曲弹簧力的受力，计算在所述预设时间内分支点的加速度、速度和位移； 步骤2004:根据所述分支点的位移得到分支点的位置信息； 步骤2005:在分支线缆长度回复正常后，根据所述步骤205-步骤209获得该分支线缆上所有控制点的位姿； 步骤2006:根据所述分支点的位置信息、分支线缆上所有控制点的位姿获得复杂柔性线缆的位姿。
10.根据权利要求7-9任一项所述的柔性线缆的装配仿真方法，其特征在于， 根据如下公式依次获得相邻两个线性弹簧对该相邻两个线性弹簧之间的控制点产生的线性弹簧力:
11.根据权利要求7-9任一项所述的柔性线缆的装配仿真方法，其特征在于， 根据如下公式计算每五个连续的控制点之间的卷曲弹簧对所述五个连续的控制点中的中间控制点产生的卷曲弹簧力:
12.根据权利要求7-9任一项所述的柔性线缆的装配仿真方法，其特征在于， 根据如下公式计算出在预设时间内的控制点的加速度、速度和位移:.1'] +K+ G-Kd^v0
13.根据权利要求7-9任一项所述的柔性线缆的装配仿真方法，其特征在于，步骤4包括: 选择4个控制点，通过以下公式获得所述4个控制点中每两个相邻控制点
14.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，所述分段贝塞尔曲线指的是:
15.一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，用于建立柔性线缆的物理特性模型，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性弹簧来描述，所述柔性线缆的弯曲程度采用所述离散控制点上的卷曲弹簧的旋转角度来描述； 获取模块，用于获取所述柔性线缆的长度信息以及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，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以及线缆长度信息，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，利用离散控制点的位置信息反求贝塞尔曲线的控制多边形顶点的位置信息； 运动仿真模块，用于根据所述控制多边形顶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
本发明涉及一种柔性线缆的装配仿真方法及装置，装配仿真方法包括建立柔性线缆的物理特性模型，柔性线缆用柔性线缆上的离散控制点之间的线性弹簧描述，柔性线缆的弯曲程度采用离散控制点上的卷曲弹簧的旋转角度来描述；获取柔性线缆的长度信息以及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以及线缆的长度信息，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反求贝塞尔曲线的控制多边形顶点的位置信息；根据控制多边形顶点的位置信息拟合柔性线缆，并显示柔性线缆的位置姿态。
文档编号G06F17/50GK103235846SQ20131012270
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月10日 优先权日2013年4月10日
发明者刘检华, 王志斌, 刘佳顺, 刘少丽 申请人:北京理工大学