用于制造资源仿真的虚拟化缆线建模的制作方法

1.本发明的实施例总体上涉及计算机程序和系统的领域，具体涉及以下领域：计算机辅助设计(cad)；计算机辅助工程(cae)；三维(3d)计算机图形建模和仿真；以及对制造过程和诸如工业机器人之类的制造资源的建模、仿真、分析、使用规划、编程和优化。


背景技术：

2.市场上提供了许多系统和程序，以用于设计和仿真零件、零件的组件以及系统。这些系统和程序例如为cad程序，其允许用户构建和操纵对象、对象的组件以及系统的复杂三维模型。cad程序使用边或线、在某些情况下使用面来提供对建模对象和系统的代表(representation)。线、边、面或多边形可以用各种方式表示，例如非均匀有理基线(nurbs)。
3.cad系统管理建模对象的零件或零件的组件，其主要是几何形状的规格。具体而言，cad文件包含规格，根据这些规格生成几何图形。根据几何图形中生成代表。规格、几何形状和代表可以被存储在单个cad文件或多个cad文件中。cad系统包括用于向设计者表达建模对象的图形工具；这些工具专用于显示复杂的对象。例如，组件可以包含成数以千计的零件。
4.cad和cae系统的出现允许对象的广泛代表可能性，诸如cad模型和有限元模型(fem)，以及其它示例。fem或其它这种cad或cae模型(通常被称为基于计算机的模型)能够以这种方式进行编程，其使得基于计算机的模型具有其所代表的一个或多个底层对象的属性。当基于计算机的模型被以这种方式编程时，其可被用于对模型所代表的对象进行仿真。例如，fem可以用来代表运载工具的内部腔体、结构周围的声学流体、以及任何数量的真实世界对象和系统。当给定的模型代表对象并被相应地编程时，其可被用于对真实世界的对象本身以及真实世界的对象与其它对象之间的相互作用进行仿真。例如，代表支架的fem可用于仿真支架在真实医疗环境中的使用。
5.此外，基于计算机的模型可用于改进模型所代表的对象和诸如制造方法之类的过程的设计。这些改进可以通过使用诸如优化技术之类的仿真技术来确定，所述仿真技术使用诸如fem模型之类的基于计算机的模型运行一系列仿真，以便确定对基于该计算机的模型所代表的对象或过程的设计的改变。


技术实现要素：

6.基于计算机的三维(3d)模型(即，计算机图形)仿真方法和技术可应用于制造工作单元和过程，以对制造过程进行仿真。来自仿真的诸如所确定的程序和方案之类的结果可以被下载并应用于工厂车间的诸如工业机器人之类的制造资源，以驱动制造资源。作为这个过程的一部分，制造工作单元(其可以包括机器、夹具和工件等元件)的虚拟三维计算机模型(基于计算机的模型)被仿真，以验证该过程并识别任何问题，如可及性、碰撞和周期时间。计算机仿真还能确保离线程序的正确操作，即针对制造资源确定的操作，这些程序将被
下载到工厂中的诸如工业机器人之类的制造资源。在这种仿真期间，除了机器人和机器的运动学运动外，还需要对被附连到这些制造资源的柔性缆线进行仿真。例如，这些缆线可以代表容纳电动和气动连接束的柔性管状软管，所述电动和气动连接束将电力和控制信号传输到被附连到移动的制造资源的诸如电焊枪之类的末端执行器。需要在机器人和机器的运动学背景下对这种柔性缆线进行仿真，以预测在制造期间由于柔性缆线与机器或工作单元夹具的缠绕或卡住而可能出现的任何问题。
7.尽管存在用于对这些缆线进行仿真的方法，但是现有的方法是不充分的，需要用于仿真包括缆线的制造资源的改进方法。本发明的实施例提供了用于对包括缆线的制造资源进行建模和仿真的改进方法和系统。此外，本发明的实施例还可用于根据仿真结果控制真实世界的对象，例如机器人。在实施例中，缆线可以是单根缆线；缆线的集合，即缆线束；柔性缆索，以及一般来说，诸如制造资源之类的对象上的诸如连接线之类的任何连接。
8.一个这种示例性实施例提供了一种计算机实现的方法，用于对具有缆线的制造资源进行仿真。这种实施例在计算机存储器中创建了缆线的多段线模型。所创建的模型包括代表缆线的点集合。对于点集合中的每个点，点质量与该点相关联，零质量球体与该点相关联，并且在该点和任何相邻的(一个或多个)点之间分配弹性和扭转刚度。接着，基于制造资源在时间步长结束时在三维空间的位置来定义代表缆线的点集合的起点和终点的位置和定向。通过这种方式，缆线与制造资源本身之间的关系，即附连点，被设定(定义)。进而在该时间步长对缆线进行仿真。执行仿真包括使用以下项计算点集合的每个点上的力：(i)相关联的点质量，(ii)相关联的零质量球体，(iii)在点与相邻点之间分配的弹性和扭转刚度，以及(iv)所定义的点集合的起点和终点的位置和定向。执行仿真还基于计算得到的力确定代表缆线的点集合中的每个点(尤其是每个其它的点)在时间步长结束时在三维空间中的位置。
9.实施例接收指示以下中的至少一项的用户输入：缆线长度、缆线端点、代表缆线的点的数量、缆线密度、缆线的刚度、缆线的初始形状、以及缆线直径。这种实施例可以基于接收到的用户输入创建缆线的多段线模型。例如，在一个实施例中，与每个点相关联的点质量基于接收到的指示缆线密度的用户输入。在另一个示例性实施例中，与每个点相关联的零质量球体基于接收到的指示缆线直径的用户输入。例如，球体的直径可以被设定为缆线由用户提供或以其它方式指定的直径。
10.根据实施例，计算得到的力包括以下中的至少一项：每个点上的重力、每个点上的弹力、每个点上的扭转等效力对、以及每个点处的每个零质量球体与诸如在制造资源和缆线环境中的对象之类的障碍物之间的碰撞力。本发明的实施例是基于计算得到的力确定代表点集合中的每个点在时间步长结束时在三维空间中的位置。根据实施例，基于通过对由每个点上的计算得到的力的合力所导致的加速度和速度进行积分以确定每个点在时间步长结束时在三维空间中的位置来确定位置。
11.本发明的另一示例性实施例确定了制造资源在时间步长结束时在三维空间中的位置(该位置用于定义起点和终点的位置和定向)。根据实施例，制造资源在时间步长结束时在三维空间中的位置是通过使用以下中的至少一项来对制造资源进行仿真来确定：制造资源的模型、制造资源的运动学、制造资源的运动规划、以及制造资源的操作环境中的一个或多个障碍物的运动。另一个示例性实施例将外部重力加速度与点集合中的每个点质量相
关联。
12.又一个实施例在下一个时间步长上对缆线进行仿真。根据实施例，在下一个时间步长上对缆线执行仿真包括更新多段线模型以及使用更新的多段线模型在下一个时间步长上对缆线执行仿真。在实施例中，这种功能包括计算在下一个时间步长上点集合中的每个点上的力。在实施例中，在下一个时间步长上使用以下项计算力：(a)相关联的点质量，(b)相关联的零质量球体，(c)在点和相邻点之间分配的弹性和扭转刚度，(d)更新的多段线模型。此外，，在下一个时间步长上对缆线执行仿真还包括基于使用更新的多段线模型计算得到的力确定代表缆线的点集合中的每个点在下一个时间步长结束时在三维空间中的位置。
13.根据实施例，更新多段线模型包括基于所确定的点集合中的每个点在时间步长结束(即，第一时间步长)时在三维空间中的位置来更新每个点的位置。通过这种方式，制造资源的多段线模型被更新以反映缆线在前一时间步长结束时的确定位置。在又一个实施例中，更新多段线模型包括基于制造资源在下一个时间步长结束时在三维空间中的位置更新代表缆线的点集合的起点和终点的位置和定向。又一个实施例确定了制造资源在下一个时间步长结束时在三维空间中的位置。示例性实施例通过使用以下中的至少一项来对制造资源进行仿真：制造资源的模型、制造资源的运动学、对制造资源的运动规划、以及制造资源的操作环境中的一个或多个障碍物的运动，从而确定制造资源在下一个时间步长结束时在三维空间中的位置。通过这种方式，制造资源在下一个时间步长结束时的位置被确定，以反映环境在下一个时间步长结束时的状态。此外，在制造资源的模型包括制造资源在其中运行的环境和环境中的对象的示例性实现方式中，模型随着诸如障碍物的位置之类的任何环境变化而更新。
14.各实施例可用于对诸如工作单元、环境之类的整个制造进行仿真。因此，在各实施例中，制造资源的模型能够代表制造资源和具有缆线的制造资源在其中操作的工作单元环境。这种模型可以包括制造资源(即机器人)、与制造资源相关联的一条或多条缆线、被操作的对象、环境中的障碍物、以及工作单元环境中的任何其它对象。通过这种方式，各实施例可以包括制造资源、缆线和诸如潜在的障碍物之类的制造环境的任何条件的真实世界的制造条件进行仿真。
15.又一个实施例针对一种系统，其包括处理器以及其上存储有计算机代码指令的存储器。在这种实施例中，处理器和带有计算机代码指令的存储器被配置成使系统实现本文所述的任何实施例或实施例的组合。
16.本发明的再一个实施例针对用于对包括缆线的制造资源进行仿真的云计算实现。这种实施例针对由服务器执行的计算机程序产品，该服务器通过网络与一个或多个客户端通信，其中计算机程序产品包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时使一个或多个处理器实现本文所述的任何实施例。
附图说明
17.上述内容将从以下对如附图所示的示例性实施例的更具体描述中变得明显，在附图中类似的参考字符在不同视图中指代相同的部件。附图不一定是按比例绘制的，而是强调对实施例的显示。
18.图1是根据实施例的用于仿真制造资源的方法的流程图。
19.图2示出了可使用实施例仿真的制造资源和相关缆线。
20.图3描绘了具有根据本发明的实施例创建的缆线模型的cad模型。
21.图4描绘了用于定义根据实施例实现的仿真的模型的属性的模型和用户界面。
22.图5是可在实施例中实现和仿真的缆线模型中的弹力的概念性图示。
23.图6是可在实施例中实施和仿真的缆线模型中的刚度力的概念性图示。
24.图7描绘了在根据实施例的缆线模型中由弹性贡献的力的物理学。
25.图8描绘了在根据实施例的缆线模型中由刚度贡献的力的物理学。
26.图9示出了具有根据实施例定义的刚度的缆线的机器人模型。
27.图10a-c描绘了能够使用实施例仿真的具有不同刚度的缆线的轮廓。
28.图11a-g示出了可使用本发明的实施例仿真的各种制造资源配置。
29.图12是根据实施例的用于仿真制造资源的计算机系统的简化框图。
30.图13是本发明的实施例可在其中实现的计算机网络环境的简化框图。
具体实施方式
31.下面是对示例性实施例的描述。
32.在制造资源仿真期间，对具有柔性缆线的制造资源的建模和运动预测是相当具有挑战性的。在仿真期间，可以单纯基于与机器人链节和机器轴的尺寸和对齐相关的运动学结合已知的运动轨迹算法和机器人目标位置和轴线速度的规划来准确预测资源(例如，机器人或机器)的运动表现。
33.但是，对于被附连到这种机器人或机器的缆线，对缆线的位置和形状(即，在三维空间中的定位)的预测不限于运动学。相反，确定缆线的位置和形状需要对包括缆线属性的缆线动力学以及以下项进行建模和仿真：(1)缆线位置导致的惯性和重力效应；(2)初始缆线形状；(3)缆线端部的运动、速度和加速度的历史；以及(4)基于驱动缆线的制造资源的运动学运动的缆线约束附件。此外，对缆线的仿真需要包括缆线与使用缆线的环境、例如环境中的障碍物之间的动态接触的影响。例如，当缆线搁置在机器人臂的顶部上或压靠在工作单元的夹具上时。
34.这种缆线仿真的挑战是，缆线动力学的传统数学模型需要计算极其密集的算法，这使得仿真是非交互式的并且计算成本高(在处理器时间、工作存储器等方面)。这使得现有的方法无法用于迭代仿真和优化。此外，现有方法的计算密集的算法使用户无法对操作条件和程序进行实验，即无法进行交互式仿真。这是有问题的，因为对制造资源进行仿真的用户体验应当允许这种交互。通常，对诸如机器人之类的制造资源进行仿真的仿真工程师会对机器人目标和机器人运动程序进行实时修改，以便对仿真软件中的制造过程计划进行微调。由于现有的用于对使用缆线的制造资源进行仿真的方法依赖于计算密集的方法，诸如使用一组微分方程将缆线建模为单个管件，因此现有的方法无法便利这种实时修改。传统的方法也难以准确地描绘缆线在制造资源的连续运动期间在该缆线与环境中的障碍物接触时不断变化的复杂和不可预测的形状。
35.本发明的实施例通过提供一种新的将用于制造资源应用的柔性缆线仿真或任何其它涉及缆线的仿真虚拟化的方法来解决这些问题。各实施例将柔性缆线建模并仿真为具
有非零碰撞尺寸的点质量的多段线，以避免接触和穿透障碍物。与现有的对与制造资源一起使用的柔性缆线束的动态表现的仿真相比，这种多段线方法提供了显著的计算性能改进，以及基于障碍物接触的形状预测。各实施例使交互式仿真成为可能，并允许用户改变操作条件，以微调和优化制造资源的运动和动作。此外，各实施例允许使用迭代优化方法来自动确定实现预期目标的操作条件和计划，同时满足特定的约束和性能参数。
36.各实施例通过实现新颖的多段线模型以代表缆线来提供这些改进。现有的多段线模型是不充分的，因为现有的多段线模型不包括对基于缆线刚度的形状的任何考虑，并且不包括张力和障碍物碰撞表现，而这些项对于实现有效的预测性制造仿真是必需的。本发明的各实施例实现了一种创新的方法，其包括新的概念性的虚拟塑形刚度，以及缆线弹性和沿多段线模型的点质量的非零碰撞尺寸。通过实现这种多段线模型来代表缆线，本发明的各实施例在仿真缆线的真实表现和预测用于制造应用的缆线形状方面非常有效和高效，同时还提供了允许交互式仿真的性能。
37.由本发明的各实施例实现的新的虚拟化缆线建模方法提供了对现有仿真方法的巨大改进。具体而言，各实施例给在诸如机器人和机器之类的制造资源的运动学运动的背景下进行柔性缆线表现建模和仿真提供了更有效的计算方法。各实施例提供了这种功能，同时确定缆线的真实形状以及缆线与被仿真的工作单元环境中的对象之间的正确的碰撞表现和穿透避免。因此，各实施例提供了一种制造仿真，其包括制造资源的运动学以及诸如柔性缆线束软管之类的缆线的动力学，并确定高度真实的结果，同时仍然允许交互式用户体验。
38.图1是用于仿真包括缆线的制造资源的方法100的流程图。该方法100通过在计算机存储器中创建缆线的多段线模型的步骤101开始。在步骤101中创建的多段线模型是由代表缆线的点集合组成。根据实施例，在步骤101创建模型包括在三维空间中定义点集合作为缆线的模型，使得多段线的长度对应于缆线的指定长度，并且多段线的初始形状是终止于指定端点的简单抛物线。此外，在实施例中，可以根据本领域中已知的原则在步骤101中创建多段线模型。随后，随着方法100继续进行，在步骤101中创建的多段线模型被如本文所述地修改。在方法100的这种实施例中，在步骤101处最初创建的模型是本领域已知的多段线模型，而该模型又被修改以便创建实现本文所述的本发明实施例的新型多段线模型。
39.接下来，在步骤102中，对于在步骤101中创建的模型的点集合中的每个点，点质量被与该点相关联，零质量球体被与该点相关联，并且在该点与任何相邻的一个或多个点之间分配弹性和扭转刚度。因此，步骤102的功能使得在步骤101中创建的模型的每个点都有相关联的点质量、相关联的零质量球体、以及在该点与任何相邻的(一个或多个)点之间定义的弹性和扭转刚度。方法100的实施例还在步骤102中将外部重力加速度与点集合中的每个点质量关联。典型地，在多段线模型中，构成模型的点只是该点。因此，这些点没有密度和刚度。通过在步骤102将点质量和零质量球与每个点相关联，并给每个点分配弹性和扭转刚度，各实施例将所仿真的真实世界缆线的密度、刚度和尺寸映射到多段线模型的点的等效参数集。通过将真实世界的缆线属性映射到点的参数(点质量、零质量球体、弹性和扭转刚度)，多段线模型表现出与真实世界缆线一致的基于物理学的表现。
40.根据实施例，在步骤102中，对于每个点的点质量、零质量球体以及弹性和扭转刚度的指示被存储在存储器中。因此，在步骤102中，可以将每个点的“设定”(点质量、零质量
球体、弹性和扭转刚度)保存在存储器中。在实施例中，这些属性(点质量、零质量球体直径、弹性和扭转刚度)可以是与每个点相关联的元数据特征。在这种实施例中，在步骤102中，设定这些元数据特征的值。方法100的另一示例性实施例还在步骤102中将外部重力加速度与点集合的每个点质量相关联。根据实施例，零质量球体的直径对应于(即，等于)所仿真的缆线的直径。
41.根据方法100的实施例，在步骤102中分配给每个点的弹性是如下文结合图5和图7描述的弹性。此外，在方法100的实施例中，分配在每个点与任何相邻的点之间的扭转刚度是如下文结合图6和图8描述的属性。通过在步骤102中将弹性和扭转刚度力添加到点，方法100正在添加额外的力以促进多段线模型的每个点的加速。
42.接下来，在步骤103中，根据制造资源在时间步长结束时在三维空间中的位置来定义代表缆线的点集合的起点和终点的位置和定向。根据实施例，定义缆线的多段线模型的起点和终点的位置和定向包括存储多段线模型的起点和终点的位置和定向的指示。在实施例中，起点和终点是缆线附连到制造资源的点。通过这种方式，在步骤103中设定(定义)缆线与制造资源本身之间的关系，即，附连点。除了定义起点和终点的位置和定向之外，在步骤103中，可以在步骤103中定义多段线模型附连到制造资源的任何点的位置和定向。
43.接下来，在步骤104中在该时间步长上执行对缆线的仿真。在步骤104中执行仿真包括计算点集合的每个点上的力。在步骤104中，使用以下项计算力：(i)相关联的点质量，(ii)相关联的零质量球体，(iii)被分配在点与相邻点之间的弹性和扭转刚度，以及(iv)点集合的起点和终点的定义位置和定向。除了在步骤104中计算力之外，在步骤104中执行仿真包括根据计算得到的力确定代表缆线的点集合的每个点在该时间步长结束时在三维空间中的位置。
44.在实施例中，在步骤104中计算得到的力包括以下中的至少一个：每个点上的重力、每个点上的弹力、每个点上的扭转等效力对、以及每个点处的每个零质量球体与障碍物之间的碰撞力。根据实施例，在步骤104中使用下文结合图7和图8描述的功能来计算这些力。根据实施例，球体代表缆线的外部尺寸，并且因此用于检查点与任何对象之间的碰撞。
45.在步骤104中执行仿真基于计算得到的力确定代表缆线的点集合的每个点在时间步长结束时在三维空间中的位置。在示例性实施例中，在步骤104中基于计算得到的力确定位置包括对由每个点上的力的组合导致的加速度和速度进行积分，以确定每个点在时间步长结束时在三维空间中的位置。根据实施例，每个点质量上的加速度是矢量，其大小等于在步骤104中计算得到的作用于该点上的总力除以该点的质量值。在实施例中，每个点的位置在步骤104中通过对该加速度矢量在仿真时间步长的持续时间上进行积分来确定，从而计算多段线的每个点的速度矢量。随后，该速度矢量又在相同的仿真持续时间上被积分，以计算多段线的每个点的位置矢量。所得到的多段线点的矢量位置集合给定了每个点在时间步长结束时在三维空间中的位置。
46.方法100的另一实施例包括接收用户输入，其指示环境的特征和仿真的参数。在实施例中，用户输入可以通过诸如下文结合图4描述的图形用户界面之类的本领域中已知的任何方法提供。根据实施例，用户输入表示以下中的至少一个：缆线长度、缆线端点、表示缆线的点的数量、缆线密度、缆线的刚度、缆线的初始形状以及缆线直径。这种实施例可以在步骤101中创建缆线的多段线模型，或者在步骤102中根据接收到的用户输入修改缆线的模
型。
47.例如，在示例性实现方式中，在步骤102中与每个点相关联的点质量是基于接收到的指示缆线密度的用户输入。根据这种实施例，所仿真的缆线的密度在步骤102中被映射到与每个点相关的质量值。在另一实施例中，用户输入指示刚度为0至100的百分数。在实施例中，该刚度被用来通过将用户的刚度输入与典型机器人装备缆线的对应于50％设定的值进行比较来确定各点之间的等效点质量值和等效扭转弹簧常数。用户设定为0％意味着等效扭转弹簧常数的数值为零，并且用户设定为100％意味着等效扭转弹簧常数的数值是50％设定的两倍。在另一示例性实施例中，用户输入的缆线直径在步骤102中被用来确定与每个点相关联的零质量球的直径。例如，在步骤102中，用户输入的缆线直径被设定为与各点相关联的球体的直径。通过这种方式，方法100的各实施例采取真实世界缆线的物理特性来确定缆线的多段线模型的属性。
48.在步骤103中，根据方法100的实施例，确定制造资源在时间步长结束时在三维空间中的位置。如本文所述，实施例对缆线进行持续时间步长的仿真。在这种情况下，步骤103定义了附连到制造资源的点在所仿真的时间步长结束时的位置。这些位置和定向是在步骤103中设定的，因为它们是制造资源的物理学的产物。在这种实施例中，制造资源或机器人的诸如运动学运动之类的运动将影响缆线的物理学，但缆线的物理学将不会影响制造资源的运动学运动。方法100的实施例通过对制造资源进行仿真来确定制造资源在时间步长结束时在三维空间中的位置。实施例使用本领域中已知的对制造资源进行仿真的技术来对制造资源进行仿真。这种仿真的结果是机器人在时间步长结束时在三维空间中的位置(和定向)，并且该结果又在步骤103中被用于定义点集合的起点和终点(或任何其它附连到制造资源的点)的位置和定向。实施例使用以下中的至少一项来确定制造资源的位置：制造资源的模型，制造资源的运动学，对制造资源的运动规划，以及制造资源的操作环境中的一个或多个障碍物的运动。在另一实施例中，在步骤103中使用的制造资源在三维空间中的位置基于制造资源的模型的设定或用户输入。
49.起点和终点的位置和定向是基于相关联的诸如机器人或机器之类的制造资源上的附连点的运动学运动来设定的。根据实施例，相关联的制造资源在所仿真的时间步长中的位置和定向是基于该特定资源由用于该制造资源的控制程序所驱动的运动学和运动规划来计算的。因此，可以确定制造资源以及制造资源上缆线在该处附连到该制造资源的点的位置和定向，并将其用于在步骤103中设定缆线的起点和终点或者缆线附连到制造资源的任何其它点的位置和定向。根据实施例，机器人资源的运动基于该特定机器人资源如在其驱动控制程序中规定的运动学定义和运动规划算法由该机器人资源的每个刚性体链节在仿真的每个时间步长中的位置和定向定义。制造资源的链节的位置在仿真时间步长中的最终变化被确定，并且进而通过在步骤103中定义的缆线的端部附件和到机器人资源的约束连接的位置变化影响缆线。因此，制造资源在时间步长结束时到新位置的运动导致多段线模型的改变(如在步骤103中定义的)，并最终在步骤104确定更新的力。
50.该方法100可用于仿真整个制造，例如工作单元、环境。因此，在实施例中，制造资源(在步骤103中使用其位置)的模型可以代表制造资源和制造资源在其中操作的工作单元环境。这种模型可以包括诸如机器人之类的制造资源、对其进行操作的对象、环境中的障碍物、以及工作单元环境中的任何其它对象。通过这种方式，方法100可用于仿真真实世界环
境中的制造资源。制造资源的模型可以是本领域中已知的任何基于计算机的模型。
51.应注意，由于方法100在步骤104中确定了缆线的每个点在三维空间中的位置，因此在步骤104中的仿真被执行持续时间步长，即一段时期。通常，时间步长是所仿真的事件的一部分时间。举例来说，如果正在仿真机器人焊接汽车并且焊接过程需要五分钟来完成，则能够以五百个时间步长对整个焊接过程进行仿真，每个时间步长为一秒钟的十分之一。因此，方法100也可以在步骤104之后在下一个时间步长和期望的任何数量的时间步长上继续对包括缆线地制造资源进行仿真。在实施例中，在时间零步长之后的每个时间步长中，缆线在方法100开始时的形状将对应于每个缆线多段线点在前一时间步长结束时在三维空间中的位置。
52.这种实施例对正在仿真的下一个时间步长更新多段线模型。进而在下一个时间步长上对缆线执行仿真。这包括使用以下项计算在下一个时间步长上点集合的每个点上的力：(a)相关联的点质量，(b)相关联的零质量球体，(c)被分配在点与相邻点之间的弹性和扭转刚度，以及(d)更新的多段线模型。在下一个时间步长上的这种仿真还基于使用更新的多段线模型计算得到的力来确定代表缆线的点集合的每个点在该下一个时间步长结束时在三维空间中的位置。这种功能可以重复任何数量的时间步长。例如，方法100可以在执行仿真操作(即，任务)的时间段的每个时间步长上继续对制造资源和缆线进行仿真。
53.根据实施例，更新多段线模型包括基于所确定的点集合的每个点在前一个时间步长(即，紧接正被仿真的时间步长之前的时间步长)结束时在三维空间中的位置来更新每个点的位置。在实施例中，更新多段线模型可以包括根据制造资源在下一个时间步长结束时在三维空间中的位置来更新代表缆线的点集合的起点和终点的位置和定向。这种实施例可以进一步包括通过对制造资源进行仿真来确定制造资源在下一个时间步长结束时在三维空间中的位置。在实施例中，使用以下的至少一项来对制造资源进行仿真：制造资源的模型、制造资源的运动学、对制造资源的运动规划、以及制造资源的操作环境中的一个或多个障碍物的运动(或位置)。根据实施例，制造资源的计划运动学运动被用来确定制造资源在所仿真的时间步长结束时的位置。在实施例中，制造资源的计划运动学运动是指制造资源在仿真的每个时间步长中如根据该资源的运动学和运动规划计算并由制造资源的控制程序驱动的位置和定向。在又一实施例中，更新包括基于制造资源在下一个时间步长中的计划运动学运动和制造资源的操作环境中的一个或多个障碍物的运动来更新制造资源的模型。
54.在步骤104中执行的仿真的结果可用于修改真实世界环境。例如，诸如所确定的位置之类的结果可用于修改制造资源、缆线、制造资源在其中操作的环境、制造资源的操作以及其它示例。举例来说，可以根据在步骤104中确定的位置中识别，在考虑到缆线的刚度的情况下，缆线在时间步长中与机器人碰撞。作为这种确定的结果，缆线的刚度可以在仿真中更新，并且仿真可以被执行以确定缆线和机器人不再碰撞。在真实世界环境中，可以使缆线具有与仿真中确定的相同刚度。类似地，仿真可以确定机器人的可选运动或操作，以便避免碰撞。此外，该方法100可以迭代地执行，以确定机器人、缆线和环境的最佳属性，这些属性根据由用户设定的参数进行了优化。例如，一个这种示例可以确定不与制造资源发生碰撞的最小缆线直径(以便最小化成本)。可以用不同的缆线直径执行该方法100，直到确定最小缆线直径。
55.在下文中描述了根据实施例的对制造资源进行仿真的示例性实现方式的步骤(1-12)。但是，应注意，本发明的各实施例不限于下文描述的实施例。例如，各实施例可以包括更多或更少的步骤，步骤能够以与描述不同的顺序执行，并且步骤可以同时执行，以及其它变型。
56.步骤1
57.各实施例对包括缆线的制造资源进行仿真。图2示出了包括能够使用实施例进行仿真的缆线221的制造资源的3d模型220。尽管图2示出了示例性模型220，但各实施例可以用本领域中已知的任何基于计算机的模型进行操作。此外，各实施例中使用的模型可以代表任何对象。因此，各实施例可用于仿真包括诸如缆线221之类的缆线的任何对象。
58.模型220是可在各实施例中使用以对模型220所代表的制造资源的表现进行仿真的示例性cad模型。使用模型220对制造资源进行仿真可以确定由模型220代表的资源和缆线221在执行诸如组装汽车之类的任务时的运动。此外，仿真的结果可用于给制造资源的真实世界操作创建操作控制和编程。
59.为了对由诸如模型220之类的模型所代表的对象进行仿真，在步骤1中，实施例基于用户输入对诸如缆线221之类的缆线创建三维数学多段线模型。缆线的模型是由附连物理学(attachment physics)约束的点集合。可用于创建缆线的模型的用户输入可以包括缆线的任何特征，诸如长度、部段的数量和初始形状。图3描绘了制造资源的cad模型330和根据实施例的代表缆线的三维数学多段线模型331。
60.如上所述，各实施例创建代表缆线的多段线模型，并且该多段线模型可以基于用户输入而创建。图4示出了用户界面440，其可在各实施例中实现，以允许用户提供用于创建缆线的诸如模型331之类的多段线模型的规格441和约束条件442。用户可以提供缆线的开始位置443a、停止位置443b、长度444、直径445、部段446(即，在多段线模型中使用的点的数量)、密度447以及刚度448。在实施例中，缆线的约束条件442是沿着缆线的长度在该处缆线被附连到制造资源的位置，以便与真实世界的诸如机器人的机器上的实际缆线构型相匹配。
61.步骤2
62.接下来，在创建包括点集合的多段线模型之后，将非零密度的虚拟点质量分配给多段线模型的每个点。在实施例中，点质量的质量和密度基于用户输入。此外，在实施例中，点质量的质量和密度基于被仿真的真实世界缆线的诸如材料之类的属性。
63.步骤3
64.接下来，将零质量球体与多段线模型的每个点相关联。根据实施例，与多段线模型的每个点相关联的零质量球体具有与被仿真的缆线相同的直径。在各实施例中，作为非限制性示例，直径信息可以通过用户界面440等从用户接收。通过将球体与同缆线相同的直径相关联，各实施例可以识别缆线与对象之间的任何可能碰撞。在实施例中，可以使用作为制造仿真系统的一部分的标准技术来确定缆线与环境中的对象之间的碰撞。根据实施例，这种制造仿真系统通过调用对象之间的最小距离测试的内置工具来检查缆线碰撞。在实施例中，在每个时间步长中对每个多段线点处每个球体执行这种测试，并且这种测试将每个球体相对于所仿真的制造工作单元中的所有潜在碰撞对象进行检查。如果任何球体相对于任何其它对象的最小距离为零或负值，这将意味着在缆线点上发生碰撞，其深度和方向信息
由最小距离工具回传。
65.步骤4
66.接下来，通过将来自制造资源的模型的缆线末端位置和定向与多段线模型的起点和终点位置和方向相关联来增强多段线模型。换言之，在步骤4中，已知(从用户输入或对制造资源的模型的设定)或确定(例如，通过执行仿真)在三维空间中缆线附连到制造资源模型的位置，并且多段线模型的起点和终点被分配为在三维空间中具有这些起点和终点位置。通过这种方式，缆线的模型被与制造资源的模型相关联，使得制造资源在每个时间步长中的运动学运动与缆线端点位置和定向的适当变化相关联。在实施例中，沿缆线长度的任何可选的约束点(例如，缆线与机器人之间的另一附连点)与相关制造资源的任何运动之间也有类似的关联。
67.步骤5
68.在步骤5中，多段线模型的每个点质量被与外部重力加速度相关联。根据实施例，外部重力加速度按照被仿真的制造资源工作单元的物理世界坐标竖直方向向下作用于每个点。
69.步骤6
70.在步骤6中，将虚拟弹性(即，线性弹性)分配给多段线模型的每个部段，即，紧接彼此(相邻)的点之间的部段。换言之，在步骤6中，相邻点之间的弹性约束被设定成在各点之间产生虚拟弹力。通过这种方式，约束被应用于定义点之间的相互作用的点。
71.如上所述，在各实施例中，代表缆线的多段线模型是点集合。在步骤6中，设定决定点之间关系的属性，即弹性。图5是根据实施例的缆线模型550中的这种弹性属性的概念性图示。缆线模型550是由三个点551a-c组成的多段线模型。在步骤6中，定义了每个点551a-c之间的弹力552a-d。通过这种方式，在相邻点之间创建虚拟的弹簧力。这个力被称为虚拟的，因为其是用于定义缆线表现的构造/近似值，但其不一定基于被仿真的真实世界缆线的物理学。换言之，在微分方程可能基于缆线的确切物理属性，而不是使用微分方程的情况下，各实施例利用虚拟力来对表现进行仿真。
72.为了说明，点551a被分配弹力552a，其在点551a与相邻的点551b之间造成弹簧力553a。点551b与点551a和点551c都相邻。因此，弹力552b(其造成弹簧力553a)被分配给551b点，并且弹力552c(其造成弹簧力553b)被分配给551b点。点551c被分配弹力552d，其在点551c与相邻点551b之间造成弹簧力553b。
73.除了弹力552a-d之外，额外的力可以被与多段线模型550的点551a-c相关联。例如，在模型550中，相邻的弹力554a和554b分别被分配给点551a和551c。这些额外的弹力是由点551a与在点551a之前的点之间的弹簧力以及点551c与在点551c之后的点之间的弹簧力根据其自身的线性弹性参数造成的弹力。此外，每个点551a-c具有相关联的重力555a-c，其代表作用于点551a-c上的重力。图5还描绘了分别与点551a-c相关联的零质量球体557a-c。每个点551a-c还可以具有相关联的外部碰撞力556a-c。根据实施例，碰撞力556a-c是在与该点551a-c相关联的零质量球体557a-c在仿真期间的任何时间步长与环境中的任何对象发生碰撞的情况下施加给点551a-c的虚拟力。碰撞力556a-c的方向正交于球体557a-c在接触点处的表面。碰撞力556a-c的大小与仿真的该时间步长中与碰撞对象的穿透深度成正比。在计算碰撞力556a-c的大小时，比例常数与缆线的线性弹性参数的值相同。
74.步骤7
75.在步骤7中，虚拟扭转刚度被分配给多段线模型的每对相邻的多段线，即紧接彼此(相邻)的点之间的多段线。换言之，在步骤7中，相邻点之间的扭转刚度约束被设定成使得在点之间产生虚拟扭转力。通过这种方式，另一个约束被施加到点上，该约束进一步定义了多段线模型的点之间的相互作用。
76.如上所述，多段线模型是代表缆线的点集合。在步骤7中，设定各点之间关系的另一属性，具体而言是扭转刚度。图6是根据实施例的缆线模型660中的扭转刚度的概念性图示。该缆线模型660由三个点661a-c组成。在步骤7中，定义每个点661a-c之间的扭转刚度。图6还描绘了分别与点661a-c相关联的零质量球体667a-c。
77.为了说明，在模型660中，通过将扭转力662a分配给点661a并且将扭转力662b分配给点661b来在点661a与点661b之间设定扭转等效力对。此外，相邻的扭转力663a-b被分配给到点661a。这些额外的扭转力663a-b是由点661a和在点661a之前的点之间的力对造成的力。通过这种方式，扭转力662a和663a-b可以通过这种创新的新方法有效地复制点661a上的虚拟弹簧扭转的物理学。
78.如上所述，通过将扭转力662a分配给点661a并且将扭转力662b分配给点661b来在点661a和点661b之间设定扭转等效力对。此外，点661b也与点661c相邻，并且通过将扭转力662c分配给点661b并且将扭转力662d分配给点661c来在点661b和点661c之间设定扭转等效力对。对于点661b，与点661b相关联的扭转力662b-c可以通过这种创新的新方法有效地复制虚拟弹簧扭转664b的物理学。
79.通过将扭转力662d分配给点661c并且将扭转力662c分配给点661b来在点661c和点661b之间设定扭转等效力对。661c点也被分配邻近的扭转力663c-d。这些额外的扭转力663c-d是由661c点和在661c点之后的点(即，与661c点相邻的其它点，在图6中没有示出)之间的力对造成的力。对于点661c，扭转力662d和663c-d可以通过这种创新的新方法有效地复制点661c上的虚拟弹簧扭转664c的物理学原理。
80.步骤8
81.在步骤8中，基于每个点的点质量、每个点的零质量球体和缆线的当前形状计算每个点的力。根据实施例，在步骤8中计算点的力包括：(1)计算点质量上的虚拟重力，(2)基于点质量的直接相邻的位置计算点质量上的虚拟弹力，(3)基于上一个虚拟点质量、当前虚拟点质量和下一个虚拟点质量的位置计算点质量上的虚拟扭转等效力对，以及(4)计算点的零质量球体与机器人制造资源和工作单元环境之间的任何可能碰撞力。可以进而使用如下的f＝ma方法根据力确定点的加速度。根据实施例，每个点质量上的合成加速度是矢量，其大小等于该点上所有上述力的总和除以该点的质量值。这种高效的加速度计算方法是通过对使用零直径点质量和零质量碰撞球体对缆线进行建模的创新方法来实现的。这种方法中的零直径点质量没有任何惯性矩，因此系统的物理特性完全由点集合的线速度和加速度组成，不需要考虑角速度和角加速度所需的额外复杂性和计算。
82.根据实施例，根据下文关于图7和图8描述的功能来计算力。
83.可在步骤8中执行的一个操作是计算点质量上的虚拟弹力。图7描绘了根据实施例的计算与缆线模型770的点质量771a相关联的弹力772a-d的示例。在模型770中，在点质量771a和771b之间有虚拟弹簧力774a，其与点质量771a和点质量771b之间的默认多段线距离
的变化成正比。类似地，在点质量771a和点质量771c之间有虚拟弹簧力774b，其与点质量771a和771c之间的默认多段线距离的变化成比例。在实施例中，弹簧力774a-b表现为成对的弹力，其中每对弹力中的一个弹力是在相应的点质量上。根据实施例，力对在大小上相等，并且在与相邻点之间的方向一致的三维矢量方向上相反，力对中的每个力被施加到这对相邻点中的一个上。在计算力的大小时，比例常数与缆线的线性弹性参数值相同。在图7中，弹簧力774a表现为成对的弹力772a-b，其中弹力772a与点质量771b相关联，并且弹力772b与点质量771a相关联。此外，弹簧力774b表现为成对的弹力772c-d，其中弹力772c与点质量771a相关联，并且弹力772d与点质量771c相关联。在模型770中，弹力对被施加到每个相应的点球体上。因此，在图7中，力772b和772c被施加到点771a。通过这种方式，各实施例在点771a上创建弹簧力774a-b。根据实施例，力772a-d是沿着缆线770的长度以全三维计算的，该缆线可能是弯曲的。这意味着诸如772a-b和772c-d之类的每个力对在三维中具有基于相邻点的三维中的位置的矢量方向，而这又将在每个仿真时间步长中基于点质量多段线在该仿真步骤中的当前三维形状重新计算。
84.在步骤8中可以执行的另一操作是基于点和相邻点之间的扭转刚度计算点上的扭转力。根据实施例，点上的由刚度诱发的扭转力矩可以用这种创新的新方法有效地由多段线模型的点上的一对扭转等效力复制。图8描绘了计算点881a上的扭转力矩883的示例，该点881a是根据实施例的缆线模型880的一部分。对于模型880，每个球体881a-c产生虚拟扭转，其与每个点质量与相邻的点质量之间的初始零度直线排列的三维角度的变化成正比。在计算扭转力矩的大小时，比例常数与缆线的扭转刚度参数值相同。例如，在图8中，点质量881a与相邻的点质量881b和881c之间的扭转力矩883被复制成一对力884a-b，其分别作用在点质量881a-b上，使得期望的扭转力矩883等于力884a或884b的大小乘以点质量881b与点质量881a之间的距离。在该实现方式中，力对884a-b可以施加到点质量881a-b。具体而言，力884a被施加到点质量881a，并且力884b被施加到点质量881a。类似地，力884c被施加到点质量881a，并且力884d被施加到点质量881c。对于这种实施例，力矢量可以沿缆线880的长度以全三维计算。根据实施例，扭转等效力的矢量方向垂直于点和其相邻点之间的三维矢量方向。这意味着诸如884a-b和884c-d之类的每个力对将具有基于相邻点的三维位置的三维矢量方向，而这又将在每个仿真时间步长中基于点质量多段线在该仿真步骤中的当前三维形状重新计算。
85.步骤9
86.步骤9对上述虚拟缆线系统的物理学(加速度和速度)在仿真的时间步长上进行积分。对每个点质量的三维加速度矢量进行积分确定该点质量的三维速度矢量，并且对各点的三维速度矢量进行积分允许确定缆线各点的三维位置矢量。通过这种方式，由每个点质量处的力的系统产生的加速度解析为每个点质量的新的三维位置，这导致在时间步长结束时产生新的虚拟缆线形状。对加速度向量和速度向量的积分是在每个仿真时间步长的持续时间完成。随后，所得到的多段线点的位置向量的集合能够根据每个点在该时间步长结束时在三维空间中的位置指定缆线形状。
87.步骤10
88.接下来，根据在步骤9期间确定的位置和机器人制造资源的计划运动学运动更新缆线端部的位置和定向，以对仿真的下一个时间步长做好准备。机器人制造资源的计划运
动学运动由相关联的机器人制造资源的每个刚体链节在仿真的每个时间步长中的位置和定向定义，该位置和定向根据该特定机器人资源如其驱动控制程序中规定的运动学定义和运动计划算法计算。
89.步骤11
90.在步骤11中，仿真中的虚拟工作单元环境进而被更新为可以运行其自身的程序并且可能与所仿真的虚拟缆线相互作用(例如，碰撞或约束)的任何额外的机器、工具或资源的运动学运动。
91.步骤12
92.在步骤12中，随着整个制造仿真从开始进行到结束，步骤8、步骤9、步骤10和步骤11被重复用于整个制造仿真的持续时间中的每个时间步长。通过这种方式，这种实施例可以对整个制造过程进行仿真。
93.根据实施例，对于每个仿真时间步长：(1)机器人链节首先基于纯运动学和运动规划而移动，(2)该机器人运动随后意味着缆线端部位置的改变(以及任何潜在的缆线沿长度的约束或可能的缆线碰撞)，(3)改变的缆线端部位置(以及约束和碰撞)导致在缆线第一开始点和缆线最后端点(以及受约束或碰撞影响的任何中间的缆线点)上产生力。(4)这些“外部”缆线附连端部力(以及任何约束力和任何碰撞力)与由重力、线性弹性和扭转刚度产生的缆线“内部”力的组合共同产生每个缆线点上的加速度总和，以及(5)每个点的总三维矢量加速度被积分两次，第一次得到三维速度，第二次确定该点的三维位置。这种方法在计算上非常精简，因为力、加速度和速度只限于三维点，没有任何惯性矩矩阵或额外的三维角加速度和速度。
94.如上所述，各实施例允许用户定义所仿真的缆线的刚度。图9示出了机器人的模型990，其缆线991具有根据各实施例定义的刚度。
95.在各实施例中，缆线刚度可以从用户指定的最小值(其中零刚度对应于悬链(catenary)曲线)变化到用户指定的最大值。图10a-c描绘了制造资源的模型1010，其中缆线1011a-c各自具有不同的刚度。在图10a中，缆线1011a具有100％的刚度，如在1012a处分配的。在图10b中，缆线1011b有50％的刚度，如在1012b处分配的，并且在图10c中，缆线有0％的刚度，如在1012c处分配的。如在图10c中可以看到的，刚度为0％导致如所希望的悬链形状。
96.各实施例真实地仿真了与制造资源相关联的缆线的物理学，同时允许交互式仿真，即，实时地改变正在运行的仿真条件。各实施例准确地对与制造资源相关联的缆线的刚度、弹性、重力和环境障碍物碰撞进行建模。图11a-g示出了制造资源1101的各种制造资源构型1100a-g和可使用各实施例仿真的缆线1102。图11a中的构型1100a描绘了制造资源1101与缆线1102处于起始位置。图11b示出了构型1100b，其中带有缆线1102的机器人1101已经经历了机器人工具中心点(tcp)从右到左的水平平移。图11c示出了构型1100c，其中带有缆线1102的机器人1101已经经历了机器人工具中心点旋转45度。图11d示出了构型1100d，其中带有缆线1102的机器人1101已经经历了机器人工具中心点旋转180度。类似地，图11e示出了构型1100e，其中带有缆线1102的机器人1101已经经历了机器人工具中心点旋转300度，并且图11f示出了构型1100f，其中带有缆线1102的机器人1101已经经历了机器人工具中心点旋转400度。此外，图11g示出了构型1100g，其中带有缆线1102的机器人1101已
经经历了机器人工具中心点旋转450度。图11a-g示出了可使用实施例进行仿真的一系列运动。例如，每种构型1100a-g代表机器人1101在时间步长期间，并且各实施例可以确定缆线1102在图11a-g中描述的每个时间步长结束时的位置。图11a-g示出了示例性实施例，其展示了所需的缆线表现，包括重力、弹性、刚度和障碍物碰撞穿透避免。
97.各实施例通过实现具有虚拟化惯性、刚度、阻尼和避免碰撞表现的多段线对缆线进行建模来提供对具有缆线的资源的高性能动态仿真。本发明的方法和系统仿真实施例提供了改进的计算效率和结果，这使得能对制造资源和环境实现真实世界的调整。
98.本发明的实施例提供了新的方法来虚拟化制造资源应用的柔性缆线仿真。在此类应用中，缆线通常是容纳一束电动和气动缆线的柔性管状软管，所述电动和气动缆线将电力和控制信号传输到制造资源的诸如附连到移动机器人的电焊枪之类的末端执行器。各实施例将柔性缆线建模并仿真为具有非零碰撞尺寸的点质量的多段线，以避免障碍物接触和穿透。这种多段线方法给对与制造资源一起使用的柔性缆线束的动态表现进行仿真提供了显著的计算性能改进，并实现了这种类型的制造仿真所需要的交互式仿真。具体而言，各实施例允许仿真工程师对机器人目标和机器人运动程序进行实时修改以便在仿真软件中对制造过程计划进行微调的功能。由于现有的多段线不包括对基于缆线刚度的形状的任何考虑，也不包括对张力和障碍物碰撞表现的任何考虑，而这些都是有效的预测性制造仿真所必需的，因此这种多段线模型通常是不充分的。但是，各实施例提供了一种创新的方法，其通过包括新的概念性的虚拟造型刚度来解决这个问题，该刚度与缆线弹性和沿多段线的点质量的非零碰撞尺寸一起，在提供真实表现方面非常有效和高效。通过这种创新的方法，借助通过在多段线的每个点处产生成对扭转等效力来复制多段线模型的预期扭转力矩来对缆线刚度的物理学进行仿真。这允许实施例针对制造应用预测缆线形状，同时提供交互式仿真性能。
99.示例性实施例创建了缆线的三维多段线模型，并在多段线的每点处分配虚拟点质量。尺寸与用户输入的缆线直径相对应的零质量球体又与每个点相关联。接着，每个点质量上的虚拟重力、每个点质量上的虚拟弹力、每个点质量上的虚拟扭转等效力对、零质量球体与障碍物之间可能的碰撞力都被计算出来。这些计算得到的力被处理以确定点质量在该时间步长中的加速度，并且该加速度在仿真的时间步长上被进行两次积分，使得由每个点质量的力系统产生的加速度被用来确定每个点质量的新的三维位置。这些新的位置在仿真时间步长结束时产生新的虚拟缆线形状。
100.图12是基于计算机的系统1220的简化框图，该系统1220可用于对包括根据本文所述的本发明的任何各种实施例的缆线的制造资源进行仿真。系统1220包括总线1223。总线1223用作系统1220的各个部件之间的互连。输入/输出设备接口1226被连接到总线1223，以用于将诸如键盘、鼠标、触摸屏、显示器、扬声器之类的各种输入和输出设备连接到系统1220。中央处理单元(cpu)1222被连接到总线1223，并且提供对计算机指令的执行。存储器1225给用于输出计算机指令的数据提供易失性存储。存储器1224给诸如操作系统(未示出)之类的软件指令提供非易失性存储。系统1220还包括网络接口1221，以用于连接到包括广域网(wan)和局域网(lan)的本领域中已知的任何种类的网络。
101.应理解，本文描述的示例性实施例能够以许多不同的方式实现。在一些情况下，本文描述的各种方法和机器可以各自由物理的、虚拟的或混合的通用计算机实现，例如计算
机系统1220，或诸如计算机环境1330之类的计算机网络环境，这将在下文中结合图13进行描述。计算机系统1220可以转变为执行本文所述方法的机器，例如，通过将实现方法100的软件指令加载到存储器1225或非易失性存储器1224中以由cpu1222执行。本领域的普通技术人员应进一步理解，系统1220及其各种部件可被配置成执行本文所述的本发明的任何实施例或实施例的组合。此外，系统1220可以利用在内部或外部操作性地耦合到系统1220的硬件、软件和固件模块的任何组合来实现本文所述的各种实施例。
102.图13示出了计算机网络环境1330，在该计算机网络环境1330中可以实现本发明的实施例。在计算机网络环境1330中，服务器1331通过通信网络1332链接到客户端1333a-n。该环境1330可用于允许客户端1333a-n单独地或与服务器1331组合地执行本文所述的任何实施例。作为非限制性示例，计算机网络环境1330提供云计算实施例、软件即服务(saas)实施例等。
103.各实施例或各方面能够硬件、固件或软件的形式实现。如果以软件实现，则软件可以存储在任何非暂时性计算机可读介质上，该非暂时性计算机可读介质被配置成使处理器能够加载该软件或其指令子集。随后，处理器执行指令并被配置成以本文所述的方式操作装置或导致装置以本文所述的方式操作。
104.此外，固件、软件、例程或指令可在此被描述为执行数据处理器的某些动作和/或功能。但是，应理解，本文中包含的此类描述仅仅是为了方便，并且此类动作实际上由执行固件、软件、例程、指令等的计算设备、处理器、控制器或其它设备产生。
105.应理解，流程图、方框图和网络图可以包括更多或更少的元素，以不同的方式排列，或以不同的方式表示。但应进一步理解，某些实现方式可以要求以特定的方式实现示出实施例的方框图和网络图以及方框图和网络图的数量。
106.相应地，进一步的实施例也可以在各种计算机架构、物理计算机、虚拟计算机、云计算机和/或其某种组合中实现，因此，本文描述的数据处理器仅用于说明的目的，而不是对实施例的限制。
107.本文引用的所有专利、已公开的申请和参考文献的教导的全部内容都通过引用并入本文。
108.虽然已经具体示出和描述了示例性实施例，但本领域技术人员应理解，在不偏离附权利要求所涵盖的实施例的范围的情况下，可以对其中的形式和细节进行各种改变。