一种柔性线缆的自动布局方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种柔性线缆的自动布局方法及装置，涉及机械工程【技术领域】，为解决现有技术中大数量的线缆自动布局设计不易实现的难题而发明；其中，所述自动布局方法包括如下步骤：获取线缆的线束信息；获取所述线缆的第一端的位置信息和第二端的位置信息；根据所述线束信息以及所述第一端的位置信息和所述第二端的位置信息，获取线缆路径。本发明提供的方案可以实现在复杂产品的三维模型上自动生成柔性线缆，有效提高线缆布局设计效率和质量。
【专利说明】一种柔性线缆的自动布局方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械工程【技术领域】，特别是指一种柔性线缆的自动布局方法及装置。【背景技术】
[0002]在航空、航天等复杂机电产品的研制过程中，由于线缆约束多、数目巨大，柔性线缆的布局设计一直是一项繁杂而耗时的工作。复杂机电产品中柔性线缆的布局问题直接关系到整个产品的质量和生产周期。
[0003]近些年国内外均开展了线缆布局设计的研究，包括二维平面的布线、利用虚拟现实技术辅助布线、利用三维CAD软件布线等。但这些方法还不能够满足企业对线缆布局设计的要求，一方面是布线结果的质量不高，与实际布线结果差异较大；另一方面是布线的效率不高，线缆布局设计的自动化程度还不够。而随着机器人路径规划技术的发展，利用路径规划算法来实现线缆的三维自动布线是一项具有广泛应用前景的方法。
[0004]线缆布局实质上是在包含障碍物的三维环境空间中寻找无碰撞的路径，同时考虑优化和约束。早在1991年，Zhu和Latombe就提出将管路的布局问题看作路径规划问题，同时考虑布局实施过程中的约束，将约束归纳为位置约束和形状约束。也有一些研究致力于通过CAD系统中的人工智能方法来自动或半自动地选择线缆路径，但由于平面显示的限制效果不佳。美国斯坦福大学的Conru利用遗传算法开发了线缆的布局设计系统，采用遗传算法用来寻求全局最优解，从而将布线问题转化为在环境中产生线缆拓扑以及路径的问题，该方法的不足是没有考虑线缆的柔性以及线缆与周围物体的干涉情况。美国北卡罗来纳大学的Kabul等人针对复杂环境中的线缆布局问题，提出一种布线路径的自动搜索算法。该算法是随机路径图法的一个变种，将问题抽象为链型机器人在空间中的路径规划问题。该算法在接触空间附近进行带约束的采样，考虑了空间几何约束和包括多体动力学和铰接限制在内的物理约束，取得了良好的计算效率。Van der Velden等人开发了飞机中线缆和管路的智能自动布局设计系统，该系统利用了 KBE技术(基于知识的工程技术)，基于规则进行始末端的连接并能够输出CAD模型，其中路径规划采用A*算法(启发式搜索算法)。
[0005]目前国内、国外对于三维自动布线已经有了一定的研究，但针对较大数量线缆的自动布线技术还不成熟，三维自动布线还未能较好地应用于复杂产品的线缆布局设计中。同时，对约束的考虑以及布线效率的提闻还有待进一步改善。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是提供一种柔性线缆的自动布局方法及装置，解决现有技术中大数量的线缆自动布局设计不易实现的问题。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种柔性线缆的自动布局方法，包括如下步骤:
[0008]获取线缆的线束信息；
[0009]获取所述线缆的第一端的位置信息和第二端的位置信息；[0010]根据所述线束信息以及所述第一端的位置信息和所述第二端的位置信息，获取线缆路径。
[0011]上述的自动布局方法，其中，根据所述线束信息以及所述第一端的位置信息和所述第二端的位置信息，获取线缆路径的步骤包括:
[0012]将所述线缆的第一端和第二端预设为起始点和目标点；
[0013]获取能够连接所述起始点和所述目标点的路径中的所有中间节点；
[0014]对所述中间节点的位置信息进行提取，作为所述线缆路径。
[0015]上述的自动布局方法，其中，获取能够连接所述起始点和所述目标点的路径中的所有中间节点的步骤包括:
[0016]进行随机点的采样时，加入预设的概率将目标点定为采样点。
[0017]上述的自动布局方法，其中，获取能够连接所述起始点和所述目标点的路径中的所有中间节点的步骤包括:
[0018]进行节点扩展时，将所述起始点的节点和所述目标点的节点分别作为根节点。
[0019]上述的自动布局方法，其中，获取能够连接所述起始点和所述目标点的路径中的所有中间节点的步骤包括:
[0020]进行节点扩展时，加入预设的扩展概率，根据所述预设的扩展概率确定是否对节点进行扩展。
[0021]上述的自动布局方法，其中，所述自动布局方法还包括如下步骤:
[0022]对所述线缆路径进行优化；
[0023]根据优化后的所述线缆路径获取线缆控制点的位置信息；
[0024]根据所述线缆控制点的位置信息拟合优化后的所述线缆路径并显示优化后的所述线缆路径。
[0025]上述的自动布局方法，其中，对所述线缆路径进行优化的步骤具体为:
[0026]从所述线缆路径中的第一点开始，依次按组选取路径点；将每组的首节点和末节点相连，生成直径与所述线缆的直径的差值在预设范围内的圆柱体，并与障碍物进行碰撞检测，若没有发生碰撞，则将中间路径点删除，若发生碰撞，则保留该组全部的路径点；
[0027]依次获取所述线缆路径中各路径点处的曲率半径，若所述曲率半径小于预设的约束值，则自动将该路径点向曲率半径增大的方向移动；在自动调整曲率半径的过程中，获取调整后的曲率半径，并与所述约束值进行比较，在所述调整后的曲率半径不小于所述约束值时停止调整操作；
[0028]同时，在自动调整曲率半径的过程中，对调整后的所述路径点进行碰撞检测，若没有发生碰撞，则将中间路径点删除，若发生碰撞，则保留该组全部的路径点；
[0029]经过删除和自动调整操作后，剩余的所有路径点即为优化后的路径点，可作为所述线缆控制点。
[0030]本发明还提供了一种柔性线缆的自动布局装置，包括:
[0031]第一获取模块，用于获取线缆的线束信息；
[0032]第二获取模块，用于获取线缆第一端的位置信息和第二端的位置信息；
[0033]第三获取模块，用于根据所述线束信息以及所述第一端的位置信息和所述第二端的位置信息，获取线缆路径。[0034]上述的自动布局装置，其中，所述第三获取模块包括:
[0035]预设单元，用于将所述线缆的第一端和第二端预设为起始点和目标点；
[0036]获取单元，用于获取能够连接所述起始点和所述目标点的路径中的所有中间节
占.[0037]提取单元，用于对所述中间节点的位置信息进行提取，作为所述线缆路径。
[0038]上述的自动布局装置，其中，还包括:
[0039]优化模块，用于对所述线缆路径进行优化；
[0040]第四获取模块，用于根据优化后的所述线缆路径获取线缆控制点的位置信息；
[0041]拟合显示模块，用于根据所述线缆控制点的位置信息拟合优化后的所述线缆路径并显示优化后的所述线缆路径。
[0042]上述的自动布局装置，其中，所述优化模块包括:
[0043]处理单元，用于从所述线缆路径中的第一点开始，依次按组选取路径点；将每组的首节点和末节点相连，生成直径与所述线缆的直径的差值在预设范围内的圆柱体，并与障碍物进行碰撞检测，若没有发生碰撞，则将中间路径点删除，若发生碰撞，则保留该组全部的路径点；
[0044]获取调整单元，用于依次获取所述线缆路径中各路径点处的曲率半径，若所述曲率半径小于预设的约束值，则自动将该路径点向曲率半径增大的方向移动；在自动调整曲率半径的过程中，获取调整后的曲率半径，并与所述约束值进行比较，在所述调整后的曲率半径不小于所述约束值时停止调整操作；
[0045]在所述获取调整单元进行调整操作的同时，所述处理单元对调整后的所述路径点进行碰撞检测，若没有发生碰撞，则将中间路径点删除，若发生碰撞，则保留该组全部的路径点；
[0046]经过所述处理单元与所述获取调整单元的操作后，剩余的所有路径点即为优化后的路径点，可作为所述线缆控制点。
[0047]本发明的上述技术方案的有益效果如下:
[0048]上述方案中，所述方法可以实现在复杂产品的三维模型上自动生成柔性线缆，有效提高线缆布局设计效率和质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0049]图1为本发明实施例的自动布局方法步骤示意图；
[0050]图2为本发明实施例的布局空间示意图；
[0051]图3为本发明实施例在求解线缆路径时的球形刚体半径与线缆束半径关系示意图；
[0052]图4为本发明实施例在求解线缆路径时采用目标引导的改进策略得到的节点分布示意图；
[0053]图5为本发明实施例在求解线缆路径时采用双树扩展策略进行扩展的示意图；
[0054]图6为本发明实施例不同环境中节点的相应扩展概率示意图；
[0055]图7A为本发明实施例在进行线缆路径优化处理时进行冗余点剔除的示意图；
[0056]图7B为图7A中冗余点剔除后的线缆路径示意图；[0057]图8为本发明实施例在进行线缆路径优化处理时进行弯曲半径检测及自动调整的不意图；
[0058]图9为本发明实施例的自动布局装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0059]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。
[0060]本发明针对现有的技术中大数量的线缆自动布局设计不易实现的问题，提供一种柔性线缆的自动布局方法，如图1所示，包括如下步骤:
[0061]步骤11:获取线缆的线束信息；
[0062]步骤12:获取所述线缆的第一端的位置信息和第二端的位置信息；
[0063]步骤13:根据所述线束信息以及所述第一端的位置信息和所述第二端的位置信息，获取线缆路径。
[0064]其中，获取线缆的线束信息的步骤具体为通过利用产品的三维模型和电气原理设计信息创建线缆的线束模型，进而获取线缆的线束信息，线缆的线束模型通过两个端口的代号来识别。
[0065]所述的产品的三维模型由设计部门利用三维CAD软件绘制后提供。所述的电气原理设计信息是由设计部门提供的接线图或接线表，通常包含了每根导线的第一端针脚信息、端口信息、第二端的针脚信息、端口信息以及导线规格等。
[0066]所述的线束模型，是为了进行线缆路径求解建立的信息模型，其中包含了第一端端口代号及型号信息、第二端端口代号及型号信息、导线数目、导线规格信息和针脚详情，其信息来源于电气原理设计信息和所有导线的统计。
[0067]所述线缆的第一端的位置信息和第二端的位置信息是根据线束模型列出的端口代号，依次在产品的三维模型上利用鼠标点击生成，作为线缆端口生成时的空间位置，包括两类选取方式，分别为单点式选取及按照特征面选取。单点式选取仅提供线缆端口的位姿，并不考虑端口的安装；而按照特征面选取的位置信息则包含了线缆端口的安装位置，在生成时直接安装到位。
[0068]其中，根据所述线束信息以及所述第一端的位置信息和所述第二端的位置信息，获取线缆路径的步骤包括:将所述线缆的第一端和第二端预设为起始点和目标点；获取能够连接所述起始点和所述目标点的路径中的所有中间节点；对所述中间节点的位置信息进行提取，作为所述线缆路径。其实也就是根据所述线束信息中第一端的代号和第二端的代号以及所述第一端的位置信息和所述第二端的位置信息找到相应代号端口在三维模型上对应的空间位置，利用线缆路径搜索算法得到线缆路径的过程。线缆路径搜索算法即利用改进的快速扩展随机树算法结合碰撞检测进行线缆路径的规划算法；改进的快速扩展随机树算法是指在基本快速扩展随机树算法的基础上加入了目标引导的扩展策略、双树扩展策略以及节点扩展概率添加的算法。
[0069]其中，获取能够连接所述起始点和所述目标点的路径中的所有中间节点的步骤(改进的快速扩展随机树算法)包括:进行随机点的采样时，加入预设的概率将目标点定为采样点；进行节点扩展时，将所述起始点的节点和所述目标点的节点分别作为根节点；进行节点扩展时，加入预设的扩展概率，根据所述预设的扩展概率确定是否对节点进行扩展。在基本快速扩展随机树算法进行随机点的采样时，加入一定的概率将目标点定为采样点，使得路径节点更快地接近目标点，达到提高路径规划效率的目的；在进行节点扩展时，将起始点节点和目标点节点分别作为两棵树的根节点，并互相吸引进行扩展，以达到提高路径规划效率的目的；进行节点扩展时，通过设置树节点上的扩展概率来控制树中不同区域的节点的生长趋势，来提高障碍物附近节点密度，使得线缆路径尽可能地依附于结构表面，满足了线缆沿着结构表面布局的约束。
[0070]进一步的，本发明实施例提供的所述自动布局方法还包括如下步骤:对所述线缆路径进行优化；根据优化后的所述线缆路径获取线缆控制点的位置信息；根据所述线缆控制点的位置信息拟合优化后的所述线缆路径并显示优化后的所述线缆路径。其中，线缆控制点即优化后的线缆路径中的路径点。
[0071]具体的， 对所述线缆路径进行优化的步骤具体为:从所述线缆路径中的第一点开始，依次按组选取路径点，如每次选取4个点为一组，如1-4号点，4-7号点，以此类推；将每组的首节点和末节点相连，生成直径与所述线缆的直径的差值在预设范围内的圆柱体，并与障碍物进行碰撞检测，若没有发生碰撞，则将中间路径点(如1-4号组中的2号点和3号点)删除，若发生碰撞，则保留该组全部的路径点；依次获取所述线缆路径中各路径点处的曲率半径，若所述曲率半径小于预设的约束值，则自动将该路径点向曲率半径增大的方向移动；在自动调整曲率半径的过程中，获取调整后的曲率半径，并与所述约束值进行比较，在所述调整后的曲率半径不小于所述约束值时停止调整操作；同时，在自动调整曲率半径的过程中，对调整后的所述路径点进行碰撞检测，若没有发生碰撞，则将中间路径点删除，若发生碰撞，则保留该组全部的路径点；经过删除和自动调整操作后，剩余的所有路径点即为优化后的路径点，可作为所述线缆控制点。
[0072]其中，根据所述线缆控制点的位置信息拟合优化后的所述线缆路径并显示优化后的所述线缆路径步骤中采用了三次B样条曲线对所述线缆路径进行了拟合，当然也可以采用其他的拟合方式，在此不一一举例。
[0073]本发明实施例提供的柔性线缆的自动布局方法，首先利用三维模型及设计信息获得线缆两端的位置信息，根据位置信息结合线缆路径搜索算法对线缆路径进行求解及优化，最后将得到的线缆关键控制点位置信息进行拟合则得到线缆布局结果，能够提高线缆布局设计的效率。
[0074]下面举例具体说明本发明实施例提供的柔性线缆的自动布局方法的执行过程。
[0075]首先对三维空间中的线缆路径规划问题进行描述。如图2所示，该问题的规划空间用M表示，其中既包含初始产品的零部件及其他附件，也包括在此之前已完成布局的线缆体及其附件等，其中M为三维空间。作运动规划的球形刚体用A表示，则A C M规划空间M中的产品零部件和线缆等物体均被认为是障碍物，用O表示，O C M。
[0076]在进行线缆路径求解时，刚性球体运动所扫略的轨迹即为线缆的路径，可见刚性球体具有三个方向的平移自由度，将求解空间的状态空间记为Csp.。将障碍物空间记为Cobs,刚体A的空间位姿状态用q表示，则Ctjbs为刚体A与障碍物O的所有相交状态的集合，定义为=Cobs = (q e Cspace: A(q) (? O ^ 0},将可行的空间用Cftee表示，则Cftee =Cspac^Ct5bs，并且
【权利要求】
1.一种柔性线缆的自动布局方法，其特征在于，包括如下步骤: 获取线缆的线束信息； 获取所述线缆的第一端的位置信息和第二端的位置信息； 根据所述线束信息以及所述第一端的位置信息和所述第二端的位置信息，获取线缆路径。
2.根据权利要求1所述的自动布局方法，其特征在于，根据所述线束信息以及所述第一端的位置信息和所述第二端的位置信息，获取线缆路径的步骤包括: 将所述线缆的第一端和第二端预设为起始点和目标点； 获取能够连接所述起始点和所述目标点的路径中的所有中间节点； 对所述中间节点的位置信息进行提取，作为所述线缆路径。
3.根据权利要求2所述的自动布局方法，其特征在于，获取能够连接所述起始点和所述目标点的路径中的所有中间节点的步骤包括: 进行随机点的采样时，加入预设的概率将目标点定为采样点。
4.根据权利要求2所述的自动布局方法，其特征在于，获取能够连接所述起始点和所述目标点的路径中的所有中间节点的步骤包括: 进行节点扩展时，将所`述起始点的节点和所述目标点的节点分别作为根节点。
5.根据权利要求2所述的自动布局方法，其特征在于，获取能够连接所述起始点和所述目标点的路径中的所有中间节点的步骤包括: 进行节点扩展时，加入预设的扩展概率，根据所述预设的扩展概率确定是否对节点进行扩展。
6.根据权利要求1所述的自动布局方法，其特征在于，所述自动布局方法还包括如下步骤: 对所述线缆路径进行优化； 根据优化后的所述线缆路径获取线缆控制点的位置信息； 根据所述线缆控制点的位置信息拟合优化后的所述线缆路径并显示优化后的所述线缆路径。
7.根据权利要求6所述的自动布局方法，其特征在于，对所述线缆路径进行优化的步骤具体为: 从所述线缆路径中的第一点开始，依次按组选取路径点；将每组的首节点和末节点相连，生成直径与所述线缆的直径的差值在预设范围内的圆柱体，并与障碍物进行碰撞检测，若没有发生碰撞，则将中间路径点删除，若发生碰撞，则保留该组全部的路径点； 依次获取所述线缆路径中各路径点处的曲率半径，若所述曲率半径小于预设的约束值，则自动将该路径点向曲率半径增大的方向移动；在自动调整曲率半径的过程中，获取调整后的曲率半径，并与所述约束值进行比较，在所述调整后的曲率半径不小于所述约束值时停止调整操作； 同时，在自动调整曲率半径的过程中，对调整后的所述路径点进行碰撞检测，若没有发生碰撞，则将中间路径点删除，若发生碰撞，则保留该组全部的路径点； 经过删除和自动调整操作后，剩余的所有路径点即为优化后的路径点，可作为所述线缆控制点。
8.—种柔性线缆的自动布局装置，其特征在于，包括: 第一获取模块，用于获取线缆的线束信息； 第二获取模块，用于获取线缆第一端的位置信息和第二端的位置信息； 第三获取模块，用于根据所述线束信息以及所述第一端的位置信息和所述第二端的位置信息，获取线缆路径。
9.根据权利要求8所述的自动布局装置，其特征在于，所述第三获取模块包括: 预设单元，用于将所述线缆的第一端和第二端预设为起始点和目标点； 获取单元，用于获取能够连接所述起始点和所述目标点的路径中的所有中间节点； 提取单元，用于对所述中间节点的位置信息进行提取，作为所述线缆路径。
10.根据权利要求8所述的自动布局装置，其特征在于，还包括: 优化模块，用于对所述线缆路径进行优化； 第四获取模块，用于根据优化后的所述线缆路径获取线缆控制点的位置信息； 拟合显示模块，用于根据所述线缆控制点的位置信息拟合优化后的所述线缆路径并显示优化后的所述线缆路径。
11.根据权利要求10所述的自动布局装置，其特征在于，所述优化模块包括: 处理单元，用于从所述线缆路径中的第一点开始，依次按组选取路径点；将每组的首节点和末节点相连，生成直径与所述线缆的直径的差值在预设范围内的圆柱体，并与障碍物进行碰撞检测，若没有发生碰撞，则将中间路径点删除，若发生碰撞，则保留该组全部的路径点； 获取调整单元，用于依次获取所述线缆路径中各路径点处的曲率半径，若所述曲率半径小于预设的约束值，则自动将该路径点向曲率半径增大的方向移动；在自动调整曲率半径的过程中，获取调整后的曲率半径，并与所述约束值进行比较，在所述调整后的曲率半径不小于所述约束值时停止调整操作； 在所述获取调整单元进行调整操作的同时，所述处理单元对调整后的所述路径点进行碰撞检测，若没有发生碰撞，则将中间路径点删除，若发生碰撞，则保留该组全部的路径占.经过所述处理单元与所述获取调整单元的操作后，剩余的所有路径点即为优化后的路径点，可作为所述线缆控制点。
【文档编号】G06F17/50GK103678828SQ201310751570
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】刘检华, 杨桂英, 刘佳顺, 杨静通, 刘潇, 范莹, 金望韬, 刘少丽 申请人:北京理工大学, 北京遥感设备研究所