劉 飛，閆清東，姚壽文，陳 巖

（1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081；2.河北工程大學(xué) 裝備制造學(xué)院，河北 邯鄲056038）

0 引 言

軍用裝甲車輛綜合傳動(dòng)裝置是集成大功率液力變矩器、行星式動(dòng)力換擋變速箱、液壓無(wú)級(jí)轉(zhuǎn)向、電液自動(dòng)操縱于一體，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力換擋和無(wú)級(jí)轉(zhuǎn)向。綜合傳動(dòng)裝置是軍用履帶車輛的重要組成部分，對(duì)車輛的整體性能起著重要的作用［1－3］。綜合傳動(dòng)裝置傳統(tǒng)的整體研制過(guò)程一般采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)－工藝 分 析－試 制－裝 配－試 驗(yàn)－改 進(jìn) 設(shè) 計(jì)－試 制－試驗(yàn)的多循環(huán)設(shè)計(jì)流程，由于綜合傳動(dòng)裝置系統(tǒng)的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)緊湊性，采用多循環(huán)的設(shè)計(jì)流程模式使產(chǎn)品研制周期長(zhǎng)，在設(shè)計(jì)階段難以對(duì)裝配可行性進(jìn)行有效的評(píng)估。目前，對(duì)車輛在設(shè)計(jì)階段的裝配可行性研究主要集中在基于CAD 軟件的裝配仿真等方面［4－11］。基于CAD 軟件的裝配仿真主要以應(yīng)用CAD 軟件進(jìn)行零件的裝配分析，無(wú)法保證裝配仿真的物理真實(shí)性和有效性，在實(shí)際工程應(yīng)用中具有一定的局限性。

本文以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，搭建交互裝配的視景仿真平臺(tái)，建立滿足綜合傳動(dòng)裝置交互裝配需要的多模式虛擬環(huán)境和交互裝配工具模型；根據(jù)綜合傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)交互裝配過(guò)程的零件實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)方法、路徑規(guī)劃技術(shù)，精確定位方法等進(jìn)行研究，結(jié)合某型號(hào)軍用裝甲車輛綜合傳動(dòng)裝置，對(duì)交互裝配技術(shù)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，為綜合傳動(dòng)裝置的裝配可行性分析提供一種有效的方法。

1 視景仿真平臺(tái)的建立

在綜合傳動(dòng)裝置交互裝配過(guò)程中，由于零件眾多，其模型的面片數(shù)量巨大，單機(jī)的渲染幀率約2～6幀［12］，無(wú)法滿足交互操作的要求。因此本文建立了基于計(jì)算機(jī)集群（PC－Cluster）和高速局域網(wǎng)控制架構(gòu)并行渲染的視景仿真平臺(tái)，如圖1所示。根據(jù)渲染節(jié)點(diǎn)的渲染能力將渲染任務(wù)分配到各渲染節(jié)點(diǎn)進(jìn)行渲染，然后渲染節(jié)點(diǎn)將渲染圖元傳送到相應(yīng)的圖像處理節(jié)點(diǎn)，最后對(duì)圖像進(jìn)行拼合、幾何校正等處理后輸出到顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)圖形的實(shí)時(shí)繪制與處理。

圖1 視景仿真平臺(tái)系統(tǒng)連接示意圖Fig.1 Connection diagram of visual simulation platform

圖2 仿真平臺(tái)運(yùn)行時(shí)圖形工作站與立體投影顯示效果圖Fig.2 Effect drawing of virtual assembly scene images in system working

圖2 為仿真平臺(tái)運(yùn)行效果圖。根據(jù)主、被動(dòng)立體顯示技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，應(yīng)用先進(jìn)的光譜立體顯示技術(shù)，通過(guò)幾何校正、同步控制等系統(tǒng)技術(shù)，建立了沉浸式雙通道立體投影系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了綜合傳動(dòng)裝置1∶1比例的模型的立體顯示。圖2表明，本文所搭建的交互裝配視景仿真平臺(tái)能滿足綜合裝置交互裝配要求的高度沉浸感、可視化的場(chǎng)景交互、圖形繪制與處理等特點(diǎn)。

2 交互裝配工具建模

在產(chǎn)品的實(shí)際裝配過(guò)程中，人手是實(shí)施裝配的重要載體。數(shù)據(jù)手套為交互裝配系統(tǒng)提供了一種重要的交互方式。在虛擬環(huán)境中，手的交互操作通過(guò)數(shù)據(jù)手套將手的狀態(tài)信息輸入到交互系統(tǒng)中，由交互系統(tǒng)中生成的虛擬手跟隨手的運(yùn)動(dòng)在虛擬環(huán)境中完成各種交互操作。

為實(shí)現(xiàn)交互裝配工具在虛擬環(huán)境中的操作，首先實(shí)現(xiàn)了虛擬環(huán)境中虛擬手的建模，結(jié)合光學(xué)跟蹤裝置實(shí)現(xiàn)裝配工具在虛擬環(huán)境的建模及運(yùn)動(dòng)。圖3為虛擬手在虛擬環(huán)境中的模型。

圖3 虛擬環(huán)境中的虛擬手模型Fig.3 Virtual hand model in virtual environment

3 實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)分析

在交互裝配中，當(dāng)虛擬手抓取物體的同時(shí)，需要及時(shí)判斷手與物體之間的接觸情況［13］。這種判斷的依據(jù)就來(lái)自碰撞檢測(cè)，碰撞檢測(cè)的目的是解決零件間相交性測(cè)試問(wèn)題。目前，許多學(xué)者都做了很多卓有成效的工作，并提出了多種方法。綜合起來(lái)，兩個(gè)幾何模型間的碰撞干涉檢測(cè)算法主要分為空間分解法和層次包圍盒法［14－16］。其中，層次包圍盒算法計(jì)算簡(jiǎn)單、速度快，但是精度不高，尤其對(duì)于裝配過(guò)程需要旋轉(zhuǎn)操作時(shí)，時(shí)常出現(xiàn)誤判；空間分解法雖然精度大大提高，但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，算法計(jì)算量過(guò)大，從而影響實(shí)時(shí)性。

綜合傳動(dòng)裝置零件眾多，虛擬手需要抓取的零件數(shù)量較多，為滿足交互裝配的碰撞檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和真實(shí)性要求，本文提出了基于幾何要素的混合碰撞檢測(cè)方法。基于幾何要素的混合碰撞檢測(cè)方法根據(jù)空間距離和裝配約束等因素的不同，采用不同的碰撞檢測(cè)方式，對(duì)于沒(méi)有裝配約束存在的零部件之間只進(jìn)行簡(jiǎn)單快速的包圍盒碰撞檢測(cè)，而對(duì)于發(fā)生裝配約束的零部件之間，獲取參與裝配約束的幾何要素，并利用幾何要素進(jìn)行碰撞檢測(cè)，其中包括幾何面與包圍盒之間的碰撞檢測(cè)和不同零部件上的幾何面之間的碰撞檢測(cè)，如圖4所示。能有效地提高碰撞檢測(cè)效率，從而滿足虛擬裝配環(huán)境的實(shí)時(shí)性和真實(shí)性。

其具體計(jì)算過(guò)程如下。

圖4 交互裝配過(guò)程碰撞檢測(cè)示意圖Fig.4 Collision detection diagram of interactive assembly

首先，對(duì)于虛擬手與零件間碰撞檢測(cè)，將虛擬手的多個(gè)面片與零件的面片進(jìn)行平行的碰撞檢測(cè)。在虛擬手處于交互裝配狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)虛擬手是否與裝配對(duì)象（零件以及裝配體）發(fā)生碰撞，如果碰撞，則拾取裝配零件，該裝配對(duì)象跟隨虛擬手運(yùn)動(dòng)。為防止虛擬手抓取零件時(shí)產(chǎn)生穿透現(xiàn)象，影響交互裝配的真實(shí)感，本文采用了基于幾何面片的預(yù)定距離限制算法，當(dāng)虛擬手運(yùn)動(dòng)到與零件一定距離時(shí)，限制虛擬手在該運(yùn)動(dòng)方向上的運(yùn)動(dòng)，避免穿透物體。當(dāng)虛擬手抓取零件到合適位置與另外的零件進(jìn)行裝配時(shí)，零件間采取精確碰撞檢測(cè)分析，提高交互裝配的精確性。對(duì)于發(fā)生裝配約束的零件之間，獲取參與裝配約束的幾何要素，并利用幾何要素進(jìn)行碰撞檢測(cè)，其中包括幾何面與包圍盒間的碰撞檢測(cè)和不同零件上的幾何面之間的碰撞檢測(cè)以完成交互裝配。交互裝配時(shí)的碰撞檢測(cè)過(guò)程如圖4所示。

4 基于人機(jī)交互的路徑規(guī)劃技術(shù)

4.1 基于人機(jī)交互的裝配路徑規(guī)劃

本文研究了基于人機(jī)交互的路徑規(guī)劃方法，即在交互裝配環(huán)境下，通過(guò)數(shù)據(jù)手套等設(shè)備在虛擬環(huán)境下，對(duì)零件模型進(jìn)行抓取、裝配、釋放等一系列操作時(shí)，通過(guò)零件模型在空間中經(jīng)過(guò)的一系列點(diǎn)或曲線的生成與顯示，形成零件的裝配路徑。使裝配設(shè)計(jì)人員在可視化的環(huán)境下對(duì)綜合傳動(dòng)裝置的三維模型進(jìn)行交互式的預(yù)裝配，并以此分析車輛傳動(dòng)系統(tǒng)零件的裝配路徑干涉情況。

基于人機(jī)交互的裝配路徑規(guī)劃流程如圖5所示。

圖5 基于人機(jī)交互的裝配路徑規(guī)劃流程圖Fig.5 Flow chart of assembly path planning based on human－computer interaction

4.2 裝配路徑的生成與顯示

虛擬環(huán)境中裝配軌跡常用一系列離散點(diǎn)或是曲線生成與顯示，本文為更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互過(guò)程裝配路徑的生成與顯示，采用網(wǎng)格路徑求解器計(jì)算軌跡曲線，通過(guò)確定求解器中的零件目標(biāo)和目標(biāo)位置參數(shù)，獲得待裝配零件實(shí)時(shí)位置點(diǎn)和初始位置點(diǎn)，計(jì)算兩點(diǎn)間的距離；經(jīng)過(guò)障礙物判斷，通過(guò)障礙圖層的參數(shù)保證獲得沒(méi)有穿透現(xiàn)象的正確路徑曲線，創(chuàng)建兩點(diǎn)間的路徑曲線。

同時(shí)，本文應(yīng)用渲染引擎進(jìn)行效果渲染，將得到的路徑軌跡曲線進(jìn)行可視化渲染繪制，使交互過(guò)程中零件移動(dòng)所經(jīng)過(guò)的軌跡可以實(shí)時(shí)地生成并渲染顯示出來(lái)。交互裝配環(huán)境中，某零件裝配路徑曲線的渲染前后對(duì)比如圖6所示。

圖6 裝配路徑曲線渲染前后對(duì)比圖Fig.6 Contrast diagram of rendering for assembly path curves

5 交互過(guò)程的精確定位技術(shù)

在交互裝配環(huán)境中，設(shè)計(jì)人員通過(guò)數(shù)據(jù)手套、立體眼鏡和位置跟蹤設(shè)備等交互設(shè)備來(lái)操縱零件模型，零件模型在交互環(huán)境中位姿的實(shí)時(shí)改變具有一定的模糊性和不確定性，需要通過(guò)一定的方法來(lái)輔助設(shè)計(jì)人員在裝配過(guò)程中精確地將零件裝配到目標(biāo)位置，精確定位技術(shù)的研究可實(shí)現(xiàn)零件在交互裝配環(huán)境下按照一定位姿完成裝配體的裝配［17］。

目前交互裝配的定位方法主要有基于碰撞檢測(cè)的定位方法、近似捕捉定位方法［18－19］?；谂鲎矙z測(cè)的定位方法通過(guò)對(duì)裝配過(guò)程中的實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)和力反饋設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。在操作過(guò)程中碰撞發(fā)生后，根據(jù)碰撞幾何面產(chǎn)生一定的作用力，并通過(guò)力反饋設(shè)備限制用戶手的運(yùn)動(dòng)，使得用戶的運(yùn)動(dòng)不會(huì)違反零件的約束，最終完成定位操作。該方法需要大量的分析計(jì)算，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求較差，難以滿足精確定位要求；近似捕捉定位方法假設(shè)待裝配零件在裝配體中的最終位姿已知，在虛擬裝配過(guò)程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)零件的當(dāng)前位姿和最終定位位姿之間的偏差，當(dāng)偏差到達(dá)給定的誤差范圍時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將零件的位姿調(diào)整到最終裝配位置。其易于實(shí)現(xiàn)，但需已知最終裝配位置，不符合實(shí)際裝配過(guò)程。因此，本文提出了基于裝配特征要素重構(gòu)的精確定位方法，利用從CAD 模型中獲取的參與裝配的特征要素信息，在交互裝配環(huán)境下進(jìn)行重構(gòu)，再利用這些具備裝配關(guān)系的要素進(jìn)行定位?；谘b配特征重構(gòu)的精確定位方法是在裝配特征重構(gòu)的基礎(chǔ)上，識(shí)別出每個(gè)幾何面的當(dāng)前位置和方向，系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算幾何面之間的方向和距離，當(dāng)兩幾何面被識(shí)別出存在幾何約束時(shí)，構(gòu)造位姿變換矩陣，求出待裝配的位姿變換矩陣，然后對(duì)待裝配進(jìn)行位姿變換，調(diào)整到幾何要素約束的位置，實(shí)現(xiàn)精確定位，避免了求解非線性方程組的復(fù)雜計(jì)算，容易實(shí)施。能有效地滿足虛擬裝配的實(shí)時(shí)性要求，符合實(shí)際裝配過(guò)程。其實(shí)現(xiàn)原理如圖7中所示的某綜合傳動(dòng)裝置中液力變矩器交互裝配的精確定位過(guò)程所示。

圖7 基于裝配特征的某液力變矩器裝配過(guò)程示意圖Fig.7 Schematic diagram of assembly process of a hydraulic torque converter based on assembly features

在獲取裝配基體和待裝配的裝配特征基礎(chǔ)上，圖7中紅色環(huán)面即為參與裝配的兩個(gè)約束面。將坐標(biāo)系定義在基體件B 上，并使基體固定不動(dòng)；待裝A 件上定義對(duì)象坐標(biāo)系為O′X′Y′Z′，由于待裝配件A 可在裝配過(guò)程中進(jìn)行平移、選擇等操作，坐標(biāo)系O′X′Y′Z′在基體坐標(biāo)系下能夠不斷變化，將坐標(biāo)系O′X′Y′Z′在OXYZ 下的位置和方位記為（x0，y0，z0，θ，φ，γ）。若件A 上的Pa面與基體件B 上的Pb面存在共面約束，設(shè)Pa面所在的平面為ax＋by＋cz＋d＝0，用矩陣形式可表示為：

將該平面通過(guò)矩陣變換得到Pb面，則Pb面的矩陣表示為：

式中：Mtrans為坐標(biāo)變換矩陣。

在待裝配件A 移動(dòng)并靠近基體件B 的過(guò)程中，若A 與B 上的Pb面發(fā)生碰撞，計(jì)算發(fā)生碰撞的三角面片的法線夾角。若夾角為0，則說(shuō)明A件與B 件在Pb面上實(shí)現(xiàn)了共面約束。否則，需對(duì)A 件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作，從而實(shí)現(xiàn)共面約束。

發(fā)生干涉的兩個(gè)三角面的交點(diǎn)為A（xa，ya，za），兩個(gè)三角面片的法線與（X，Y，Z）軸的夾角分別為（σ，ζ，τ）、（α1，β1，γ1），約束面與（X，Y，Z）軸的夾角分別為（α1，β1，γ1）、（ω，ξ，ψ），求解出的變換矩陣Mtrans為：

式中：

其他類型的幾何要素間的約束也通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)零件的精確定位。

6 實(shí)例驗(yàn)證

本文通過(guò)高性能的圖形工作站、兩通道光譜立體投影機(jī)、信號(hào)交換設(shè)備、人機(jī)交互設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)了交互裝配視景仿真平臺(tái)的硬件系統(tǒng)搭建。系統(tǒng)的軟件應(yīng)用Pro／E 等建模軟件、3Dmax、OSG等圖形渲染工具、Virtools軟件開(kāi)發(fā)包，以VC＋＋為工具來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛綜合傳動(dòng)裝置的交互裝配。

本文以某綜合傳動(dòng)裝置為應(yīng)用對(duì)象，對(duì)交互裝配的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。交互裝配時(shí)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)光譜立體眼鏡觀察交互裝配場(chǎng)景，通過(guò)操作數(shù)據(jù)手套、應(yīng)用光學(xué)跟蹤設(shè)備等獲取操作者手的運(yùn)動(dòng)以及手指狀態(tài)的變化，驅(qū)動(dòng)虛擬手對(duì)零件的交互操作。某綜合傳動(dòng)裝置交互裝配過(guò)程中零件碰撞檢測(cè)過(guò)程如圖8所示。

當(dāng)虛擬手抓取和拖動(dòng)物體時(shí)，虛擬手與零部件模型之間的碰撞檢測(cè)能夠在10ms內(nèi)完成，系統(tǒng)不存在任何的滯后感，顯示流暢，完全能夠滿足綜合傳動(dòng)交互裝配的實(shí)時(shí)性要求。交互裝配時(shí)虛擬手沒(méi)有穿透虛擬物體，基于預(yù)定距離的限制算法起到了較好的控制作用。

圖8 某綜合傳動(dòng)裝置交互裝配中碰撞檢測(cè)過(guò)程Fig.8 Collision detection process of a vehicle integrated transmission system in interactive assembly

交互裝配過(guò)程中，零件的移動(dòng)軌跡由網(wǎng)格路徑求解器生成，并用渲染引擎進(jìn)行了渲染，綜合傳動(dòng)裝置中液力變矩器的裝配路徑顯示如圖9 所示。

圖9 某綜合傳動(dòng)裝置中液力變矩器裝配路徑顯示圖Fig.9 Assembly path display of hydraulic torque converter in a vehicle integrated transmission system

通過(guò)基于裝配特征要素重構(gòu)的精確定位方法，從CAD 模型中獲取的參與裝配的特征要素信息，在交互裝配環(huán)境下進(jìn)行重構(gòu)，再應(yīng)用這些具備裝配關(guān)系的要素實(shí)現(xiàn)零件的精確定位，完成綜合傳動(dòng)裝置的裝配。某綜合傳動(dòng)裝置交互裝配過(guò)程如圖10所示。

7 結(jié) 論

（1）在分析綜合傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，搭建了基于計(jì)算機(jī)集群控制架構(gòu)的視景仿真平臺(tái)。通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)光譜立體顯示技術(shù)、混合幾何校正、同步控制等系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了綜合傳動(dòng)裝置交互裝配視景仿真平臺(tái)的運(yùn)行。

圖10 傳動(dòng)裝置在視景仿真平臺(tái)上的交互裝配過(guò)程Fig.10 Interactive assembly process of vehicle transmission system based on visual simulation platform

（2）根據(jù)綜合傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文提出了一種滿足實(shí)時(shí)性與精確性要求的混合碰撞檢測(cè)方法，有效地滿足零件眾多的綜合傳動(dòng)裝置交互裝配的實(shí)時(shí)性和精確性要求；分析了交互裝配路徑的生成及顯示方法，較好地實(shí)現(xiàn)了裝配路徑的渲染。

（3）本文提出了基于裝配特征的精確定位方法，利用裝配特征要素信息，實(shí)現(xiàn)了零件的精確定位。

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