王發(fā)麟，郭 宇，查珊珊

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復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品線纜虛實(shí)融合裝配體系構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)

王發(fā)麟，郭 宇，查珊珊

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

針對(duì)傳統(tǒng)的基于實(shí)物樣機(jī)的線纜模擬裝配實(shí)驗(yàn)方法造成的效率低、精確度低、裝配質(zhì)量和可靠性難以得到保證等問題，提出一種面向復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的線纜虛實(shí)融合裝配方法。首先在分析了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于線纜裝配的優(yōu)勢基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的線纜虛實(shí)融合裝配體系；其次，對(duì)裝配體系中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)對(duì)線纜三維注冊(cè)技術(shù)、線纜虛實(shí)遮擋技術(shù)、線纜虛實(shí)光照技術(shù)以及相機(jī)標(biāo)定與跟蹤技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述；最后介紹了線纜虛實(shí)融合裝配研究內(nèi)容，給出了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的線纜虛實(shí)融合裝配系統(tǒng)運(yùn)行流程。

線纜虛擬裝配；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；體系結(jié)構(gòu)；復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品

復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜，包含了大量的剛性結(jié)構(gòu)件、柔性線纜、電子元器件等若干零部件，這些零部件按照一定的裝配序列和裝配路徑裝配成一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的裝配體，具有質(zhì)量要求高、裝配周期長、制造成本高等特點(diǎn)[1-2]。線纜作為一種柔性件主要用于能量和信號(hào)的傳輸，在航空、航天、船舶等各類復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品中應(yīng)用較多，是電子設(shè)備與各分機(jī)模塊之間的連接紐帶。在眾多評(píng)價(jià)產(chǎn)品整機(jī)性能和可靠性的重要指標(biāo)當(dāng)中，線纜的裝配質(zhì)量顯得尤為重要[3-4]。線纜本身由于屬于柔性體并且存在捆扎、固定等特殊要求，連接器數(shù)量較多、布線空間狹窄、導(dǎo)線分布集中、布線操作比較困難。線纜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及線纜在裝配操作中的柔性特性，使得目前線纜的裝配操作在很大程度上依賴于工作人員的經(jīng)驗(yàn)，這一特點(diǎn)嚴(yán)重影響了產(chǎn)品總裝的裝配效率[5]。因此，提高復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品線纜的裝配效率已經(jīng) 成為復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品裝配過程中一個(gè)亟待解決的 問題。

目前，復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的線纜裝配主要采用基于實(shí)物樣機(jī)的模擬裝配實(shí)驗(yàn)方法，該方法具有如下缺點(diǎn)[6]：①線纜裝配操作依賴于操作工人的經(jīng)驗(yàn)，最終的布線方案需要經(jīng)過多次模擬和修改才能確定，效率較低；②布線設(shè)計(jì)需要在產(chǎn)品實(shí)物樣機(jī)制造出來之后進(jìn)行，屬于典型的串行設(shè)計(jì)；③產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題如線纜敷設(shè)空間的預(yù)留是否足夠、電連接器的安裝位置是否合理等難以早期發(fā)現(xiàn)，需要等到線纜模裝時(shí)才能暴露出來；④線纜在產(chǎn)品中的總體布局規(guī)劃因串行設(shè)計(jì)而較難確定。針對(duì)線纜模裝實(shí)驗(yàn)帶來的問題，文獻(xiàn)[7]提出了基于產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)的線纜虛擬裝配方法，其主要思路為：依托于虛擬設(shè)計(jì)及裝配系統(tǒng)，產(chǎn)品數(shù)字化樣機(jī)的設(shè)計(jì)以產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范、線纜布線規(guī)范等為設(shè)計(jì)約束條件，剛性結(jié)構(gòu)件的裝配設(shè)計(jì)和柔性線纜的布線設(shè)計(jì)并行開展。剛性結(jié)構(gòu)件的裝配設(shè)計(jì)模塊按“剛性結(jié)構(gòu)件的裝配設(shè)計(jì)→剛性結(jié)構(gòu)件的裝配規(guī)劃→剛性結(jié)構(gòu)件的裝配組裝”步驟開展，柔性線纜的敷設(shè)模塊按“柔性線纜三維布線設(shè)計(jì)→線纜三維路徑規(guī)劃→線纜敷設(shè)及仿真”步驟開展，以并行設(shè)計(jì)的方式完成結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)和線纜布線裝配設(shè)計(jì)?；诋a(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)的線纜虛擬裝配方法，由于其借助虛擬裝配技術(shù)將設(shè)計(jì)人員“沉浸”在計(jì)算機(jī)中完成虛擬線纜模型的裝配，雖然對(duì)于產(chǎn)品開發(fā)前期的整體設(shè)計(jì)、裝配及驗(yàn)證有重要作用，但對(duì)于現(xiàn)場線纜的實(shí)際裝配操作的支持還存在局限性。郭洪杰等[8]研究了飛機(jī)管線交互式虛擬裝配技術(shù)，在借助數(shù)據(jù)衣、數(shù)據(jù)手套、ART(advanced realtime tracking)攝像頭和頭盔顯示器等人機(jī)交互設(shè)備的基礎(chǔ)上完成了飛機(jī)管線的裝配仿真，簡化了人機(jī)仿真流程，比傳統(tǒng)仿真效率提高了65% 以上。

線纜虛擬裝配的實(shí)現(xiàn)需要解決的另一個(gè)關(guān)鍵問題是虛擬裝配環(huán)境的感知技術(shù)。復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品模型和線纜裝配工藝的復(fù)雜性(單芯、多芯；低頻、高頻等)使得線纜虛擬裝配場景高度復(fù)雜，主要表現(xiàn)為虛擬裝配環(huán)境缺乏智能感知能力和對(duì)交互情景的分析能力[9]。情境感知裝配是結(jié)合上下文感知計(jì)算理論[10]而提出的一種虛擬裝配感知技術(shù)，采用該技術(shù)的目的在于分擔(dān)用戶對(duì)虛擬場景信息的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，以便用戶在虛擬場景中可以準(zhǔn)確、便捷地進(jìn)行交互操作。如侯文君[11]引入了面向裝配體的小情境模型，給出了不同場景對(duì)象間的消息響應(yīng)模式和虛擬裝配環(huán)境的情境感知機(jī)制。宋晨和劉惠義[12]則為解決虛擬裝配系統(tǒng)普遍存在的人機(jī)交互不夠友好、配置文件復(fù)雜等問題，提出了一種多Agent的情境裝配模型。該模型通過綜合考慮零件模型的狀態(tài)、位置、用戶操作歷史等情境信息，更全面地識(shí)別用戶意圖，從而對(duì)裝配活動(dòng)進(jìn)行引導(dǎo)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)技術(shù)[13-15]作為虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)的一個(gè)重要分支，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息(圖形、文字注釋等)疊加到用戶所處的真實(shí)的裝配環(huán)境中，對(duì)人的視覺系統(tǒng)進(jìn)行影像增強(qiáng)或擴(kuò)張，從而達(dá)到支持人們獲得豐富信息、輔助工作的目的。自上世紀(jì)90年代早期開始，AR技術(shù)就被使用于裝配支持系統(tǒng)原型和試驗(yàn)應(yīng)用程序中[16]，但其仍處于概念驗(yàn)證應(yīng)用階段，尤其是在用戶與工件交互的方式上還存在較多限制。近些年來，情境感知在線誤差檢測AR系統(tǒng)受到了較多關(guān)注[17]。日本大阪大學(xué)的KHUONG等[18]認(rèn)為許多基于AR的裝配支持系統(tǒng)很少在每一階段實(shí)時(shí)跟蹤裝配狀態(tài)和自動(dòng)識(shí)別裝配誤差及完成情況，并提出了兩種AR可視化模式：一種直接將引導(dǎo)信息疊加在物理模型上，另一種將引導(dǎo)信息渲染到與真實(shí)模型相鄰的虛擬模型上，據(jù)此形成基于AR的情境感知裝配支持系統(tǒng)。為理解在裝配情境下系統(tǒng)如何更好地輔助用戶，作者還對(duì)該系統(tǒng)在上述兩種AR可視化模式下的試驗(yàn)效果進(jìn)行了評(píng)估。澳大利亞科廷大學(xué)的HOU等[19]使用AR技術(shù)輔助管道裝配，任務(wù)完成時(shí)間、裝配誤差等均減少50%，以證實(shí)通過AR技術(shù)可降低用戶對(duì)虛擬場景信息的認(rèn)知負(fù)荷而使得裝配率及其績效得以提高。

美國波音公司的CAUDELL和MIZELL[20]首次將AR技術(shù)應(yīng)用到線纜的實(shí)際裝配中，在布線系統(tǒng)中將線纜的路徑走向與文字注釋信息等內(nèi)容疊加到布線工人的視野中，以輔助操作工人完成布線任務(wù)，這也是在裝配領(lǐng)域AR應(yīng)用最為著名的案例之一。歐洲航空防務(wù)與航天公司利用由德國教育研究部資助研發(fā)的Arvika系統(tǒng)對(duì)歐洲某型戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行布線成為一個(gè)經(jīng)典案例，虛擬裝配信息通過專門設(shè)計(jì)的語音調(diào)用裝置提供給線纜裝配人員，據(jù)此提示信息逐步完成面板上高密度的布線工作[21]。芬蘭國家技術(shù)研究中心(Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus，VTT)則開發(fā)了一個(gè)增強(qiáng)裝配原型系統(tǒng)，用戶的裝配操作動(dòng)作在系統(tǒng)提示信息的指導(dǎo)下可逐步完成[22-23]。文獻(xiàn)[24]將AR技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的早期設(shè)計(jì)階段，真實(shí)裝配環(huán)境和虛擬零件通過所設(shè)計(jì)的AR接口融合在一起，從而輔助設(shè)計(jì)人員完成裝配特征的設(shè)計(jì)。國內(nèi)彭濤等[25]從提高人機(jī)交互效率角度出發(fā)，提出了基于增強(qiáng)人機(jī)交互技術(shù)的虛擬裝配方法，其主要圍繞視覺、信息和操作3個(gè)方面進(jìn)行研究，取得了一定效果。王峻峰等[26]建立了面向增強(qiáng)裝配過程的統(tǒng)一信息模型，裝配文字提示信息、裝配特征信息、產(chǎn)品幾何信息通過該模型集中管理，并結(jié)合注冊(cè)位置方式在裝配視頻環(huán)境中疊加相關(guān)引導(dǎo)信息，方便了現(xiàn)場工人的裝配操作。宋荊洲等[27]為彌補(bǔ)場景圖在AR裝配應(yīng)用中的不足，提出了一種將層次著色Petri網(wǎng)與圖靈機(jī)模型相結(jié)合的方法，將虛擬手的手勢代號(hào)與位姿矩陣作為所構(gòu)建系統(tǒng)模型的輸入、輸出具體操作事件更新場景圖，記錄系統(tǒng)的當(dāng)前內(nèi)部狀態(tài)并根據(jù)用戶輸入給出下一步的操作響應(yīng)。林一等[28]則提出了一套基于心智模型的VR與AR混合式移動(dòng)導(dǎo)覽系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)VR與AR之間的切換，豐富了用戶的互動(dòng)體驗(yàn)方式。張國亮等[29]則對(duì)虛擬物體和物理實(shí)體的配準(zhǔn)誤差問題進(jìn)行了研究，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)和概率論的數(shù)學(xué)模型來提高配準(zhǔn)的穩(wěn)定性，通過簡單視覺標(biāo)記降低了配準(zhǔn)模塊誤差。

綜合上述國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可知，國外較早開展了基于AR的產(chǎn)品布線技術(shù)的研究，并開發(fā)了可用于實(shí)際線纜布線的系統(tǒng)，取得了顯著效果。國內(nèi)該領(lǐng)域研究起步較晚，但也取得了一定的成果。然而，國內(nèi)的研究主要圍繞產(chǎn)品的剛性件進(jìn)行增強(qiáng)裝配和維修，而對(duì)于基于AR的柔性線纜虛實(shí)融合裝配技術(shù)的研究則開展得非常少。鑒于上述原因，開展基于AR的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品線纜虛實(shí)融合裝配技術(shù)的研究，對(duì)于提高線纜的裝配精度和效率、縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期、提升產(chǎn)品的市場競爭力等都有重要的意義。本文在分析了AR技術(shù)應(yīng)用于線纜裝配的優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，提出了基于AR的線纜虛實(shí)融合裝配體系，并對(duì)其中涉及到的研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。

1 傳統(tǒng)的線纜裝配流程及其問題

線纜的裝配是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，在整個(gè)布線設(shè)計(jì)過程中涉及大量的元器件、插件、不同類型線纜(線纜尺寸、長度、直徑、扎折彎角度等)的設(shè)計(jì)和線纜在設(shè)備內(nèi)部的空間布局，需要保證結(jié)構(gòu)件裝配要求及線纜的空間位置合理，同時(shí)連通各種部件、接插件和元器件，滿足設(shè)備的電氣和電磁兼容等性能指標(biāo)要求。復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的線纜裝配需要遵循各種布線規(guī)范，滿足各環(huán)節(jié)的基本要求，如布局設(shè)計(jì)、敷設(shè)工藝、線纜功能、整機(jī)性能、維修以及檢測等，受到的物理約束主要是機(jī)械性能和電氣性能。傳統(tǒng)的布線設(shè)計(jì)與線纜裝配方法如圖1所示。

1.1 原理圖及線束分叉圖的生成

布線設(shè)計(jì)需要遵循相應(yīng)的電氣原理，而且產(chǎn)品整機(jī)是由各分機(jī)模塊組裝而成。利用AutoCAD軟件完成分機(jī)級(jí)原理圖、分機(jī)級(jí)線路圖、分機(jī)級(jí)線束分叉圖以及整機(jī)級(jí)線束分叉圖等的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中需要參考相應(yīng)的電氣設(shè)計(jì)規(guī)范、電氣設(shè)計(jì)原理，確定電器設(shè)備連接關(guān)系、各分系統(tǒng)互連關(guān)系、選擇正確的接插件屬性和線纜屬性，通過減小整個(gè)線纜電路中的分布電容、雜散電感和雜散電磁場來滿足電磁兼容性要求。

1.2 設(shè)備目錄及接線表的生成

現(xiàn)場的線纜裝配工人需依據(jù)接線表的連接關(guān)系完成布線操作。利用Excel軟件生成原理圖設(shè)備目錄、分機(jī)級(jí)接線表、分機(jī)級(jí)導(dǎo)線表以及整機(jī)級(jí)接線表，為線纜模裝實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。接線表包括：線纜號(hào)、線號(hào)、電路特性、線纜(導(dǎo)線)型號(hào)、線纜(導(dǎo)線)規(guī)格、接出端Ⅰ(項(xiàng)目代號(hào)、端子代號(hào)、長度等)和接入端Ⅱ(項(xiàng)目代號(hào)、端子代號(hào)、長度等)。

圖1 傳統(tǒng)的布線設(shè)計(jì)與線纜裝配流程

1.3 線纜模裝實(shí)驗(yàn)及更改

為完成線纜路徑規(guī)劃、卡箍設(shè)置等任務(wù)，先按照1︰1的比例制造出產(chǎn)品實(shí)物樣機(jī)，然后布線操作工人根據(jù)分機(jī)級(jí)和整機(jī)級(jí)接線表進(jìn)行線纜裝配。若裝配過程中發(fā)現(xiàn)問題，還需要返回到前期設(shè)計(jì)階段進(jìn)行相應(yīng)的更改。產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)參數(shù)等是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的因素，同時(shí)產(chǎn)品的技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、可靠性和可維修性等也必須滿足相應(yīng)的要求。進(jìn)行線纜模擬裝配時(shí)，需要參考設(shè)計(jì)布線序列準(zhǔn)則、線纜路徑規(guī)劃準(zhǔn)則、卡箍設(shè)置準(zhǔn)則以及線束防護(hù)準(zhǔn)則等。

上述傳統(tǒng)的布線設(shè)計(jì)與線纜裝配方法除了具有文獻(xiàn)[6]中的一些缺點(diǎn)外，電氣屬性不能在設(shè)備連接關(guān)系中得到反映也是其問題所在。因此，傳統(tǒng)的布線設(shè)計(jì)與線纜裝配方法嚴(yán)重制約著產(chǎn)品的研發(fā)速度和質(zhì)量。

以沉浸性(immersion)、交互性(interactivity)和構(gòu)想性(imagination)為基本特征的VR技術(shù)通過模擬人的感覺器官功能(如觸覺、視覺、聽覺等)來實(shí)現(xiàn)人與虛擬環(huán)境的實(shí)時(shí)交互[30]，而AR技術(shù)除了繼承VR技術(shù)的3I特性外，還具有虛實(shí)結(jié)合、三維注冊(cè)等新的特點(diǎn)。在進(jìn)行柔性線纜的布線設(shè)計(jì)和裝配仿真過程中，良好的人機(jī)交互環(huán)境是提高線纜敷設(shè)效率的一個(gè)前提條件。借助AR技術(shù)創(chuàng)建的三維沉浸式環(huán)境，布線設(shè)計(jì)人員在有限的裝配空間和布線規(guī)范約束下完成對(duì)線纜敷設(shè)路徑的規(guī)劃、線束分支布局、線纜捆扎和固定方式的確定等任務(wù)，并且在可視化的狀態(tài)下對(duì)不同的線纜敷設(shè)方案進(jìn)行評(píng)估，據(jù)此選擇最佳的線纜敷設(shè)方案。

由文獻(xiàn)[7]可知，傳統(tǒng)的線纜裝配操作主要是基于模裝實(shí)驗(yàn)方法，由于結(jié)構(gòu)緊湊、線纜數(shù)量多等特點(diǎn)，對(duì)于新的布線操作工人來說，布線難度比較大，往往布完后的效果達(dá)不到預(yù)期的要求。用實(shí)際現(xiàn)場的布線方法對(duì)新的布線操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，成本較高且耗時(shí)，培訓(xùn)效果也不是很理想。通過AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)新員工的布線培訓(xùn)操作，可彌補(bǔ)這方面的不足。因?yàn)樵谔摂M布線環(huán)境中，布線人員可以完全沉浸其中，通過交互的方式來完成布線操作，使得培訓(xùn)人員能夠更為直觀地了解線纜的敷設(shè)狀況對(duì)整機(jī)功能的影響，并達(dá)到快速培訓(xùn)的效果。同時(shí)，對(duì)于一些細(xì)微的布線區(qū)域，布線人員可以通過自身的構(gòu)想來布出在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中難以實(shí)現(xiàn)的一些效果，充分地表達(dá)出布線設(shè)計(jì)人員的真正設(shè)計(jì)意圖。

2 基于AR的線纜虛實(shí)融合裝配體系

基于AR的線纜虛實(shí)融合裝配體系框架如圖2所示。

2.1 線纜增強(qiáng)裝配輔助平臺(tái)

該平臺(tái)主要包括各種開展線纜虛實(shí)融合裝配所不可少的基礎(chǔ)軟件系統(tǒng)，如CAD軟件(如Pro/E、CATIA、UG等)，主要用于創(chuàng)建剛性結(jié)構(gòu)件、柔性線纜零件、管路零件等裝配對(duì)象；裝配工藝規(guī)劃軟件(如CHS等)，主要完成裝配序列規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃、確定工裝夾具使用方案等；用于進(jìn)行線纜平面分支圖的生成、材料清單的生成、裝配工藝的可行性驗(yàn)證等裝配過程仿真軟件(如IC.IDO等)；用于進(jìn)行線纜虛實(shí)融合裝配各種工藝數(shù)據(jù)管理的軟件(如PDMLink/Intralink等)。該平臺(tái)主要用來進(jìn)行前期的線纜布線設(shè)計(jì)、模擬安裝、可裝配性驗(yàn)證、操作工具的可達(dá)性檢查等。

圖2 基于AR的線纜虛實(shí)融合裝配體系框架

2.2 線纜增強(qiáng)裝配關(guān)鍵技術(shù)

線纜虛實(shí)融合裝配實(shí)現(xiàn)的前提條件之一是虛擬景物和真實(shí)景物要能夠精準(zhǔn)地融合，包括將虛擬零部件(虛擬線纜、虛擬結(jié)構(gòu)件等)融入到動(dòng)態(tài)或靜態(tài)的真實(shí)裝配場景中，以及將動(dòng)態(tài)或靜態(tài)的真實(shí)景物融入到虛擬裝配環(huán)境中。其關(guān)鍵技術(shù)的突破需要解決以下技術(shù)問題：①虛實(shí)融合裝配零件的三維注冊(cè)技術(shù)，主要是通過坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)虛擬線纜與真實(shí)裝配場景的正確融合；②攝像機(jī)標(biāo)定與跟蹤技術(shù)，攝像機(jī)的位置和朝向在線纜增強(qiáng)裝配過程中必須得到精確估算，虛擬的裝配對(duì)象和攝像機(jī)獲取的視頻圖像與跟蹤器的姿態(tài)信息實(shí)現(xiàn)精確配準(zhǔn)；③增強(qiáng)裝配對(duì)象虛實(shí)遮擋處理技術(shù)，主要解決待裝配虛實(shí)對(duì)象的正確遮擋關(guān)系問題；④虛實(shí)融合裝配實(shí)空間的建模技術(shù)，主要解決幾何一致性和光照一致性的問題，實(shí)現(xiàn)真實(shí)裝配對(duì)象與虛擬裝配對(duì)象的光照效果融合。

2.3 線纜增強(qiáng)裝配引導(dǎo)信息的疊加

裝配信息是線纜增強(qiáng)裝配過程中非常重要的環(huán)節(jié)。其主要可以分為線纜的幾何信息(如線纜的空間位置姿態(tài)、線纜分支特性、不同分支的空間路徑分布、線纜截面形狀和大小等)、線纜拓?fù)湫畔?如主干線纜與分支線纜的拓?fù)潢P(guān)系、單根導(dǎo)線與主干線纜的拓?fù)潢P(guān)系、單根導(dǎo)線與分支線纜之間的拓?fù)潢P(guān)系等)和線纜管理信息(如線纜名稱、線纜代號(hào)等)。通過建立一個(gè)面向線纜增強(qiáng)裝配引導(dǎo)的信息模型，在增強(qiáng)裝配場景中疊加文字注 釋等信息，引導(dǎo)布線工人將線纜零件裝配到目標(biāo)位置。

2.4 線纜虛實(shí)融合裝配操作

線纜虛實(shí)融合裝配操作主要是在虛實(shí)融合裝配場景中，布線工人借助相應(yīng)的裝配工具在裝配引導(dǎo)信息的輔助下將線纜正確地裝配到目標(biāo)位置上。疊加的裝配引導(dǎo)信息包含了布線的路徑、文字注釋等信息。

圖3~4展示了AR技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用情況。其中，圖3為Metaio公司提供的汽車線纜AR解決方案，當(dāng)汽車線纜(線束)發(fā)生故障時(shí)，工人只需用iPad對(duì)著故障區(qū)域，在iPad上就會(huì)直接給工人演示該如何操作[31]。圖4則通過AR技術(shù)將產(chǎn)品裝配的引導(dǎo)信息疊加在工人的裝配環(huán)境中，裝配工人根據(jù)疊加在眼前的裝配引導(dǎo)信息完成裝配任務(wù)[21]。

圖3 汽車線束故障診斷案例

圖4 虛實(shí)融合裝配案例

3 線纜虛實(shí)融合裝配的關(guān)鍵技術(shù)

VR技術(shù)給予用戶一種在虛擬世界中沉浸、封閉的效果，用戶(布線設(shè)計(jì)人員)所操作的對(duì)象完全是虛擬的，布線設(shè)計(jì)人員仍舊需要根據(jù)線纜虛擬敷設(shè)的過程和結(jié)果在現(xiàn)場對(duì)真實(shí)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行線纜裝配，所裝配出來的結(jié)果與虛擬環(huán)境下的線纜裝配效果并不是完全一致的。AR技術(shù)則將虛擬對(duì)象帶入到用戶的物理世界中，其依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建出文字、線纜拓?fù)鋱D片、裝配視頻、裝配過程解說音頻、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)站鏈接、三維模型、三維動(dòng)畫、全景信息等和物理世界的結(jié)合，讓物理世界和虛擬對(duì)象合為一體。線纜敷設(shè)人員可以使用手部動(dòng)作與手勢控制所讀出的三維模型移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，以及通過語音、眼動(dòng)、體感等多種方式與虛擬對(duì)象交互，所裝配完的線纜即為實(shí)際產(chǎn)品線纜敷設(shè)結(jié)果。

AR技術(shù)的基礎(chǔ)包括：①虛實(shí)融合技術(shù)，對(duì)虛實(shí)環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確地配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)遮擋、陰影和光照一致性，同時(shí)支持自然的交互；②跟蹤定位技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測觀察者的位置、視域方向、運(yùn)動(dòng)的情況，幫助系統(tǒng)決定顯示何種虛擬對(duì)象；③系統(tǒng)顯示技術(shù)，AR系統(tǒng)設(shè)計(jì)最基本的問題就是實(shí)現(xiàn)虛擬信息和物理世界的融合；④用戶交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶與物理環(huán)境中的虛擬對(duì)象之間更自然的交互。

為了詳細(xì)闡述AR技術(shù)用于線纜虛實(shí)融合裝配仿真需要解決以下4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

(1) 虛實(shí)融合裝配零件的三維注冊(cè)。虛擬裝配對(duì)象在真實(shí)環(huán)境中的相應(yīng)位置上要實(shí)現(xiàn)精確地配準(zhǔn)，必須在線纜虛實(shí)融合裝配系統(tǒng)中建立虛擬空間與真實(shí)空間坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。虛實(shí)融合裝配零件的三維注冊(cè)能夠計(jì)算虛擬線纜在真實(shí)裝配環(huán)境的映射位置，為虛擬裝配環(huán)境與真實(shí)裝配環(huán)境之間的空間關(guān)聯(lián)關(guān)系及虛實(shí)融合效果奠定了基礎(chǔ)。注冊(cè)誤差達(dá)到一定數(shù)值會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果，線纜的最終裝配效果也會(huì)受到布線人員的觀測視差影響。因此，虛實(shí)景物的準(zhǔn)確三維注冊(cè) 是實(shí)現(xiàn)線纜虛實(shí)融合裝配要解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。

(2) 線纜虛實(shí)遮擋一致性的處理。遮擋一致性是AR系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)線纜虛實(shí)融合的一個(gè)重要方面，布線人員對(duì)線纜增強(qiáng)裝配環(huán)境的信服程度以及在合成場景中是否獲得合乎自然的空間感知直接取決于線纜遮擋關(guān)系的正確與否。在不考慮虛實(shí)遮擋關(guān)系的線纜增強(qiáng)裝配環(huán)境中，只是簡單地將虛擬線纜零件疊加在真實(shí)裝配場景圖像上，將會(huì)造成虛擬線纜零件始終遮擋真實(shí)裝配場景中的情況，使布線人員易產(chǎn)生錯(cuò)覺。因此，線纜虛實(shí)裝配對(duì)象遮擋關(guān)系的正確處理具有重要意義。

(3) 線纜虛實(shí)融合光照的一致性處理。零件的三維注冊(cè)主要解決真實(shí)裝配對(duì)象與虛擬裝配對(duì)象的空間位置關(guān)系問題，而兩者之間的光照效果融合則需要靠線纜虛實(shí)融合光照的一致性處理來實(shí)現(xiàn)。為使布線工人在感官上確信虛擬線纜對(duì)象是周圍環(huán)境的組成部分，則需要解決幾何一致性和光照一致性的問題。陰影和光照一致性要能夠?qū)崟r(shí)的適應(yīng)真實(shí)裝配環(huán)境的光照變化，同時(shí)考慮真實(shí)零件和虛擬線纜零件之間的陰影，使得虛擬線纜零件產(chǎn)生如同真實(shí)線纜零件一樣的光照和陰影效果。

(4) 相機(jī)標(biāo)定與跟蹤技術(shù)。實(shí)現(xiàn)柔性線纜目標(biāo)的準(zhǔn)確跟蹤需要對(duì)攝像機(jī)的位置及朝向進(jìn)行 精確估算。相機(jī)跟蹤注冊(cè)可建立二維圖像(相機(jī) 連續(xù)觀測獲得)與虛擬三維場景之間空間投影 關(guān)系，完成虛擬眼睛的位置和姿態(tài)的實(shí)時(shí)參數(shù) 估計(jì)。線纜的主要特點(diǎn)之一是柔性大變形，在拖拽的情況下，線纜主體及其分支線束會(huì)在空中呈現(xiàn)出各種形狀，對(duì)于這種可變形物體的位姿跟蹤技術(shù)難度更大。研究具有實(shí)時(shí)性的攝像機(jī)標(biāo)定和跟蹤技術(shù)，在真實(shí)的裝配場景中嵌入虛擬線纜等零件，是實(shí)現(xiàn)線纜虛實(shí)融合裝配的又一重要關(guān)鍵技術(shù)。

虛擬物體和物理實(shí)體精確配準(zhǔn)是評(píng)價(jià)AR系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，配準(zhǔn)的精確度反映了虛擬模型疊加到現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)程度[29]。從上述對(duì)線纜虛實(shí)融合裝配關(guān)鍵技術(shù)的闡述可知，解決虛擬物體模型和真實(shí)裝配對(duì)象或?qū)崟r(shí)場景的圖像配準(zhǔn)問題是眾多關(guān)鍵技術(shù)中的核心問題。由圖2可知，虛擬模型的空間變換(坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換)是實(shí)現(xiàn)圖像配準(zhǔn)首先需要解決的問題，包括模型視角變換、投影變換以及視口變換(圖中的相關(guān)坐標(biāo)系為攝像機(jī)坐標(biāo)系、成像平面坐標(biāo)系、虛擬線纜坐標(biāo)系)。其次是虛實(shí)圖像配準(zhǔn)穩(wěn)定性的增強(qiáng)。在對(duì)非確定的裝配環(huán)境采用計(jì)算視覺進(jìn)行檢測和識(shí)別時(shí)，檢測設(shè)備和環(huán)境的微小變化等因素的存在會(huì)使得最終的檢測結(jié)果呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的變化，直接影響到系統(tǒng)的配準(zhǔn)精度[29]。在解決虛擬模型空間變換和虛實(shí)圖像配準(zhǔn)穩(wěn)定性增強(qiáng)問題后，需要將虛實(shí)融合后的效果輸出到顯示設(shè)備，虛擬模型的渲染是該階段需要解決的一個(gè)主要問題。

4 線纜虛實(shí)融合裝配研究內(nèi)容及系統(tǒng)運(yùn)行流程

4.1 線纜虛實(shí)融合裝配研究內(nèi)容

基于AR的線纜虛實(shí)融合裝配借助VR技術(shù)來構(gòu)建線纜虛擬裝配場景和人機(jī)交互界面，同時(shí)為了顯示靜態(tài)的布線圖片或?qū)崟r(shí)的線纜敷設(shè)視頻，在所生成的虛擬裝配場景中再增開一個(gè)真實(shí)裝配場景窗口。通過引入AR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)將虛擬場景中的虛擬零件模型(待裝配的柔性線纜、剛性結(jié)構(gòu)件、管件等)、幾何特征模型、線纜裝配路徑、線纜裝配文字指導(dǎo)信息等實(shí)時(shí)地疊加到真實(shí)裝配場景中并同步顯示，在視覺體驗(yàn)與裝配導(dǎo)航方面為布線工人提供虛擬和真實(shí)的雙重感知。線纜虛實(shí)融合裝配研究的內(nèi)容主要包括以下3大部分：

(1) 線纜虛實(shí)融合裝配場景構(gòu)建。線纜虛實(shí)融合裝配場景是由布線工人看到的真實(shí)裝配場景和疊加于真實(shí)裝配場景上的計(jì)算機(jī)生成的虛擬對(duì)象(虛擬零件模型、布線路徑、指導(dǎo)性文字注釋信息等)組成，虛擬的裝配對(duì)象會(huì)對(duì)真實(shí)的裝配場景起到增強(qiáng)效果，布線人員對(duì)于真實(shí)裝配場景的感知和認(rèn)識(shí)將會(huì)得到提高。在線纜虛實(shí)融合裝配場景中，大量的真實(shí)環(huán)境信息蘊(yùn)涵其中，處在虛實(shí)融合裝配場景中的布線人員在各自的感知和交互區(qū)域中往往會(huì)呈現(xiàn)出不同的視點(diǎn)和交互形式，從而使得線纜虛實(shí)融合裝配場景需要描繪不斷變化的多方位真實(shí)環(huán)境。主要包括：獲取真實(shí)裝配環(huán)境的多方位信息，在此基礎(chǔ)上對(duì)所獲取的信息進(jìn)行表示，利用多個(gè)視頻序列描繪線纜虛實(shí)融合裝配場景的真實(shí)環(huán)境，最終構(gòu)建面向布線人員操作的虛實(shí)融合裝配場景。

(2) 線纜虛實(shí)融合裝配場景實(shí)時(shí)融合繪制。在虛實(shí)融合裝配場景中，深度信息的差異是線纜零件等裝配對(duì)象所固有的，布線工人視點(diǎn)的位置變化會(huì)造成裝配對(duì)象之間出現(xiàn)不同的遮擋關(guān)系。在線纜虛實(shí)融合裝配系統(tǒng)中，所繪制的每一個(gè)虛擬線纜零件在場景中的位置均需要被準(zhǔn)確地計(jì)算，同時(shí)與其他的零部件裝配對(duì)象進(jìn)行交互，確保正確地遮擋關(guān)系和交互關(guān)系。正確地遮擋關(guān)系能夠產(chǎn)生令布線工人信服的線纜增強(qiáng)裝配環(huán)境，并能夠使其在合成場景中獲得合乎自然的空間感知。主要包括：線纜增強(qiáng)裝配場景的虛實(shí)融合注冊(cè)技術(shù)，獲取場景中虛擬零件物體與周邊不同物體的深度信息并對(duì)場景深度作出實(shí)時(shí)估計(jì)，實(shí)現(xiàn)有效地遮擋處理和渲染繪制。

(3) 線纜增強(qiáng)裝配引導(dǎo)信息模型建立與疊加。裝配操作的順利進(jìn)行離不開信息，裝配信息在線纜增強(qiáng)裝配過程中具有非常重要的作用。布線工人與系統(tǒng)在進(jìn)行人機(jī)交互時(shí)，要想對(duì)整個(gè)裝配任務(wù)實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確地理解，需要在虛實(shí)融合裝配場景中疊加所需的裝配信息，以引導(dǎo)布線工人進(jìn)行線纜裝配。主要包括：建立一個(gè)面向線纜增強(qiáng)裝配引導(dǎo)的信息模型，在虛擬線纜零件注冊(cè)信息的基礎(chǔ)上，疊加虛擬線纜零件的幾何模型；通過建立布線文字模型、三維信息框和文字貼圖的形式實(shí)現(xiàn)文字信息的疊加；疊加裝配特征信息，以幫助布線工人識(shí)別場景中的裝配約束，引導(dǎo)其將線纜零件裝配到目標(biāo)位置。

4.2 線纜虛實(shí)融合裝配系統(tǒng)運(yùn)行流程

線纜虛實(shí)融合裝配的實(shí)現(xiàn)主要借助AR技術(shù)構(gòu)建虛擬裝配場景和人機(jī)交互界面，同時(shí)在該場景中增開一個(gè)用于顯示靜態(tài)線纜敷設(shè)效果圖片或?qū)崟r(shí)線纜裝配視頻(含解說聲音)的真實(shí)裝配場景窗口。通過引入AR技術(shù)，將虛擬場景中的虛擬零件模型(柔性線纜、管件、剛性結(jié)構(gòu)件、工具等)、相關(guān)幾何特征模型、線纜布線空間路徑、裝配指導(dǎo)文字信息等實(shí)時(shí)地疊加到真實(shí)裝配場景中并同步顯示，在視覺體驗(yàn)與裝配導(dǎo)航方面為布線工人提供虛擬和真實(shí)的雙重感知。基于AR的線纜虛實(shí)融合裝配系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖5所示，主要包括裝配環(huán)境場景信息采集模塊、虛擬場景生成模塊、相機(jī)跟蹤注冊(cè)模塊、線纜虛實(shí)融合模塊、人機(jī)交互與顯示模塊等。

裝配環(huán)境場景采集模塊主要利用真實(shí)攝像機(jī)對(duì)真實(shí)線纜裝配環(huán)境進(jìn)行信息的采集，如采集外部裝配環(huán)境的圖像及視頻信息等，并利用圖像/視頻處理器對(duì)所采集的信息進(jìn)行后處理，并將結(jié)果供虛實(shí)融合模塊調(diào)用。虛擬場景生成模塊主要完成虛擬線纜模型及其坐標(biāo)系的信息采集，獲取虛擬線纜的空間姿態(tài)和空間位置，實(shí)現(xiàn)虛擬線纜的空間位姿定位。相機(jī)跟蹤注冊(cè)模塊主要完成對(duì)布線人員頭部方位和視線方向的跟蹤，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛實(shí)相機(jī)坐標(biāo)的對(duì)齊和虛實(shí)對(duì)象的配準(zhǔn)。虛實(shí)融合模塊基于上述裝配環(huán)境場景采集模塊、虛擬場景生成模塊以及相機(jī)跟蹤注冊(cè)模塊所生成的結(jié)果完成虛實(shí)場景的配準(zhǔn)，建立面向線纜虛實(shí)融合的增強(qiáng)裝配系統(tǒng)。人機(jī)交互與顯示模塊主要面向現(xiàn)場的布線人員，通過交互設(shè)備實(shí)現(xiàn)人與裝配場景的互動(dòng)，最終完成線纜的裝配操作。

需要指出的是，線纜虛實(shí)融合裝配系統(tǒng)通過在虛擬空間坐標(biāo)系與真實(shí)空間坐標(biāo)系之間建立正確的轉(zhuǎn)換關(guān)系，使得虛擬線纜能夠合并到真實(shí)裝配場景的正確位置上。由于在裝配過程中，布線工人的位置會(huì)不斷變化，系統(tǒng)要實(shí)時(shí)地根據(jù)布線工人的視場重建坐標(biāo)系的關(guān)系，相機(jī)跟蹤注冊(cè)模塊通過跟蹤布線人員頭部方位和視線方向來完成上述任務(wù)。線纜的三維敷設(shè)路徑和裝配過程的文字信息提示是疊加在布線人員視野中的主要內(nèi)容，布線人員根據(jù)所提供的上述信息完成線纜的裝配工作。

圖5 線纜虛實(shí)融合裝配系統(tǒng)運(yùn)行流程

5 結(jié)束語

復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的線纜裝配需要考慮多項(xiàng)因素，如有限的裝配空間、柔性線纜的固定和捆扎、不同類型的電氣元器件的分布情況等，整個(gè)裝配過程耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力。當(dāng)前線纜的裝配主要借助布線工藝人員制定的表格化指導(dǎo)文件來完成布線任務(wù)，其容易導(dǎo)致線纜裝配隨意性較大，前后一致性和產(chǎn)品的可維護(hù)性差，在裝配質(zhì)量和可靠性方面都未能得到保證。本文在對(duì)傳統(tǒng)的布線設(shè)計(jì)與線纜裝配方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了基于AR的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品線纜虛實(shí)融合裝配方法，給出了線纜虛實(shí)融合裝配的體系框架和系統(tǒng)的運(yùn)行流程，并對(duì)該方法涉及到的研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。本文方法為線纜裝配的研究提供了一種新的思路，下一步將在已有線纜敷設(shè)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)本文所列出的研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)展開深入研究。

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Assembly System Construction and Its Key Techniques of Cable Harness under Virtual and Real Scene Fusion for Complex Mechatronic Products

WANG Falin, GUO Yu, ZHA Shanshan

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210016, China)

In view of the problems of low efficiency, low accuracy, and assembling quality and reliability are difficult to guarantee which caused by the traditional cable simulation assembly experimental method based on physical prototype, this paper proposes an assembly method of cable harness under virtual and real scene fusion for complex mechatronic products. Firstly, we analyze the advantages of the augmented reality technology applied in the cable harness assembly, and construct the assembly system of cable harness under virtual and real scene fusion based on augmented reality. Secondly, we introduce the key technologies involved to the above assembly system, and elaborate the technologies of cable harness 3D registration, cable harness occlusion, cable harness illumination, and camera calibration and tracking. Finally, we introduce the research contents and give the assembly system running process of cable harness under virtual and real scene fusion based on augmented reality.

cable harness virtual assembly; augmented reality; architecture; complex mechatronic products

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018010075

A

2095-302X(2018)01-0075-10

2017-05-12；

2017-07-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51575274)；國防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(A2620132010)

王發(fā)麟(1986–)，男，江西吉安人，博士研究生。主要研究方向?yàn)閿?shù)字化制造技術(shù)、線纜虛擬裝配。E-mail：wj54nh@sina.com