虚拟环境中装配工具库建立的方法技术

一种虚拟环境中装配工具库建立的方法，本发明专利技术分虚拟环境中工具的统一表达、工具的定位时工具与操作对象的约束动态建立、工具对操作对象的精确定位三个步骤来完成，使其到达最终的装配位置，将工具和操作对象看作一个刚体，那么操作对象定位的基本步骤和过程与工具的定位基本一致。本发明专利技术根据工具的驱动方式以及与操作对象作用方式对工具进行分类，在虚拟环境中建立工具库，操作者根据需要选择工具，利用虚拟手在虚拟环境中操作工具，动态建立工具与操作对象的几何约束关系，当工具和操作对象的约束关系建立完成，就可以利用工具对操作对象进行交互式的装配。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种制造业仿真
的方法，具体地说，是一种。
技术介绍
产品的装配是产品的设计实现过程关键的一步。另外，装配规划提供主要的反馈，有助于设计者从制造的角度改进设计。基于虚拟现实技术的产品装配能够减少劳动力，提高产品装配规划的质量和完整性。而装配工具是验证产品可装配性的一个重要因素，在虚拟环境中使用工具对产品进行装配，一方面增加了产品装配过程的真实性，提高了产品可装配验证的效率；另一方面为产品装配的工艺规划和装配线的设计以及装配工人的人机工程学评价提供了依据。经对现有技术文献的检索发现，装配工具模板库(Phong Tran，Simmy Grewal；A data model for an assembly planning software system；Computer IntegratedManufacturing Systems Vol.10，No.4.p.267-275，1997)被建立了，由用户根据装配任务选择和定义对应的工具。通过定义工具的参数可以在装配规划过程中充分考虑到工具对装配工艺的影响。Wilson(Randall H.Wilson；A Framework forGeometric Reasoning About Tools in Assembly；Proceedings of the IEEEInternational Conference on Robotics and Automation Minneapolis，Minnesota-April 1996，1836-1844；Randall H.Wilson；Geometric Reasoning About Toolsin Assembly；Artificial Intelligence 98(1998)237-279)主要研究装配工具的表达和推理，对各种装配工具给出了表达和几何可达性问题的总体框架。(Wang.C.L，Cannon.D.J；Virtual-reality-based point-and direct robotic inspectionin manufacturing；IEEE Transactions on Robotics and Automation.Vol.12，(1996)No，4，pp.516-531)开发了一个柔性制造范例，为了尽可能快的执行任务，交互的指定机器人使用虚拟工具将零件拾取并放置在工作台上。文献开发了一个具有智能属性的虚拟工具进行虚拟环境下神经血管手术，虚拟工具的位姿通过位置跟踪器获得。(Luis Serra，Wieslaw L.Nowinski，Timothy Poston，Ng Hern etc.；The Brain BenchVirtual tools for stereotactic frame neurosurgery；MedicalImage Analysis(1996/7)Vol.1，number 4，pp 317-329)利用虚拟工具进行脑外科手术，使得操作者很容易学习，而且快速的使用二维鼠标操作三维虚拟工具，可视化虚拟工具的操作轨迹，进行手术的规划。虚拟环境中零件模型的表达以及几何对象的组织方式我们已经在(武殿梁、杨润党等；虚拟装配环境中的装配模型表达技术研究；计算机集成制造系统；2004(10)11p1364-1369)中进行专门的研究。目前，对虚拟环境下装配工具的表达和使用技术的研究较少，已经给出的研究存在一些问题主要集中在医学方面的应用或者就是针对某种特定工具，没有研究虚拟环境中装配工具的统一表达和装配工具库以及装配工具的使用方法和过程。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种。使其根据工具的驱动方式以及与操作对象作用方式对工具进行分类，在虚拟环境中建立工具库，操作者根据需要选择工具，利用虚拟手在虚拟环境中操作工具，动态建立工具与操作对象的几何约束关系，当工具和操作对象的约束关系建立完成，就可以利用工具对操作对象进行交互式的装配。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术分虚拟环境中工具的统一表达、工具的定位时工具与操作对象的约束动态建立、工具对操作对象的精确定位三个步骤来完成①虚拟环境中工具的统一表达，为了满足虚拟现实中产品装配的要求，工具的几何和拓扑表达统一采用B-rep方法，为了实现虚拟环境中对零部件的操作，工具类需要具有查询、物理、操作、几何拓扑和操作对象5种属性，能够实现虚拟环境中利用工具对操作对象的交互装配，使其到达最终的装配位置；所述的工具，包括螺丝刀、套筒和螺栓扳手手工工具以及零件操作设备。所述的工具，根据其几何特征、与操作对象的连接关系以及虚拟环境下虚拟工具的使用特点来表达和推理装配中所使用的各种工具。所述的操作，其属性是工具被虚拟手操作过程中的一些变量值，显示属性标识工具碰撞时候的显示状态，抓取标志是标识工具是否被虚拟手抓取，约束链表是记录工具与操作对象之间的几何约束信息，它的主要功能是记录和设置工具与操作对象之间的位姿固定关系。所述的操作对象，其属性是记录工具操作对象的信息，对象的类型和ID是指工具选择操作对象的零件或者装配体类型，以及它在零件库或者工具库中的编号；与工具的固定关系标志指工具和操作对象之间是否固定，如果它们之间的所有约束都满足在关系是固定的，否则他们之间是可以相对运动的，此时工具不能和操作对象一起移动；当工具和操作对象之间的关系固定时，操作对象与工具的固定变换就记录了它们之间的相对位姿关系矩阵；待捕捉约束链表是操作对象与其它零部件之间需要满足的几何约束。②工具的定位时工具与操作对象的约束动态建立，在虚拟手驱动工具运动的每一帧，根据工具约束的链表、符合约束类型的几何元素信息和操作对象信息进行动态的约束几何元素关系判别，通过工具与零件之间的约束类型和约束两个几何元素的类型，实时的计算约束两个几何元素之间的位姿关系，当它们的位姿达到设置的约束捕捉误差时，自动将两个约束几何元素高亮显示；操作者工具约束识别的结果发出信号确定此约束成立，此时系统将自动调整工具的位姿使其满足约束关系，在存在作用的约束后就要对工具的运动进行引导；这样的过程反复直到工具和操作对象之间建立了固定关系；所述的工具的定位，其过程包括虚拟手对工具的抓取和工具操作对象的选择、工具与操作对象约束的动态建立。虚拟环境中由操作者根据与工具发生碰撞的结果选取操作对象，确定对应的BREP零件、确定装配层次和最高子装配、确定并设置工具操作对象的类型和ID，进一步生成并设置工具操作对象的各动态链表，记录本帧位置跟踪器的位姿矩阵和操作对象的变换矩阵。⑧工具对操作对象的精确定位，当工具和装配的零部件的位姿关系固定后，就可以利用工具对零部件进行操作，使其到达最终的装配位置，将工具和操作对象看作一个刚体，那么操作对象定位的基本步骤和过程与工具的定位基本一致。附图说明图1虚拟环境中装配工具的模型表达示意2工具的抓取过程示意图其中2-a为虚拟手与工具发生碰撞的情况，2-b为系统自动将虚拟手的位置调整至抓取点位置图3工具与操作对象约束的动态建立过程示意框4工具和操作对象的约束识别示意图其中4-a是轴对齐约束的识别，4-b是螺栓和工具的定位结果图5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种虚拟环境中装配工具库建立的方法，其特征在于，分虚拟环境中工具的统一表达、工具的定位时工具与操作对象的约束动态建立、工具对操作对象的精确定位三个步骤来完成：①虚拟环境中工具的统一表达，为了满足虚拟现实中产品装配的要求，工具的几何和 拓扑表达统一采用Ｂ－ｒｅｐ方法，为了实现虚拟环境中对零部件的操作，工具类需要具有查询、物理、操作、几何拓扑和操作对象５种属性，能够实现虚拟环境中利用工具对操作对象的交互装配，使其到达最终的装配位置；②工具的定位时工具与操作对象的约束 动态建立，在虚拟手驱动工具运动的每一帧，根据工具约束的链表、符合约束类型的几何元素信息和操作对象信息进行动态的约束几何元素关系判别，通过工具与零件之间的约束类型和约束两个几何元素的类型，实时的计算约束两个几何元素之间的位姿关系，当它们的位姿达到设置的约束捕捉误差时，自动将两个约束几何元素高亮显示；操作者工具约束识别的结果发出信号确定此约束成立，此时系统将自动调整工具的位姿使其满足约束关系，在存在作用的约束后就要对工具的运动进行引导；这样的过程反复直到工具和操作对象之间建立了固定关系；③工具对操作对象的精确定位，当工具和装配的零部件的位姿关系固定后，就可以利用工具对零部件进行操作，使其到达最终的装配位置，将工具和操作对象看作一个刚体，那么操作对象定位的基本步骤和过程与工具的定位基本一致。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨润党，范秀敏，武殿梁，严隽琪，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]