創新機構拼裝與運動學仿真虛擬實驗平臺研究

田 力， 范秀敏,2， 劉振峰， 鄧逸辰

(1. 上海交通大學 機械與動力工程學院, 上海 200240；2. 上海市網絡化制造與企業信息化重點實驗室， 上海 200030)

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創新機構拼裝與運動學仿真虛擬實驗平臺研究

田 力1， 范秀敏1,2， 劉振峰1， 鄧逸辰1

(1. 上海交通大學 機械與動力工程學院, 上海 200240；2. 上海市網絡化制造與企業信息化重點實驗室， 上海 200030)

通過分析真實實驗流程，基于OSG(OpenSceneGraph)圖形渲染引擎及Bullet物理引擎，提出根據機構設計方案，在虛擬環境中進行機構拼裝，并對完成拼裝的機構進行運動學仿真的實現方法，包括虛擬構件的信息建模與管理、裝配約束特征識別、約束解算及機構運動學自動建模與運動解算等。基于這些方法，開發了機構拼裝與運動仿真虛擬實驗平臺，以曲柄搖桿與搖桿滑塊機構拼裝實驗對實現方法進行了驗證。

虛擬實驗； 虛擬裝配； 機構運動仿真； Bullet

機械基礎實驗教學是機械教學中不可或缺的重要環節。通過實驗，學生不僅能加深對課程理論知識的理解和掌握，而且能將理論知識與實際應用結合起來，在鍛煉學生動手能力的同時，也能鍛煉學生分析問題、解決問題的能力。傳統的機械基礎實驗面臨資金投入大、實驗過程損耗大、實驗室管理難度大及設備維護費用高等突出問題[1]。

筆者在課題組以往虛擬裝配領域研究[2]的基礎上，對機構拼裝與運動仿真虛擬實驗平臺(mechanical assembly virtual experiment platform, MAVEP)進行了創新研究和成功應用。

1 機構拼裝及運動仿真虛擬實驗平臺結構

機構拼裝及運動仿真虛擬實驗是機械類虛擬實驗的一種。許多學者對這類實驗進行了研究，提出的實現方案主要分為3類。

第一類是將操作過程錄制為視頻進行演示教學。文獻[3]通過動畫演示典型機構的運行效果；文獻[4]基于Solidworks的網絡瀏覽器eDrawings建設了機械基礎網絡交互式虛擬實驗系統，進行機械設計教學輔助演示；文獻[5]基于Cult 3D技術實現了機構的裝配復現，并以動畫方式實現對機構運動的動態顯示。

第二類是對商業軟件進行二次開發，借助商業軟件內核實現裝配及仿真。文獻[6]提出利用Solidworks建立典型機構的三維模型庫，將裝配模型導入ADAMS中進行運動仿真；文獻[7]建立了一種三自由度平面并聯機構虛擬樣機實驗平臺，利用ADAMS完成對平面3RRR并聯機構的仿真分析；文獻[8]設計了一套基于Solidworks的虛擬裝配實驗系統，采用Cosmosmontion插件進行機構運動仿真分析。

第三類是自主開發機構裝配和運動仿真軟件。文獻[9]采用Modelica語言實現了對典型機構的邏輯運算，驅動機構運動仿真；文獻[10]采用Matlab的SimMechanics仿真模塊實現對簡單機構的運動學解算。但是，目前除了使用商業軟件外，能支持在三維虛擬環境中自行設計的機構進行拼裝，并且拼裝后可進行機構運動仿真的平臺并不多。商業軟件使用時需要較高理論知識，學生需先學會軟件的復雜操作流程，這給本科生的教學帶來不便。

筆者創新開發的機構拼裝與運動仿真虛擬實驗平臺以OSG(OpenSceneGraph)作為渲染引擎進行三維可視化顯示，以Bullet物理引擎支持運動學仿真。平臺建有典型虛擬構件庫，能選擇構件進行自由拼裝；在裝配過程中能實現約束的動態識別，自動完成幾何模型至剛體模型、幾何約束至運動副映射，完成裝配后可進行機構的運動學仿真。該平臺主要包括兩大功能模塊——CAD環境建模模塊與虛擬實驗環境模塊(見圖1)，每個模塊中又分別包含若干子功能模塊。

圖1 機構拼裝與運動仿真虛擬實驗平臺框架圖

(1) CAD環境建模模塊。該模塊主要用于創建虛擬構件三維模型，同時利用CAD二次開發功能編寫接口程序，提取構件模型信息并創建構件信息文件。接口程序的主要功能包括：交互式幾何特征選取、構件模型基本信息提取(包括位置、姿態、點線面信息等)、約束特征信息生成、信息文件輸出。本文以Pro/E建模軟件實現。

(2) 虛擬場景控制模塊。該模塊作為平臺的最主要模塊，對虛擬場景進行組織管理，其主要功能包括：虛擬構件管理、模型操縱控制、虛擬場景更新、視角控制、3D立體顯示支持、分析結果圖表顯示支持。

(3) 裝配操作仿真模塊。該模塊主要用于進行機構裝配仿真操作和建立幾何約束，其主要功能包括：裝配約束自動識別和裝配約束確認解算。

(4) Bullet機構運動學仿真模塊。該模塊支持機構的運動學仿真，其主要功能包括：幾何模型至剛體模型映射、運動副自動建模、機構運動學解算。

2 關鍵技術及解決方案

創新機構拼裝與運動仿真虛擬實驗平臺的關鍵技術主要有基于約束特征的構件信息建模與管理、裝配約束特征識別與約束解算、機構運動學自動建模與運動解算。

2.1 基于約束特征的構件信息建模與管理

為實現機構的自由拼裝，需要對典型構件進行抽象與統一數字化建模。為提高交互的實時性，在裝配系統中采用了多邊形面片模型對零部件進行描述。本文利用Pro/E的二次開發功能，將幾何實體模型轉換為三角面片模型進行零部件的幾何外形描述。但使用三角面片模型進行簡化也存在一些問題，如缺失一定的幾何精度、拓撲信息和工程設計信息。因此，需要采用構件信息文件與三角面片模型共同描述虛擬構件。

利用構件信息文件來補充描述完整的構件信息，包括構件ID、構件基本信息、版本信息、屬性信息、幾何拓撲信息、約束項信息。

(1) 構件ID：它是虛擬構件的唯一標志，用于區分與查找各個虛擬構件。

(2) 構件基本信息：包括構件名稱，構件類型，構件功能描述，三維模型路徑等，用于對虛擬構件進行描述以及與三維模型進行關聯。

(3) 版本信息：包括版本號，創建者，創建日期，修改日期，用于對虛擬構件進行版本管理。

(4) 屬性信息：它是描述構件的物理信息，賦予虛擬構件物理特性。

(5) 幾何拓撲信息：用于構建約束項信息并參與約束識別。

(6) 約束項信息：通常有單向和雙向2種約束方式，單向約束即約束信息完全存儲于待裝零部件，而雙向約束將約束信息分解為兩部分，分別存儲于已裝配零部件與待裝零部件。本文采用雙向約束，將每一個約束分解為2個約束項，約束項由約束類型、約束參數、約束范圍及構成約束項的幾何元素ID構成。幾何元素ID與幾何拓撲信息中的幾何元素一一對應。每一個零部件存儲若干約束項，若兩個零部件之間的約束項滿足一定關系，即可進行識別并建立一個完整的約束。圖2及表1分析了連桿構件所具有約束項及組成約束項的幾何元素。

圖2 連桿構件幾何元素

約束項類型約束項元素1約束項元素2約束項元素3軸孔約束軸A面A?軸孔約束軸A面B?軸孔約束軸B面A?軸孔約束軸B面B?移動約束面A面C面D移動約束面B面C面D

由于虛擬實驗平臺中虛擬構件數量較多，有必要對構件的幾何模型文件及構件的信息文件進行管理。本文以XML實現虛擬構件庫對虛擬構件進行組織管理，以DOM技術對XML文檔進行解析。DOM技術是基于樹型的解析技術[11]，XML文檔被加載后，在內存形成DOM樹，通過遍歷DOM樹，可方便獲取指定構件節點的信息。虛擬構件庫的XML形式描述如下：

…

虛擬構件庫的XML描述中包括構件幾何模型文件目錄，所有的構件模型及構件信息文件均存放在該目錄之下進行統一管理。對每個虛擬構件的描述包含序號、文件名稱、顯示名稱及參數等4項信息。

2.2 裝配約束特征識別與約束解算

虛擬裝配過程即建立各零部件之間約束關系的過程，約束關系的建立分為兩部分：約束特征的自動識別與約束解算。用戶操作待拼裝零部件，平臺根據用戶的操作意圖，對待拼裝零部件與已拼裝零部件之間可能存在的匹配約束項進行識別，由用戶進行確認。裝配約束識別與約束解算的具體過程如圖3所示。

圖3 裝配約束識別與約束解算過程

在進行約束識別時，需要判斷是否存在已裝配構件與待裝構件接近。已裝配構件中通常包含若干已裝配構件，利用AABB包圍盒或包圍球相交測試來判斷接近性通常不能滿足精度要求。本文利用已裝配構件與待裝構件的OBB包圍盒相交測試來判斷兩個構件之間的接近性。但對于桿件，若直接進行OBB包圍盒相交測試，則兩桿件發生穿透時才相交，真實性差。因此，要對已裝配構件的包圍盒設定一個放大系數，將放大包圍盒與待裝構件包圍盒進行相交測試。OBB包圍盒的相交測試采用分離軸算法[12]，調整已裝配構件的放大系數，可以設定識別精度。包圍盒與待裝構件包圍盒相交的已裝配構件將被設定為識別構件，進行約束項的識別解算。圖4為虛擬構件接近識別。

圖4 虛擬構件接近識別

在識別出接近虛擬構件后，需要識別出匹配的約束對。本文根據約束的類型、約束幾何元素的相對位置關系以及約束的尺寸參數等，來增強約束項識別的準確性。例如在一個連桿與一個轉動副軸之間建立軸孔約束時，需識別出一對對齊軸線及一對貼合面。虛擬實驗平臺根據調整的待裝構件的位置姿態，計算連桿與轉動副軸中每個孔或軸的軸線之間的距離，按最小距離識別出用戶希望建立約束的孔與軸的位置；計算2個連桿可形成貼合面的各面之間的距離，按最小距離識別出用戶希望建立約束的貼合面。由識別出的軸線與貼合面確定出兩構件各自的匹配約束項。

2.3 基于Bullet的機構運動學仿真

Bullet是一個跨平臺的物理引擎，支持三維碰撞檢測、剛體動力學與柔體動力學解算。本文利用Bullet實現機構的運動學仿真。圖5是利用Bullet進行運動學解算的流程。在進行運動學解算前，需要將裝配仿真過程中導入的幾何模型及建立的幾何約束關系轉換成Bullet支持的剛體模型及運動副。剛體模型用于描述參與仿真的物理實體模型；運動副用于描述參與運動的剛體模型之間的約束關系；幾何模型用于可視化顯示及裝配仿真。

圖5 基于Bullet的運動學解算流程

首先，由OSG描述的三角面片幾何模型轉換為由Bullet描述的剛體碰撞模型，支持仿真過程中的碰撞檢測；其次，讀取構件信息文件中的物理信息并賦予剛體碰撞模型，形成包含物理信息的完整構件描述模型；最后，獲取裝配完成后幾何模型的位置與姿態信息，設置剛體模型的位置與姿態屬性，使兩者保持一致。在幾何模型映射為剛體模型過程中，靜態構件(如機架)與動態構件以構件質量進行區分：若其質量為零，則為靜態構件，在機構運動過程中保持固定；若其質量為正值，則其為動態構件，在運動過程中參與運動。

Bullet物理引擎基于運動副進行運動解算。用戶在進行機構的拼裝過程中，創建虛擬構件之間的幾何約束。在運動學仿真前，需實現由幾何約束至運動副的自動建模，提取幾何約束中有關信息進行組織轉換，建立Bullet引擎所支持的運動副。通常在形成運動約束關系的兩個運動構件上分別建立約束坐標系來共同描述運動副。約束坐標系相對虛擬構件自身局部坐標系建立，以相對于局部坐標系的變換矩陣表達，在機構運動過程中，約束坐標系相對虛擬構件保持不變。以軸孔約束至鉸接副的自動建模為例，軸孔約束利用軸與孔的一對軸線及一對貼合面建立，如圖6所示。

圖6 軸孔約束至鉸接副自動建模

建立鉸接副需建如圖6所示的2個約束坐標系，約束坐標系以相對構件局部坐標系的變換矩陣表達：

式中，Mc為約束坐標系變換矩陣，Ml為構件局部坐標系變換矩陣，Ml_c為局部坐標系至約束坐標系的轉換矩陣。Ml_c通過提取幾何約束信息計算建立。鉸接副繞z軸旋轉，必須保證兩構件約束坐標系z軸同向，否則在機構運動仿真時，構件會發生翻轉，破壞運動副。

完成幾何模型至剛體模型、幾何約束至運動副的自動轉換后，設置驅動及仿真參數。Bullet引擎根據剛體之間的運動副關系及驅動信息，對機構運動進行解算，計算每個時刻各運動構件剛體模型的位置及姿態、速度、加速度等信息，以計算結果設置剛體模型對應屬性，剛體模型再根據自身屬性更新幾何模型相應的狀態，實現機構運動的可視化仿真。

3 系統開發與應用實例

以C++作為開發語言，Visual Studio 2005作為開發工具，以OSG圖形渲染引擎及Bullet物理引擎作為支持，開發了創新機構拼裝與運動仿真虛擬實驗平臺，實現了虛擬場景創建與管理、模型節點維護、基本模型操作等虛擬現實基本功能。該平臺適用于學生進行機構拼裝仿真、機構運動分析、機構設計方案驗證等。典型的機構拼裝實驗過程如圖7所示。

圖7 實驗過程

以曲柄搖桿與搖桿滑塊機構的拼裝與仿真為例，在3D環境下進行虛擬實驗的具體過程如下。

步驟1：根據自行設計的機構簡圖，在平臺虛擬構件庫中選擇所需尺寸的構件，將其從構件庫導入虛擬場景中，將基座、連桿、轉動副軸、移動副軸等導入虛擬實驗平臺。

步驟2：進行虛擬拼裝過程仿真，將各個虛擬構件拼裝成完整機構。依次調整各個構件的位置與姿態，對動態識別約束進行確認，建立各個構件之間的幾何約束關系。

步驟3：通過平臺功能，檢查各個構件之間運動副的正確性，對錯誤運動副進行修改，選定主動件，設定驅動信息。

步驟4：設置仿真運行參數、設置仿真開始時間和結束時間、仿真步數或仿真步長。

步驟5：進行機構運動仿真，查看仿真結果。

利用Pro/E建模軟件建立同樣的曲柄搖桿與搖桿滑塊機構并對其運動分析，將分析結果與創新機構拼裝與運動仿真虛擬實驗平臺的分析結果進行了對比，兩者的分析結果一致(見圖8)，由此驗證了該實驗平臺分析結果的正確性。

圖8 曲柄搖桿與搖桿滑塊機構運動分析結果對比

4 結束語

為構建創新的機構拼裝與運動仿真虛擬實驗系統，對CAD軟件進行了二次開發，采用XML對虛擬構件進行組織與管理，利用擴大OBB包圍盒進行相交測試，實現約束動態識別并建立虛擬構件之間的約束，以Bullet實現機構的運動學解算。這些方法的提出，解決了根據設計簡圖進行自由拼裝后，系統能自動進行機構運動學仿真的問題。虛擬實驗平臺采用積木式組合裝配方案，支持3D立體顯示，操作過程簡單，更好地模擬了實物的拼裝實驗。

References)

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Research on experimental platform for innovative mechanism assembly and simulation

Tian Li1, Fan Xiumin1,2，Liu Zhenfeng1，Deng Yichen1

(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Shanghai Key Lab of Advanced Manufacturing Environment, Shanghai 200230, China )

A complete virtual machinery experiment platform with mechanical innovation assembly and kinetic simulation modules are built to re-appear the real material experiments. The platform proposes several methods to realized mechanical system assembly according to innovation designing scheme and mechanical system kinetic simulation, including the modeling and management of virtual parts, detection and resolving of assembly constraints, as well as auto-modeling and calculation of kinetic parameters. The platform integrates the above methods and builds a virtual reality environment using OSG graphic render engine and Bullet physics engine. A case study is given under the platform by assembling a crank-rocker-slider mechanism and solving its kinetic parameters.

virtual experiment; virtual assembly; mechanism simulation; Bullet

2014- 07- 26

國家科技支撐計劃項目(2008BAH29B03)；上海交通大學特色實驗項目(CE204)

田力(1988—)，男，江蘇金壇，碩士研究生，研究方向為虛擬現實、虛擬裝配技術

E-mail：tiantangtl@sjtu.edu.cn

范秀敏(1971—)，女，福建南平，博士，教授，博士生導師，研究方向為數字化制造、虛擬現實、虛擬樣機技術.

E-mail：xmfan@sjtu.edu.cn

TP391.9

A

1002-4956(2015)2- 0131- 05