車輛綜合傳動裝置交互裝配技術

劉 飛，閆清東，姚壽文，陳 巖

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

0 引 言

軍用裝甲車輛綜合傳動裝置是集成大功率液力變矩器、行星式動力換擋變速箱、液壓無級轉向、電液自動操縱于一體，實現動力換擋和無級轉向。綜合傳動裝置是軍用履帶車輛的重要組成部分，對車輛的整體性能起著重要的作用［1－3］。綜合傳動裝置傳統的整體研制過程一般采用結構設計－工藝 分 析－試 制－裝 配－試 驗－改 進 設 計－試 制－試驗的多循環設計流程，由于綜合傳動裝置系統的復雜性和結構緊湊性，采用多循環的設計流程模式使產品研制周期長，在設計階段難以對裝配可行性進行有效的評估。目前，對車輛在設計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用CAD 軟件進行零件的裝配分析，無法保證裝配仿真的物理真實性和有效性，在實際工程應用中具有一定的局限性。

本文以虛擬現實技術為基礎，搭建交互裝配的視景仿真平臺，建立滿足綜合傳動裝置交互裝配需要的多模式虛擬環境和交互裝配工具模型；根據綜合傳動裝置的結構特點，對交互裝配過程的零件實時碰撞檢測方法、路徑規劃技術，精確定位方法等進行研究，結合某型號軍用裝甲車輛綜合傳動裝置，對交互裝配技術研究內容進行實例驗證，為綜合傳動裝置的裝配可行性分析提供一種有效的方法。

1 視景仿真平臺的建立

在綜合傳動裝置交互裝配過程中，由于零件眾多，其模型的面片數量巨大，單機的渲染幀率約2～6幀［12］，無法滿足交互操作的要求。因此本文建立了基于計算機集群（PC－Cluster）和高速局域網控制架構并行渲染的視景仿真平臺，如圖1所示。根據渲染節點的渲染能力將渲染任務分配到各渲染節點進行渲染，然后渲染節點將渲染圖元傳送到相應的圖像處理節點，最后對圖像進行拼合、幾何校正等處理后輸出到顯示系統，實現圖形的實時繪制與處理。

圖1 視景仿真平臺系統連接示意圖Fig.1 Connection diagram of visual simulation platform

圖2 仿真平臺運行時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 為仿真平臺運行效果圖。根據主、被動立體顯示技術的特點及應用范圍，應用先進的光譜立體顯示技術，通過幾何校正、同步控制等系統技術，建立了沉浸式雙通道立體投影系統，實現了綜合傳動裝置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能滿足綜合裝置交互裝配要求的高度沉浸感、可視化的場景交互、圖形繪制與處理等特點。

2 交互裝配工具建模

在產品的實際裝配過程中，人手是實施裝配的重要載體。數據手套為交互裝配系統提供了一種重要的交互方式。在虛擬環境中，手的交互操作通過數據手套將手的狀態信息輸入到交互系統中，由交互系統中生成的虛擬手跟隨手的運動在虛擬環境中完成各種交互操作。

為實現交互裝配工具在虛擬環境中的操作，首先實現了虛擬環境中虛擬手的建模，結合光學跟蹤裝置實現裝配工具在虛擬環境的建模及運動。圖3為虛擬手在虛擬環境中的模型。

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

3 實時碰撞檢測分析

在交互裝配中，當虛擬手抓取物體的同時，需要及時判斷手與物體之間的接觸情況［13］。這種判斷的依據就來自碰撞檢測，碰撞檢測的目的是解決零件間相交性測試問題。目前，許多學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，兩個幾何模型間的碰撞干涉檢測算法主要分為空間分解法和層次包圍盒法［14－16］。其中，層次包圍盒算法計算簡單、速度快，但是精度不高，尤其對于裝配過程需要旋轉操作時，時常出現誤判；空間分解法雖然精度大大提高，但數據結構比較復雜，算法計算量過大，從而影響實時性。

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

其具體計算過程如下。

圖4 交互裝配過程碰撞檢測示意圖Fig.4 Collision detection diagram of interactive assembly

首先，對于虛擬手與零件間碰撞檢測，將虛擬手的多個面片與零件的面片進行平行的碰撞檢測。在虛擬手處于交互裝配狀態時，系統實時檢測虛擬手是否與裝配對象（零件以及裝配體）發生碰撞，如果碰撞，則拾取裝配零件，該裝配對象跟隨虛擬手運動。為防止虛擬手抓取零件時產生穿透現象，影響交互裝配的真實感，本文采用了基于幾何面片的預定距離限制算法，當虛擬手運動到與零件一定距離時，限制虛擬手在該運動方向上的運動，避免穿透物體。當虛擬手抓取零件到合適位置與另外的零件進行裝配時，零件間采取精確碰撞檢測分析，提高交互裝配的精確性。對于發生裝配約束的零件之間，獲取參與裝配約束的幾何要素，并利用幾何要素進行碰撞檢測，其中包括幾何面與包圍盒間的碰撞檢測和不同零件上的幾何面之間的碰撞檢測以完成交互裝配。交互裝配時的碰撞檢測過程如圖4所示。

4 基于人機交互的路徑規劃技術

4.1 基于人機交互的裝配路徑規劃

本文研究了基于人機交互的路徑規劃方法，即在交互裝配環境下，通過數據手套等設備在虛擬環境下，對零件模型進行抓取、裝配、釋放等一系列操作時，通過零件模型在空間中經過的一系列點或曲線的生成與顯示，形成零件的裝配路徑。使裝配設計人員在可視化的環境下對綜合傳動裝置的三維模型進行交互式的預裝配，并以此分析車輛傳動系統零件的裝配路徑干涉情況。

基于人機交互的裝配路徑規劃流程如圖5所示。

圖5 基于人機交互的裝配路徑規劃流程圖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

虛擬環境中裝配軌跡常用一系列離散點或是曲線生成與顯示，本文為更好地實現人機交互過程裝配路徑的生成與顯示，采用網格路徑求解器計算軌跡曲線，通過確定求解器中的零件目標和目標位置參數，獲得待裝配零件實時位置點和初始位置點，計算兩點間的距離；經過障礙物判斷，通過障礙圖層的參數保證獲得沒有穿透現象的正確路徑曲線，創建兩點間的路徑曲線。

同時，本文應用渲染引擎進行效果渲染，將得到的路徑軌跡曲線進行可視化渲染繪制，使交互過程中零件移動所經過的軌跡可以實時地生成并渲染顯示出來。交互裝配環境中，某零件裝配路徑曲線的渲染前后對比如圖6所示。

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

5 交互過程的精確定位技術

在交互裝配環境中，設計人員通過數據手套、立體眼鏡和位置跟蹤設備等交互設備來操縱零件模型，零件模型在交互環境中位姿的實時改變具有一定的模糊性和不確定性，需要通過一定的方法來輔助設計人員在裝配過程中精確地將零件裝配到目標位置，精確定位技術的研究可實現零件在交互裝配環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的定位方法、近似捕捉定位方法［18－19］。基于碰撞檢測的定位方法通過對裝配過程中的實時碰撞檢測和力反饋設備來實現。在操作過程中碰撞發生后，根據碰撞幾何面產生一定的作用力，并通過力反饋設備限制用戶手的運動，使得用戶的運動不會違反零件的約束，最終完成定位操作。該方法需要大量的分析計算，系統的實時性要求較差，難以滿足精確定位要求；近似捕捉定位方法假設待裝配零件在裝配體中的最終位姿已知，在虛擬裝配過程中，系統實時檢測零件的當前位姿和最終定位位姿之間的偏差，當偏差到達給定的誤差范圍時，系統自動將零件的位姿調整到最終裝配位置。其易于實現，但需已知最終裝配位置，不符合實際裝配過程。因此，本文提出了基于裝配特征要素重構的精確定位方法，利用從CAD 模型中獲取的參與裝配的特征要素信息，在交互裝配環境下進行重構，再利用這些具備裝配關系的要素進行定位。基于裝配特征重構的精確定位方法是在裝配特征重構的基礎上，識別出每個幾何面的當前位置和方向，系統實時計算幾何面之間的方向和距離，當兩幾何面被識別出存在幾何約束時，構造位姿變換矩陣，求出待裝配的位姿變換矩陣，然后對待裝配進行位姿變換，調整到幾何要素約束的位置，實現精確定位，避免了求解非線性方程組的復雜計算，容易實施。能有效地滿足虛擬裝配的實時性要求，符合實際裝配過程。其實現原理如圖7中所示的某綜合傳動裝置中液力變矩器交互裝配的精確定位過程所示。

圖7 基于裝配特征的某液力變矩器裝配過程示意圖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上，圖7中紅色環面即為參與裝配的兩個約束面。將坐標系定義在基體件B 上，并使基體固定不動；待裝A 件上定義對象坐標系為O′X′Y′Z′，由于待裝配件A 可在裝配過程中進行平移、選擇等操作，坐標系O′X′Y′Z′在基體坐標系下能夠不斷變化，將坐標系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：

將該平面通過矩陣變換得到Pb面，則Pb面的矩陣表示為：

式中：Mtrans為坐標變換矩陣。

在待裝配件A 移動并靠近基體件B 的過程中，若A 與B 上的Pb面發生碰撞，計算發生碰撞的三角面片的法線夾角。若夾角為0，則說明A件與B 件在Pb面上實現了共面約束。否則，需對A 件進行旋轉操作，從而實現共面約束。

發生干涉的兩個三角面的交點為A（xa，ya，za），兩個三角面片的法線與（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坐標變換實現，最終實現零件的精確定位。

6 實例驗證

本文通過高性能的圖形工作站、兩通道光譜立體投影機、信號交換設備、人機交互設備等，實現了交互裝配視景仿真平臺的硬件系統搭建。系統的軟件應用Pro／E 等建模軟件、3Dmax、OSG等圖形渲染工具、Virtools軟件開發包，以VC＋＋為工具來實現車輛綜合傳動裝置的交互裝配。

本文以某綜合傳動裝置為應用對象，對交互裝配的相關技術進行驗證。交互裝配時，設計人員通過光譜立體眼鏡觀察交互裝配場景，通過操作數據手套、應用光學跟蹤設備等獲取操作者手的運動以及手指狀態的變化，驅動虛擬手對零件的交互操作。某綜合傳動裝置交互裝配過程中零件碰撞檢測過程如圖8所示。

當虛擬手抓取和拖動物體時，虛擬手與零部件模型之間的碰撞檢測能夠在10ms內完成，系統不存在任何的滯后感，顯示流暢，完全能夠滿足綜合傳動交互裝配的實時性要求。交互裝配時虛擬手沒有穿透虛擬物體，基于預定距離的限制算法起到了較好的控制作用。

圖8 某綜合傳動裝置交互裝配中碰撞檢測過程Fig.8 Collision detection process of a vehicle integrated transmission system in interactive assembly

交互裝配過程中，零件的移動軌跡由網格路徑求解器生成，并用渲染引擎進行了渲染，綜合傳動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

通過基于裝配特征要素重構的精確定位方法，從CAD 模型中獲取的參與裝配的特征要素信息，在交互裝配環境下進行重構，再應用這些具備裝配關系的要素實現零件的精確定位，完成綜合傳動裝置的裝配。某綜合傳動裝置交互裝配過程如圖10所示。

7 結 論

（1）在分析綜合傳動裝置結構特點的基礎上，搭建了基于計算機集群控制架構的視景仿真平臺。通過應用先進光譜立體顯示技術、混合幾何校正、同步控制等系統技術，實現了綜合傳動裝置交互裝配視景仿真平臺的運行。

圖10 傳動裝置在視景仿真平臺上的交互裝配過程Fig.10 Interactive assembly process of vehicle transmission system based on visual simulation platform

（2）根據綜合傳動裝置的結構特點，本文提出了一種滿足實時性與精確性要求的混合碰撞檢測方法，有效地滿足零件眾多的綜合傳動裝置交互裝配的實時性和精確性要求；分析了交互裝配路徑的生成及顯示方法，較好地實現了裝配路徑的渲染。

（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，實現了零件的精確定位。

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