基于彎扭復(fù)合彈簧質(zhì)點模型柔性線纜位姿模擬方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機械工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種基于彎扭復(fù)合彈簧質(zhì)點模型的柔性 線纜位姿模擬方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 線纜是復(fù)雜產(chǎn)品機電系統(tǒng)中用于連接電氣元器件、電氣設(shè)備或控制裝置的電線、 電纜的統(tǒng)稱，作為傳遞電能和信號的介質(zhì)具有非常重要的作用，其布局設(shè)計的合理性和裝 配的可靠性將直接影響產(chǎn)品的性能。近年來，隨著CAD技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，在虛擬 環(huán)境下進(jìn)行柔性線纜的裝配仿真逐漸引起了人們的關(guān)注。通過線纜的裝配仿真，能夠?qū)€ 纜的可裝配性、設(shè)計的合理性進(jìn)行驗證，并能預(yù)測線纜在實際裝配中可能出現(xiàn)的問題，提前 把問題解決。
[0003] 線纜的模型表達(dá)是虛擬環(huán)境中線纜裝配仿真的基礎(chǔ)，虛擬環(huán)境下的線纜模型表 達(dá)，一方面需要真實地表達(dá)線纜的空間形態(tài)和物理特性，另一方面還要滿足虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 的實時性要求，即求解速率能夠滿足虛擬裝配仿真的操作要求。
[0004] 線纜的幾何模型由于沒有考慮線纜的物理屬性而欠缺真實性，線纜的物理模型因 其能更加真實地反應(yīng)出線纜的形態(tài)，成為近年來國內(nèi)外學(xué)者研究的重點。彈簧質(zhì)點模型作 為一種簡單、實時性好的物理模型，被廣泛用于織物、皮膚、線纜等柔性體的仿真中。該模型 最初是由Haumann和Parant提出的，他們用彈簧連接質(zhì)點組裝了 一個實驗裝置，根據(jù)牛頓 運動定律理論可知，質(zhì)點在外力的作用下會發(fā)生運動。
[0005] Provot等人改進(jìn)了彈簧質(zhì)點模型，在間隔兩質(zhì)點之間增加了線性彈簧，也稱為彎 曲彈簧，在仿真織物的彎曲行為方面取得了良好的效果。Loock等人將彈簧質(zhì)點模型用在了 對柔性線纜的建模上，并再一次改進(jìn)了該模型，他仍將線纜抽象成由質(zhì)點和彈簧組成，兩相 鄰質(zhì)點之間仍用線性彈簧連接，但在每個質(zhì)點處添加了一個卷簧來代替間隔兩質(zhì)點間的線 性彈簧，改進(jìn)了線纜的彎曲效果，并用該模型模擬了不同剛度的線纜在重力作用下的空間 形態(tài)。
[0006] 王志斌等人在此模型的基礎(chǔ)上，針對多分支電纜的建模問題，提出了一種多分支 彈簧質(zhì)點模型，增加了分支點，實現(xiàn)了對多分支電纜的仿真。他們的模型雖然能夠?qū)€纜的 抗拉、抗彎和重力等因素進(jìn)行建模，但都沒有考慮線纜的抗扭特性，并不能非常真實地表達(dá) 線纜的空間形態(tài)。Moll等人用能量曲線模型描述了線纜等一維變形體在各種操作約束下的 平衡位姿，他們將曲線的能量與其曲率和扭轉(zhuǎn)聯(lián)系了起來，認(rèn)為在各種約束作用下，當(dāng)曲線 具有最小能量時處于平衡狀態(tài)。但他們假設(shè)曲線沒有質(zhì)量和拉伸，認(rèn)為在沒有外界作用力 時，沒有扭曲的直線段具有最小的能量。
[0007] Hergenrdther等人針對定長線纜，將線纜視為用球形結(jié)點連接起來的一系列等 長圓柱段，在每個結(jié)點上設(shè)置卷簧表示線纜的彎曲，并采用了能量（各圓柱段的勢能和卷 簧的彈性勢能之和）最低和逐級細(xì)分的方法對模型進(jìn)行求解，但依然沒能表達(dá)線纜的扭 曲。魏發(fā)遠(yuǎn)等人用逆運動學(xué)模型對線纜進(jìn)行了建模，將線纜視為具有多個關(guān)節(jié)的蛇形機器 人，用機器人理論中的逆運動學(xué)方法模擬了線纜的安裝過程。但他在求解時假定各關(guān)節(jié)處 的轉(zhuǎn)角相同，不能準(zhǔn)確地模擬出線纜的實際形態(tài)。
[0008] 劉檢華等人提出了基于KirchhofT彈性細(xì)桿力學(xué)模型的活動線纜物性建模與運 動仿真方法。Gr' egoir等人用通用彈簧質(zhì)點模型表示線纜的外形，用Cosserat模型表示 線纜的彎曲和扭轉(zhuǎn)，通過能量最小化過程求解線纜的平衡狀態(tài)。這兩種方法能夠比較真實 的表達(dá)線纜的形態(tài)，精度更高，但其求解過程比較復(fù)雜，較難實現(xiàn)交互式裝配中對實時性的 要求。
[0009] 另外，在其他領(lǐng)域，外科手術(shù)縫合線、繩子等一維柔性體的建模對線纜的建模具有 借鑒意義。因為在實際應(yīng)用中經(jīng)常需要對縫合線、繩子等進(jìn)行打結(jié)，所以其打結(jié)模型對實時 性、碰撞檢測與響應(yīng)等方面的要求就比較高，這與面向交互式裝配仿真的線纜建模的要求 比較類似。
[0010] 在對繩子進(jìn)行建模時，Brown等人將其看成由一系列用球形結(jié)點連接起來的等長 剛性直段組成，每個結(jié)點具有兩個轉(zhuǎn)動自由度，而且為了實現(xiàn)繩子打結(jié)的實時性要求，他們 把重點放在了繩子與周圍物體及其自身之間的接觸處理上，對模型的求解采用了簡單的 "Follow the Leader"方法，使各結(jié)點在保持剛性段長度不變的前提下跟隨被拖動點移動， 取得了比較好的打結(jié)效果。
[0011] Wang等人針對腹腔鏡術(shù)的培訓(xùn)問題，對外科手術(shù)縫合線進(jìn)行了仿真研究，他們開 發(fā)的基于彈簧質(zhì)點的打結(jié)模型綜合考慮了縫合線的多種物理因素，實現(xiàn)了縫合線帶有力反 饋的打結(jié)仿真。打結(jié)模型與線纜模型的不同之處在于，前者將更多的關(guān)注點放在了對一維 柔性體碰撞的處理上，對于其形態(tài)的真實性要求不高，而線纜模型對真實性具有更高的要 求。
[0012] 由上可知，以往的線纜彈簧質(zhì)點模型都只考慮了線纜的重力、抗拉和抗彎特性，沒 有考慮線纜的抗扭特性，不能對線纜的扭曲效果進(jìn)行建模，仿真效果不夠真實，模型的求解 速率較慢，不能夠滿足交互式裝配仿真中的實時性要求，導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)的柔性線纜裝配過 程中的可靠性難以保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于彎扭復(fù)合彈簧質(zhì)點模型的柔性線纜位姿模擬方 法及裝置，解決現(xiàn)有技術(shù)中柔性線纜模型的仿真效果不夠真實，導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)的柔性線纜 裝配過程中的可靠性難以保證的問題。
[0014] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實施例提供一種基于彎扭復(fù)合彈簧質(zhì)點模型的柔 性線纜位姿模擬方法，包括：
[0015] 以多個離散質(zhì)點組合排列表示柔性線纜，建立所述柔性線纜的物理特性模型，所 述柔性線纜的物理特性模型中，所述柔性線纜的抗拉特性用所述柔性線纜上的相鄰兩離散 質(zhì)點之間的線性彈簧來描述，所述柔性線纜的抗彎特性用附加在每個所述離散質(zhì)點處的彎 曲彈簧來描述，所述柔性線纜的抗扭特性用附加在所述柔性線纜的每個線纜段處的扭曲彈 簧來描述；
[0016] 根據(jù)所述柔性線纜的總長以及線纜段數(shù)處理得到每個離散質(zhì)點的初始位置；
[0017] 將所述柔性線纜兩端的離散質(zhì)點確定為定點，獲取所述定點的位置信息；
[0018] 根據(jù)所述物理特性模型計算所述柔性線纜上未確定位置信息的其他離散質(zhì)點的 受力信息；
[0019] 利用得到的受力信息和初始位置，順次計算未確定位置信息的所述其他離散質(zhì)點 的平衡位置，得到所述其他離散質(zhì)點的位置信息；
[0020] 根據(jù)所述柔性線纜上所述定點的位置信息以及其他離散質(zhì)點的位置信息模擬出 所述柔性線纜的穩(wěn)定位姿。
[0021] 可選地，在所述將所述柔性線纜兩端的離散質(zhì)點確定為定點之前，所述柔性線纜 位姿模擬方法還包括：
[0022] 判斷所述柔性線纜的兩端是否連接了電連接器；
[0023] 若是，則獲取所述定點的位置信息，并計算所述柔性線纜上與所述定點相鄰的兩 個離散質(zhì)點的位置信息；
[0024] 對應(yīng)的，所述根據(jù)所述物理特性模型計算所述柔性線纜上未確定位置信息的其他 離散質(zhì)點的受力信息的步驟為：
[0025] 根據(jù)所述物理特性模型計算除所述定點以及與所述定點相連的兩個離散質(zhì)點外 的其他離散質(zhì)點的受力信息；
[0026] 若否，則只將所述柔性線纜兩端的離散質(zhì)點確定為定點，并獲取所述定點的位置 信息；
[0027] 對應(yīng)的，所述根據(jù)所述物理特性模型計算所述柔性線纜上未確定位置信息的其他 離散質(zhì)點的受力信息的步驟為：
[0028] 根據(jù)所述物理特性模型計算除所述定點外的其他離散質(zhì)點的受力信息。
[0029] 可選地，所述計算所述柔性線纜上與所述定點相鄰的兩個離散質(zhì)點的位置信息的 步驟包括：
[0030] 設(shè)定與所述定點相鄰的兩個離散質(zhì)點分別位于一所述定點的切線方向，進(jìn)而計算 得到所述柔性線纜上與所述定點相鄰的兩個離散質(zhì)點的位置信息。
[0031] 可選地，在所述根據(jù)所述物理特性模型計算所述柔性線纜上未確定位置信息的其 他離散質(zhì)點的受力信息之前，所述柔性線纜位姿模擬方法還包括：
[0032] 判斷除所述定點外的其他離散質(zhì)點中是否有被操作點；
[0033] 若是，則根據(jù)相應(yīng)操作工具的位置信息得到被操作點的位置信息，再執(zhí)行所述根 據(jù)所述物理特性模型計算所述柔性線纜上未確定位置信息的其他離散質(zhì)點的受力信息的 步驟；
[0034] 若否，則直接執(zhí)行所述根據(jù)所述物理特性模型計算所述柔性線纜上未確定位置信 息的其他離散質(zhì)點的受力信息的步驟。
[0035] 可選地，所述根據(jù)所述物理特性模型計算所述柔性線纜上未確定位置信息的其他 離散質(zhì)點的受力信息的步驟包括：
[0036] 計算所述其他離散質(zhì)點受到的重力、拉力、彎曲力和扭曲力；
[0037] 其中，計算所述其他離散質(zhì)點受到的扭曲力的步驟包括：
[0038] 分析得到所述其他離散質(zhì)點中的質(zhì)點i會受到附加在線纜段i_l和i+2上的兩個 扭曲彈簧對它產(chǎn)生的扭曲力Kil和;
[0039] 獲取線纜段i_l和i+2分別對質(zhì)點i產(chǎn)生的分扭曲力Aii和1^ ;
[0040] 將得到的所述分扭曲力^^和^進(jìn)行求和得到所述質(zhì)點i受到的扭曲力Ks
[0041] 可選地，所述獲取線纜段i-Ι和i+2分別對質(zhì)點i產(chǎn)生的分扭曲力^;和?勺步 驟，采用如下計算公式：
[0044] 其中，An為線纜段i-Ι對質(zhì)點i產(chǎn)生的分扭曲力；
[0045] 為線纜段i+2對質(zhì)點i產(chǎn)生的分扭曲力；
[0046] P為扭曲彈簧的彈性系數(shù)；
[0047] qi 2、qi η q1+1和q 1+2分別為質(zhì)點i_2、i_l、i+Ι和i+2處的扭轉(zhuǎn)角度；
[0048] β i i指第i-Ι個線纜段與第i個線纜段之間的夾角；
[0049] β 1+1指第i+Ι個線纜段與第i+2個線纜段之間的夾角；
[0050] UiXui !/sinl； JT-β ; D 和 ui+2Xui+1/sin( JT-β i+1)分別為扭曲力·%,和.仏_2 的單位 方向矢量；
[0051] Ui η Up ui+1和u i+2分別為由質(zhì)點i-2指向質(zhì)點i-Ι的單位向量、由質(zhì)點i-Ι指向 質(zhì)點i的單位向量、由質(zhì)點i指向質(zhì)點i+Ι的單位向量和由質(zhì)點i+Ι指向質(zhì)點i+2的單位 向量。
[0052] 可選地，在所述利用得到的受力信息和初始位置，順次計算未確定位置信息的所 述其他離散質(zhì)點的平衡位置，得到所述其他離散質(zhì)點的位置信息之前，所述柔性線纜位姿 模擬方法還包括：
[0053] 對所述柔性線纜進(jìn)行碰撞檢測和響應(yīng)；
[0054] 根據(jù)所述碰撞檢測和響應(yīng)對所述受力信息進(jìn)行修改。
[0055] 可選地，所述根據(jù)所述碰撞檢測和響應(yīng)對所述受力信息進(jìn)行修改的步驟包括：
[0056] 在所述受力信息中增加一個沿著碰撞法向方向的支撐力，并且
[0058] 其中，G1代表離散質(zhì)點i受到的重力；
[0059] 濘:.代表離散質(zhì)點i受到的拉力；
[0060] 療代表離散質(zhì)點i受到的彎曲力；
[0061] 療,代表離散質(zhì)點i受到的扭曲力；
[0062] η代表離散質(zhì)點i的碰撞法向。
[0063] 可選地，所述利用得到的受力信息和初始位置，順次計算未確定位置信息的所述 其他離散質(zhì)點的平衡位置，得到所述其他離散質(zhì)點的位置信息的步驟包括