[發明專利]基于彎扭復合彈簧質點模型柔性線纜位姿模擬方法及裝置

有效

• 申請號: 201510732135.1
• 申請日: 2015-11-02
• 公開（公告）號: CN105184030B
• 公開（公告）日: 2018-08-07
• 發明（設計）人: 劉檢華;呂乃靜;丁曉宇;劉少麗;劉佳順;林海立;馬江濤
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京銀龍知識產權代理有限公司 11243
• 代理人: 許靜;安利霞

本發明提供了一種基于彎扭復合彈簧質點模型的柔性線纜位姿模擬方法及裝置，方法包括：建立柔性線纜的物理特性模型，柔性線纜的抗扭特性用附加在柔性線纜的每個線纜段處的扭曲彈簧描述；根據柔性線纜總長和線纜段數得到每個離散質點的初始位置；將柔性線纜兩端的離散質點確定為定點，獲取定點的位置信息；根據物理特性模型計算柔性線纜上未確定位置信息的其他離散質點的受力信息；利用受力信息和初始位置，順次計算其他離散質點的平衡位置，得到其他離散質點的位置信息；根據柔性線纜上定點的位置信息以及其他離散質點的位置信息模擬出柔性線纜的穩定位姿。本方案使得柔性線纜的仿真效果更加真實，在一定程度上保證了柔性線纜裝配過程中的可靠性。

技術領域

本發明涉及機械工程技術領域，特別是指一種基于彎扭復合彈簧質點模型的柔性線纜位姿模擬方法及裝置。

背景技術

線纜是復雜產品機電系統中用于連接電氣元器件、電氣設備或控制裝置的電線、電纜的統稱，作為傳遞電能和信號的介質具有非常重要的作用，其布局設計的合理性和裝配的可靠性將直接影響產品的性能。近年來，隨著CAD技術和虛擬現實技術的發展，在虛擬環境下進行柔性線纜的裝配仿真逐漸引起了人們的關注。通過線纜的裝配仿真，能夠對線纜的可裝配性、設計的合理性進行驗證，并能預測線纜在實際裝配中可能出現的問題，提前把問題解決。

線纜的模型表達是虛擬環境中線纜裝配仿真的基礎，虛擬環境下的線纜模型表達，一方面需要真實地表達線纜的空間形態和物理特性，另一方面還要滿足虛擬現實系統的實時性要求，即求解速率能夠滿足虛擬裝配仿真的操作要求。

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出線纜的形態，成為近年來國內外學者研究的重點。彈簧質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，他們用彈簧連接質點組裝了一個實驗裝置，根據牛頓運動定律理論可知，質點在外力的作用下會發生運動。

Provot等人改進了彈簧質點模型，在間隔兩質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等人將彈簧質點模型用在了對柔性線纜的建模上，并再一次改進了該模型，他仍將線纜抽象成由質點和彈簧組成，兩相鄰質點之間仍用線性彈簧連接，但在每個質點處添加了一個卷簧來代替間隔兩質點間的線性彈簧，改進了線纜的彎曲效果，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。

王志斌等人在此模型的基礎上，針對多分支電纜的建模問題，提出了一種多分支彈簧質點模型，增加了分支點，實現了對多分支電纜的仿真。他們的模型雖然能夠對線纜的抗拉、抗彎和重力等因素進行建模，但都沒有考慮線纜的抗扭特性，并不能非常真實地表達線纜的空間形態。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聯系了起來，認為在各種約束作用下，當曲線具有最小能量時處于平衡狀態。但他們假設曲線沒有質量和拉伸，認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。

等人針對定長線纜，將線纜視為用球形結點連接起來的一系列等長圓柱段，在每個結點上設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)最低和逐級細分的方法對模型進行求解，但依然沒能表達線纜的扭曲。魏發遠等人用逆運動學模型對線纜進行了建模，將線纜視為具有多個關節的蛇形機器人，用機器人理論中的逆運動學方法模擬了線纜的安裝過程。但他在求解時假定各關節處的轉角相同，不能準確地模擬出線纜的實際形態。

劉檢華等人提出了基于Kirchhoff彈性細桿力學模型的活動線纜物性建模與運動仿真方法。Gr′egoir等人用通用彈簧質點模型表示線纜的外形，用Cosserat模型表示線纜的彎曲和扭轉，通過能量最小化過程求解線纜的平衡狀態。這兩種方法能夠比較真實的表達線纜的形態，精度更高，但其求解過程比較復雜，較難實現交互式裝配中對實時性的要求。