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山东大学硕士学位论文 协同装配中的若干关键技术研究 硕士研究生：王海军 指导教师：孟祥旭教授 摘要 产品在实际生产之前，需要做整机装配试验，对复杂的大型机械设备来说这 要满耗大量豹时阐、财力和物力，著虽在交 寸使翅的时候，如压力机还要先试装 配，合格后拆卸运输，在目的地再进行二次装配。这些既费时费力，又不能保证 生产稆二次装配豹合格率。而谤算机支持豹协囤装配则提供了便捷豹手段，在嬲 络与虚拟环境下进行试装配，可以有众多专家的参与，能及时解决装配中出现的 通题，从藤保涯装配戏功率，并节省人力物力，降低生产残本。因此协同装配已 经成为c a d 技术的羹要内容之。目前协同装配的实现中仍然有许多技术需要 深入研究，铡如协猫装配任务鲍趣翅润题、协弱装配过程中的弱步阅题以及数据 的传输问题等。 针对复杂产品，本文提出了协同装配系统的整体架构，重点研究了协同装配 中的一些关键技术，如装配序列的规划，多通道的交互方式等，并对系统做了实 现，给出了一些应用实例。本文工作也是虚拟样视若干关键技术及其典型应用 研究( 国家8 6 3 计划项目) 以及( ( s e m a n t i cw e b 环境下产品的虚拟制造技术 ( 山东省科学技术厅项目) 的一部分。 本文的主要创新点包括： 1 、给出了多用户协同装配的框架模型。采用客户端n 务器结构，服务器负 责转发模型数据和消怠，暂存s e s s i o n 信息和数据，客户端放置建模系统莘【；l 存储 共享模型。所有客户端同步执行拆卸、装配操作，达到协同装配之目的。 2 、为了在协同环境下支持多人的装配工作，首次将断集法应用到复杂产品 装配任务的分解上，通过一定的规则和方法，将装配体分解至合适规模的子装配 体盾，再使用割集法生成装配序列。 3 、将多通道的入橇交互方式应焉予虚拟装配当中，实现了语音、数据手套 山东大学颂士学位论文 和跟踪器以及键盘鼠标的多通道交互方式，从而提高了人机交互的方便性和高效 性。 以上所做工作仍然存在一些需要完善之处：首先协同过程中的消息传输需要 进一步的优化，阻减少不必要的数据传输，降低网络负载：其次需要进一步解决 实时问题，以实现更好的同步；最后装配任务的分解和序列求解算法需要进一步 优化。 关键词：虚拟样机协同设计冲突控制多通道交互 l j 山东大学硕士学位论文 s t u d yo l ls o m ek e yt e c h n o l o g i e so fc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l y g r a d u a t es t u d e n t ：w a n g h a i j u n t u t o r ：p r o f m e n g x i a n g x u a b s t r a c t b e f o r ea c t u a l i t ym a n u f a c t u r i n g ，p r o d u c t sn e e dt od ow h o l em a c h i n et e s t i tt a k e s m u c ht i m e ，m o n e ya n de n e r g yf o rt h ec o m p l i c a t e db i gm a c h i n ee q u i p m e n t s ，a n dw h e n t h em a c h i n ei sd e l i v e r e d ，s u c ha sp r e s s ，i tm u s tb et r i a l a s s e m b l e df i r s t ，d i s a s s e m b l et o t r a n s p o r ta f t e rc h e c ko u t ，t h e na s s e m b l ea g a i na td e s t i n a t i o n 。t h i sk i n do fa s s e m b l y n o to n l yt a k e st i m ea n dh a r ds l e d d i n g ，b u tc a r i tg u a r a n t e et h er a t eo fc h e c ko u ti nt h e s e c o n da s s e m b l y b u tt h ec o l l a b o r a t i v ea s s e m b l ys u p p o r t e db yc o m p u t e rp r o v i d e st h e c o n v e n i e n tm e a n s t ot r i a l a s s e m b l eu n d e rn e t w o r k ，m a n ye x p e r t sc a np a r t i c i p a t ei ni t ， t h ep r o b l e mc o m i n gf o r t hd u r i n ga s s e m b l yc a nb er e s o l v e di nt i m e ，t h e nt h es u c c e s s r a t eo fa s s e m b l yi s g u a r a n t e e d m a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e sa r es a v e do n ， p r o d u c t i o nc o s ti sb r o u g h td o w n + s oc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l yh a st u mi n t oo n eo ft h e i m p o r tc o n t e n t so fc a dt e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，t h ei m p l e m e n t a t i o no fc o l l a b o r a t i v e a s s e m b l ys t i l lh a sm a n yt e c h n o l o g i e sn e e dt os t u d yf i l r t h e r f o re x a m p l e ，t h ep l a n n i n g i s s u eo fc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l yt a s k ，t h es y n c h r o n i z a t i o ni s s u ed u r i n gc o l l a b o r a t i v e a s s e m b l ya n dt h et r a n s m i ti s s u eo f d a t a i na l l u s i o nt oi m p l e m e n t a t i o no fc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l ya b o u tc o m p l i c a t e dp r o d u c t ， t h ew h o l ea r c h i t e c t u r eo fc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l ys y s t e mi sp u tf o n a r di nt h ep a p e r , s o m ek e yt e c h n o l o g i e so fd i s t r i b u t i n gc o l l a b o r a t i o ni st h ee m p h a s i so fs t u d y , s u c ha s t h ep l a n n i n go fa s s e m b l ys e q u e n c e s ，m u l t i m o d a li n t e r a c t i o ns t y l ea n ds oo n t h e s y s t e mp r o t o t y p ei sc o m p l e t e d ，a n ds o m ea p p l i c a t i o ni n s t a n c e sa r ep u tf o r w a r d t h i s p a p e ri so n ep a r to f ”s o m ek e yt e c h n o l o g i e sa n dr e p r e s e n t a t i v ea p p l i c a t i o ns t u d yi n v i r t u a l p r o t o t y p i n g ”，s t a t e8 6 3p r o g r a m st a s ka n d “t h ev i r t u a l m a n u f a c t u r e t e c h n o l o g yo fp r o d u c tu n d e rs e m a n t i cw e be n v i r o n m e n t ”t a s k ，d e p a r t m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fs h a n d o n gp r o v i n c e 山东大学硕士学位论文 t h ec o r r e s p o n d i n gi m p o r t a n ti n n o v a t i o n si nt h ep a p e ri n c l u d e s ： 1 b r i n gf o r w a r dt h e a r c h i t e c t u r em o d a lo fd i s t r i b u t i n gm u l t i u s e rc o l l a b o r a t i v e a s s e m b l y , i ta d o p t sc sf r a m e w o r k ，t h es e r v e ra n s w e r sf o rt r a n s m i t t i n gt h em o d e l d a t aa n dm e s s a g e ，d e p o s i t i n gt h es e s s i o ni n f o r m a t i o na n dd a t a t h em o d e l i n g s y s t e ma n dd e p o s i t i n gs h a r i n gm o d e la r ep l a c e da tt h ec l i e n t s a l lc l i e n t se x e c u t e s y n c h r o n o u s l yt h em a n i p u l a t i o no fd i s a s s e m b l ya n da s s e m b l y , t h e nr e a c ht h e i n t e n to f c o l l a b o r a t i v ea s s e m b l y 2 i no r d e rt o s u p p o r t m u l t i u s e r s c o l l a b o r a t i v e a s s e m b l y i nc o l l a b o r a t i v e e n v i r o n m e n t ，i ts h o u l dt od e c o m p o s et h ea s s e m b l yt a s kf i r s tt og e ta s s e m b l y s e q u e n c e s f o rt h e f i r s tt i m ei n t h ep a p e ri tp u t sf o r w a r dt h a tt o a p p l yt h e b r e a k - s e t sm e t h o di nt h ed e c o m p o s i n go fc o m p l e xa s s e m b l yt a s k ，t h e nw h e nt h e a p p r o p r i a t es c a l eo fs u b - a s s e m b l yb o d yi sd e c o m p o s e db yc e r t a i nr e g u l a t i o na n d m e t h o d ，t h ea s s e m b l ys e q u e n c e si sc r e a t e db yu s i n gc u t s e t sm e t h o d ， 3 a p p l yt h em u l t i m o d a lh m l l a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nt ov i r t u a la s s e m b l y , s t u d yt h e n a t u r a li n t e r a c t i o nd u n n gt h ea s s e m b l y , i m p l e m e n tt h ei n t e r a c t i o ns t y l eo f s p e e c h ， b i r da n dd a t ag l o v e ，k e y b o a r da n dm o u s e ，i m p r o v et h ec o n v e n i e n c ea n dh i g h e f f i c i e n c yo f t h ei n t e r a c t i o n t h ew o r km e n t i o n e da b o v es t i l le x i s t sm a n yd e f i c i e n c i e s f i r s t l yt h em e s s a g e t r a n s m i t t i n gi nt h ec o l l a b o r a t i v ep r o c e s sn e e d st of u r t h e ro p t i m i z e d ，i no r d e r t or e d u c e t h en o n - n e e dd a t at r a n s m i s s i o n ，d e p r e s st h el o a do fn e t ；s e c o n d l yi tn e e d st or e s o l v e r e a lt i m ei s s u e ，t oi m p l e m e n tt h eb e t t e rs y n c h r o n i z a t i o n ；l a s t l yt h ed e c o m p o u n d i n go f a s s e m b l yt a s ka n dt h ea r i t i n n e t i co fs e q u e n c e sa l s on e e d t of u r t h e ro p t i m i z e d k e y w o r d s ：v i r t u a lp r o t o t y p i n g ，c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，c o n f l i c tc o n t r o l ，m u l t i m o d a l i n t e r a c t i o n v 原匐性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引群的内容外，本论文不包含任何萁饱个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出羹要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名日 期；2 型芝呈：垒! 上 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复e p 件和电子舨，允诲论文被态阅和借| 弼；本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝作者虢邀燧孙逊日期：碰! 绀 月，在北京召开了第一届c s c wi nd e s i g n ( c s c w i d 9 6 ) 国际研讨会，以后每 年召开一次。2 0 0 5 年在英国召开，会议投稿文章高达8 0 0 多篇，由此可见协同 设计已引起了国内外同行的广泛关注。 目前，协同设计已开始逐步应用在产品的详细设计阶段，如结构设计、装配 设计等。协同设计包括了两个层次的含义：第一层次只涉及同一设计内容的协同 ( 如布局设计) ：第二层次则涉及更大部分或整个群体间的协同问题( 如人机工 程设计、详细设计、生产及用户等) 【i i 。 例如，2 0 0 0 年3 月，3 个工程小组分别从美国波士顿( 侧重于动力系统) 、 德国汉诺威( 侧重于底盘) 和日本东京( 侧重于车身) 通过i n t e r a c t ，共享和访 问到彼此的信息资源，在7 天内合作开发出一辆新型赛车。i b d e 项耳则是一个 涉及从概念设计到结构设计整个过程的协同式自动化建筑工程设计系统。惠普公 司工业设计师应用自行开发的设计系统m e l 0 、m e 3 0 ，与公司内的计算机专家、 机械设计师、电气工程师、市场销售专家以及公司经理们一起在计算机网络上交 换信息，共同设计开发产品。p & g 公司使用i n t e r g r a p h 系统，连接几乎所有的 工业设计师共同开发产品。著名的计算机辅助人机工程系统s a m 与计算机网络 m 正相结合已广泛用于英国等西欧国家的产品人机工程设计。美国波音公司借助 于协同设计才得以实现以无纸作业的电子样机( d i g i t a lm o c k - u p ) 手段开发新一代 的波音7 7 7 客机，克莱斯勒公司也基于此才能把开发一辆全新的小轿车的周期缩 短到十八个月。 1 2 相关技术 协同装配是协同设计技术的重要研究课题，其中涉及的技术多数集中在系统 架构的实现，协同装配中的同步，冲突的控制，装配序列的生成，数据的高效传 有c a d 软件的功能移植到w e b 环境，或者在w e b 环境下提供三维浏览。 浙江大学开发了c o c a d t o o l a g e n t 系统，是基于二维c a d 系统嵌入式二次 开发，是在a g e n t 基础上实现一致性维护和并发控制的协同设计系统p 】。国防科 技大学则采用p r o e n g i n e e r 为三维造型平台，通过开发其接口p r o 厂r o o l k r r 获得三维造型的特征结构数据，以客户朋务器式的网络结构进行网络通信，传 递造型过程中特征的特征元素树信息实现协同功能。 本文提出的协同装配系统本身具有简单的c a d 造型功能，能够实现实时协同 造型、浏览、装配等，采用了标准的c l s 结构。 1 2 2 同步与协作 如何实现协同装配的同步是首要解决的问题。同步主要涉及数据能否及时传 输到接收方以及能否得到及时的处理。这有赖于网络、传输协议以及数据处理方 式。对数据进行有效地组织是本文提出的解决同步问题的措施。 冲突控制目前研究的很多，李智毅f 6 1 把c s c w 环境中冲突产生的主要原因及 相应的冲突解决机制作了总结，协同设计中的冲突大多借助于具有自适应能力的 a g e n t ，通过协商、仲裁等方式解决冲突，但这并非适应于每一个系统。本文采 用了传递一个消息，给模型加锁的方式避免操作冲突。 2 山东大学硕士学位论文 为了在协同环境下支持多人的装配工作，首先要对装配任务进行分解。有关 协同装配任务的规划也是研究热点，如李雄伟 7 1 实现了个协同装配规划系统。 单纯对装配序列的研究有很多，方法各种各样，有的是对装配体分层、分步规划， 再使用割集法生成序列引，有的是利用有向装配连接图的性质，进行割集分解， 再生成序列【9 l 而谭光宇1 0 1 提出了基于配合关联图的子装配识别的方法来规划序 列。本文借鉴了有关的研究成果，在对装配体进行详细研究后，首次提出断集法 f 】1 1 分割装配关联图，然后在一个合适规模上使用割集法生成装配序列。 1 2 3 多通道交互 人机交互研究的目标在于使用户与计算机系统的交互变得更加高效、简单、 安全。多通道人机交互【1 2 1 寻求新的交互手段，如数据手套、跟踪器、语音、c a v e 环境，以充分利用人的眼、耳、嘴、手，视觉、听觉及触觉通道。c l i s c t t 等开 发的远程保健系统是一个利用多通道交互的例子。但是，到目前为止，这些交 互技术并没有得到普遍的应用。如何利用这些智能接口，充分利用人的多种感觉 通道和运动通道，以并行、非精确方式与计算机系统进行交互，从而提高人机交 互的自然性和高效性，成为当前多通道人机交互领域的热点问题【1 4 1 。 本文采用的语音、跟踪器b i r d 、数据手套、立体眼镜等新型交互手段并结合 传统的键盘鼠标的多通道交互方式提高了交互的灵活性，使用户沉浸于虚拟的装 配环境中，采用更加自然的装配手段，高效的完成装配任务。 1 3 本文的组织 本文主要阐述了协同装配系统的架构，相关关键技术研究，包括装配序列规 划问题和虚拟环境中的多通道交互方式。 第二章介绍了协同装配系统架构，介绍了客户端和服务器端的技术实现。 第三章讲述了协同装配中装配序列的生成，使用断集法将复杂的装配任务分 解后，当子装配体的零件数目较少时( 一般要求少于6 个) 再使用割集法生成与 或图表示的装配序列。 第四章论述了支持协同装配的多通道交互方式，在将整个产品的装配任务分 解成面向用户的装配任务后，再把面向用户的装配任务分解成面向系统的基本交 山东大学硕士学位论文 互任务，这样任务实现容易，交互更加的自然灵活。 最后第五章是论文总结与工作展望。 山东大学硕士学位论文 第2 章协同装配系统架构 如今网络几乎无处不在，这对借助于w e b 实现协同设计提供了方便。本文 采用了c i s 结构的复制式同步协同系统 1 s l 框架，并做了系统实现。系统具有对模 型操作简单的功能，如平移、旋转、视点转换等，同时支持多种格式的文件，三 维模型在内部以“段( s e g m e n t ) ”结构保存，便于对模型进行不同的处理，更为 重要的是系统的跨平台性，适于u n i x 、w i n d o w s 、l i n u x 等主流操作系统，因此 易于移植。 2 1 系统架构 图2 - i 所示是复制式同步协同系统，采用了客户端服务器结构。该架构由于 用于t c p i p 的协议接口驱动是直接在t c p i p 函数之上封装而成的，因此适于企 业内部互联网，客户端和服务器都在同一局域网上的状况，或客户端和服务器是 直接连接到互联网上的情形( 通过防火墙开设的一个端口连接) 。 整个框架的实现流程是：首先将用户产生的事件收集在图形用户界面( g _ u i ) 工具的事件队列里。图形用户界面集成模块监视着事件队列，或向模型视图操作 库( m v o ) 对象、网络客户端对象派发适当的事件，或直接派发到三维图形系 统( 3 d g s ) 去。反过来，模型视图操作库应用对象也驱动a p i 工作。这些a p i 的功能是：把几何模块、几何模型连接桥( g m b ) 模块、网络模块( n e t ) 或者 三维图形系统这些对象与存储在各个部分的数据结合在起。 由服务器暂时存储当前“组( s e s s i o n ) ”的所有信息，其数据会由于有控制 权的用户数据的改变而更新，从而保持数据一致性。当有新用户加入，服务器把 用户需要的所有信息( 包括图形、对话和“组”的情况等) 发送给他，该新用户 就成为当前“组”中一员。最终的模型数据在各个客户端本地保存一份，服务器 的数据在关闭服务器后丢失，服务器不负责统一保存数据。 客户端应用框架如图图2 1 所示，图中显示了这些组件是如何彼此联系在一 起的，以及用户产生的事件是如何从图形用户界面工具包流向三维应用模块的。 客户端提供交互手段，具有建模以及对模型的操作功能，保存数据，支持打印等， 其功能主要由以下五个组件合作完成： 山东大学硕士学位论文 一一一一一一一- 一一一一一一一一一 图2 1 系统应用框架图 三维图形系统( 3 d g s ) ，它提供给开发者一个高层的、面向对象的a p i ， 该a p i 封装了图形数据库、高度优化的数据结构和算法，用于对三维图形的创 建、编辑、存储、操作、查询、纹理绘制以及打印等： 模型视图操作库( m v o ) 是一组独立于平台的c + + 对象，它实现了在 m c a d 中的一些普通功能，如模型创建、浏览，操作等； 图形用户界面连接( g u it o o l k i t ) 模块把三维应用框架连接到不同的 g u ii 具包需要做的工作封装在一起： 几何模型连接桥模块( g m b ) 把不同的模型内核连接到三维图形系统； 流工具包( s t r e a m ) 允许开发者创建和流化定制的h s f 文件或从三维图 形系统来的位文件； 客户端通过加入“组”，可从服务器读取如下数据： 1 ) 模型树的结构。读入后可在树浏览器中看到“段”的组成。双击任一个 “段”，可在视图区看到它的几何形状。 2 ) 读入简化的几何模型。经过l o d 技术处理过的几何模型文件流可以很快 传输过来，显示在视图区，客户还可以就地选择细化模型的方式。 3 ) 当前视图内的流对象。当视点改变，视图区内的模型更新要发回到服务 器处理。 服务器主要由两个功能模块组成： 1 ) 核心逻辑。用于管理“组”，储存“组”和客户的信息，提供加入删除 用户的功能，并发送消息到客户端。这个核心逻辑是由一组内置的消息句柄支持 实现的。正是服务器的这种功能使得在任何时候加入的客户端都能看到当前的状 态，保持了数据的一致性。 2 ) 定制接口。通过“回调”机制注册定制消息句柄，可将定制的功能加入 到服务器。那么服务器派发一个用户定义的消息到相应的已经注册了的用户定义 的函数，这个函数就会处理这个消息。服务器接口和客户端相互收发消息，用于 t c p p 协议的驱动封装了特定协议的逻辑，在客户端也是如此。 2 2 数据传输和消息分类 视图中的数据由图形工具包实现压缩，它与图形核子系统关联，表示实体方 便。当使用菜单“文件”一 “载入”打开文件，即生成数据流，进行传输。为方 便识别和处理消息( 指命令或对话信息，在此统称为消息) ，对消息进行了分类 封装，这样不同的消息采用不同的发送方法和处理机制，保证发送、转发和接收 的有效性和正确性。消息基本分为三类： 1 ) 内定义的“客户端到服务器”型：受服务器的核，1 5 逻辑支持。客户端发 7 2 3 工作流程 建立一个协同工作的视图应用过程如下( 图2 - 2 所示) ： 1 ) 一个客户通过发送建立s e s s i o n 和加入s e r v e r 的消息给服务器来初始化 一个s e s s i o n 。一个s e s s i o n 包括一个定制文件的共享视图，这个文件在远程服务 器上，s e s s i o n 建立后传输到客户端。建立s e s s i o n 的客户端对视图有控制权。 2 ) 另一个用户连接到服务器，得到s e s s i o n 的列表，发送加入s e s s i o n 的消 息链接到特定的s e s s i o n 中，那么共享的视图就建立了 3 ) 有控制权的客户端对共享视图的操作有：移动、放大、缩小、旋转、绘 图等。在这个交互过程中，也许在交互的最后，用户会发一个设置视点的消息。 4 ) 服务器内没有注册设置视点的消息，然后就把它发送到所有的其他客户 端 5 ) 无控制权的客户端收到消息，就会调用相应的视点操作函数。无控制权 的客户端能够看到有控制权客户端的所有操作和操作结果。 6 ) 无控制权的客户端虽然也可对共享视图进行诸如选择、移动等操作，但 因为没有控制权，所有这些操作的命令只在本地起作用，并不作为消息发送出去， 因此其他客户端看不到他的操作。 山东大学硕士学位论文 2 4 实例 图2 - 2 建立一个协同工作的视图应用过程 系统的协同设计能力只是涉及简单的3 d 模型的绘制，如绘制立方体、圆锥 等，也可对3 d 模型做标注、测量尺寸等，还可对模型进行简单的编辑。在产品 的概念设计阶段的应用比较合适。 图2 - 3 展示了两个客户端在协同地绘制图形，彩色的密封阎是有控制权方载 入的，黄色的圆柱体也是由控制权方绘制的，因此两个客户端都显示出来，而红 色的圆球是无控制权方绘制的，故只在该客户端显示，说明其绘制消息没有被发 送。因此只有有控制权的一方的信息才能被服务器发送至其他客户端。一开始的 控制权由服务器分配给创建s e s s i o n 的客户端，其他客户端可在任意时刻申请控 制权，但他们得到控制权的顺序将按先来先服务的顺序，一旦拥有控制权的客户 端释放了控制权，则服务器将控制权自动分配给首先申请控制权的客户端。以后 山东大学硕士学位论义 依次分配。控制权出服务器分配，它知道在任意时剡控制权在哪个客户端，因此 它妖转蓑寒鑫该霉声端懿撩终，毽虢是谨廷蠢舞毒掩裁较载客户端懿操孬习旋转 发，这样就避免了对同一图形进行操作产生的冲突。 瑟2 - 3 锈露设诗示弼 装配爝窭饿主要是与合捧荸像趣廷发过程孛，链溪缝嬲魏数攥建立弱一个丈 型隘力机横澄，经黼处理厝整个压力机以2 2 个部件组成，它们分别是：底座、 立棱4 令) 、攘蘩、镶心藩耱( 2 个) 、爨遽麓2 个) 、连投( 毒块) 、控紧螺辁 ( 4 根) 、支架( 4 个) 。以底座和支架为基础件，视为不可拆。其他零部件将可 按装配瘩弼蔹次装瓤下来。 对一个黻配体，为了便于协联，首先螫建立造成网络环境的协同装配模型t 建寇耜应豹装配拓扑结构嗣，生成装配序列。出予服务器的劝能限潮，爵静臻迸 纾攥羼装配只能冠蹭载入模型，雇动装配謦列，蠢+ 胃保迂镰同性，始累在装鼹过 程中有客户端加入s e s s i o n 中，则冀看到初时的载入状态，丽看不列当前的装配 袄各。关予装配赞械莲嚣实现藤瑟蠢经终了洋缨翳麓述，强2 一毒是p e 警台翡癸 同裟配场景，图2 。5 是在w o r k b e n c h 上语凿装配的情景。 出券大学硕士学位论文 蚕2 碡语音蠢手套静漭弱敬及潺音帮遘砉戆终嗣 图2 - 5 在s g iw o r k b e n c h 上语音装配的情景 ( 1 ) 断集：设v 1 是图g = ( v ，e ) 的点集v 的一个非空子集，v 1 为v 中不属于v 1 的点的集合，g 中端点分别属于v 1 和v l 的所有边的集合，称为g 的断集； ( 2 ) 割集：在连通图g 中，任一支路集若能符合下列条件，a 0 ：( a ) 移去 该集的所有支路，能使图g 分成两个独立部分；( b ) 在移去该集的支路时，只 要留下其中的任一支路，图仍然是连通的。则此支路集称为图g 的一个割集。 ( 3 ) 与或图：某些困难的问题可以等价成另一个比较简单的问题，如果一 个问题可能与若干个问题分别等价，而解决任何一个新问题又可以进一步转化为 解决与此问题分别等价的某些问题，如此便构成一棵树，其中每个节点代表要解 决的问题。这个棵树叫或树；某些困难的问题可以转化为与之等价的一组子问题。 如果一个问题与一组子问题等价。每一个子问题与一组新的子问题等价，如此就 构成一棵与树；把或树上的节点称为或节点，与树上的节点称为与节点，含有与、 或两种节点的图叫与或图。 ( 4 ) 关联矩阵：设g = ( v ，e ，巾) 是无向图，且v = f x l ，x 2 ，x n ) ，e = e l ，e 2 ，e r a ，称n x m 阶矩阵m = ( m i j ) 为无向图g 的关联矩阵，其中： ，2e j 关联于x i ，e j 是自环 m i j = j l c j 关联x i ，e j 不是自环 【0 e j 不关联x i 山东大学硕士学位论文 3 2 装配任务分解与序列生成 为保证序列生成的可行性【1 6 1 ，本文假设： 1 ) 两个零件或子装配体之间确实存在连接关系，以保证装配序列生成的可 行性； 2 ) 零件通过连接组成子装配体后，则子装配体内的零件间就建立了接触关 系，以确保装配的连续性； 3 ) 协同环境中支持两个或两个以上的装配动作； 一、装配任务的初步分解 在装配体的关联图中首先指定起始装配件，去掉其在图中对应顶点的所有 边，可将装配任务分为两部分或几部分。如果是几部分，将离散的顶点划归为一 部分，其余有联系的顶点作为一部分，这样保持每部分的最大内聚，然后对多于 6 个零件或部件的部分再进行分解。根据每部分装配任务的关联图，找出关联集 最大的顶点，然后求出该图的断集，则该断集将装配体分为两部分。 分解规则如下： 1 ) 若出现关联集最大的顶点有多个，则这些顶点作为一部分； 2 ) 对于离散的点之间不存在连接关系，因此其装配顺序任意，可把它们归 为一部分； 3 ) 关联集最大的顶点在所属于的部分中指定为首装零件，“装配关联图中度 数最大的节点通常即为装配基础件”1 9 1 【2 0 】； 4 ) 有同一零件用到多次的( 关键零件除外) ，若在装配树中处于同一层次， 只取其中一个参与序列规划即可 以此为原则进行分解，直至每部分零件数不多于6 个( 不包括由离散点组成 的部分) 而最终每个人的装配任务要在整个装配任务分解完毕并生成序列后， 按照装配量进行分配。 二、装配体中零件分类 根据零件间的接触关系，给出存在连接关系的子装配体中几种零件的定义： 1 ) 某一子装配体中与其他子装配体无任何关联的零件，称为普通零件； 山东大学硕士学位论文 2 ) 某一子装配体中与其他子装配体有关联的零件，又分两种： 与其他子装配体存在装配约束关系的零件，称之为关键零件f 引1 ； 与其他子装配体只有接触关系的零件，称之为次要零件； 这两类零件主要为解决冲突服务的，以保证装配任务的顺利完成。 三、装配体的装配序列生成算法 参与协同装配的人数首先决定了整个装配任务的最后安排。整个装配任务经 过初步分解后，算法针对每个部分进行，使协同装配中每个人有自己的装配序列。 同时算法保证在每个人完成自己的装配后，也就是整个装配任务完成的时候。 1 ) 首先对每个部分生成装配树，这可从s o l i d e d g e 的p a t h f i n d e r 中提取： 2 ) 从装配树的最低层的叶子节点( 表示零件) 往上依次处理各个子装配体。 对每个子装配体首先根据连接关系图，得到关联矩阵： 对所有含多于6 个零件的子装配体转3 ) 处理，否则转； 对于有6 个或6 个以下叶子节点的子装配体，可利用割集法生成以与或 图表示的装配序列； 生成了装配序列的子装配体用一个节点表示，如果有上一层，作为叶子节 点a n 3 , 上一层后，如果使兄弟数多于六个，转3 ) ，否则转；如果没有上一层 即为最顶层装配体( t o p 1 e v e la s s e m b l y ) ，则最终的装配序列生成，转4 ) ； 3 ) 对多于6 个零件的子装配体，按下列方法分解： 根据该部分的关联矩阵，找出关联集最大的顶点，然后求出该图的断集， 该断集将装配体分为两部分；如果关联集最大的顶点有多个，将其生成序列，作 为一个节点，分到零件数少的部分； 然后逐部分判断零件数，如果存在零件数多于六个的部分，将该部分转 处理；若所有部分中没有零件数多于六个则转： 对每个零件数少于等于六个的部分，调用割集法和与或图生成算法生成装 配序列，存放于链表中，返回一个链表指针： 根据返回的链表指针数，如果只有一个，表明最终序列生成则转，否则 将每个链表看作一个节点，连同起始装配件组成一个连通图，如果图中顶点数大 4 山东大学硕士学位论文 图3 - 1 装配序列算法主流程 图3 - 2 装配序列算法子流程 是 以后出现的删掉； 2 ) 某关键零件在子序列的后边出现的，最后在总序列中保留最靠后的位置， 在它前面出现的删掉。 五、实例 图3 3 是j 3 9 6 0 0 压力机的零件名称与模型的对应图，图3 _ 4 是装配关联图， 共由2 7 个零部件组成( 简化后的模型) ，所有顶点或为部件( 即子装配体) ，或 为零件，这些零部件基本构成了整个压力机框架。图中黑色框表示该零件在装配 过程中属于关键零件，阴影框表示次要零件，它们的功能和作用在前面已经作了 陈述。 以下图3 4 表示了指定1 0 1 0 1 为起始装配件，它的关联集将整个关联图分为 两部分，图3 5 中点划线框内可生成序列，其余部分中以节点2 0 1 0 1 的关联集最 大，以它为中心做断集，则把该部分又分为两部分，图3 - 6 中a 可生成序列；点 划线框内零件数少于6 个，可生成序列，简化为b 节点；然后1 0 2 0 2 、1 0 2 0 1 、 1 0 3 0 1 和1 0 3 0 2 的关联集相同，看成一个节点c ，可生成序列，序列a ： 1 0 1 0 2 - 1 0 1 0 2 1 0 1 0 2 1 0 1 0 2 - 1 0 1 0 1 ，图3 7 中是进一步简化后，节点b 生成序 列：2 0 1 0 1 2 0 4 0 4 - 2 0 4 0 3 - 2 0 3 0 7 - 2 0 3 0 7 ( 2 0 4 0 4 和2 0 4 0 3 的顺序不能颠倒) 山东大学硕士学使论文 节点c 的序列：1 0 2 0 1 1 0 2 0 2 - 1 0 3 0 1 - 1 0 3 0 2 ( 这四个零件的顺序任意) ，到图 3 - 9 攘透了整个装酝髂弱分解逐壤，最惹餐裂今装配窍列。霆3 ，s 孛苇蔗d 蠢 e 可生成序列分别为d ：1 0 4 0 2 - 1 0 4 0 1 - 1 0 4 0 2 1 0 4 0 1 一 3 0 0 0 1 和e ( 由c 和其余 四个零件组成) ：1 0 2 0 1 - 1 0 2 0 2 - 1 0 3 0 1 - 1 0 3 0 2 一 1 0 9 0 3 一 1 0 9 0 4 - 1 0 9 0 3 - 1 0 9 0 4 最磊蘩3 - 9 骶示，婺令装配薅零餐季筝是5 令零释魏装配图，霹盘割集法瑟次孝裂， 如其中乏一个序列怒( a - 1 0 7 0 2 埔 e d ) ： 1 0 1 0 2 - 1 0 1 0 2 - 1 0 1 0 2 + 1 0 1 0 2 - 1 0 1 0 1 - 1 0 7 0 2 - 1 0 7 0 2 - 1 0 7 0 2 - 1 0 7 0 2 - 2 0 1 0 1 2 0 4 0 4 2 0 4 0 3 2 0 3 0 7 - 2 0 3 0 7 - 1 0 4 0 2 - 1 0 4 0 1 - 1 0 4 0 2 - 1 0 4 0 1 - 3 0 0 0 1 - 1 0 2 0 1 - 1 0 2 程- 1 0 3 0 1 1 0 3 0 2 - 1 0 9 0 3 - 1 0 9 0 4 - 1 0 9 0 3 - 1 0 9 0 4 图3 - 3 零部件与零部件号对应图 1 7 山东大学硕士学位论文 图3 4 分解初始状态 _ 一一。一一一一 j 回回回回 ， 图3 - 5 第二步，依次寻找具有第二大关联集的节点 山东大学硕士学位论文 图3 - 6 经过第二步分解后的简化图 图3 7 简化至节点a ，b ，c 后的装配图 1 i l i i j 山东大学硕士学位论文 图3 - 8 有四个简化节点的装配图 。 图3 - 9 只剩四个节点，可使用割集法生成序列 鼍1if ：，一 、 一 哆篓、o 孓蘧一 _ ，二 誉 皿鼍、 o l o 山东大学硕士学位论文 第4 章协同装配中多通道的交互研究 人机交互研究领域的目标在于使用户与计算机系统的交互变得更加高效、简 单、安全，而g u i 直在人机交互方式中居于主导地位【2 2 j 。为了使得在虚拟环 境下的产品装配过程的交互手段更加人性化，建立一个自然的多通道人机交互【2 3 】 模型是必要的，也是一个值得研究的领域。本文首先对复杂装配任务进行分解， 然后通过多通道的交互方式完成装配任务。 4 1 面向用户的装配任务 为完成虚拟装配中的复杂任务和多通道交互，首先将装配任务分解成面向用 户的装配任务，然后将面向用户的装配任务分解成面向系统的基本交互任务【刎。 分解的规则是模拟实际生产中工作人员对部件的操作原则来定的，因此面向 用户的装配任务可分解为：部件的选择、部件的抓取、部件的移动、部件的释放； 面向系统的基本交互任务则分解为：定位、选取、移动、缩放、旋转、碰撞、显 色、释放等。任务的对应关系如下图所示。举例来说，实际操作中，用户首先要 选择要装配的部件，然后实施装配。对用户的这种部件的选择任务，对应到系统 里就涉及到部件的定位、移动，以及可能产生的碰撞，部件颜色的改变等等。图 4 - 1 中还表示出了用户的装配顺序。 仁= = 表示虚拟装配过程中用户装配任务的顺序 匕：= 中的操作为面向用户的装配任务 仅依靠传统的鼠标键盘模式 仅依靠语音的模式 仅依靠数据手套和b i r d 等三维交互设备的模式 以及这几种模式的有机结合 图4 2虚拟装配中任务实现与交互设备的主要关系 语音或者键盘鼠标既可以参与所有的交互任务，也可以独立地完成所有的装 配任务。数据手套需与b i r d 配合