一種虛擬柔性電纜的混合建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于柔性物體建模的技術(shù)領(lǐng)域，具體是虛擬環(huán)境下一種柔性電纜的混合建 模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 柔性電纜是機(jī)電產(chǎn)品中非常重要的組成部件，電纜的合理布局和可靠安裝將直接 影響到機(jī)電產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。傳統(tǒng)電纜布局安裝是通過在實(shí)物樣機(jī)上進(jìn)行的，需通過多 次反復(fù)試裝來逐步完善，因此導(dǎo)致電纜布局安裝的整體效率差。
[0003] 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)為在虛擬環(huán)境下柔性電纜建模和仿真提供了新的方法，使得 柔性電纜的建模和仿真問題越來越受到關(guān)注。目前針對(duì)電纜的建模研究已經(jīng)取得了一定的 成果。在2000年，Hergenrother等就提出了虛擬電纜的概念，且利用大小相同的圓柱體， 通過球形節(jié)點(diǎn)連接來對(duì)電纜建模，節(jié)點(diǎn)處采用螺旋彈簧表示電纜的抗彎特性，并利用了能 量?jī)?yōu)化法確定電纜最終形態(tài)。中國工程物理研究院總體工程研究所的王峰軍、魏發(fā)遠(yuǎn)等在 2008年9月進(jìn)一步公開了基于能量?jī)?yōu)化的電纜幾何建模的方法；該方法更多的體現(xiàn)的是電 纜姿態(tài)的逼真度上的靜態(tài)效果。北京理工大學(xué)的王志斌、劉檢華等在2014年2月公開了面 向電纜虛擬裝配仿真的多分支彈簧質(zhì)點(diǎn)模型，對(duì)質(zhì)點(diǎn)彈簧的柔性電纜的建模方法進(jìn)行了研 究。質(zhì)點(diǎn)彈簧法在表現(xiàn)電纜運(yùn)動(dòng)過程中的姿態(tài)逼真度上很有優(yōu)勢(shì)。這兩種方法只是被單一 運(yùn)用到電纜建模中。但是，在實(shí)際情況下，經(jīng)常出現(xiàn)對(duì)電纜的不同部位的要求不同，有些部 位對(duì)電纜的靜態(tài)的逼真度要求較高，例如在被兩個(gè)卡箍固定的那部分電纜。而有些部位對(duì) 電纜的動(dòng)態(tài)姿態(tài)的逼真度要求較高，例如靠近電連接器的部位的電纜，在維修排故過程中 經(jīng)常需要對(duì)其進(jìn)行插拔。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)電纜在虛擬仿真中能夠真實(shí)地體現(xiàn)電纜的物理特性和運(yùn)動(dòng)特征， 提高電纜模型精確性和逼真度，提供了一種虛擬柔性電纜的混合建模方法。
[0005] 本發(fā)明提供的虛擬柔性電纜的混合建模方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1 :構(gòu)建柔性電纜的混合模型；
[0007] 設(shè)將電纜分成了 N段，對(duì)要求靜態(tài)姿態(tài)逼真度高的子電纜采用能量?jī)?yōu)化法建模， 對(duì)要求動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)姿態(tài)逼真度高的子電纜采用質(zhì)點(diǎn)彈簧法建模；設(shè)第m段子電纜要求靜態(tài)姿 態(tài)逼真度高，設(shè)第m+1段子電纜要求動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)姿態(tài)逼真度高；N、m均為正整數(shù)；
[0008] 步驟1. 1，利用能量?jī)?yōu)化法建立第m段子電纜模型；
[0009] 步驟1. 2,利用質(zhì)點(diǎn)彈簧法建立第m+1段子電纜模型；
[0010] 步驟1. 3,設(shè)Ani為第m段子電纜和第m+1段子電纜的連接點(diǎn)，設(shè)置所連接的兩個(gè)子 電纜段過同一定點(diǎn)的約束，以及在該連接點(diǎn)處所連接的兩個(gè)子電纜段的切線方向一致的約 束；
[0011] 步驟1. 4,確定柔性電纜的混合模型如下：
[0013] 其中，E_TC表示第m段子電纜的總能量，α為電纜的拉伸系數(shù)，β為電纜的彎曲 系數(shù)，W表示第m段子電纜擬合的曲線，Wu和W uu分別表示曲線W沿參數(shù)方向的一階導(dǎo)數(shù)和 二階導(dǎo)數(shù)，參數(shù)u e [0, 1] ;f是單位長(zhǎng)度電纜的重量；第m+l段子電纜的表達(dá)式表示該段 子電纜段中所用控制點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，第m+1段子電纜離散為η段，X 0i^ih表示該段子電纜第 i+Ι個(gè)控制點(diǎn)在三維空間中的位置，是模型的求解目標(biāo)，表示該控制點(diǎn)的質(zhì)量，i = 0, 1，···，!! 表示防止計(jì)算過程中質(zhì)點(diǎn)過度震蕩設(shè)置的阻尼系數(shù)，與質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)， F外表示控制點(diǎn)所受外力，F(xiàn)rt (Xwibt)表示控制點(diǎn)所受內(nèi)力，它們均隨控制點(diǎn)位 置和時(shí)間t的變化而變化。
[0014] 在連接點(diǎn)Ani處滿足如下約束：
[0015] 所連接的兩個(gè)子電纜段過同一定點(diǎn)的約束：
[0016]
[0017] 其中，Wnil (Uni)表示曲線Wnil (U)通過型值點(diǎn)Ani，曲線在該點(diǎn)的參數(shù)值為IV Bji2 (Uni) 為對(duì)應(yīng)的二次B樣條基函數(shù)，1為用于描述二次B樣條曲線的特征多邊形頂點(diǎn)；M表示連接 點(diǎn)Ani的質(zhì)量，F(xiàn) %分別為連接點(diǎn)所受的內(nèi)力和外力；
[0018] 所連接的兩個(gè)子電纜段的切線方向一致的約束：
[0019]
[0020] 其中，Wnil(Uni)表示第m段子電纜上第i段曲線W nil(U)通過連接點(diǎn)Ani，且Wnil(U)在該 點(diǎn)的參數(shù)值為um;Wmiu(Um)表示曲線Wmi(U m)沿參數(shù)方向的一階導(dǎo)數(shù)；1\表示單位向量，為連 接點(diǎn)Ani與相鄰控制點(diǎn)X 的切線方向，V η V1+1和V 1+2表示用于描述二次B樣條曲線的特 征多邊形頂點(diǎn)。
[0021] 步驟2,處理電纜的約束，約束包括端點(diǎn)約束和卡箍約束。
[0022] 針對(duì)基于分別針對(duì)采用能量?jī)?yōu)化法所建的子電纜模型，以及采用質(zhì)點(diǎn)彈簧法所建 的子電纜模型，進(jìn)行約束處理。
[0023] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果在于：本發(fā)明解決了在實(shí)際情況中，對(duì)電纜不同部位所 表現(xiàn)的物理特性和運(yùn)動(dòng)特性的要求有所偏重的問題。本發(fā)明所建立的柔性電纜的混合模 型，還可根據(jù)實(shí)際的需要選擇合適的方法進(jìn)行電纜建模；使建立的柔性電纜模型，在虛擬環(huán) 境下，不僅滿足虛擬環(huán)境對(duì)電纜運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的實(shí)時(shí)性要求，而且在電纜模型中盡可能多地考 慮了電纜的物理屬性，使其形態(tài)更加符合物理性質(zhì)的要求，提高了柔性電纜模型的真實(shí)性。 為后續(xù)的虛擬電纜布局、裝配、總裝排故和維修仿真提供支撐。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明柔性電纜的混合模型示例圖；
[0025] 圖2為線性彈簧受力示意圖；
[0026] 圖3為卷曲彈簧受力示意圖；
[0027] 圖4為典型電纜約束情況示意圖；
[0028] 圖5為某種設(shè)備的局部電纜分布示意圖；
[0029] 圖6為柔性電纜的圓環(huán)彈開過程示意圖；
[0030] 圖7為圖6實(shí)際情況中的簡(jiǎn)化圖；
[0031] 圖8為柔性電纜在重力情況下的下垂情況示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0033] 本發(fā)明為了提高電纜仿真的真實(shí)性，結(jié)合能量?jī)?yōu)化法和質(zhì)點(diǎn)彈簧法的特點(diǎn)提出了 一種虛擬柔性電纜的混合建模方法。在電纜仿真中，按照電纜不同部分的要求將電纜分段 處理，并根據(jù)能量?jī)?yōu)化法和質(zhì)點(diǎn)彈簧法的特點(diǎn)，對(duì)靜態(tài)姿態(tài)的逼真度要求較高的那些固定 的子電纜段，采用能量?jī)?yōu)化法進(jìn)行柔性電纜建模；而對(duì)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)姿態(tài)逼真度的要求較高的 那些在布線、裝配、維修及在總裝排故操作中經(jīng)常涉及到插拔等操作的子電纜段采用質(zhì)點(diǎn) 彈簧法進(jìn)行柔性電纜建模，從而使虛擬電纜模型的精確性和逼真度更高。由于兩種方法所 建立的模型不同，因此需要考慮如何將兩種方法所建立的電纜段模型結(jié)合起來，這就要求 在連接點(diǎn)處進(jìn)行處理，以保證整體電纜模型的精確性和逼真度。
[0034] 下面對(duì)本發(fā)明虛擬柔性電纜的混合建模方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0035] 步驟1 :構(gòu)建柔性電纜的混合模型。
[0036] 本發(fā)明柔性電纜的混合模型是按照不同的要求采取能量?jī)?yōu)化法和質(zhì)點(diǎn)彈簧法對(duì) 電纜進(jìn)行分段建模。假設(shè)電纜被分成了 N段，N為正整數(shù)，Ani記為第m段子電纜和第m+1 段子電纜的連接點(diǎn)，并假設(shè)第m段子電纜對(duì)靜態(tài)姿態(tài)逼真度要求高，因此采用了能量?jī)?yōu)化 法對(duì)其建模，第m+1段子電纜對(duì)實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)逼真度要求高，采取了質(zhì)點(diǎn)彈簧法對(duì)其建 模。如圖1所示是電纜的第m段和m+1段子電纜的混合模型。圖1中，第m+1段子電纜為 質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型，其中 X(m+l)i、