第7章产品的虚拟设计86

,*,单击此处编辑母版标题样式,第七章 产品虚拟设计技术,虚 拟 现 实 概 述,虚拟现实硬件基础,虚拟现实软件技术,虚拟设计中的建模技术,虚拟设计与虚拟制造,计算机触觉与,CAD,第一节,虚,虚,拟,拟现实概,述,述,虚拟现实,是当代信,息,息科学的,前,前沿研究,领,领域，它,综,综合运用,计,计算机图,形,形学，计,算,算机视觉,，,，心理学,，,，传感器,等,等多方面,技,技术，在,计,计算机中,营,营造一个,虚,虚拟的环,境,境，通过,实,实时的，,立,立体的三,维,维图形显,示,示、声音,模,模拟、自,然,然的人机,交,交互界面,来,来仿真现,实,实世界中,早,早已发生,、,、正在发,生,生或尚未,发,发生的事,件,件，并使,用,用户产生,身,身临其境,的,的真实感,觉,觉。,一、虚拟,现,现实的概,念,念,二、虚拟,现,现实技术,的,的发展历,史,史,Virtual Reality,80,年代中期,1972,年,1965,年,1929,年,美国宇航,局,局,NASA,的,Ames,研究中心,利,利用液晶,显,显示器和,其,其他零部,件,件开始研,制,制低成本,的,的 虚拟,现,现实设备,Nolan Bushnell,开发了一,种,种电子游,戏,戏，允许,通,通过电视,屏,屏幕操纵,一,一个弹跳,的,的乒乓球,IvanSutherland,设计了一,种,种头戴式,图,图形显示,器,器,Edwin Link,设计了一,种,种飞行模,拟,拟器,三、虚拟,现,现实的特,征,征,沉浸感,自主性,交互性,计算机生成的,虚拟世界能,给人一种身临,其境的感觉，,如同进入了一,个真实的客观,世界,在虚拟环境中，,操作者能够对,虚拟环境中的,事物进行操作，,并且操作的结,果能被操作者,所感知,在虚拟环境中，,对象的行为是,自主的是由程,序自动完成的,虚拟现实,的,的三,I,图,Immersion(,沉浸）,Interaction,（交互）,Imagination(,想象）,B,E,C,D,A,交互作用,（,Interaction,）,视觉,(VisualPerception),听觉,(Acoustic Perception),触觉,(HapticPerception),嗅觉,（,Olfactory Perception,）,四、虚拟,现,现实的组,成,成,虚拟现实,的,的组成,工程应用,：,：汽车制,造,造业、飞,行,行仿真、,虚,虚拟实验,医学领域,：,：外科手,术,术、训练,与,与预演,教育培训,领,领域：建,筑,筑工程学,、,、考古学,、,、导游培,训等,军事应用,：,：步兵训,练,练系统、,作,作战仿真,系,系统,五、虚拟,现,现实的应,用,用领域,六、虚拟,现,现实技术,的,的分类,桌面虚拟,现,现实：利,用,用个人计,算,算机和低,级,级工作站,进,进行仿,真，将计,算,算机的屏,幕,幕作为用,户,户观察虚,拟,拟境界的,一,一个窗口,。,。,包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法,沉浸的虚,拟,拟现实：,高级虚拟,现,现实系统,提,提供完全,沉,沉浸的,体验，使,用,用户有一,种,种置身于,虚,虚拟境界,之,之中的感,觉,觉。,增强现实,性,性的虚拟,现,现实：,利用增强,现,现实性的,虚,虚拟现实,来,来,增强参与,者,者对真实,环,环境的感,受,受，也就,是,是增强现,实,实中无法,感知或不,方,方便的感,受,受。,分布式虚,拟,拟现实：,在分布式,虚,虚拟现实,系,系统中，,多,多个用,户可通过,网,网络对同,一,一虚拟世,界,界进行观,察,察和操作,，,，以达,到协同工,作,作的目的,。,。,七、虚拟,现,现实技术,发,发展趋势,动态环境,建模技术,VR,技术的核,心内容，其,目的是获取,实际环境的,三维数据，,根据需要建,立相应的虚,拟环境模型,实时三维,图形生成和,显示技术,在不降低,图形的质,量和复杂,程度的前,提下，如,何提高刷,新频率,新型交互,设备的研制,新型、便,宜、优良,的数据手,套和数据,服将成为,未来研究,的重要,方向,对模型的属,性、方法和,一般特点的,描述通过语,音识别技术,转化成建模,所需的数据,智能化语,音虚拟现,实建模,大型网络,分布式应用,将分散的虚,拟现实系统通,过网络联结，采,用协议和数据,库，形成一个在,时空上互相耦,合的虚拟、合成,环境，参与者,可自由地进行,交互,第二节,虚,虚拟现,实,实硬件基,础,础,传感手套,三维鼠标,数据衣,触觉与力,反,反馈的装,置,置,虚拟现实,硬件基础,3D,位置跟踪,器,器,立体显示,设,设备,3D,声音生成,器,器,一、虚拟现实,硬,硬件基础,几种常见的数,据,据手套,几种,3D,鼠标,几种立体显示,设,设备,立体眼镜,立体投影设备,三维显示器,头盔式显示器,视线位置跟踪,器,器,力反馈系统,空间交互球,立体显示器,二、虚拟现实,硬,硬件系统结构,人,位置传感器,头盔显示器,立体声耳机,数据手套,硬件层,位置信息,声音实时生成,触觉实时生成,图形实时生,成与渲染,软件层,第三节,虚,虚拟现实软件,技,技术,语言类：,如,C,、,OpenGL,、,VRML,、,OGRE,等,1,虚拟环境中采,用,用的软件有四,类,类：,2,建模软件类：,如,AutoCAD,、,Pro/Engineer,、,CATIA,等,3,应用软件类：,指用户自己的,各种需求，选,择或者开发的,自用软件,4,通用的商用工,具软件包：帮,助用户建立虚,拟环境的通用,和基本软件,一、,VRML,概述,VRML,（,Virtual Reality ModelingLanguage),是描述虚拟环,境,境中场景的一,种,种标准，利用,它,它可以在,Internet,上建立交互式,的,的三维多媒体,的,的境界。,VRML,本质上是一种,用,用于造型的脚,本,本语言，与目,前,前比较成熟的,造,造型软件如,AutoCAD,、,3D MAX,等相比，其最,大,大特色是实时,渲,渲染。使用已,有,有的造型软件,可,可以制作出极,为,为丰富的三维,效,效果，但不能,实,实时渲染和实,时,时交互，只能,预,预渲染后，以,一,一种旁观者的,身,身份观看渲染,效,效果，而不能,以,以参与者的身,份,份参与到虚拟,环,环境中。,二、,WTK,概述,WTK,（,WorldTool Kit,）是由,Sense8,公司开发的一,种,种虚拟现实系,统,统高级跨平台,开,开发环境。,WTK,提供一系列,WTK,函数，用户可,以,以调用这些函,数,数来构造虚拟,世,世界。,WTK,提供超过,1000,个,C,语言写的函数,库,库，使用户能,够,够方便地应用,面,面向对象的原,理,理，很快地生,成,成虚拟环境中,的,的复杂场景，,快,快速开发新的,虚,虚拟现实应用,系,系统。一个函,数,数调用能够代,替,替成百上千行,C,代码，极大地,缩,缩短了开发时,间,间。,WTK,构造的虚拟世,界,界可以组合各,种,种具有真实感,特,特性与行为的,对,对象。,WTK,支持,20,多种,3D,输入设备，它,还,还提供了外设,驱,驱动程序开发,接,接口和指南，,有,有利于用户开,发,发自己的三维,外,外设。,第四节,虚,虚拟设计中的,建,建模技术,虚拟设计中的,建,建模技术有：,几何建模,基于特征的建,模,模,基于特征的参,数,数化建模,几何建模用计,算,算机,及其图形工具,描,描述,几何物体的形,状,状、,设计几何形体,模,模拟,物体动态处理,过,过程,特征建模将特,征,征技术,引入产品设计,中,中，用,具有更高一层,次,次的具,有工程意义的,特,特征体,素来描述零件,。,。,基于特征的参,数,数化建,模将特征造型,技,技术与,参数化技术有,机,机地结,合起来，实现,对,对多种,设计方式和设,计,计形式,的支持。,第五章,虚,虚拟设计与虚,拟,拟制造,一、虚拟设计,系,系统的总体结,构,构,在产品并行开,发,发模式下，在,产,产品设计阶段,就,就可以考虑和,模,模拟产品零部,件,件制造，产品,装,装配及产品的,运,运行维护等产,品,品开发的整个,过,过程，多领域,的,的工程师对产,品,品进行完善，,根,根据对虚拟设,计,计系统功能的,描,描叙，创建基,本,本结构，其中,包,包括：,虚拟设计环境,系统的模型处,理,理,虚拟装配,运行过程仿真,产品开发过程,管,管理,虚拟设计系统,1,、虚拟系统机,构,构示意图,CAD,软件,装配仿真,模型处理,评价设计,开发管理,网络支持,虚拟环境,制造模拟,运行仿真,2,、各模块的功,用,用和相互之间,的,的关系,产品开发管理,模,模块为整个虚拟设,计,计过程提供支,持,持。,模型处理模块实现虚拟设计,系,系统和,CAD,软件间的数据,转,转换。,在,CAD,软件环境中建立虚拟设,计,计场景，完成,产,产品建模，提,供模型的交互,操,操作，对模型,在,在场景中的运,动,动作实时的碰,撞,撞,检测，并且对,模,模型进行数据,的,的提取和保存,。,。,在完成产品设,计,计后，经模型,载,载入虚拟设计系统中，进行装配,操,操作仿真，产,品,品工作过程交,互,互仿真，产品,的,的多用户评价,，,，检验所设计,的,的产品的可装,配,配性和可操作,性,性，以及产品,的,的制造成本和,生,生周期。,1,、,虚拟设计系统,开,开发流程图,建模,Solid works,二次开发,后置处理,Visual C+6.0,和,WTK9.0,装配仿真,运行仿真,设计管理,设计评价,网络支持,虚拟环境,数据保存,结束,模型转换,Solid works,环境,2,、系统的模型,处,处理,虚拟产品开发,过,过程的特点之,一,一就是利用存,储,储在计算机内,部,部的数字化模,型,型,虚拟产品来代,替,替实物模型进,行,行仿真，分析,，,，从而提高产,品,品在时间、质,量,量、成本、服,务,务和环境等多,目,目标中的决策,水,水平，达到全,局,局优化和一次,性,性开发成功的,目,目的。,目前，产品开,发,发过程往往是,先,先在,CAD,系统完成零件,的,的设计建模，,然,然后在虚拟环,境,境中进行产品,的,的装配设计和,分,分析。大多数,虚,虚拟设计系统,通,通过读取,CAD,系统输出的多,边,边形面片模型,（,（通常为三角,面,面片模型）获,取,取零件信息。,3,、,虚拟设计中零,件,件信息表达的,三,三个要求,零件信息表达,与,与组织应具有,高效性,，以实现系统,的,的实时交互。,零,件,件,信,信,息,息,表,表,达,达,的,的,完,整,整,性,性,，,既,既,包,包,含,含,几,几,何,何,信,信,息,息,，,，,又,又,包,包,含,含,工,工,程,程,设,设,计,计,信,信,息,息,，,，,并,并,满,满,足,足,设,设,计,计,与,与,分,分,析,析,的,的,精,精,度,度,要,要,求,求,。,。,便,于,于,CAD,系,统,统,与,与,虚,虚,拟,拟,设,设,计,计,系,系,统,统,的,的,数,据,据,转,转,换,换,及,及,信,信,息,息,集,集,成,成,。,。,虚拟制造,是,是以虚拟,现,现实技术,为,为基础的,、,、一种集,成,成的综合,制,制造环境,，,，用于加,强,强一个企,业,业各层次,的,的决策和,管,管理。,是一种“,数,数字样机,”,”的反复,设,设计,加工,装配,评价，得,到,到的和传,输,输的是数,据,据信息；,在,在实际制,造,造阶段才,需,需要投入,原,原料、人,员,员、厂房,、,、设备，,时,时间短、,成,成本低，,效,效率高，,风,风险小，,可,可以迅速,对,对市场的,需,需求做出,反,反应。,1,、虚拟制,造,造（,VirtualManufacturing,）,三、虚拟,制,制造系统,虚拟制造,系,系统是各,制,制造功能,的,的虚拟集,成,成,用户支持,工程分析,材料选用,工艺计划,工装分析,快速原型,信息描述,基本环境,仿真模型,虚拟制造,软,软件技术,支,支持,2,、虚拟制,造,造的技术,支,支持,可视化,中介模型,基层集成组织结构,3,、虚拟制,造,造系统的,三,三个类别,用于在产品的开发设计过程中为设计研究人员提供有关产品的制造信息,通过对生产过程的模拟仿真来经济、快捷的评价各种工艺方案、生产效率以及资源的供求状况,通过对控制模型及生产过程的模拟仿真，帮助在整个生产周期进行优化处理,以生产为中心,以控制为中心,以设计为中心,4,、,虚拟设计,与,与虚拟制,造,造的关系,确定和修,改,改其他围,绕,绕产品设,计,计、生产,和,和管理的,各,各项活动,规,规程,完善生产,工,工艺,利用虚拟,现,现实技术,对,对产品进,行,行预先试,制,制,发现问题,、,、改进设,计,计,产品投入生产,一、虚拟,环,环境中装,配,配设计的,关,关键技术,1,、虚拟环,境,境中装配,关,关系识别,虚拟环境,中,中装配设,计,计的首要,任,任务是根,据,据设计者,的,的交互操,作,作，实时,捕,捕捉设计,者,者的装配,设,设计意图,，,，识别并,建,建立零件,间,间的装配,关,关系。,2,、虚拟环,境,境中装配,运,运动导航,3,、虚拟环,境,境中装配,序,序列编辑,通过将空,间,间方位传,感,感器输入,的,的运动信,息,息投影到,零,零部件的,可,可自由运,动,动方向上,，,，实现对,零,零部件的,运,运动引导,。,。,设计者在,交,交互进行,虚,虚拟装配,建,建模的同,时,时，系统,自,自动记录,整,整个虚拟,装,装配建模,过,过程中所,产,产生的事,件,件、状态,及,及装配关,系,系。,第六节,虚,虚拟,装,装配,第七节,计,计算机触,觉,觉和,CAD,Definition and basicprinciplesof haptics,Hardwaredevices,Examplesofhapticsapplications,Haptic rendering,SDK,Concepts- Haptic Perception,Haptic, from the Greek,(,Haphe,),meansthesenseoftouch,MorelooselydefinedintheVirtualRealitycommunity:,informationacquisitionandobjectmanipulationthroughtouch,manualexplorationandmanipulation,HapticPerception,Involves,touch(tactileperception),motoraction,knowledgeofthepositionandmotionofthelimbsandjoints(kinaestheticperception),HapticPerception,Hapticinterfaces,“,Hapticinterfaces,referstointerfacesinvolvingthehumanhandandtomanualsensingandmanipulation.”(Durlachetal.,1994),Moregenerally,ahapticinterfaceprovidesameanstostimulatetheusersbodytosimulatethetouch,feel,etc.ofobjects,Render,forcesviaahapticdisplay(asgraphicsrendersimagesthroughavisualdisplay),Hapticinterface,(Basdogan),Applicationsofhaptics,Medicine,Entertainment,Education,Industry(CAD/CAM),Applications ofhaptics,Medicine,Entertainment,Education,Industry (CAD/CAM),Hardware,Haptic devices,Havebothsensors and actuators,Simulate forcesthebodyshould encounter ina virtualenvironment (VE),Allowa user tofeel, touch, and manipulate objects ina VE,Generate appropriatemechanical impedances,Simulate relation betweenforces and displacementsoverdifferentlocationson the skin attheappropriate times,Haptic devices,Useractsby moving/manipulating the haptic device,Haptic device trackposition and contactforces,Display appropriatecontact forces,prevent the end-effectorfrominterpenetrating objects.,givessense ofsolidity,allowforhaptic perception ofshape,PHANTOM Models,Desktop,Omni,Premium1.5 6DOF,Premium3.0,with finger stylus,(Sensable),Others,CyberGrasp,HapticMASTER,Force Dimension,Examples of haptics applications inCAD/CAM,Hapticsapplicationsin CAD/CAM,(YH Chen, ZY Yang),Applications,Haptictechnology cancovernearlyall theaspects of CAD,Geometric modeling,Reverseengineering,Virtualprototyping,Virtualmanufacturing,Haptic-based geometric modeling,Most importantapplication in CAD,Can becategorized with thegeometric representations,Polygonal meshes,Volume,NURBS patchesand B-rep model,Implicit volume, surface etc.,Polygonal meshes (inTouch),(Ming C. Lin),FreeForm,(Sensable),Samplemodelsof FreeForm,(Sensable),Samplemodelsof FreeForm,(Sensable),Prosandcons,Pro,Quick3Dideavisualisation,Quickdesignmodifications,Organicformcreation,3DTexturisation,Prosandcons,Con,Precision,(duetomodelrepresentation),Dataexchange,(duetomodelrepresentation),Notechnicaldrawings,Engineeringdetailingunavailable,Finiteelementanalysis,Filesize,(duetomodelrepresentation),UseofFreeForminnewproductdevelopment,Conceptdevelopment,System-leveldesign,Detaildesign,(B.Sener,I.Campbell),NURBSpatchesandB-repmodel,(F.Dachile,H.Qin),NURBSpatches(cont),(Z.GaoandI.Gibson),NURBSpatches(cont),(Z.GaoandI.Gibson),NURBSpatches(cont),(Z.GaoandI.Gibson),Implicitvolume,surface,pointsets,etc,(XHGuo,J.HuaandH.Qin),Reverseengineering,VirtualCMM,Pointcloudsholefilling,Virtual CMM(HKU),(ZYYang,YHChen),Hole filling,(XJHe, YH Chen),Virtual prototyping,Virtual assembly,(Boeing),Flexiblemulti-materialproduct simulation,(Z.Gao,YHChen),Hapticrendering,Architectureofhaptic applicationsforCAD,What is hapticrendering?,Togeneratetheforcedue to interaction in virtualenvirionment,Needstorunat1000 Hzorsurface vibrates (demanding),A hapticrenderingloopatleastincludes:,get_position(HIP);/positionand/ororientationofthe end-effector,calculate_force(force);/user-definedfunctiontocalculate forces,send_force(force);/calculatejointtorquesand reflectthe force backtothe userthroughthehaptic device,Categoryofhapticrendering algorithms,Pointtoobjects (3 DOFfeedback),Polygonalmesh,NURBSsurfaces,Implicitsurfaces,Raytoobjects(5DOFfeedback),Objecttoobject (6 DOFfeedback),Twomajorissues of hapticrenderingalgorithms,Collisiondetection,:,thedetection of collisionsbetweenthehaptic probe andvirtual objects,Collisionresponse,:,theresponsetothe detectionofcollisionintermsofhow theforcesreflected to theuser,(Basdogan& Srinivasan2002),Forcemodel,Damping spring(Hooke,sLaw) common,simpleand effective,Modelsaspringattachedtothe tipoftheprobeand anchored at apointonthe surfaceofthe objecttouched,Forcemagnitude:,F =kx,K,as,stiffnessconstant,: as highaspossiblefor rigid objects,Damping forbetterstability:,F =kx-dv,Forcedirection:,thelocal,normaltothe surfacethattheHIP collides with,SCP,HIP,BasicsofCollision Detection,Axis alignedboundingbox (AABB),Orientedboundingbox(OBB),BinarySpacePartitioning (BSP),AABB,OBB,BSP,(Basdogan& Srinivasan2002),AABB,HapticRendering of 3D Primitives,void calculate_force(Vector &force),floatX, Y,Z, distance;floatR = 20.0;,/ HIP: tippointof theend-effectorX = HIP0;Y = HIP1;Z = HIP2;distance = sqrt(X*X + Y*Y + Z*Z);,if(distance R),force0 = X/distance *(R-distance);force1 = Y/distance *(R-distance);force2 = Z/distance *(R-distance);,(Basdogan& Srinivasan 2002),Point-basedhapticinteraction,1,2,3,4,5,6,SCP (surface contact point),Haptic Interaction Point (HIP),(Sensable),Haptics SDK, OpenHaptics,The OpenHaptics toolkitincludes,(Sensable),OpenHaptics, basic features,Patterned after the OpenGL,Code reuse,Extensible architecture,HapticDevice API(HDAPI),HapticLibrary API(HLAPI),HDAPI,(Sensable),HLAPI,(Sensable),HLAPIis OpenGL like,Rendering isstate-machine based with event callbacks,Stateincludes transformations, material properties, rendering modes,Material effects,Stiffness, damping, friction,For example,hlMaterialf(HL_FRONT_AND_BACK,HL_STATIC_FRICTION, 0.2);,hlMaterialf(HL_FRONT_AND_BACK,HL_DYNAMIC_FRICTION, 0.3);,Surface constraints,Can model snapping magnetically toa surface,Typical HLAPI program structure,Open GL Setup,HLAPI Setup,Map Haptic to graphic,Workspace,Process Events,hl Begin Frame,Render Graphics,Render Haptics,hl End Frame,Draw 3D Cursor,(Sensable),演讲完毕，谢,谢,谢观看！,