產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)概述

1、第七章第七章 產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)第一節(jié)第一節(jié) 虛擬現(xiàn)實(shí)概述虛擬現(xiàn)實(shí)概述虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)是當(dāng)代信息科學(xué)的前沿研究領(lǐng)域，它綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，計(jì)算機(jī)視覺，心理學(xué)，傳感器等多方面技術(shù)，在計(jì)算機(jī)中營(yíng)造一個(gè)虛擬的環(huán)境，通過實(shí)時(shí)的，立體的三維圖形顯示、聲音模擬、自然的人機(jī)交互界面來仿真現(xiàn)實(shí)世界中早已發(fā)生、正在發(fā)生或尚未發(fā)生的事件，并使用戶產(chǎn)生身臨其境的真實(shí)感覺。一、虛擬現(xiàn)實(shí)的概念一、虛擬現(xiàn)實(shí)的概念二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷史二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷史8080年代中期年代中期美國(guó)宇航局NASA的Ames研究中心利用液晶顯示器和其他零部件開始研制低成本的 虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備Nolan Bushnell

2、開發(fā)了一種電子游戲，允許通過電視屏幕操縱一個(gè)彈跳的乒乓球Ivan Sutherland設(shè)計(jì)了一種頭戴式圖形顯示器Edwin Link設(shè)計(jì)了一種飛行模擬器三、虛擬現(xiàn)實(shí)的特征三、虛擬現(xiàn)實(shí)的特征沉浸感沉浸感交互性交互性計(jì)算機(jī)生成的計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界能虛擬世界能給人一種身臨給人一種身臨其境的感覺，其境的感覺，如同進(jìn)入了一如同進(jìn)入了一個(gè)真實(shí)的客觀個(gè)真實(shí)的客觀世界世界在虛擬環(huán)境中，在虛擬環(huán)境中，操作者能夠?qū)Σ僮髡吣軌驅(qū)μ摂M環(huán)境中的虛擬環(huán)境中的事物進(jìn)行操作，事物進(jìn)行操作，并且操作的結(jié)并且操作的結(jié)果能被操作者果能被操作者所感知所感知 在虛擬環(huán)境中，在虛擬環(huán)境中，對(duì)象的行為是對(duì)象的行為是自主的是由程自主的是由

3、程序自動(dòng)完成的序自動(dòng)完成的虛擬現(xiàn)實(shí)的三 I 圖Immersion(沉浸）Interaction（交互）Imagination(想象）交互作用交互作用（Interaction）視覺視覺(Visual Perception)聽覺聽覺(Acoustic Perception)觸覺觸覺(Haptic Perception)嗅覺嗅覺（Olfactory Perception）四、虛擬現(xiàn)實(shí)的組成四、虛擬現(xiàn)實(shí)的組成工程應(yīng)用：汽車制造業(yè)、飛行仿真、虛擬實(shí)驗(yàn)工程應(yīng)用：汽車制造業(yè)、飛行仿真、虛擬實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：外科手術(shù)、訓(xùn)練與預(yù)演醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：外科手術(shù)、訓(xùn)練與預(yù)演教育培訓(xùn)領(lǐng)域：建筑工程學(xué)、考古學(xué)、導(dǎo)游培教育培訓(xùn)領(lǐng)域：建

4、筑工程學(xué)、考古學(xué)、導(dǎo)游培 訓(xùn)等訓(xùn)等軍事應(yīng)用：步兵訓(xùn)練系統(tǒng)、作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)軍事應(yīng)用：步兵訓(xùn)練系統(tǒng)、作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)五、虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域五、虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域六、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分類六、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分類 桌面虛擬現(xiàn)實(shí)：利用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站進(jìn)行仿 真，將計(jì)算機(jī)的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個(gè)窗口。 包括一切與之有關(guān)的具有自然模擬、逼真體驗(yàn)的技術(shù)與方法包括一切與之有關(guān)的具有自然模擬、逼真體驗(yàn)的技術(shù)與方法 沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)：沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)：高級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供完全沉浸的 體驗(yàn)，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)：利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)來 增強(qiáng)參與者對(duì)真實(shí)

5、環(huán)境的感受，也就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中無法 感知或不方便的感受。 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)：分布式虛擬現(xiàn)實(shí)：在分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，多個(gè)用 戶可通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)同一虛擬世界進(jìn)行觀察和操作，以達(dá) 到協(xié)同工作的目的。 七、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)七、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)VR技術(shù)的核心內(nèi)容，其目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，根據(jù)需要建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型實(shí)時(shí)三維圖形生成和顯示技術(shù)在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜程度的前提下，如何提高刷新頻率 新型交互設(shè)備的研制新型、便宜、優(yōu)良的數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)服將成為未來研究的重要方向 對(duì)模型的屬性、方法和一般特點(diǎn)的描述通過語音識(shí)別技術(shù)轉(zhuǎn)化成建模所需的數(shù)據(jù)智能化語音虛擬現(xiàn)實(shí)建模大型網(wǎng)絡(luò)分布式

6、應(yīng)用將分散的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)，采用協(xié)議和數(shù)據(jù)庫(kù)，形成一個(gè)在時(shí)空上互相耦合的虛擬、合成環(huán)境，參與者可自由地進(jìn)行交互第二節(jié)第二節(jié) 虛擬現(xiàn)實(shí)硬件基礎(chǔ)虛擬現(xiàn)實(shí)硬件基礎(chǔ)傳感手套傳感手套三維鼠標(biāo)三維鼠標(biāo)數(shù)據(jù)衣數(shù)據(jù)衣觸覺與力反饋的裝置觸覺與力反饋的裝置3D3D位置跟蹤器位置跟蹤器立體顯示設(shè)備立體顯示設(shè)備3D3D聲音生成器聲音生成器u幾種常見的數(shù)據(jù)手套u(yù)幾種3D鼠標(biāo)u幾種立體顯示設(shè)備幾種立體顯示設(shè)備立體眼鏡立體眼鏡立體投影設(shè)備立體投影設(shè)備三維顯示器三維顯示器頭盔式顯示器頭盔式顯示器視線位置跟蹤器力反饋系統(tǒng)空間交互球立體顯示器立體顯示器 二、虛擬現(xiàn)實(shí)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二、虛擬現(xiàn)實(shí)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)人人位置傳感器位置

7、傳感器頭盔顯示器頭盔顯示器立體聲耳機(jī)立體聲耳機(jī)數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套硬件層硬件層位置信息位置信息聲音實(shí)時(shí)生成聲音實(shí)時(shí)生成觸覺實(shí)時(shí)生成觸覺實(shí)時(shí)生成圖形實(shí)時(shí)生圖形實(shí)時(shí)生成與渲染成與渲染軟件層軟件層第三節(jié)第三節(jié) 虛擬現(xiàn)實(shí)軟件技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件技術(shù)語言類：語言類：如如C C、OpenGLOpenGL、VRMLVRML、OGREOGRE等等 1虛擬環(huán)境中采用的軟件有四類：虛擬環(huán)境中采用的軟件有四類：2建模軟件類：建模軟件類：如如AutoCADAutoCAD、 Pro/Engineer Pro/Engineer、CATIACATIA等等 3應(yīng)用軟件類：應(yīng)用軟件類：指用戶自己的指用戶自己的各種需求，選各種需求，選擇

8、或者開發(fā)的擇或者開發(fā)的自用軟件自用軟件4通用的商用工通用的商用工具軟件包：幫具軟件包：幫助用戶建立虛助用戶建立虛擬環(huán)境的通用擬環(huán)境的通用和基本軟件和基本軟件一、一、VRMLVRML概述概述 VRML VRML（Virtual Reality Modeling Language)Virtual Reality Modeling Language) 是描述是描述虛擬環(huán)境中場(chǎng)景的一種標(biāo)準(zhǔn)，利用它可以在虛擬環(huán)境中場(chǎng)景的一種標(biāo)準(zhǔn)，利用它可以在InternetInternet上建立上建立交互式的三維多媒體的境界。交互式的三維多媒體的境界。 VRML VRML本質(zhì)上是一種用于造型的腳本語言，與目前比較成本質(zhì)

9、上是一種用于造型的腳本語言，與目前比較成熟的造型軟件如熟的造型軟件如AutoCADAutoCAD、3D MAX3D MAX等相比，其最大特色是實(shí)等相比，其最大特色是實(shí)時(shí)渲染。使用已有的造型軟件可以制作出極為豐富的三維效時(shí)渲染。使用已有的造型軟件可以制作出極為豐富的三維效果，但不能實(shí)時(shí)渲染和實(shí)時(shí)交互，只能預(yù)渲染后，以一種旁果，但不能實(shí)時(shí)渲染和實(shí)時(shí)交互，只能預(yù)渲染后，以一種旁觀者的身份觀看渲染效果，而不能以參與者的身份參與到虛觀者的身份觀看渲染效果，而不能以參與者的身份參與到虛擬環(huán)境中。擬環(huán)境中。二、二、WTKWTK概述概述 WTK WTK（World Tool KitWorld Tool Kit

10、）是由）是由Sense8Sense8公司開發(fā)的一種虛公司開發(fā)的一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)高級(jí)跨平臺(tái)開發(fā)環(huán)境。擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)高級(jí)跨平臺(tái)開發(fā)環(huán)境。WTKWTK提供一系列提供一系列WTKWTK函數(shù)，函數(shù)，用戶可以調(diào)用這些函數(shù)來構(gòu)造虛擬世界。用戶可以調(diào)用這些函數(shù)來構(gòu)造虛擬世界。WTKWTK提供超過提供超過10001000個(gè)個(gè)C C語言寫的函數(shù)庫(kù)，使用戶能夠方便地應(yīng)用面向?qū)ο蟮脑Z言寫的函數(shù)庫(kù)，使用戶能夠方便地應(yīng)用面向?qū)ο蟮脑?，很快地生成虛擬環(huán)境中的復(fù)雜場(chǎng)景，快速開發(fā)新的虛擬理，很快地生成虛擬環(huán)境中的復(fù)雜場(chǎng)景，快速開發(fā)新的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)。一個(gè)函數(shù)調(diào)用能夠代替成百上千行現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)。一個(gè)函數(shù)調(diào)用能夠代替成百上千行C

11、 C代碼，代碼，極大地縮短了開發(fā)時(shí)間。極大地縮短了開發(fā)時(shí)間。 WTK WTK構(gòu)造的虛擬世界可以組合各種具有真實(shí)感特性與行構(gòu)造的虛擬世界可以組合各種具有真實(shí)感特性與行為的對(duì)象。為的對(duì)象。WTKWTK支持支持2020多種多種3D3D輸入設(shè)備，它還提供了外設(shè)驅(qū)輸入設(shè)備，它還提供了外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)接口和指南，有利于用戶開發(fā)自己的三維外設(shè)。動(dòng)程序開發(fā)接口和指南，有利于用戶開發(fā)自己的三維外設(shè)。第四節(jié)第四節(jié) 虛擬設(shè)計(jì)中的建模技術(shù)虛擬設(shè)計(jì)中的建模技術(shù)虛擬設(shè)計(jì)中的建模技術(shù)有：虛擬設(shè)計(jì)中的建模技術(shù)有：幾何建模幾何建?；谔卣鞯慕；谔卣鞯慕；谔卣鞯膮?shù)化建?；谔卣鞯膮?shù)化建模幾何建模用計(jì)算機(jī)幾何建模用計(jì)算

12、機(jī)及其圖形工具描述及其圖形工具描述幾何物體的形狀、幾何物體的形狀、設(shè)計(jì)幾何形體模擬設(shè)計(jì)幾何形體模擬物體動(dòng)態(tài)處理過程物體動(dòng)態(tài)處理過程 特征建模將特征技術(shù)特征建模將特征技術(shù)引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，用引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，用具有更高一層次的具具有更高一層次的具有工程意義的特征體有工程意義的特征體素來描述零件。素來描述零件?；谔卣鞯膮?shù)化建基于特征的參數(shù)化建模將特征造型技術(shù)與模將特征造型技術(shù)與參數(shù)化技術(shù)有機(jī)地結(jié)參數(shù)化技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種設(shè)計(jì)方式和設(shè)計(jì)形式設(shè)計(jì)方式和設(shè)計(jì)形式的支持。的支持。第五章第五章 虛擬設(shè)計(jì)與虛擬制造虛擬設(shè)計(jì)與虛擬制造一、虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)一、虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)

13、構(gòu) 在產(chǎn)品并行開發(fā)模式下，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就可以考慮和模擬產(chǎn)品零部件制造，產(chǎn)品裝配及產(chǎn)品的運(yùn)行維護(hù)等產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)過程，多領(lǐng)域的工程師對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行完善，根據(jù)對(duì)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能的描敘，創(chuàng)建基本結(jié)構(gòu)，其中包括：虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境系統(tǒng)的模型處理 虛擬裝配運(yùn)行過程仿真 產(chǎn)品開發(fā)過程管理虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)1 1、虛擬系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意圖、虛擬系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意圖CAD軟件裝配仿真模型處理評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)開發(fā)管理網(wǎng)絡(luò)支持虛擬環(huán)境制造模擬運(yùn)行仿真2 2、各模塊的功用和相互之間的關(guān)系、各模塊的功用和相互之間的關(guān)系 產(chǎn)品開發(fā)管理模塊產(chǎn)品開發(fā)管理模塊為整個(gè)虛擬設(shè)計(jì)過程提供支持。為整個(gè)虛擬設(shè)計(jì)過程提供支持。 模型處理模塊模型處理模塊實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)和

14、實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)和CADCAD軟件間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。軟件間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。 在在CADCAD軟件環(huán)境軟件環(huán)境中建立虛擬設(shè)計(jì)場(chǎng)景，完成產(chǎn)品建模，提中建立虛擬設(shè)計(jì)場(chǎng)景，完成產(chǎn)品建模，提 供模型的交互操作，對(duì)模型在場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)作實(shí)時(shí)的碰撞供模型的交互操作，對(duì)模型在場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)作實(shí)時(shí)的碰撞 檢測(cè)，并且對(duì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取和保存。檢測(cè)，并且對(duì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取和保存。 在完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)后，經(jīng)模型載入在完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)后，經(jīng)模型載入虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，進(jìn)行裝中，進(jìn)行裝配操作仿真，產(chǎn)品工作過程交互仿真，產(chǎn)品的多用戶評(píng)價(jià)，配操作仿真，產(chǎn)品工作過程交互仿真，產(chǎn)品的多用戶評(píng)價(jià)，檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的可裝配性和可操作性，以及

15、產(chǎn)品的制檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的可裝配性和可操作性，以及產(chǎn)品的制造成本和生周期。造成本和生周期。1 1、虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)流程圖虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)流程圖建模Solid works二次開發(fā)后置處理Visual C+6.0和WTK9.0裝配仿真運(yùn)行仿真設(shè)計(jì)管理設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)支持虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)保存結(jié)束模型轉(zhuǎn)換Solid works環(huán)境2 2、系統(tǒng)的模型處理、系統(tǒng)的模型處理虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程的特點(diǎn)之一就是利用存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)字化模型虛擬產(chǎn)品來代替實(shí)物模型進(jìn)行仿真，分析，從而提高產(chǎn)品在時(shí)間、質(zhì)量、成本、服務(wù)和環(huán)境等多目標(biāo)中的決策水平，達(dá)到全局優(yōu)化和一次性開發(fā)成功的目的。目前，產(chǎn)品開發(fā)過程往往是先在 CAD系統(tǒng)完成零

16、件的設(shè)計(jì)建模，然后在虛擬環(huán)境中進(jìn)行產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)和分析。大多數(shù)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過讀取CAD系統(tǒng)輸出的多邊形面片模型（通常為三角面片模型）獲取零件信息。3 3、虛擬設(shè)計(jì)中零件信息表達(dá)的三個(gè)要求虛擬設(shè)計(jì)中零件信息表達(dá)的三個(gè)要求v零件信息表達(dá)與組織應(yīng)具有高效性高效性，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互。v零件信息表達(dá)的完整性完整性，既包含幾何信息，又包含工程設(shè)計(jì)信息，并滿足設(shè)計(jì)與分析的精度要求。v便于CAD系統(tǒng)與虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及信息集成。信息集成。 虛擬制造是以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的、一種集成的綜合制造環(huán)境，用于加強(qiáng)一個(gè)企業(yè)各層次的決策和管理。 是一種“數(shù)字樣機(jī)”的反復(fù)設(shè)計(jì)加工裝配評(píng)價(jià)，得到的和傳輸

17、的是數(shù)據(jù)信息；在實(shí)際制造階段才需要投入原料、人員、廠房、設(shè)備，時(shí)間短、成本低，效率高，風(fēng)險(xiǎn)小，可以迅速對(duì)市場(chǎng)的需求做出反應(yīng)。1 1、虛擬制造（、虛擬制造（Virtual ManufacturingVirtual Manufacturing）三、虛擬制造系統(tǒng)三、虛擬制造系統(tǒng)虛擬制造系統(tǒng)虛擬制造系統(tǒng)是各制造功能是各制造功能的虛擬集成的虛擬集成 用戶支持用戶支持 工程分析工程分析材料選用材料選用 工藝計(jì)劃工藝計(jì)劃 工裝分析工裝分析 快速原型快速原型 信息描述信息描述 基本環(huán)境基本環(huán)境 仿真模型仿真模型 虛擬制造軟件技術(shù)支持虛擬制造軟件技術(shù)支持2 2、虛擬制造的技術(shù)支持、虛擬制造的技術(shù)支持可視化可視化

18、 中介模型中介模型 基層集成基層集成組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu) 3、虛擬制造系統(tǒng)的三個(gè)類別、虛擬制造系統(tǒng)的三個(gè)類別 用于在用于在產(chǎn)品的開發(fā)產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)過程中為設(shè)計(jì)研究為設(shè)計(jì)研究人員提供有人員提供有關(guān)產(chǎn)品的制關(guān)產(chǎn)品的制造信息造信息 通過對(duì)生產(chǎn)通過對(duì)生產(chǎn)過程的模擬仿過程的模擬仿真來經(jīng)濟(jì)、快真來經(jīng)濟(jì)、快捷的評(píng)價(jià)各種捷的評(píng)價(jià)各種工藝方案、生工藝方案、生產(chǎn)效率以及資產(chǎn)效率以及資源的供求狀況源的供求狀況 通過對(duì)控通過對(duì)控制模型及生制模型及生產(chǎn)過程的模產(chǎn)過程的模擬仿真，幫擬仿真，幫助在整個(gè)生助在整個(gè)生產(chǎn)周期進(jìn)行產(chǎn)周期進(jìn)行優(yōu)化處理優(yōu)化處理以生產(chǎn)為中心以控制為中心以設(shè)計(jì)為中心4 4、虛擬設(shè)計(jì)與虛擬制造的關(guān)系虛

19、擬設(shè)計(jì)與虛擬制造的關(guān)系確定和修改其他圍繞產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理的各項(xiàng)活動(dòng)規(guī)程完善生產(chǎn)工藝?yán)锰摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)先試制發(fā)現(xiàn)問題、改進(jìn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品投入生產(chǎn)一、虛擬環(huán)境中裝配設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)一、虛擬環(huán)境中裝配設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)1、虛擬環(huán)境中裝配關(guān)系識(shí)別虛擬環(huán)境中裝配設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是根據(jù)設(shè)計(jì)者的交互操作，實(shí)時(shí)捕捉設(shè)計(jì)者的裝配設(shè)計(jì)意圖，識(shí)別并建立零件間的裝配關(guān)系。2、虛擬環(huán)境中裝配運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航3、虛擬環(huán)境中裝配序列編輯通過將空間方位傳感器輸入的運(yùn)動(dòng)信息投影到零部件的可自由運(yùn)動(dòng)方向上，實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件的運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)。設(shè)計(jì)者在交互進(jìn)行虛擬裝配建模的同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄整個(gè)虛擬裝配建模過程中所產(chǎn)生的事件、狀態(tài)及裝配關(guān)系。第六節(jié)第

20、六節(jié) 虛擬裝配虛擬裝配第七節(jié) 計(jì)算機(jī)觸覺和CADv Definition and basic principles of hapticsv Hardware devicesv Examples of haptics applications v Haptic renderingv SDKConcepts - Haptic Perception v Haptic, from the Greek (Haphe), means the sense of touchvMore loosely defined in the Virtual Reality community: information a

21、cquisition and object manipulation through touch manual exploration and manipulationHaptic PerceptionvInvolves touch (tactile perception) motor action knowledge of the position and motion of the limbs and joints (kinaesthetic perception)Haptic PerceptionHaptic interfacesv “Haptic interfaces refers t

22、o interfaces involving the human hand and to manual sensing and manipulation.” (Durlach et al., 1994)v More generally, a haptic interface provides a means to stimulate the users body to simulate the touch, feel, etc. of objectsv Render forces via a haptic display (as graphics renders images through

23、a visual display)Haptic interface (Basdogan)Applications of hapticsvMedicinevEntertainmentvEducationvIndustry (CAD/CAM)Applications of hapticsvMedicinevEntertainmentvEducationvIndustry (CAD/CAM)HardwareHaptic devicesv Have both sensors and actuatorsv Simulate forces the body should encounter in a vi

24、rtual environment (VE)v Allow a user to feel, touch, and manipulate objects in a VEv Generate appropriate mechanical impedances v Simulate relation between forces and displacements over different locations on the skin at the appropriate timesHaptic devicesvUser acts by moving/manipulating the haptic

25、 devicevHaptic device track position and contact forcesvDisplay appropriate contact forces prevent the end-effector from interpenetrating objects. gives sense of solidity allow for haptic perception of shapePHANTOM ModelsDesktopOmniPremium 1.5 6 DOFPremium 3.0with finger stylus(Sensable)Others Cyber

26、Grasp HapticMASTERForce DimensionExamples of haptics applications in CAD/CAMHaptics applications in CAD/CAM(YH Chen, ZY Yang)ApplicationsvHaptic technology can cover nearly all the aspects of CAD Geometric modeling Reverse engineering Virtual prototyping Virtual manufacturing Haptic-based geometric

27、modeling vMost important application in CAD vCan be categorized with the geometric representations Polygonal meshes Volume NURBS patches and B-rep model Implicit volume, surface etc. Polygonal meshes (inTouch)(Ming C. Lin)FreeForm(Sensable)Sample models of FreeForm(Sensable)Sample models of FreeForm

28、(Sensable)Pros and consvPro Quick 3D idea visualisation Quick design modifications Organic form creation 3D TexturisationPros and consvCon Precision (due to model representation) Data exchange (due to model representation) No technical drawings Engineering detailing unavailable Finite element analys

29、is File size (due to model representation)Use of FreeForm in new product developmentvConcept developmentvSystem-level designvDetail design(B. Sener, I. Campbell)NURBS patches and B-rep model(F. Dachile, H. Qin)NURBS patches (cont)(Z. Gao and I. Gibson)NURBS patches (cont)(Z. Gao and I. Gibson)NURBS

30、patches (cont)(Z. Gao and I. Gibson)Implicit volume, surface, point sets, etc(XH Guo, J. Hua and H. Qin)Reverse engineering vVirtual CMMvPoint clouds hole filling Virtual CMM (HKU)(ZY Yang, YH Chen)Hole filling(XJ He, YH Chen)Virtual prototypingvVirtual assembly (Boeing)vFlexible multi-material prod

31、uct simulation (Z. Gao, YH Chen)Haptic renderingArchitecture of haptic applications for CADHaptic renderingrunning at 1 KHzGraphic renderingrunning at 50 HzGeometry optimizationRender Geometric and physics engineInitialize geometry and physicsCompute physical status (FEM or MSS)Update geometryPhysic

32、s-based modeling toolsGeometric modeling toolsRead position and orientation of PHANToM deviceSend force feedback to operator handAny collision with models?Update the position of modeling toolYesNoWhat is haptic rendering?vTo generate the force due to interaction in virtual envirionment vNeeds to run

33、 at 1000 Hz or surface vibrates (demanding)vA haptic rendering loop at least includes:get_position (HIP); / position and/or orientation of the end-effector calculate_force(force); / user-defined function to calculate forces send_force(force); / calculate joint torques and reflect the force back to t

34、he user through the haptic deviceCategory of haptic rendering algorithms vPoint to objects (3 DOF feedback) Polygonal mesh NURBS surfaces Implicit surfacesvRay to objects (5 DOF feedback)vObject to object (6 DOF feedback)Two major issues of haptic rendering algorithmsv Collision detection: the detec

35、tion of collisions between the haptic probe and virtual objects v Collision response: the response to the detection of collision in terms of how the forces reflected to the user(Basdogan& Srinivasan 2002)Force modelvDamping spring (Hookes Law) common, simple and effectivevModels a spring attache

36、d to the tip of the probe and anchored at a point on the surface of the object touchedvForce magnitude: F = kx vK as stiffness constant: as high as possible for rigid objectsvDamping for better stability: F = kx-dvvForce direction: the local normal to the surface that the HIP collides withSCPHIPBasics of Collision DetectionoAxis aligned bounding box (AABB) oOriented bounding box (OBB)oBinary Space Partitioning (BSP)AABBOBBBSP(Basdogan& Srinivasan 2002)AABBHaptic Rendering of 3D Primitivesvoid calculate_