基于數據手套的發動機虛擬裝配系統

李 靜，任天猛，晁艷艷，韓 慜

（長春工業大學 機電工程學院，長春 130012）

0 引言

直列四缸發動機的四個氣缸按照直線排列，是小排量汽車內燃機的常見形式。發動機是整個機械系統的動力裝置，而氣缸是整個發動機動力的源頭。在設計和開發直列四缸發動機過程中需要對其進行裝配，但是傳統的裝配過程存在一些影響裝配效率的因素。運用虛擬現實技術不但可以提供新的途徑，還可以提高裝配效率，減少不利因素的影響，

虛擬現實技術[1～4]的核心是計算機技術，具有視覺、聽覺、觸覺的一體化虛擬環境并且用戶可以通過多種虛擬設備與虛擬環境中的物體進行交互。目前，虛擬現實技術已經被應用于軍事、娛樂、醫學、建筑等領域。EON Studio是一種三維交互式虛擬現實軟件，具有良好的兼容性、智能的操作界面和豐富的功能節點等優點。同時EON Studio程序還可以與ActiveX控件相結合建立虛擬現實裝配系統。

運用虛擬現實軟件EON Studio從模型建立、模型導入、運動控制、碰撞檢測等多個方面對直列四缸發動機的虛擬裝配過程進行了研究，并以Visual Basic為集成工具開發了系統界面，實現了直列四缸發動機的虛擬裝配。

1 直列四缸發動機虛擬裝配環境的建立

在進行直列四缸發動機裝配時，為了更好的規劃裝配路徑，先在EON Studio中對直列四缸發動機模型的結構進行分析，進而更好的對直列四缸發動機的裝配系統進行研究。直列四缸發動機的結構，如圖1所示。

圖1 直列四缸發動機結構圖

EON Studio是虛擬現實軟件，不具有三維建模的能力。根據直列四缸發動機的結構及尺寸在CATIA中繪制直列四缸發動機的三維模型。圖2為CATIA中的發動機裝配體模型。

圖2 CATIA中的裝配體模型

將三維實體模型導入3ds Max中。由于在導入的過程中難以避免的出現丟面或者零件失真的現象，這時需要用3ds Max軟件對丟掉的面及其他元素進行修補，再進行渲染、著色和調整燈光等措施使模型在虛擬環境中具有真實感。在3ds Max中利用EON Raptor輸出插件將模型保存為*.eoz格式的文件。用EON打開生成的文件，模擬樹視窗中將自動生成一個默認的模型層次數據結構。為了便于對直列四缸發動機模型進行裝配，重新構建一個清晰合理的直列四缸發動機模型樹的層次結構，對結構中的每個零件重新命名并對模擬樹中零件的父子關系進行調整。模型樹結構如圖3所示。

圖3 模型樹結構

2 發動機模型的裝配規劃

2.1 裝配規劃原理

裝配的過程中通過設定初次裝配和二次裝配使裝配更加簡捷。零件與零件之間的裝配被稱為初次裝配，這時一些零件組合在一起形成裝配體的一個部分，這個部分我們稱為子裝配體。初次裝配完成后生成一些子裝配體和零件。將這些零件和子裝配體裝配在一起形成完整的裝配體的過程就是二次裝配。二次裝配后零件之間都形成了應有的配合，從而完成了裝配體的裝配過程。二次裝配的過程如圖4所示。

圖4 二次裝配的流程圖

2.2 發動機的裝配序列規劃

按照上面的原理可以得到發動機的簡單裝配序列。對發動機的裝配序列規劃如下：先將連桿體，連桿襯套，連桿軸瓦，活塞，活塞銷組成一個連桿子裝配體。然后再將這些子裝配體與曲軸、缸體、連桿蓋等零件組成一個完整的裝配體。圖5為發動機的裝配序列規劃流程圖。

圖5 發動機的裝配序列規劃流程圖

3 直列四缸發動機虛擬裝配系統

利用EON軟件連接方位跟蹤器及數據手套等虛擬外設裝備對直列四缸發動機進行虛擬裝配。其主要原理是利用數據手套感應操作的數據，將數據傳給EON的5DT Date Glove節點，再將數據傳到方位跟蹤器節點，方位跟蹤器節點記錄虛擬手模型當前的坐標數據并傳遞給虛擬手模型，使虛擬手模型的動作和坐標數據發生變化。讓虛擬手帶動零件模型一起運動，從而實現零件的抓取裝配過程。抓取過程的流程圖如圖6所示。

圖6 抓取過程流程圖

3.1 虛擬手創建

數據手套及方位跟蹤器是實現抓取功能的基本虛擬外設。數據手套的背部為每根手指都配備有一根柔性傳感器，用于測試力反饋的彎曲度變化，通過數據手套的USB接口將力反饋的數據傳送給工作站。工作站將數據映射到虛擬場景中，最后通過程序驅動虛擬手的運動，實現虛擬手與人手動作的同步，并對物體進行簡單的抓取。圖7為5DT數據手套左手的基本結構。

圖7 5DT數據手套的基本結構

實現虛擬抓取等功能之前，必須先在EON中建立虛擬手模型。虛擬手是進行虛擬裝配的執行機構，可實現精細的抓取操作。模仿人手建立虛擬手模型，必須使其具有與人手相同的結構，這有利于實現抓取、移動、釋放物體等操作。虛擬手模型的動作將由數據手套的驅動程序驅動，虛擬手模型的關節數應該與所使用的數據手套的傳感器數對應。本文中使用的是5DT數據手套的左手，將虛擬手模型的關節數設定為14個。在EON軟件中對虛擬手的模型進行設置使得虛擬手模型與數據手套同步。導入到EON中的虛擬手模型如圖8所示。

圖8 Eon中的虛擬手模型

通過EON中的Script節點對方位跟蹤器節點進行控制。同時添加5DT數據手套節點及其接收器，對其路由圖進行連接，使虛擬手模型在數據手套和方位跟蹤器的作用下實現動作。圖9為數據手套和方位跟蹤器的路由圖。

圖9 數據手套和方位跟蹤器的路由圖

3.2 碰撞檢測

在直列四缸發動機的裝配過程中不可避免的發生碰撞。利用碰撞檢測技術[5,6]可以反饋虛擬手模型與待裝配零件、已拆裝零件之間的距離信息。這樣就可以實現零件隨虛擬手模型進行同步運動。包圍盒式碰撞檢測是目前比較流行的碰撞檢測算法，EON中的碰撞檢測算法為零件外部添加包圍盒進行碰撞檢測，其主要功能是通過Collision節點來實現的。虛擬環境中的碰撞檢測是指兩個零件的包圍盒進行碰撞檢測，互相之間反饋力學信息。包圍盒主要有以下幾種方式：方形包圍盒（Box）、球形包圍盒（Sphere）、三角網格（Triangle mesh）、凸面體網格（Convex mesh）等。越是復雜的包圍盒移動后更新需要的時間越長，通過對比選擇普通的方形包圍盒。對零件之間添加碰撞檢測節點，同時為各零件建立相應的方形包圍盒。圖10為曲軸添加了長方體形包圍盒。

圖10 長方體形包圍盒

數據手套不具備力反饋功能，所以在發生碰撞后輸出視覺反饋來通知操作者已經發生碰撞，可以進行下一步操作。視覺反饋可以通過改變待裝配零件的顏色的方式實現。當虛擬手模型運動到待裝零件的一定范圍內時，待拆裝零件的顏色發生改變，這時利用數據手套控制的虛擬手模型可以實現零件的抓取。將待拆裝零件的坐標與虛擬手的坐標同步，隨著虛擬手一起運動，把待拆裝零件移動到目標位置后，松開手指釋放零件，零件變回本來顏色，完成零件的虛擬裝配過程。圖11為碰撞檢測節點的路由圖。

圖11 碰撞檢測節點路由圖

3.3 虛擬裝配的實現

數據手套[7,8]通過USB接口與計算機相連，每個手指上都有一個條狀傳感器，主要用于測量手指的彎曲度數據。數據手套與虛擬手的同步是通過EON中的5DT Date Glove節點實現的。這樣可以實現人手在虛擬環境中的抓取及釋放等動作。方位跟蹤器固定在數據手套的腕部，用來獲取人手的空間位置的坐標數據和方位數據，并將其轉換為虛擬手在虛擬空間中的坐標值和方位值，通過坐標值的不斷改變使虛擬手帶動零件在虛擬環境中實現各種空間的位姿變換。利用數據手套及方位跟蹤器將發動機零件按照規劃完成裝配。利用數據手套裝配發動機的過程如圖12所示。

圖12 基于數據手套的虛擬裝配

4 虛擬裝配人機交互系統的建立

為了便于在機器上演示，利用鍵盤與路由機制之間的關系，將裝配的路徑和序列提前寫入到EON程序中。把Visual Basic作為二次開發工具，建立虛擬裝配人機交互系統。在Visual Basic程序中引入微軟的ActiveX控件，為裝配系統開發用戶界面，使其與EON內部的路由圖之間進行消息的相互傳遞。利用VB程序和EON模擬程序之間的信息傳遞控制虛擬場景內虛擬對象的行為，以此來實現人機交互[9]的目的。圖13為Visual Basic系統人機交互界面。

圖13 發動機人機交互系統

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