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快速碰撞檢測??方法，以便在虛擬環(huán)境中的互動組合夾具裝配設計
彭高粱 侯鑫 吳崇 金天國 張序堂
收稿日期：2008年5月27日接受日期：2009年4月21日發(fā)表于：2009年5月9日
＃施普林格出版社2009年倫敦有限公司
摘要： 碰撞檢測是在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的模擬現(xiàn)實和自然的對象行為的一個基本組成部分。在本文中，混合的空間分解方法和邊界體積法提出了建立一個虛擬環(huán)境，以協(xié)助組合夾具裝配設計。基于組合夾具的特點，提出一個新的空間對象級別的分解方法。從幾個組合夾具設計系統(tǒng)顯示性能測試結果表明，與其他通用算法相比，該方法的一個重要優(yōu)勢是其簡單的信息表示和預處理成本低。
關鍵詞：碰撞檢測 虛擬裝配 組合夾具 空間分解 包圍體
1引言
虛擬現(xiàn)實（VR）成為一個在工業(yè)產品的發(fā)展期間非常普遍的平均值。虛擬現(xiàn)實提供的援助是明顯的，因為用戶可以在一個非常自然的方式中[1-3]進行虛擬樣機交互。?VR在制造應用中擁有很大的潛力，VR在實際生產中在致命的錯誤發(fā)生之前將其解決，以防止產生巨大的成本。VR應用已經獲得了國際上越來越多的關注。
夾具設計的一個重要組成部分是技術和工藝生產準備所需的總時間（成本）。夾具的設計是一個需要知識和經驗的非常復雜的、直觀的過程。模塊化夾具是制造業(yè)的重要方面之一。適當?shù)膴A具設計對產品質量的精度、準確性和加工零件的完成是至關重要的。組合夾具是一個可以安全和準確位置的夾住，并支持工件整個加工過程的系統(tǒng)互換和高度標準化的組件設計。傳統(tǒng)上，夾具設計師依靠經驗或使用反復試驗法來確定一個合適的夾具方案。
由于潛在的高度，在一個虛擬環(huán)境（VE）的“現(xiàn)實”的經歷，VR基于模塊化夾具設計在設計夾具上有一個自然的和有啟發(fā)性的方式的優(yōu)點，提供更匹配的工作條件，減少前置時間，一般夾具的生產力和經濟性有了一個顯著增強。為了實現(xiàn)這一目標，VR系統(tǒng)必須有能夠模擬現(xiàn)實和自然物體的能力。首先，作為一個夾具設計的基本要求，應該是在夾具、元件和機床之間沒有碰撞;必須保證不滲透到其他的對象。因此，快速交互碰撞檢測（CD）算是法建立在這樣一個VR系統(tǒng)的基礎上
然而，碰撞檢查對于一個復雜的VE是需要大量計算的。研究人員已經解決了一些“萬能”的算法，以減少計算成本。但是，這些算法往往需要輔助數(shù)據結構，并需要大量的預處理時間成本。此外，這種算法的執(zhí)行情況非常復雜。因此，在組合夾具的特點和實際需求以及研究的基礎上，我們開發(fā)了一個“特殊”的CD算法來盡可能的降低VR的組合夾具裝配設計的相關費用。。
2相關工作
在過去幾年中，盡了很大的努力來解決各種類型的交互式三維圖形和場景的CD問題。對于充滿了n個對象的工作區(qū)，最明顯的問題是所有對象里O（n2）的檢測碰撞問題，如果n數(shù)是巨大的，這是費時且不能忍受。因此，需要一些必要的技術，以減少計算成本。一般來說，CD算法包括兩個主要步驟，即廣泛的相位和縮短周期。第一階段的目標是過濾掉不可能的互動的對對象，并確定對象在整個工作區(qū)潛在的互動。第二階段是執(zhí)行更準確的測試，以確定在第一階段的選定對象部分之間的碰撞，而且如果有必要，找到原始的幾何元素（多邊形）的接觸對，并計算重疊的距離。
對于CD算法，關鍵是要減少對需要檢查的對象或基元。因此，許多不同的技術已被用來使粗糧檢測，其中最流行的空間分解和邊界卷。
在空間分解方法，環(huán)境分為空間層次空間劃分網格。根據它們落入該地區(qū)聚集層次的環(huán)境中的物體。然后檢查這些對象通過測試的交匯重疊網格，像八叉樹，BSP樹，kd樹等以分層方式使用這種分解可以進一步加快利用空間分割方法導致了碰撞檢測的過程，但有極高的存儲需求。
邊界體積（BV）的方法是使用在以前的計算機圖形算法，以加快計算和渲染過程。幾何對象BV是一個簡單卷，封閉的對象。通常情況下，BV類型是axisaligned盒（的AABB），球，方向包圍盒（OBB）。
該系統(tǒng)利用的AABB的AABB方法是計算簡單，并允許高效率的重疊查詢，它通常被用在層次結構，但它也可能無限逼近他們的邊界，留下大的“空角落?！痹撓到y(tǒng)利用的AABB包括I-COLLIDE，QCOLLIDE，SOLID等
碰撞球是另一個自然的選擇,因為它是一個對象的近似對偶非凡簡單測試重疊,更新為一個移動的物體是微不足道的。然而,類似于AABBs領域,因為他們可能無窮的逼近所蘊涵的對象。
相比之下，OBB是在三維空間中任意方向的矩形邊界框。OBB在理想的情況下，可以重新定位等，它是能夠盡可能緊地附上一個對象。換句話說，OBB的是最小的邊界任意方向盒，可以附上的幾何問題。在執(zhí)行快速甩負荷試驗時這種做法是非常好。所謂的RAPID可以干擾檢測是在OBB已建成的基礎上，比AABB更接近于幾何形體。OBB的缺點在于其緩慢的更新和方向感。
大多數(shù)與CD-相關的研究是糾纏于 “萬能”算法，并發(fā)現(xiàn)一些文獻中有在一個虛擬裝配等特殊應用發(fā)展CD的方法，開發(fā)。其實，一個快速和互動的碰撞檢測算法是允許設計者在虛擬裝配環(huán)境將零件或部件進行組裝和拆卸操作的基礎。
菲格雷多提出了一個更快的算法確定在虛擬樣機環(huán)境下的三維裝配模型表面之間的精確碰撞的碰撞檢測算法的廣義和狹義的階段。該算法使用重疊AABB式的R-樹的數(shù)據結構來提高碰撞檢測的廣義和狹義階段的性能。這種方法是這樣一個虛擬空間分散的對象。此外，R-樹的數(shù)據結構是密集的。
斯特凡從事連續(xù)碰撞檢測方法在桌面虛擬樣機中處理剛性多面體對象的研究工作。而這樣一個4D的方法是只處理已知的移動物體的路徑。尤其是，該算法是計算密集型的，它只能在高端計算機上運行。
碰撞檢測是在多軸聯(lián)動數(shù)控（NC）加工復雜的加工環(huán)境的關鍵問題。干擾檢測和避免在數(shù)控加工仿真上已經有很多以前的工作。王開發(fā)輔助圖形的多軸數(shù)控加工碰撞檢測方法。在此方法中，用于加工環(huán)境撲殺和兩相碰撞檢測策略的組合。
調查上述研究提供了各種有效的技術開展多邊形模型的碰撞檢測。然而，這些流行的算法針對一般的多邊形模型，大部分需要昂貴的預處理或大型系統(tǒng)內存或，或者他們他們全部，以此來提高性能并滿足實時要求。因此，當這些算法利用在桌面VR應用系統(tǒng)，如模塊化夾具設計，實時性要求不能得到良好保障。
對于CD的研究可以建立在計算機輔助夾具設計方面。胡-提出了一種快速干擾的算法，檢查加工刀具和夾具單位之間，以及夾具單位之間，以取代目測的方法。此外，庫馬爾的工作[25]，以自動無干擾的組合夾具裝配設計，加工干涉檢測來完成，通過刀掠固體的使用刀波及體積方法的基礎上的。然而，這些算法是靜態(tài)干涉檢查能力和應用CAD軟件包。
3算法概述
3.1演算法的要求
我們的目的是開發(fā)基于桌面VR模塊化夾具裝配設計系統(tǒng)，其中設計人員可以選擇合適的夾具元件，并把它們像“積木”一樣放在一起生成夾具結構，。沒有具體的夾具元件，他/她可以測試不同的結構方案，并最終設計出一個可行的能滿足功能要求配置的夾具。為了留住在工程應用中的“現(xiàn)實”的高度，有一個CD算法進行模塊化夾具配置設計的三個主要要求：
1.精確和快速：在裝配和拆卸操作的模擬，尋找精確的碰撞是一項重要的任務，為實現(xiàn)現(xiàn)實的行為。當用戶交互的裝配零件或組件，靜態(tài)模型“飛”的對象可能會發(fā)生碰撞，因此系統(tǒng)必須立即找出“碰撞”事件。兩個檢查點之間的間隔時間應該是足夠近，以達到更好的性能。否則，當物體移動速度非?？?，他們可能會在檢查前出現(xiàn)，這將減少身臨其境的感受。此外，在組合夾具裝配設計過程中，設計師選擇元素和組裝他們到合適的位置或拆卸他們改變夾具配置。一旦元素被組裝或拆卸，“靜態(tài)”環(huán)境模型更新。因此，CD會檢查模型需要重組。所以在預處理時間不要太長，否則，建議系統(tǒng)的性能將受損嚴重，一定的“手感光滑”無法實現(xiàn)。
2.低系統(tǒng)要求：尋找在3D環(huán)境中的碰撞是費時。在某些情況下，它可以很容易地消耗高達50％的總運行時間。然而，在組合夾具的設計工作區(qū)，還有其他一些耗時的任務，如設計過程控制和推理，幾何約束自動識別和解決等等。盡管由于數(shù)以千計的多邊形的3D虛擬原型的復雜性，檢查程序設計的CD，必須做到實時系統(tǒng)資源的需求相對較低。
3.硬件成本低：為了實現(xiàn)更廣泛的工程應用，建議組合夾具裝配系統(tǒng)設??計運行在普通PC機上，??如流行的CAD商業(yè)軟件。雖然許多研究已在從事開發(fā)硬件加速 CD算法，它利用特殊的圖形硬件像圖形處理單元一樣，處理計算碰撞，從而使系統(tǒng)的CPU可以被釋放。不過，我們不打算采用這種方法，只能從軟件實現(xiàn)優(yōu)化性能。本研究的目標是創(chuàng)建一個CD算法
3.2模塊化夾具分析
本研究的目的是制定一個協(xié)助在組合夾具裝配虛擬設計操作的CD算法。為了簡化算法，并獲得高性能，模塊化夾具的特點，應仔細地研究。
1.組合夾具裝配設計：組合夾具裝配設計的任務是根據設計的夾具計劃選擇合適的夾具元件和組裝配置的過程。因此，基于虛擬現(xiàn)實的組合夾具裝配設計的CD問題可以表述為：一個移動的物體與靜態(tài)環(huán)境中的對象（組裝元素）在離散時間（組裝元素或單位）之間的路口檢查。
2.夾具元件形狀：形狀規(guī)則的模塊化夾具元件可分為三種類型，即塊、氣缸、氣缸體。其他復雜的裝配單元可被視為這三個元元素組成。這是眾所周知的OBB的AABB和球體緊密。此外，當一個對象在VE改變它的位置和方向，其OBB不需要重建。因此，我們可以構造OBBs的模塊化夾具元件脫機存儲元模型的屬性。模塊化夾具結構在裝配設計過程中，這些屬性可以直接檢索，從而可避免運行時構造包圍體的復雜工作。
3.夾具元件布局：一個模塊化的夾具系統(tǒng)配套單位，有定位單位和夾緊裝置組成。這些單位在底板固定的位置上，并提供相應的功能。在底板平行投影視圖，各單位都安排在某種“地區(qū)”。此外，為了滿足夾具點的高度要求，一個單位往往利用封鎖支持一定數(shù)量元素對象來切斷聯(lián)系。因此，在垂直方向的底板，元素奠定了層次。因此，我們可以分解元素的布局功能方面的空間。
3.3算法流程圖
根據上述特點模塊化夾具的算法的設計，是以降低組合夾具裝配設計的復雜性和滿足基于虛擬現(xiàn)實的要求。在預處理階段，一旦一個元素或部件組裝或拆卸，基于層投影模型（LPM）是建立在這些組裝元素OBBs的方面。這樣的LPM用于檢查時，一個新的CD對象在組裝。
就像傳統(tǒng)的CD的方法，提出的算法包括兩個步驟，即：廣闊的階段和窄階段。廣大階段是不能過濾相交的對象。在這個階段，它決定了對象在同一子空間，其在防止LPM重疊和他們OBBs的輪廓相交。這些成對的對象是精確在未來的窄階段的基于多邊形的碰撞測試。測試在廣大階段，可能會在任何時候停止，如果沒有找到路口，這有助于抑制許多非相撞或瑣碎的碰撞案件。在狹窄的階段，碰撞檢測算法，將計算對象之間的幾何網格的詳細交集。如果被發(fā)現(xiàn)，沒有交集多邊形的碰撞不會發(fā)生，活動對象可以保持移動。否則，當發(fā)現(xiàn)重疊，相關反應（建議的制度，它突出的對象和不回跟蹤）可能出現(xiàn)。