一個約束管理對虛擬可維修性的支持探討

張連寶

摘要虛擬原型工具作為可行的設計工具已經吸引了整個行業的關注。最重要的一個挑戰是研究機構延長虛擬現實技術的功能，并超出它現在的人機工程學和設計評審范圍。文章提出的一種研究是一個更大的研究項目的一部分，維修性評估目的是為了完成在虛擬原型上的維修性評估。文章論述了設計和實現一個幾何約束管理，已被設計用來支持在虛擬環境下的物理實在性和交互式的裝配和拆卸任務。約束管理所使用的關鍵技術是直接的相互作用、自動約束識別，約束補償和受約束的運動。各種最優化技術已經應用于實現實時互動的大型工業模型。

關鍵詞約束管理；虛擬

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0196-02

1簡介

現代市場不僅鼓勵廠商創造更好的產品，而且迫使他們在更短的時間尺度里這樣做。并行工程（CE）的概念是鼓勵公司處理問題，比如在設計過程非常早的時候維護。然而，缺乏模擬工具阻礙了對CE的適應，因此進一步的研究必須開發這樣的工具。一個發展階段，仍然缺乏適當的維修仿真工具軟件。維護操作的仿真允許維護在早期設計階段處理。這就減少了意料之外的問題悄悄進入設計，因為它的進展貫穿它的生命周期，從而當提高產品質量時節省了時間和金錢。

在Salford，處于虛擬環境中心虛擬樣機技術小組已經對交互式維護仿真的虛擬現實的適用性進行調查。一個可以進行交互式地模擬現實的維護操作的系統是工業所要求的。這個研究調查使用虛擬環境去評估一些物理樣機在可以使用之前進行維護操作。除了加快發展進程，虛擬模型的評價也可以減少需要的物理原型的數量。這樣一個工具有可能減少上市時間和開發成本。

執行維修操作通常是在一個受限的時間間隔的有限空間中。操作者的動作時常受到周圍組件和組件間的接觸、沖突所約束是不可避免的。此外，要求維護時間需要被控制和最小化。在一個維修仿真中對這些問題加以考慮，計算機仿真需要現實。

2相關工作

已有幾個研究計劃發展了總裝模擬器的環境并且做了大量工作，允許使用者在虛擬環境中構成場景，在解決的許多問題中包含3D對象的交互式創造。這種系統的問題是當虛擬對象相互作用時缺乏約束。使用者被局限于相互作用的總數，對對象操作不能精確執行。支持約束的系統是基于向用戶提供組件的裝配，并且支持被要求在3D空間里對組件精確的定位。有許多研究工作調查了裝配虛擬環境的發展。約束的自動識別，例如在系統里支持‘相反的、‘一致的、‘相切的和‘同軸的。通過儲存于關系圖里可計算的自由度閱讀約束關系，以便系統可以對一個給定的裝配部分確定許可的運動。虛擬現實環境被使用于IRIS Inventor圖形工具包。當子對象在裝配中被控制，無法從子對象到上層對象支持約束傳播；對于CAD的數據輸入虛擬環境缺乏一個標準的數據翻譯器。

3系統定義

這部分描述了約束管理器的功能來源于它的需求，這些需求是基于先前的建立一個組裝模擬器的經驗。

開發一個新的約束管理器目標在于創造一個有效的、獨立的軟件工具，這樣可以容易地被集成到不同的虛擬現實系統中。這個系統的要求是：

1）多平臺（Unix and Windows）；2）場景圖的獨立；3）多重的約束識別；4）多重的約束補償；5）刪除破碎的約束；6）自動的約束管理。

約束管理器和主要的應用程序之間的信息交流使用一個有著適當數據結構的被定義的API。內部數據的表示是基于獨立于任何場景圖的私人級別。因為這個原因，虛擬現實系統需要在約束管理器中插入每一個組件的幾何性質，因為約束管理器有它自己的內部數據表示方法。這允許主要用于選擇可以約束的對象，虛擬手，例如，不會被插入到約束管理器中，因此也不服從幾何約束。

約束管理器有兩種類型的幾何節點：對象和表面。對象是一個具有表面和可以移動的實體。一個表面是一個對象的外觀。約束管理器支持參數表面和使用特定的原理來確定它的參數方程。約束管理器能夠識別并應用不同類型的幾何約束。一個幾何約束是兩個表面之間相對運動的規則。這條規則減少了包含相關表面和約束它們運動的對象的自由度。約束管理器支持圖1上三種不同類型的約束。

約束識別程序還必須能夠驗證被認可和已應用的約束。驗證是一個確定約束是否還有效或被破壞的過程。如果一個相關表面超過了被定義的臨界值，一個約束就被破壞了。約束管理器的功能可分為三個主要的任務：驗證現存的約束和確定被破壞的約束；執行現有的約束和解決約束運動；識別新的可能的約束。

圖1支持的約束：（a）相反的 （b）共線的 （c）同軸的

這項功能可以結合到實現三個階段完全自動化的約束管理器中。一旦一個組件的轉換傳送給約束管理器，模型會被搜索，對被取消的可能破壞的約束。剩下的約束得以執行，一個作為結果的變換被計算出來。在一個位置，搜索約束管理器在移動的組件和周圍環境之間的新約束。

4系統架構

這一節描述應用的約束管理器的體系結構。圖2展示了一種這種架構的圖形表示法。

約束管理器有一個分級的數據圖表，維護所有來自對象和表面的相關信息。數據圖表可被用于約束管理器的所有模塊：約束求解程序、約束識別器和過濾器。約束管理器模塊是獨立的，他們的交互作用被應用程序所定義。

盡管有好的結果，有大量的工作要做使其成為一個成熟的系統，可以被用作一種虛擬樣機研究的工具。進一步改善現有約束管理器現在正被考慮。這些改善包括發展一種更有效的空間數據結構和運用過濾器，在識別新的約束之前。

參考文獻

[1]林容，楊慧，安樹蘭.編目格式的重大突破──USMARC的進展介紹[J].現代圖書情報技術，1997（S1）.

[2]隋愛娜，吳威，陳小武，趙沁平.基于分布式虛擬環境的裝配約束語義模型[J].計算機研究與發展，2006（03）.

[3]陳爐云.基于虛擬現實的遠程維修服務[J].計算機仿真，2005（02）.

[4]閻楚良，楊方飛.農業機械產品數字化設計技術及展望[J].中國工程科學，2006（09）.

圖2約束管理器的架構

endprint

摘要虛擬原型工具作為可行的設計工具已經吸引了整個行業的關注。最重要的一個挑戰是研究機構延長虛擬現實技術的功能，并超出它現在的人機工程學和設計評審范圍。文章提出的一種研究是一個更大的研究項目的一部分，維修性評估目的是為了完成在虛擬原型上的維修性評估。文章論述了設計和實現一個幾何約束管理，已被設計用來支持在虛擬環境下的物理實在性和交互式的裝配和拆卸任務。約束管理所使用的關鍵技術是直接的相互作用、自動約束識別，約束補償和受約束的運動。各種最優化技術已經應用于實現實時互動的大型工業模型。

關鍵詞約束管理；虛擬

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0196-02

1簡介

現代市場不僅鼓勵廠商創造更好的產品，而且迫使他們在更短的時間尺度里這樣做。并行工程（CE）的概念是鼓勵公司處理問題，比如在設計過程非常早的時候維護。然而，缺乏模擬工具阻礙了對CE的適應，因此進一步的研究必須開發這樣的工具。一個發展階段，仍然缺乏適當的維修仿真工具軟件。維護操作的仿真允許維護在早期設計階段處理。這就減少了意料之外的問題悄悄進入設計，因為它的進展貫穿它的生命周期，從而當提高產品質量時節省了時間和金錢。

在Salford，處于虛擬環境中心虛擬樣機技術小組已經對交互式維護仿真的虛擬現實的適用性進行調查。一個可以進行交互式地模擬現實的維護操作的系統是工業所要求的。這個研究調查使用虛擬環境去評估一些物理樣機在可以使用之前進行維護操作。除了加快發展進程，虛擬模型的評價也可以減少需要的物理原型的數量。這樣一個工具有可能減少上市時間和開發成本。

執行維修操作通常是在一個受限的時間間隔的有限空間中。操作者的動作時常受到周圍組件和組件間的接觸、沖突所約束是不可避免的。此外，要求維護時間需要被控制和最小化。在一個維修仿真中對這些問題加以考慮，計算機仿真需要現實。

2相關工作

已有幾個研究計劃發展了總裝模擬器的環境并且做了大量工作，允許使用者在虛擬環境中構成場景，在解決的許多問題中包含3D對象的交互式創造。這種系統的問題是當虛擬對象相互作用時缺乏約束。使用者被局限于相互作用的總數，對對象操作不能精確執行。支持約束的系統是基于向用戶提供組件的裝配，并且支持被要求在3D空間里對組件精確的定位。有許多研究工作調查了裝配虛擬環境的發展。約束的自動識別，例如在系統里支持‘相反的、‘一致的、‘相切的和‘同軸的。通過儲存于關系圖里可計算的自由度閱讀約束關系，以便系統可以對一個給定的裝配部分確定許可的運動。虛擬現實環境被使用于IRIS Inventor圖形工具包。當子對象在裝配中被控制，無法從子對象到上層對象支持約束傳播；對于CAD的數據輸入虛擬環境缺乏一個標準的數據翻譯器。

3系統定義

這部分描述了約束管理器的功能來源于它的需求，這些需求是基于先前的建立一個組裝模擬器的經驗。

開發一個新的約束管理器目標在于創造一個有效的、獨立的軟件工具，這樣可以容易地被集成到不同的虛擬現實系統中。這個系統的要求是：

1）多平臺（Unix and Windows）；2）場景圖的獨立；3）多重的約束識別；4）多重的約束補償；5）刪除破碎的約束；6）自動的約束管理。

約束管理器和主要的應用程序之間的信息交流使用一個有著適當數據結構的被定義的API。內部數據的表示是基于獨立于任何場景圖的私人級別。因為這個原因，虛擬現實系統需要在約束管理器中插入每一個組件的幾何性質，因為約束管理器有它自己的內部數據表示方法。這允許主要用于選擇可以約束的對象，虛擬手，例如，不會被插入到約束管理器中，因此也不服從幾何約束。

約束管理器有兩種類型的幾何節點：對象和表面。對象是一個具有表面和可以移動的實體。一個表面是一個對象的外觀。約束管理器支持參數表面和使用特定的原理來確定它的參數方程。約束管理器能夠識別并應用不同類型的幾何約束。一個幾何約束是兩個表面之間相對運動的規則。這條規則減少了包含相關表面和約束它們運動的對象的自由度。約束管理器支持圖1上三種不同類型的約束。

約束識別程序還必須能夠驗證被認可和已應用的約束。驗證是一個確定約束是否還有效或被破壞的過程。如果一個相關表面超過了被定義的臨界值，一個約束就被破壞了。約束管理器的功能可分為三個主要的任務：驗證現存的約束和確定被破壞的約束；執行現有的約束和解決約束運動；識別新的可能的約束。

圖1支持的約束：（a）相反的 （b）共線的 （c）同軸的

這項功能可以結合到實現三個階段完全自動化的約束管理器中。一旦一個組件的轉換傳送給約束管理器，模型會被搜索，對被取消的可能破壞的約束。剩下的約束得以執行，一個作為結果的變換被計算出來。在一個位置，搜索約束管理器在移動的組件和周圍環境之間的新約束。

4系統架構

這一節描述應用的約束管理器的體系結構。圖2展示了一種這種架構的圖形表示法。

約束管理器有一個分級的數據圖表，維護所有來自對象和表面的相關信息。數據圖表可被用于約束管理器的所有模塊：約束求解程序、約束識別器和過濾器。約束管理器模塊是獨立的，他們的交互作用被應用程序所定義。

盡管有好的結果，有大量的工作要做使其成為一個成熟的系統，可以被用作一種虛擬樣機研究的工具。進一步改善現有約束管理器現在正被考慮。這些改善包括發展一種更有效的空間數據結構和運用過濾器，在識別新的約束之前。

參考文獻

[1]林容，楊慧，安樹蘭.編目格式的重大突破──USMARC的進展介紹[J].現代圖書情報技術，1997（S1）.

[2]隋愛娜，吳威，陳小武，趙沁平.基于分布式虛擬環境的裝配約束語義模型[J].計算機研究與發展，2006（03）.

[3]陳爐云.基于虛擬現實的遠程維修服務[J].計算機仿真，2005（02）.

[4]閻楚良，楊方飛.農業機械產品數字化設計技術及展望[J].中國工程科學，2006（09）.

圖2約束管理器的架構

endprint

摘要虛擬原型工具作為可行的設計工具已經吸引了整個行業的關注。最重要的一個挑戰是研究機構延長虛擬現實技術的功能，并超出它現在的人機工程學和設計評審范圍。文章提出的一種研究是一個更大的研究項目的一部分，維修性評估目的是為了完成在虛擬原型上的維修性評估。文章論述了設計和實現一個幾何約束管理，已被設計用來支持在虛擬環境下的物理實在性和交互式的裝配和拆卸任務。約束管理所使用的關鍵技術是直接的相互作用、自動約束識別，約束補償和受約束的運動。各種最優化技術已經應用于實現實時互動的大型工業模型。

關鍵詞約束管理；虛擬

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0196-02

1簡介

現代市場不僅鼓勵廠商創造更好的產品，而且迫使他們在更短的時間尺度里這樣做。并行工程（CE）的概念是鼓勵公司處理問題，比如在設計過程非常早的時候維護。然而，缺乏模擬工具阻礙了對CE的適應，因此進一步的研究必須開發這樣的工具。一個發展階段，仍然缺乏適當的維修仿真工具軟件。維護操作的仿真允許維護在早期設計階段處理。這就減少了意料之外的問題悄悄進入設計，因為它的進展貫穿它的生命周期，從而當提高產品質量時節省了時間和金錢。

在Salford，處于虛擬環境中心虛擬樣機技術小組已經對交互式維護仿真的虛擬現實的適用性進行調查。一個可以進行交互式地模擬現實的維護操作的系統是工業所要求的。這個研究調查使用虛擬環境去評估一些物理樣機在可以使用之前進行維護操作。除了加快發展進程，虛擬模型的評價也可以減少需要的物理原型的數量。這樣一個工具有可能減少上市時間和開發成本。

執行維修操作通常是在一個受限的時間間隔的有限空間中。操作者的動作時常受到周圍組件和組件間的接觸、沖突所約束是不可避免的。此外，要求維護時間需要被控制和最小化。在一個維修仿真中對這些問題加以考慮，計算機仿真需要現實。

2相關工作

已有幾個研究計劃發展了總裝模擬器的環境并且做了大量工作，允許使用者在虛擬環境中構成場景，在解決的許多問題中包含3D對象的交互式創造。這種系統的問題是當虛擬對象相互作用時缺乏約束。使用者被局限于相互作用的總數，對對象操作不能精確執行。支持約束的系統是基于向用戶提供組件的裝配，并且支持被要求在3D空間里對組件精確的定位。有許多研究工作調查了裝配虛擬環境的發展。約束的自動識別，例如在系統里支持‘相反的、‘一致的、‘相切的和‘同軸的。通過儲存于關系圖里可計算的自由度閱讀約束關系，以便系統可以對一個給定的裝配部分確定許可的運動。虛擬現實環境被使用于IRIS Inventor圖形工具包。當子對象在裝配中被控制，無法從子對象到上層對象支持約束傳播；對于CAD的數據輸入虛擬環境缺乏一個標準的數據翻譯器。

3系統定義

這部分描述了約束管理器的功能來源于它的需求，這些需求是基于先前的建立一個組裝模擬器的經驗。

開發一個新的約束管理器目標在于創造一個有效的、獨立的軟件工具，這樣可以容易地被集成到不同的虛擬現實系統中。這個系統的要求是：

1）多平臺（Unix and Windows）；2）場景圖的獨立；3）多重的約束識別；4）多重的約束補償；5）刪除破碎的約束；6）自動的約束管理。

約束管理器和主要的應用程序之間的信息交流使用一個有著適當數據結構的被定義的API。內部數據的表示是基于獨立于任何場景圖的私人級別。因為這個原因，虛擬現實系統需要在約束管理器中插入每一個組件的幾何性質，因為約束管理器有它自己的內部數據表示方法。這允許主要用于選擇可以約束的對象，虛擬手，例如，不會被插入到約束管理器中，因此也不服從幾何約束。

約束管理器有兩種類型的幾何節點：對象和表面。對象是一個具有表面和可以移動的實體。一個表面是一個對象的外觀。約束管理器支持參數表面和使用特定的原理來確定它的參數方程。約束管理器能夠識別并應用不同類型的幾何約束。一個幾何約束是兩個表面之間相對運動的規則。這條規則減少了包含相關表面和約束它們運動的對象的自由度。約束管理器支持圖1上三種不同類型的約束。

約束識別程序還必須能夠驗證被認可和已應用的約束。驗證是一個確定約束是否還有效或被破壞的過程。如果一個相關表面超過了被定義的臨界值，一個約束就被破壞了。約束管理器的功能可分為三個主要的任務：驗證現存的約束和確定被破壞的約束；執行現有的約束和解決約束運動；識別新的可能的約束。

圖1支持的約束：（a）相反的 （b）共線的 （c）同軸的

這項功能可以結合到實現三個階段完全自動化的約束管理器中。一旦一個組件的轉換傳送給約束管理器，模型會被搜索，對被取消的可能破壞的約束。剩下的約束得以執行，一個作為結果的變換被計算出來。在一個位置，搜索約束管理器在移動的組件和周圍環境之間的新約束。

4系統架構

這一節描述應用的約束管理器的體系結構。圖2展示了一種這種架構的圖形表示法。

約束管理器有一個分級的數據圖表，維護所有來自對象和表面的相關信息。數據圖表可被用于約束管理器的所有模塊：約束求解程序、約束識別器和過濾器。約束管理器模塊是獨立的，他們的交互作用被應用程序所定義。

盡管有好的結果，有大量的工作要做使其成為一個成熟的系統，可以被用作一種虛擬樣機研究的工具。進一步改善現有約束管理器現在正被考慮。這些改善包括發展一種更有效的空間數據結構和運用過濾器，在識別新的約束之前。

參考文獻

[1]林容，楊慧，安樹蘭.編目格式的重大突破──USMARC的進展介紹[J].現代圖書情報技術，1997（S1）.

[2]隋愛娜，吳威，陳小武，趙沁平.基于分布式虛擬環境的裝配約束語義模型[J].計算機研究與發展，2006（03）.

[3]陳爐云.基于虛擬現實的遠程維修服務[J].計算機仿真，2005（02）.

[4]閻楚良，楊方飛.農業機械產品數字化設計技術及展望[J].中國工程科學，2006（09）.

圖2約束管理器的架構

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