王發(fā)麟　廖文和　郭　宇　王曉飛,2　高　揚(yáng)

1.南京航空航天大學(xué)，南京，2100162.南京電子技術(shù)研究所，南京，210039

?

線纜虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展

王發(fā)麟1廖文和1郭宇1王曉飛1,2高揚(yáng)1

1.南京航空航天大學(xué)，南京，2100162.南京電子技術(shù)研究所，南京，210039

摘要：線纜布線與安裝是復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中帶有普遍性的難題，線纜的敷設(shè)質(zhì)量已成為衡量產(chǎn)品整機(jī)性能和可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)。介紹了線纜虛擬裝配的內(nèi)涵和主要研究?jī)?nèi)容，重點(diǎn)對(duì)線纜虛擬裝配涉及到的關(guān)鍵技術(shù)及其特點(diǎn)進(jìn)行了分析，對(duì)比分析了國內(nèi)外線纜虛擬裝配的研究現(xiàn)狀，分析和指出了線纜虛擬裝配存在的問題以及發(fā)展趨勢(shì)。最后對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在線纜裝配領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：線纜虛擬裝配；線纜虛擬布線；裝配過程仿真；虛擬現(xiàn)實(shí)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

0引言

線纜是復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)中連接電氣元器件、電氣設(shè)備或控制裝置的電線、電纜和線束的總稱。線纜作為傳輸能量和信號(hào)的介質(zhì)，在各類復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品中被大量采用。一根線纜通常由以下幾個(gè)部分組成[1]：用來傳輸信號(hào)和能量的一組電纜；將線纜與不同器件連接的連接器；電纜與電纜之間的絞接器；用以改變電纜分支方向的導(dǎo)子；防振動(dòng)和沖擊的線纜拖鏈；將線纜固定在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件上的卡箍、線扣、膠帶等。

飛機(jī)、衛(wèi)星、雷達(dá)等復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品受電氣性能和機(jī)械性能的約束，因此線纜的優(yōu)化布局和裝配質(zhì)量是衡量產(chǎn)品整機(jī)性能和可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)[2]。通用電氣公司在對(duì)所研制發(fā)動(dòng)機(jī)的空中停車事件進(jìn)行歸納總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致空中停車事件的真正原因中，50%是由于外部管路、線纜和傳感器損壞和失效引起的[3]。國內(nèi)航天研究院某批次產(chǎn)品質(zhì)量問題的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告指出，產(chǎn)品所有故障當(dāng)中，有20%的故障出在線纜上[4]。而在某航天器內(nèi)部總體構(gòu)造中，各種電源、電纜、線纜及其附屬件的質(zhì)量占航天器總質(zhì)量的20%~30%[5]。

線纜屬于柔性體并存在捆扎、固定等特殊要求，連接器數(shù)量較多、布線空間狹窄、導(dǎo)線分布集中、布線操作比較困難。線纜的布局設(shè)計(jì)與敷設(shè)工藝復(fù)雜多變，不合理的線纜布線和線束分叉以及防護(hù)不到位，會(huì)導(dǎo)致線纜零件出現(xiàn)故障的概率較高，進(jìn)而導(dǎo)致電氣性能不穩(wěn)定、電磁兼容性差，最終影響產(chǎn)品整機(jī)性能的發(fā)揮[6]。復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品中線纜的裝配需要綜合考慮結(jié)構(gòu)、電氣、可裝配性等多方面因素，既要滿足功能要求，也要滿足性能要求。作為柔性體，線纜的尺寸、形態(tài)和空間走向受到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間的約束；可靠性、電磁兼容性等方面的要求則決定了線纜的相對(duì)位置、固定方式以及彎曲半徑。產(chǎn)品裝配空間的限制、線纜結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及線纜在裝配操作中的柔性使得線纜的裝配成為一個(gè)工藝難題。

以模裝試驗(yàn)為主的傳統(tǒng)線纜裝配會(huì)出現(xiàn)線纜布線不合理、敷設(shè)工藝難以確定、敷設(shè)效率低下等問題。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，尤其是虛擬環(huán)境下的線纜布線設(shè)計(jì)、裝配工藝規(guī)劃及裝配仿真技術(shù)的出現(xiàn)，為解決上述問題提供了一條有效地解決途徑。在虛擬的數(shù)字樣機(jī)上完成線纜的總體布局和裝配仿真，可以避免或減少物理模型制作、縮短線纜與結(jié)構(gòu)件交叉裝配周期、優(yōu)化產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)。本文主要對(duì)線纜虛擬裝配的內(nèi)涵和研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了介紹，將線纜虛擬裝配涉及到的四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，在此基礎(chǔ)上指出了當(dāng)前存在的主要問題和今后的發(fā)展方向。

1線纜虛擬裝配的內(nèi)涵

1.1線纜-結(jié)構(gòu)頂級(jí)裝配設(shè)計(jì)流程

圖1　傳統(tǒng)的基于模裝試驗(yàn)的線纜敷設(shè)過程

傳統(tǒng)的線纜裝配主要基于模裝試驗(yàn)方法，即將設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案按照1∶1的比例制造出樣機(jī)模型，操作工人利用其長期積累的布線經(jīng)驗(yàn)在實(shí)物樣機(jī)上確定各種約束，并在探索優(yōu)化過程中完成線纜的裝配。這種基于實(shí)物樣機(jī)的模擬裝配試驗(yàn)方法存在如下缺點(diǎn)[7]：①布線設(shè)計(jì)需在產(chǎn)品實(shí)物樣機(jī)建立起來之后進(jìn)行，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布線設(shè)計(jì)串行進(jìn)行；②布線操作依賴于操作工人的經(jīng)驗(yàn)，多次修改才能確定最終的布線方案，效率較低；③產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)問題(如各電連接器結(jié)構(gòu)的合理性、線纜裝配空間的預(yù)留是否足夠)要等到樣機(jī)制造出來、進(jìn)行線纜模裝時(shí)才能暴露出來；④線纜在產(chǎn)品中的總體布局規(guī)劃較難確定。傳統(tǒng)的基于模裝試驗(yàn)的線纜敷設(shè)過程如圖1所示?；诋a(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)的線纜虛擬裝配(線纜-結(jié)構(gòu)頂級(jí)裝配設(shè)計(jì)流程)可以有效地解決上述問題，其主要思路為：產(chǎn)品數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì)以產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范、線纜布線規(guī)范等為設(shè)計(jì)約束條件(輸入)，分別從結(jié)構(gòu)件裝配設(shè)計(jì)和線纜布線設(shè)計(jì)兩個(gè)方面同時(shí)開展。結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)單元按“結(jié)構(gòu)裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)→結(jié)構(gòu)裝配規(guī)劃→結(jié)構(gòu)裝配組件”流程進(jìn)行；線纜布線裝配單元按“三維線纜布線設(shè)計(jì)→線纜路徑規(guī)劃→線纜布局仿真”流程進(jìn)行。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)-布線并行設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟是，在布線裝配中創(chuàng)建結(jié)構(gòu)裝配的骨架模型，使用骨架模型復(fù)制幾何參考，即采用數(shù)據(jù)共享方式將結(jié)構(gòu)裝配的表面復(fù)制過來形成骨架模型的面組和曲面(作為布線裝配的特征)，線纜布置在面組和曲面上。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)裝配和布線裝配的數(shù)據(jù)更新，需要同時(shí)利用PDMLink/Intralink等數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。最后輸出相應(yīng)的結(jié)果，如線纜工程圖和結(jié)構(gòu)工程圖?；诋a(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)的線纜虛擬裝配過程如圖2所示。

1.2線纜虛擬裝配內(nèi)涵

本文基于文獻(xiàn)[8]給出的虛擬裝配概念，提出線纜虛擬裝配的概念：線纜虛擬裝配是指在虛擬環(huán)境下利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能技術(shù)和仿真技術(shù)等，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師、布線設(shè)計(jì)師、電氣工程師、裝配工藝規(guī)劃師等人員對(duì)產(chǎn)品(包括結(jié)構(gòu)件、線纜及管路等)的交叉裝配過程和裝配結(jié)果進(jìn)行仿真與分析，檢查產(chǎn)品電氣元器件的布局、線纜的敷設(shè)、各導(dǎo)體之間的電氣間隙，檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和線纜等的可裝配性，最終確定產(chǎn)品的裝配順序、裝配路徑等工藝信息。

2線纜虛擬裝配研究的內(nèi)容

從產(chǎn)品研發(fā)的一般流程來看，線纜虛擬裝配的研究?jī)?nèi)容可分為以下四部分：線纜虛擬布線設(shè)計(jì)、線纜裝配工藝規(guī)劃、線纜裝配過程仿真以及線纜裝配工藝數(shù)據(jù)管理。

2.1線纜虛擬布線設(shè)計(jì)

線纜虛擬布線設(shè)計(jì)以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型為空間約束，以電氣工程師提供的線纜連接列表為布線依據(jù)，按照整機(jī)設(shè)備線纜布線規(guī)范對(duì)線纜的路徑、分叉、卡箍位置和數(shù)量等進(jìn)行規(guī)劃。該階段主要完成：①線纜導(dǎo)線和連接器等型號(hào)規(guī)格的選定；②線纜的分支結(jié)構(gòu)位置、空間走向、端接出線方式的確定；③線束信息的創(chuàng)建以及線纜長度信息、截面信息的確定；④線束的綁扎、防護(hù)、分叉位置的確定等。

圖2　基于產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)的線纜虛擬裝配過程

在線纜虛擬布線設(shè)計(jì)過程中，產(chǎn)品的電磁兼容性、產(chǎn)品可靠性及可維護(hù)性、線纜自身結(jié)構(gòu)與可靠性等是需要考慮的主要內(nèi)容。

2.2線纜裝配工藝規(guī)劃

以線纜布線設(shè)計(jì)結(jié)果為基礎(chǔ)，通過面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的線纜裝配工藝規(guī)劃，獲得可行且優(yōu)化的線纜裝配工藝，包括不同類型線纜的裝配順序、裝配路徑、使用的工夾具等內(nèi)容。

線纜虛擬布線設(shè)計(jì)與線纜裝配工藝規(guī)劃的區(qū)別在于，前者注重線纜裝配到產(chǎn)品中的最終結(jié)果，其目標(biāo)是獲得線纜敷設(shè)后的最終狀態(tài)信息；后者注重的是線纜制作完成后裝配到產(chǎn)品中的過程，強(qiáng)調(diào)裝配順序、裝配路徑和工具的使用方案等[9]。

2.3線纜裝配過程仿真

線纜裝配過程仿真是對(duì)線纜的布線方案及裝配工藝進(jìn)行驗(yàn)證和檢查，如驗(yàn)證線纜的長度是否合適、走線路徑是否合理，檢查不同類型線纜在有限布線空間內(nèi)的可裝配性、操作工具的可達(dá)性等。同時(shí)將驗(yàn)證和檢查的結(jié)果反饋到布線設(shè)計(jì)師和工藝規(guī)劃師，以便進(jìn)一步優(yōu)化裝配工藝，最終得到具有指導(dǎo)意義的線纜布線規(guī)劃文件(包括線纜三維模型、線纜材料清單、線纜平面分支圖和二維釘板圖、布線結(jié)果文件以及裝配工藝規(guī)劃文件)，從而為現(xiàn)場(chǎng)工人的線纜裝配操作提供指導(dǎo)依據(jù)。

2.4裝配工藝數(shù)據(jù)管理

布線設(shè)計(jì)和工藝規(guī)劃所產(chǎn)生的相關(guān)文件還不能直接應(yīng)用于實(shí)際操作，需要對(duì)這些文件進(jìn)行一些處理。裝配工藝數(shù)據(jù)管理主要對(duì)線纜布線和裝配規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行信息的后處理(包括三維線纜數(shù)字化裝配工藝的生成、面向總裝現(xiàn)場(chǎng)的線纜裝配工藝可視化展示等)，目標(biāo)在于向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的操作工人提供多樣化的線纜裝配依據(jù)。既可以以裝配過程動(dòng)畫的形式輸出，也可以以報(bào)表清單(原材料清單、輔助材料清單等)、二維工程圖、三維設(shè)計(jì)模型、裝配工藝文檔等形式的輸出。

3線纜虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1線纜布線路徑規(guī)劃

線纜布線設(shè)計(jì)過程中，除了線纜的走向、卡箍的位置分布等需要全局規(guī)劃外，其他的一些約束條件如電磁耦合、通風(fēng)散熱、塑性變形等也要考慮。線纜具有柔性，其尺寸、形態(tài)和空間走向都受到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間的約束。線纜敷設(shè)路徑的規(guī)劃需要同時(shí)考慮產(chǎn)品整機(jī)的機(jī)械性能和電氣性能?；谥悄芩惴ǖ娜斯ぶ悄懿季€和人與計(jì)算機(jī)共同參與的人機(jī)交互式布線是目前線纜布線路徑規(guī)劃的兩種主要方式。

3.1.1人工智能布線

人工智能布線主要是在有限的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間內(nèi)，采用一些智能優(yōu)化算法來對(duì)線纜進(jìn)行路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)。國外學(xué)者在人工智能布線方面開展了較多的研究。Zhu等[10]認(rèn)為，管線的布局相當(dāng)于路徑規(guī)劃，在對(duì)管線進(jìn)行布局時(shí)將約束也考慮在內(nèi)，設(shè)計(jì)出基于機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)的管線自動(dòng)布局系統(tǒng)。管線尤其是線纜具有許多物理屬性，如最小折彎半徑、拉伸和彎曲特性、布線時(shí)受到的重力等，單純地將機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法應(yīng)用到管線的路徑規(guī)劃中，獲取到的路徑雖然滿足最短要求，但卻不滿足線纜的相關(guān)布線規(guī)范。在Zhu等研究的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[11-12]提出了基于智能算法的人工智能線纜自動(dòng)布線方法，即在對(duì)三維布線環(huán)境進(jìn)行抽象建模的基礎(chǔ)上，通過空間網(wǎng)格劃分將布線空間劃分成許多網(wǎng)格，在獲得線纜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上通過遺傳算法求解來尋找線纜的最優(yōu)路徑。Conru[11]提出的算法模型將線纜成本設(shè)定為目標(biāo)函數(shù)：

(1)

式中，Wi為第i個(gè)線束中包含的單根導(dǎo)線數(shù)目；Li為第i個(gè)線束的長度；fi為第i個(gè)線束的單位成本； gi為第i個(gè)線束調(diào)整后的長度；N為線束的總數(shù)目。

隨后，Ilknur等[13]針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下線纜的布局問題，提出了一種布線路徑的自動(dòng)搜索算法。該算法是隨機(jī)路徑圖法的一個(gè)演化，將問題抽象為鏈型機(jī)器人在空間中的路徑規(guī)劃問題，即在接觸空間附近進(jìn)行帶約束的采樣，首先計(jì)算一個(gè)粗略的路徑，然后利用動(dòng)力學(xué)方法對(duì)路徑進(jìn)行改進(jìn)。該算法考慮了空間幾何約束以及包括多體動(dòng)力學(xué)和鉸接限制在內(nèi)的物理約束，取得了良好的計(jì)算效果。

吳銀鋒等[14]針對(duì)電子整機(jī)中的快速布線需求研究了自動(dòng)布線算法，采用迷宮算法和最小斯坦納樹生成法完成了線纜敷設(shè)的路徑搜索，同時(shí)引入Rubin算法來提高搜索效率。付宜利等[15]針對(duì)機(jī)電產(chǎn)品管線敷設(shè)的難題，提出了一種基于混沌算法的機(jī)電產(chǎn)品管線自動(dòng)敷設(shè)算法，通過引入混沌技術(shù)，在預(yù)處理階段建立了混沌柵格預(yù)處理模型，有效地提取出了可行解空間，縮小了搜索范圍，提高了求解效率。韓明晶[16]針對(duì)電子制造業(yè)中使用物理樣機(jī)進(jìn)行模裝試驗(yàn)效率低、成本高的問題，將人工智能和人機(jī)交互兩種方法結(jié)合起來研究三維虛擬線纜布線技術(shù)，為使改進(jìn)的算法適用性更強(qiáng)，在算法中加入了剛性因子，并對(duì)評(píng)估函數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。劉振宇等[17]結(jié)合A*算法與動(dòng)態(tài)規(guī)劃，提出了A*算法-動(dòng)態(tài)規(guī)劃雙向搜索的布線路徑規(guī)劃方法。

基于人工智能的線纜路徑規(guī)劃方法在提高布線效率、節(jié)省勞動(dòng)成本等方面具有一定的效果。但由于以下原因[18-19]，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)的線纜布線還需要作大量的研究工作：

(1)線纜不同于剛性結(jié)構(gòu)件，在線纜路徑設(shè)計(jì)中，線纜的柔性使得設(shè)計(jì)人員對(duì)線纜形狀和位置的控制具有一定難度。

(2)在產(chǎn)品的裝配過程中，線纜與剛性結(jié)構(gòu)件的裝配往往是一種交叉裝配，實(shí)際裝配人員的裝配經(jīng)驗(yàn)關(guān)系到產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，而這些裝配經(jīng)驗(yàn)很難用公式進(jìn)行表達(dá)。

(3)線纜的數(shù)量會(huì)隨產(chǎn)品的復(fù)雜程度提高而增加，此時(shí)線纜的裝配序列會(huì)爆炸性遞增，線纜裝配路徑的選擇也將呈現(xiàn)出多樣化。

3.1.2人機(jī)交互布線

基于人工智能的線纜布線方法對(duì)于單根線纜的裝配路徑尋找具有一定的優(yōu)勢(shì)，但該方法對(duì)于多根線纜的路徑尋優(yōu)還存在一定的局限性。因此，人機(jī)交互布線成了目前研究的主要方向。

隨著CAD和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的興起和發(fā)展，國內(nèi)外研究者們提出了采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)線纜的布局設(shè)計(jì)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)也稱作混合現(xiàn)實(shí)，是一種通過將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖形、輔助文字注釋等虛擬信息有機(jī)疊加到使用者所看到的真實(shí)世界景象中，對(duì)人的視覺系統(tǒng)進(jìn)行影像增強(qiáng)或擴(kuò)張的技術(shù)[20]。Caudell等[21]基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研發(fā)了輔助布線系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過注冊(cè)和疊加技術(shù)將線條表示的線纜布線路徑和具體操作的文字提示信息實(shí)時(shí)疊加在工程師的視野中，以指導(dǎo)他們逐步完成復(fù)雜的布線任務(wù)。Park等[22]開發(fā)了一個(gè)用于導(dǎo)彈線纜布線的線纜并行設(shè)計(jì)系統(tǒng)，但僅限于二維平面的布線。Catherine等[23]發(fā)現(xiàn)，線纜設(shè)計(jì)(包含線路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))是一個(gè)反復(fù)嘗試的過程，完全依靠計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)線纜設(shè)計(jì)是不太現(xiàn)實(shí)的。文獻(xiàn)[24-25]對(duì)虛擬環(huán)境中基于數(shù)字模型的布線設(shè)計(jì)開展了研究，他們將World Tool Kit作為開發(fā)軟件，開發(fā)了一套虛擬環(huán)境下的沉浸式人機(jī)交互布線系統(tǒng)COSTAR，如圖3所示。用戶在與該系統(tǒng)進(jìn)行交互時(shí)，如果要對(duì)線纜執(zhí)行選擇、抓取和移動(dòng)等操作，則必須借助虛擬設(shè)備如數(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器等才能完成。Robinson等[18]對(duì)所開發(fā)的沉浸式線纜設(shè)計(jì)系統(tǒng)COSTAR進(jìn)行了一系列先期測(cè)試和用戶驗(yàn)證，得到了很多關(guān)于線纜設(shè)計(jì)的有意義的結(jié)論，如在線纜的設(shè)計(jì)過程中采用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)提高設(shè)計(jì)的精確度。

(a)沉浸式環(huán)境(b)沉浸式設(shè)計(jì)圖3　COSTAR線纜虛擬裝配系統(tǒng)

北京理工大學(xué)數(shù)字化制造研究所是國內(nèi)最早開展虛擬環(huán)境下線纜裝配布線研究的機(jī)構(gòu)。文獻(xiàn)[4，6，26-27]在對(duì)線纜特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用離散控制點(diǎn)對(duì)線纜進(jìn)行建模，在虛擬環(huán)境下完成了布線操作，并基于該方法開發(fā)了線纜虛擬裝配規(guī)劃系統(tǒng)。離散控制點(diǎn)可以對(duì)線纜的單點(diǎn)、多點(diǎn)進(jìn)行控制，對(duì)線纜的空間位置和走向也可以較清楚地描述，但是該方法在離散控制點(diǎn)數(shù)量的選取上不易把握，線纜數(shù)量的龐大、離散控制點(diǎn)數(shù)量增加會(huì)直接影響到虛擬環(huán)境下操作的實(shí)時(shí)響應(yīng)。魏發(fā)遠(yuǎn)等[28-29]基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，提出了機(jī)電產(chǎn)品的虛擬布線方法。該方法首先建立相關(guān)的信息模型，包括產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)、線纜屬性信息(材料和截面參數(shù)等)、線纜連接列表等。在此基礎(chǔ)上，按照布線規(guī)范對(duì)卡箍位置、線纜路徑進(jìn)行規(guī)劃，同時(shí)計(jì)算線纜長度。陳定方及其團(tuán)隊(duì)在分布式虛擬設(shè)計(jì)[30]、虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)[31]、虛擬裝配系統(tǒng)[32]等方面做了大量的研究工作，許多研究成果在實(shí)際工程中已經(jīng)得到了應(yīng)用[33-34]，為虛擬環(huán)境下的線纜路徑規(guī)劃及裝配研究提供了很好的技術(shù)基礎(chǔ)。

與人工智能布線方法相比，基于虛擬設(shè)備的人機(jī)交互布線方法考慮了人的因素，可以充分利用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。需要指出的是，實(shí)際中的操作經(jīng)常存在線纜與其他結(jié)構(gòu)件交叉裝配的現(xiàn)象，基于人工智能的布線方法和基于虛擬設(shè)備的人機(jī)交互布線方法都忽略了交叉裝配情況和面向裝配過程的仿真。

3.2線纜變形仿真

不同于剛性物體，柔性物體的仿真研究比較晚，最初大多集中于對(duì)粒子系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。Michel等[35]和Hidehiko等[36]都提出了粒子系統(tǒng)技術(shù)，用粒子代替模型中的網(wǎng)格頂點(diǎn)，通過加速度分析和能量分析進(jìn)行柔性物體的模擬，并根據(jù)對(duì)粒子的受力分析和能量分析，最終得到研究對(duì)象的幾何外形。早期的研究主要采用B樣條、NURBS曲線等來建立柔性物體的幾何模型[37]，雖然在描述物體的柔性形態(tài)方面有優(yōu)勢(shì)，模型計(jì)算方法也相對(duì)簡(jiǎn)單，但物體在受力時(shí)發(fā)生的形態(tài)變化卻不能實(shí)時(shí)反映出來。

線纜的變形仿真離不開線纜的物理屬性，單純的線纜幾何模型無法反映線纜的形態(tài)變化，基于線纜物理屬性的建模技術(shù)近年來成為線纜變形仿真的研究對(duì)象。線纜的物性建模將線纜的重力、彎曲特性等因素考慮在內(nèi)，線纜端接處的約束及外力作用使線纜產(chǎn)生服從物理定律的形變。依據(jù)力學(xué)原理建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，通過求解方程來模擬線纜變形的平衡狀態(tài)。質(zhì)點(diǎn)-彈簧法、有限元法、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)法以及能量曲線法是幾種主要的線纜物性建模方法。

3.2.1基于質(zhì)點(diǎn)-彈簧的建模仿真方法

基于質(zhì)點(diǎn)-彈簧的建模仿真方法將研究對(duì)象表面化分為等距、無體積的質(zhì)點(diǎn)(粒子)，質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)之間用無質(zhì)量、長度非零的彈簧連接，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程依據(jù)牛頓力學(xué)定理建立，在求解微分方程的基礎(chǔ)上模擬線纜的變形情況。Loock等[38]提出了線纜的質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型(圖4)，在質(zhì)點(diǎn)位置上引入扭簧，并應(yīng)用該模型模擬了不同剛度的線纜在承受重力時(shí)所處的狀態(tài)。質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型可以反映線纜的受力形變，但離散點(diǎn)多、計(jì)算量大，仿真時(shí)的實(shí)時(shí)性要求難以滿足。Hergenrother等[39]在上述質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)上增加了螺旋彈簧，如圖5所示，具體的計(jì)算方法為：將線纜的兩個(gè)端接處固定，將線纜分割成偶數(shù)段，質(zhì)點(diǎn)的勢(shì)能和每一段彈簧的彈性勢(shì)能按分段計(jì)算，據(jù)此仿真各分段的線纜變形情況。

圖4　Loock等[38]提出的質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型

圖5　Hergenrother等[38]提出的質(zhì)點(diǎn)-彈簧系統(tǒng)

除了上述質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型，Demetri等[40]還提出了基于物理屬性的彈性變形模型，從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的角度將變形仿真問題歸結(jié)為一個(gè)微分方程，通過求解方程獲取物體上各點(diǎn)的空間幾何坐標(biāo)。牛頓力學(xué)和經(jīng)典彈性力學(xué)原理是該方法的理論依據(jù)。

3.2.2基于有限元的建模仿真方法

基于有限元的建模仿真方法首先將線纜離散成網(wǎng)格形式，然后采用插值函數(shù)對(duì)網(wǎng)格內(nèi)的變形和應(yīng)力進(jìn)行描述，進(jìn)而求解網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力和變形[41]。懸鏈線單元分析是采用較多的一種方法，如Andreu 等[42]利用懸鏈線單元對(duì)線纜的網(wǎng)狀模型進(jìn)行了研究，以幾何方式描述各單元，建立了相應(yīng)的切線矩陣數(shù)值計(jì)算方程；Yang等[43]為獲得線纜切線矩陣的精確表達(dá)式和線纜單元張力的計(jì)算公式，對(duì)懸鏈線單元采用非線性有限元法進(jìn)行了分析，該懸鏈線單元只受重力作用。Yang等[44]則在允許自重與張力存在的情況下，利用懸鏈線單元分析法得到了懸鏈線線纜單元的剛度矩陣。Nikitin等[45]采用了一個(gè)“預(yù)先計(jì)算FEM模型”來仿真電纜的運(yùn)動(dòng)，在對(duì)電纜進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，通過計(jì)算剛度矩陣的逆來得到有限元方程的解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電纜的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真。Kaufmann[46]則采用了一個(gè)實(shí)時(shí)仿真模型和一個(gè)FEM糾正模型來仿真電纜，其中，實(shí)時(shí)仿真模型用于電纜的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交互，糾正模型通過后臺(tái)執(zhí)行有限元方法去更新電纜的位置。

相比于質(zhì)點(diǎn)-彈簧方法，有限元法對(duì)于線纜重量、剛度等物理屬性的計(jì)算更加精確。但由于有限元法需要對(duì)線纜進(jìn)行離散，網(wǎng)格數(shù)量較大，仿真時(shí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算時(shí)間較長，虛擬環(huán)境下仿真的實(shí)時(shí)性要求難以滿足，因此不適合在虛擬或增強(qiáng)裝配仿真系統(tǒng)中對(duì)線纜進(jìn)行仿真。

3.2.3基于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的建模仿真方法

逆運(yùn)動(dòng)學(xué)較多體現(xiàn)在對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的研究上，根據(jù)機(jī)器人終端的位置和姿態(tài)，逆向求解每一關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量。文獻(xiàn)[29]將裝配過程中的線纜看作一個(gè)蛇形機(jī)器人(圖6)，基于機(jī)器人抓取物體的操作與線纜的安裝操作之間的相似性，利用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方法對(duì)線纜的安裝過程進(jìn)行了模擬。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方法在求解過程中的收斂性較好，能在一定程度上滿足虛擬環(huán)境下仿真的實(shí)時(shí)性要求。但由于運(yùn)動(dòng)學(xué)法沒有將線纜的受力情況考慮在內(nèi)，因此最終的仿真結(jié)果與實(shí)際情況存在部分偏差。

圖6　蛇型機(jī)器人模型

3.2.4基于能量曲線的建模仿真方法

能量曲線模型是Terzopoulos等[47]提出的一種基于Lagrange方程的物理能量模型，該模型考慮了各種外載荷的建立以及對(duì)約束的處理，為能量?jī)?yōu)化造型法在線纜布局設(shè)計(jì)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[48]就將能量曲線模型作為線纜布局設(shè)計(jì)中的物性模型。結(jié)合Hergenrother等[39]的質(zhì)點(diǎn)-彈簧系統(tǒng)，線纜模型總能量E的計(jì)算方法如下[9,49]：

(2)

(3)

式中，n為控制點(diǎn)的數(shù)量；j為控制點(diǎn)的編號(hào)；Ej為控制點(diǎn)j處的能量之和；Egj為控制點(diǎn)j處的勢(shì)能；Efj為控制點(diǎn)j處的卷簧變形能；mj為控制點(diǎn)j的質(zhì)量；g為重力加速度；hj為控制點(diǎn)j的相對(duì)高度；f為卷簧的彈性系數(shù)，對(duì)于同一根線纜，f固定不變；wj為控制點(diǎn)j兩側(cè)的連接體所形成的夾角。

隨著線纜裝配過程中變形仿真研究的深入，其他建模方法也相繼被提了出來，微分方程法就是其中的一種。該方法以Cosserat桿模型[50]和Kirchhoff桿模型[51]為常用的兩種動(dòng)力學(xué)比擬思想來對(duì)柔性線纜進(jìn)行近似簡(jiǎn)化，將柔性線纜的變形過程描述為常微分或偏微分方程組，通過求解方程計(jì)算出線纜任意時(shí)刻在空間中的位姿。文獻(xiàn)[52-53]分別使用Cosserat模型和Kirchhoff理論對(duì)柔性物體的彎曲和扭轉(zhuǎn)進(jìn)行了建模，并取得了較好的動(dòng)態(tài)仿真效果。文獻(xiàn)[54]提出了一種基于彈性細(xì)桿力學(xué)模型的活動(dòng)線纜物性建模與運(yùn)動(dòng)仿真方法(圖7)。文獻(xiàn)[55]以Virtools工具為開發(fā)平臺(tái)，對(duì)柔性線纜采用了分段平滑的建模方式，并對(duì)虛擬環(huán)境下柔性線纜的牽引與平移運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[56]為建立線纜的靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，利用懸鏈線理論對(duì)重力作用下的線纜進(jìn)行了建模分析。

圖7　線纜的彈性細(xì)桿模型

上述幾種不同建模及變形仿真方法在復(fù)雜程度、是否反映物理特性、仿真精度以及實(shí)際應(yīng)用情況等方面的差異如表1所示。

表1　各建模及仿真方法的比較[19]

3.3線纜碰撞干涉檢測(cè)

在虛擬環(huán)境下進(jìn)行裝配操作，碰撞干涉檢測(cè)是無法回避且需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。真實(shí)世界中的物體在運(yùn)動(dòng)過程中，不可避免地會(huì)與周圍環(huán)境發(fā)生碰撞、接觸及其他形式的相互作用，精確的碰撞檢測(cè)對(duì)提高虛擬環(huán)境的真實(shí)性、增強(qiáng)虛擬環(huán)境的沉浸感具有重要的作用，而虛擬環(huán)境自身的實(shí)時(shí)性和復(fù)雜性對(duì)碰撞檢測(cè)又提出了更高的要求[34,57]。整個(gè)虛擬裝配系統(tǒng)的仿真精度在很大程度上取決于碰撞檢測(cè)算法的精確度和效率。線纜敷設(shè)過程中，線纜與線纜、線纜與結(jié)構(gòu)件之間不產(chǎn)生干涉是線纜優(yōu)化布局的基本前提，以結(jié)構(gòu)件為代表的剛性件和以線纜為代表的柔性件之間的混合裝配仿真將裝配元器件運(yùn)動(dòng)路徑的可靠性檢查作為一個(gè)關(guān)鍵因素，是否發(fā)生干涉則是檢驗(yàn)路徑有效性的依據(jù)，因此線纜虛擬裝配過程中需要解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題就是碰撞干涉檢測(cè)[19]。

針對(duì)碰撞干涉檢測(cè)，國內(nèi)外學(xué)者提出了一些較成熟的碰撞檢測(cè)算法，大致可分為基于圖形的碰撞檢測(cè)算法和基于圖像的碰撞檢測(cè)算法[58]。前者主要利用物體三維幾何特性進(jìn)行求交計(jì)算，后者則是利用物體二維投影的圖像及深度信息來進(jìn)行相交分析。

3.3.1基于圖形的碰撞檢測(cè)算法

目前常用的基于圖形的碰撞檢測(cè)算法主要有空間分解法和層次包圍盒法[59-60]，這兩種方法都以減少需要參與相交測(cè)試的基本幾何元素對(duì)、提高碰撞檢測(cè)效率為目標(biāo)。

(1)空間分解法?？臻g分解法以等分的方式將虛擬裝配空間分割成一定數(shù)量的單元格形式，對(duì)處于同一單元格中的幾何對(duì)象檢測(cè)其干涉情況。八叉樹[61]、BSP(binary space partitioning)樹[62]等是常用的算法?？臻g分解法由于存儲(chǔ)量大、靈活性差，通常適用于稀疏環(huán)境中數(shù)量不多且空間分布比較均勻的幾何對(duì)象間的碰撞檢測(cè)[63-64]。

(2)層次包圍盒法。相較于其他碰撞檢測(cè)算法，層次包圍盒法是使用較為廣泛的一種方法，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的許多應(yīng)用領(lǐng)域(如光線跟蹤等)有深入的研究[65-66]。層次包圍盒法以待檢測(cè)的幾何對(duì)象為基體，以幾何對(duì)象的最外層為邊界，按最外層邊界，用幾何特性簡(jiǎn)單的包圍層近似地進(jìn)行描述，通過最外層的相交測(cè)試來判斷幾何對(duì)象是否發(fā)生干涉。最外的包圍層若不相交，則其內(nèi)的幾何體肯定不會(huì)相交；最外的包圍層相交，則其內(nèi)的幾何體有可能相交。包圍盒法對(duì)于復(fù)雜環(huán)境中的干涉檢測(cè)比較適用，其使用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵是選擇合適的包圍盒類型，比較典型的包圍盒類型有沿坐標(biāo)軸的包圍盒(axis-aligned bounding box，AABB)、包圍球(spheres)、方向包圍盒(oriented bounding box，OBB)和離散方向多面體(k-discrete orientation polytope，k-DOPs)[58,67]。表2分別從算法的構(gòu)造難度、存儲(chǔ)一物體所需浮點(diǎn)數(shù)的大小、相交測(cè)試復(fù)雜度、緊密性、物體旋轉(zhuǎn)時(shí)包圍盒更新計(jì)算量以及變形體碰撞適用度等6個(gè)方面對(duì)上述4種典型包圍盒算法進(jìn)行了比較。

表2　4種典型包圍盒的比較[58]

3.3.2基于圖像的碰撞檢測(cè)算法

基于圖像的碰撞檢測(cè)方法先將幾何物體投影到二維圖像平面上，利用圖形硬件對(duì)其進(jìn)行采樣，分析和比較不同階段投影所得到的深度信息(如顏色緩存、深度緩存、模板緩存和累積緩存等)，并由此判斷物體間的干涉情況[68]?；趫D像的碰撞檢測(cè)算法由于受到圖形硬件發(fā)展的限制，在較長的一段時(shí)間都發(fā)展較慢。20世紀(jì)90年代以來，隨著計(jì)算機(jī)圖形硬件的發(fā)展，一些學(xué)者對(duì)基于圖像的碰撞檢測(cè)算法也展開了相關(guān)的研究。

從上述分析可知，雖然目前關(guān)于碰撞檢測(cè)算法的研究比較多，但主要針對(duì)剛性結(jié)構(gòu)件，對(duì)于具有柔性特性的線纜干涉(主要是線纜與結(jié)構(gòu)件的干涉)檢測(cè)算法的研究還較少。雖然北京理工大學(xué)的研究人員采用OBB層次包圍盒進(jìn)行了線纜的碰撞檢測(cè)計(jì)算[69]，提出了分層精確碰撞檢測(cè)算法，但由于線纜待裝配空間的復(fù)雜性和剛性零部件相對(duì)較多，該方法也沒有從根本上解決線纜的干涉問題。此外，李蘊(yùn)奇[70]、謝世富[71]等對(duì)可變形物體仿真中的碰撞檢測(cè)算法也進(jìn)行了相關(guān)的研究。

3.4線纜裝配工藝信息

裝配工藝信息通常包括裝配序列(裝配順序)、裝配路徑、裝配運(yùn)動(dòng)、裝配工序號(hào)、工序名稱、工序內(nèi)容、零件信息、工裝/輔料等信息。在執(zhí)行虛擬裝配操作之前，必須對(duì)裝配序列、裝配運(yùn)動(dòng)或裝配軌跡進(jìn)行規(guī)劃，求解裝配掃描路徑，生成裝配過程及所需裝配資源的操作指令[34,72]。線纜的裝配序列和裝配路徑以及工裝夾具的操作信息是實(shí)際線纜裝配的指導(dǎo)性文件。線纜虛擬裝配的目標(biāo)之一是在線纜裝配過程仿真的基礎(chǔ)上獲取上述工藝指導(dǎo)文件。

魏發(fā)遠(yuǎn)等[28-29]提出了一種改進(jìn)的、針對(duì)“剛-柔混合系統(tǒng)”的裝配序列規(guī)劃方法，認(rèn)為線纜端接處的插接和整根線纜的運(yùn)動(dòng)是線纜裝配序列中的兩類主要?jiǎng)幼?，線纜的裝配序列是“剛-柔混合裝配”所生成的。王金芳[7]提出了基于層次裝配模型和拆卸優(yōu)先約束矩陣的剛-柔混合產(chǎn)品裝配序列規(guī)劃技術(shù)，用樹和節(jié)點(diǎn)分別表示層次裝配模型和零部件。拆卸優(yōu)先約束將拆卸視為裝配的逆過程，拆卸序列的逆序即為裝配序列。劉檢華等[73]對(duì)零件裝配路徑規(guī)劃的基本流程進(jìn)行了分析，提出有效采樣點(diǎn)裝配路徑優(yōu)化方法，對(duì)三維空間中零件的運(yùn)動(dòng)添加幾何約束，以模擬實(shí)際的裝配過程。張丹[74]在研究剛性零件的裝配路徑的同時(shí)，對(duì)電纜零件的裝配路徑也進(jìn)行了相關(guān)研究。

目前關(guān)于裝配路徑規(guī)劃的研究主要是針對(duì)剛性結(jié)構(gòu)件，幾乎不涉及線纜等柔性件。雖然有研究在裝配路徑規(guī)劃中考慮了電纜的情況，但也沒有對(duì)其進(jìn)行深入的研究。

4國內(nèi)外線纜虛擬裝配研究現(xiàn)狀對(duì)比分析

基于文獻(xiàn)[8]對(duì)虛擬裝配發(fā)展階段的劃分，本文將線纜虛擬裝配的研究分為以下三個(gè)階段。第一階段是線纜虛擬裝配思想的提出階段。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，這一階段研究的對(duì)象逐漸從剛性的結(jié)構(gòu)件拓展到柔性的線纜。第二階段中，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在已取得的一些研究成果的基礎(chǔ)上，開發(fā)和建立了部分線纜虛擬裝配系統(tǒng)[74]。第三階段中，各研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)線纜虛擬裝配的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了發(fā)展，如對(duì)線纜的建模由幾何模型向物性模型轉(zhuǎn)變[75]，從單根線纜的物理建模和裝配仿真技術(shù)延伸到多分支線纜的物理建模與仿真技術(shù)[76]，研究線纜虛擬裝配過程中的質(zhì)量控制及評(píng)估技術(shù)等。

從20世紀(jì)90年代Caudell[21]提出將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與線纜布線相結(jié)合的思想到現(xiàn)在，國外在線纜虛擬裝配方面的研究已經(jīng)有20多年了。但是到目前為止，國外關(guān)于線纜虛擬布線與裝配仿真技術(shù)方面的公開文獻(xiàn)卻并不多。國內(nèi)對(duì)線纜虛擬裝配技術(shù)的研究比國外晚，也取得了一些研究成果。隨著對(duì)剛性結(jié)構(gòu)件虛擬裝配研究的逐漸成熟，柔性線纜的虛擬裝配仿真開始引起大家的重視。

5線纜虛擬裝配的發(fā)展趨勢(shì)

5.1多重約束下的線纜三維路徑規(guī)劃技術(shù)

在進(jìn)行線纜路徑規(guī)劃時(shí)，需要考慮機(jī)械性能和電氣性能等約束條件。線纜路徑規(guī)劃是虛擬布線的核心，是線纜虛擬裝配研究的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前的線纜路徑規(guī)劃大多在不考慮或較少考慮線纜的機(jī)械性能和電氣性能的情況下進(jìn)行，雖然線纜路徑滿足了要求，但敷設(shè)后的線纜卻達(dá)不到機(jī)械性能和電氣性能的要求。

5.2考慮物理屬性的線纜物性建模及仿真技術(shù)

線纜建模是實(shí)現(xiàn)線纜虛擬裝配仿真的基礎(chǔ)。目前關(guān)于線纜的建模主要以幾何模型為主，而實(shí)際的線纜除了具有特殊的幾何特性外，還具有許多物理屬性，如受到的重力、彎曲特性、拉伸特性等。在線纜建模過程中綜合考慮線纜的物理屬性，建立線纜在各種物理屬性情況下的數(shù)學(xué)模型，有助于提高線纜的裝配仿真精度。

5.3線纜敷設(shè)過程中的干涉檢測(cè)技術(shù)

線纜在敷設(shè)過程中不產(chǎn)生干涉是線纜優(yōu)化布局的基本前提。整個(gè)虛擬裝配系統(tǒng)的仿真精度在很大程度上取決于碰撞檢測(cè)算法的精確度和效率，系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性、模擬物體的真實(shí)性和用戶的沉浸感要求隨著產(chǎn)品的愈來愈復(fù)雜也在不斷提高。為增強(qiáng)虛擬環(huán)境中線纜的真實(shí)性和沉浸感，提高線纜虛擬裝配的仿真精度，需進(jìn)一步研究線纜干涉檢測(cè)技術(shù)。

5.4線纜敷設(shè)質(zhì)量評(píng)估技術(shù)

目前，線纜的敷設(shè)質(zhì)量和合理性在很大程度上取決于以往經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和實(shí)驗(yàn)方法的驗(yàn)證，線纜敷設(shè)過程中操作的不規(guī)范使得線纜的最終敷設(shè)質(zhì)量下降，產(chǎn)品整機(jī)的電氣性能因此也不能得到很好地發(fā)揮。因此需要在線纜敷設(shè)過程中依據(jù)以往的成功經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品試運(yùn)行參數(shù)對(duì)線纜的敷設(shè)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。

6增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在線纜裝配領(lǐng)域中的應(yīng)用展望

6.1增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于線纜裝配的優(yōu)勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)是以“3I”特性：沉浸性(Immersion)、交互性(Interactivity)和構(gòu)想性(Imagination)為基本特征的計(jì)算機(jī)高級(jí)人機(jī)界面[77]。VR技術(shù)綜合利用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感技術(shù)，通過模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中以自然的方式與之進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。作為VR技術(shù)的重要分支，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)技術(shù)則是通過在真實(shí)的環(huán)境中疊加計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息，來增強(qiáng)用戶對(duì)真實(shí)環(huán)境的感知。AR技術(shù)除了繼承VR技術(shù)的3I特性外，還具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、三維注冊(cè)的新特點(diǎn)。AR技術(shù)的出現(xiàn)為線纜的三維布線設(shè)計(jì)和裝配過程仿真提供了良好的人機(jī)交互環(huán)境。借助三維沉浸式環(huán)境，設(shè)計(jì)人員可以綜合考慮裝配空間的約束、結(jié)構(gòu)件的裝配、線纜的敷設(shè)路徑、線束的分支情況、卡箍放置位置、線纜的捆扎方式和固定方案、工具的使用等，并可視化地判斷各種裝配工藝方案的優(yōu)劣，確定最佳的裝配方案。

由前文可知，傳統(tǒng)的線纜裝配操作主要是基于模裝試驗(yàn)方法，由于復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，需要安裝的線纜數(shù)量較多，對(duì)于新的布線操作工人來說，布線難度往往比較大。用實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的布線方法來對(duì)新的布線操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，成本較高且耗時(shí)，培訓(xùn)效果也不是很理想。通過VR技術(shù)或AR技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)新員工的布線培訓(xùn)操作，將能彌補(bǔ)這方面的不足。因?yàn)樵诰€纜的虛擬布線環(huán)境中，布線人員可以完全沉浸在該環(huán)境中，通過交互的方式來完成布線操作，使得培訓(xùn)人員能夠更為直觀地了解線纜的敷設(shè)狀況對(duì)整機(jī)功能的影響，并達(dá)到快速培訓(xùn)的效果。同時(shí)，對(duì)于一些細(xì)微的布線區(qū)域，布線人員可以通過自身的構(gòu)想來布出在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中難以實(shí)現(xiàn)的一些效果，充分地表達(dá)出布線設(shè)計(jì)人員的真正設(shè)計(jì)意圖。

6.2基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的線纜-結(jié)構(gòu)虛實(shí)融合裝配

將AR技術(shù)引入到裝配中，能充分發(fā)揮人的直覺或裝配知識(shí)/經(jīng)驗(yàn)，機(jī)器的計(jì)算能力也能同時(shí)得到發(fā)揮。鑒于VR技術(shù)良好的3I特性和AR技術(shù)真實(shí)感強(qiáng)等特點(diǎn)，本文在文獻(xiàn)[78]的基礎(chǔ)上提出一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的線纜-結(jié)構(gòu)虛實(shí)融合裝配方法，以期為線纜的虛擬裝配提供一種新的思路。基于AR的線纜-結(jié)構(gòu)虛實(shí)融合裝配使用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬裝配場(chǎng)景和人機(jī)交互界面，并在虛擬裝配場(chǎng)景中新增一個(gè)用于顯示靜態(tài)圖片或?qū)崟r(shí)視頻的真實(shí)裝配場(chǎng)景窗口。不同于1.1節(jié)中的基于產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)的線纜虛擬裝配方法，基于AR的線纜-結(jié)構(gòu)虛實(shí)融合裝配通過引入AR技術(shù)，將虛擬場(chǎng)景中的虛擬零件模型(柔性線纜、剛性結(jié)構(gòu)件)、幾何特征模型、指導(dǎo)性文字信息等實(shí)時(shí)地疊加到真實(shí)裝配場(chǎng)景中并同步顯示，為用戶提供虛擬和真實(shí)的雙通道的視覺體驗(yàn)與裝配導(dǎo)航。

將基于AR的線纜-結(jié)構(gòu)虛實(shí)融合裝配方法成功應(yīng)用到實(shí)際工程中的線纜裝配，還需要解決虛實(shí)融合建模、虛實(shí)融合注冊(cè)、虛實(shí)場(chǎng)景疊加、信息增強(qiáng)方案設(shè)計(jì)等問題。隨著對(duì)AR技術(shù)研究的深入和相關(guān)硬件設(shè)備(相機(jī)、位置與角度傳感器、可穿戴增強(qiáng)顯示設(shè)備、體感交互設(shè)備、三維立體顯示設(shè)備等)的不斷發(fā)展，增強(qiáng)裝配場(chǎng)景中的線纜虛擬裝配將具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]Bruno A, Michel T. Design of Wire Harnesses for Mass Customization[C]//Proceedings of the 3rd International Conference on Integrated Design and Manufacturing in Mechanical Engineering. Clermont-Ferrand，F(xiàn)rance，2002：1-10.

[2]劉佳順，劉檢華，王志斌，等. 虛擬環(huán)境下復(fù)雜線纜的集成信息模型[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2013，19(5)：964-971.

Liu Jiashun，Liu Jianhua，Wang Zhibin，et al. Integrated Information Model of Complex Cable Harness in Virtual Environment[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems，2013，19(5): 964-971.

[3]孔瑞蓮. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性工程[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2006.

[4]劉檢華，萬畢樂，寧汝新. 虛擬環(huán)境下基于離散控制點(diǎn)的線纜裝配規(guī)劃技術(shù)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42(8)：125-130.

Liu Jianhua，Wan Bile，Ning Ruxin. Realization Technology of Cable Harness Process Planning in Virtual Environment Based on Discrete Control Point Modeling Method[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2006，42(8)：125-130.

[5]Ardelean E V, Babuska V，Goodding J C, et al. Cable Effects Study: Tangents, Rabbit Holes, Dead Ends and Valuable Results[J]. Journal of Spacecraft and Rockets，2012，52(2):569-583.

[6]萬畢樂. 虛擬環(huán)境下線纜的布線設(shè)計(jì)與裝配工藝規(guī)劃技術(shù)研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2007.

[7]王金芳. 基于Pro/E的線纜裝配規(guī)劃系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

[8]寧汝新，鄭軼. 虛擬裝配技術(shù)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)分析[J]. 中國機(jī)械工程，2005，16(15)：1398-1404.

Ning Ruxin，Zheng Yi. Analysis on Recent Study Progresses and Trends of Virtual Assembly Technology[J]. China Mechanical Engineering，2005，16(15)：1398-1404.

[9]劉檢華，萬畢樂，孫剛，等. 線纜虛擬布線與敷設(shè)過程仿真技術(shù)[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2012，18(4)：787-795.

Liu Jianhua，Wan Bile，Sun Gang，et al. Cable Harness Virtual Wiring and Assembly Process Simulation Technology[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems，2012，18(4): 787-795.

[10]Zhu D, Latombe J C. Pipe Routing=Path Planning(with Many Constraints)[C]//Proceedings of the 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Sacramento，1991：1940-1947.

[11]Conru A B. A Genetic Approach to the Cable Harness Routing Problem[C]//Proceedings of the IEEE Conference on Evolutionary Computation. Orlando，1994：200-205.

[12]Andrew B, Conru, Cutkosky M R. Computational Support for Interactive Cable Harness Routing and Design[C]//Proceedings of the 19th Annual ASME Design Automation Conference. Albuquerque, USA, 1993：551-558.

[13]Ilknur K, Russell G, Ming L, et al. Cable Route Planning in Complex Environments Using Constrained Sampling[C]//2007 ACM Solid and Physical Modeling Symposium (SPM’2007). New York，2007: 395-402.

[14]吳銀鋒，吳兆華，李春泉. 電子整機(jī)三維自動(dòng)布線技術(shù)研究[J]. 電訊技術(shù)，2005(2)：76-81.

Wu Yinfeng，Wu Zhaohua，Li Chunquan. 3D Auto-routing Technology of Electronic Equipment[J]. Telecommunication Engineering，2005(2)：76-81.

[15]付宜利，封海波，孫建勛，等. 基于混沌算法的機(jī)電產(chǎn)品管線自動(dòng)敷設(shè)研究[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2007，13(3)：497-501.

Fu Yili，F(xiàn)eng Haibo，Sun Jianxun，et al. Auto-routing of Electromechanical Products Based on Chaos Algorithm[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems，2007，13(3)：497-501.

[16]韓明晶. 基于A*算法的電子制造裝備布線研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2009.

[17]劉振宇，周德儉，吳兆華，等. 一種面向電子整機(jī)的三維布線算法研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子工藝技術(shù)，2010，31(1)：6-8.

Liu Zhenyu，Zhou Dejian，Wu Zhaohua，et al. Study and Implementation of the Three-dimensional (3D) Wiring Algorithm of Electronic Complete Machine[J]. Electronics Process Technology，2010，31(1)：6-8.

[18]Robinson G, Ritchie J M, Day P N, et al. System Design and User Evaluation of Co-Star: An Immersive Stereoscopic System for Cable Harness Design[J]. Computer-Aided Design, 2007, 39(4): 245-257.

[19]原彬，熊偉，王祖溫. 電纜虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010，29(5)：695-700.

Yuan Bin，Xiong Wei，Wang Zuwen. A Review of the Key Techniques of Virtual Assembly for Cable Harness[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2010，29(5)：695-700.

[20]Carmigniani J, Furht B, Anisetti M, et al. Augmented Reality Technologies, Systems and Applications[J]. Multimedia Tools and Applications, 2011, 51(1): 341-377.

[21]Caudell T P, Mizell D W. Augmented Reality: an Application of Heads-up Display Technology to Manual Manufacturing Processes[C]//Proceedings of the Twenty-fifth Hawaii International Conference on System Sciences. Washington D. C.，1992：659-669.

[22]Hisup P, Lee S H, Mark R, et al. Computational Support for Concurrent Engineering of Cable Harnesses[C]//Proceedings of the 1992 ASME International Computers in Engineering Conference and Exposition. New York，1992：261-268.

[23]Catherine C, Aline C, Xavier B, et al. A Decision Support System for a Concurrent Design of Cable Harnesses: Conceptual Approach and Implementation[J]. Concurrent Engineering: Research and Applications，1998，6(1)：43-52.

[24]Ng F M， Ritchie J M， Simmons J E L，et al. Designing Cable Harness Assemblies in Virtual Environments[J]. Journal of Materials Processing Technology,2000, 107：37-43.

[25]Holt P O’B, Ritchie J M, Day P N, et al. Immersive Virtual Reality in Cable and Pipe Routing: Design Metaphors and Cognitive Ergonomics[J]. Journal of Computing and Information Science in Engineering, 2004, 4:161-170.

[26]萬畢樂，寧汝新，劉檢華，等. 虛擬環(huán)境中線纜建模及布線的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 中國機(jī)械工程，2006，17(20)：2135-2139.

Wan Bile，Ning Ruxin，Liu Jianhua，et al. Research and Realization on Cable Harness Modeling and Route Planning in Virtual Environment[J]. China Mechanical Engineering，2006，17(20): 2135-2139.

[27]高紀(jì)開達(dá)，劉檢華，寧汝新，等. 虛擬環(huán)境下線纜建模及裝配規(guī)劃技術(shù)的研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17(4)：933-935.

Gao Jikaida，Liu Jianhua，Ning Ruxin，et al. Research on Cable Harness Modeling and Assembly Planning in Virtual Environment[J]. Journal of System Simulation，2005，17(4)：933-935.

[28]魏發(fā)遠(yuǎn). 基于虛擬樣機(jī)和粒子系統(tǒng)仿真技術(shù)的虛擬布線方法[J]. 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2005，12(4)：208-212.

Wei Fayuan. Virtual Wiring of Cables Based on Virtual Prototyping and Particle System Simulation[J]. Journal of Engineering Design，2005，12(4)：208-212.

[29]魏發(fā)遠(yuǎn)，陳新發(fā)，王峰軍．電纜虛擬布線及其逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[J]．計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2006，18(10)：1623-1627.

Wei Fayuan，Chen Xinfa，Wang Fengjun. Virtual Wiring and Simulation of Cable Layout with Inverse Kinematics[J]. Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics，2006，18(10)：1623-1627.

[30]高曙，陳定方. 基于多Agent的分布式虛擬設(shè)計(jì)/制造系統(tǒng)研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2002，38(22)：227-228.

Gao Shu, Chen Dingfang. The Research on the Distributed Virtual Design/manufacture System Based on the Multi-agent[J]. Computer Engineering and Applications, 2002，38(22)：227-228.

[31]有人，陳定方. 虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的物理模擬及物理引擎應(yīng)用的研究[J]. 湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23(2)：7-9，22.

You Ren, Chen Dingfang. Research on Physical Simulation and Application of Physical Engine in Virtual Environment[J]. Journal of Hubei University of Technology，2008，23(2)：7-9，22.

[32]唐秋華，陳定方，孔建益，等. 基于WTK的虛擬裝配系統(tǒng)研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2005，29(2)：323-326.

Tang Qiuhua, Chen Dingfang, Kong Jianyi, et al. Research on Virtual Assembly System Based on WTK[J]. Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science & Engineering), 2005, 29(2): 323-326.

[33]陳定方. 五彩繽紛的虛擬現(xiàn)實(shí)世界[M]. 北京：中國水利水電出版社，2015.

[34]陳定方，羅亞波. 虛擬設(shè)計(jì) [M]. 2版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[35]Michel C, Ying Y, Nadia M T, et al. Dressing Animated Synthetic Actors with Complex Deformable Clothes[J]. Computer Graphics，1992，26(2):99-104.

[36]Hidehiko O, Haruki I, Takako T, et al. Three Dimensional Apparel CAD System[J]. Computer Graphics, 1992, 26(2):105-110.

[37]Wolter J, Kpoll E. Toward Assembly Sequence Planning with Flexible Parts[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation. Minneapolis, 1996: 1517-1524.

[38]Loock A, Schomer E. Physically Based Cables for Assembly Simulation in Virtual Reality[C]//Proceedings of the 13th European Simulation Symposium 2001. Ghent, Belgium，2001: 294-297.

[39]Hergenrother E, Dahne P. Real-time Virtual Cables Based on Kinematics Simulation[C]//Proceedings of the WSCG 2000. Pilzěn, Czech Republic，2000: 402-409.

[40]Demetri T, John P, Alan B, et al. Elastically Deformable Models[J]. Computer Graphics, 1987, 21(4):205-214.

[41]Klimowicz A N F, Mihajlovic M D. Modelling 3D Semi-deformable Tubes in Real Time[J]. Applied Mathematics and Computation, 2007,184:52-62.

[42]Andreu A, Gil L, Roca P. A New Deformable Catenary Element for the Analysis of Cable Net Structures[J]. Computers and Structures (S0045-7949), 2006, 84(8): 1882-1890.

[43]Yang M G, Chen Z Q, Hua X G. A New Two-node Catenary Cable Element for the Geometrically Non-linear Analysis of Cable-supported Structures[J]. Journal of Mechanical Engineering Science(S0954-4062), 2009, 224(10): 1173-1183.

[44]Yang Y B, Tsay J Y. Geometric Nonlinear Analysis of Cable Structures with a Two-node Cable Element by Generalized Displacement Control Method[J]. International Journal of Structural Stability and Dynamics, 2007, 7(4):571-588.

[45]Nikitin I, Nikitina L, Frolov P, et al. Real-time Simulation of Elastic Objects in Virtual Environments Using Finite Element Method and Precomputed Green’s Functions[C]//Proceedings of the Workshop on Virtual Environments, Eurographics Association. Aire-la-Ville, Switzerland, 2002: 47-52.

[46]Kaufmann P, Martin S, Botsch M, et al. Flexible Simulation of Deformable Models Using Discontinuous Galerkin FEM[J]. Graphical Models, 2009, 71(4): 153-167.

[47]Terzopoulos D, Qin H. Dynamic NURBS with Geometric Constraints for Interactive Sculpting[J]. ACM Transactions on Graphics, 1994,13(2):103-136.

[48]王志斌. 虛擬環(huán)境下基于物理屬性的線纜布局與裝配仿真技術(shù)[D]. 北京：北京理工大學(xué)，2014.

[49]朱心雄. 自由曲線曲面造型技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2000.

[50]劉延柱，薛紜. 基于精確Cosserat模型的螺旋桿穩(wěn)定性分析[J]. 應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2011，32(5)：570-578.

Liu Yanzhu, Xue Yun. Stability Analysis of a Helical Rod Based on Exact Cosserat’s Model[J]. Applied Mathematics and Mechanics，2011，32(5)：570-578.

[51]薛紜，劉延柱，陳立群. Kirchhoff彈性桿動(dòng)力學(xué)建模的分析力學(xué)方法[J]. 物理學(xué)報(bào)，2006，55(8)：3845-3851.

Xue Yun，Liu Yanzhu，Chen Liqun. Methods of Analytical Mechanics for Dynamics of the Kirchhoff Elastic Rod[J]. Acta Physica Sinica，2006，55(8)：3845-3851.

[52]Spillmann J, Teschner M. CoRdE: Cosserat Rod Elements for the Dynamic Simulation of One-dimensional Elastic Objects[C]//Proceedings of the 2007 ACM SIGGRAPH/Eurographics Symposium on Computer Animation. Aire-la-Ville, Switzerland, 2007: 63-72.

[53]Bergou M, Wardetzky M, Robinson S, et al. Discrete Elastic Rods[J]. ACM Transactions on Graphics (TOG), 2008, 27(3): 63.

[54]劉檢華，趙濤，王春生，等. 虛擬環(huán)境下的活動(dòng)線纜物理特性建模與運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(9)：117-124.

Liu Jianhua，Zhao Tao，Wang Chunsheng，et al. Motional Cable Harness Physical Characteristic Oriented Modeling and Kinetic Simulation Technology in Virtual Environment[J]. Journal of Mechanical Engineering，2011，47(9)：117-124.

[55]楊琳，朱元昌，邸彥強(qiáng). 基于Virtools的柔性線纜建模及其運(yùn)動(dòng)仿真[J]. 微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2009，26(9)：153-156.

Yang Lin，Zhu Yuanchuang，Di Yanqiang. Flexible Cable Modeling and Movement Emulation Based on Virtools[J]. Microelectronics & Computer，2009，26(9)：153-156.

[56]張永濤，閆靜，左敦穩(wěn)，等. 懸掛約束下線纜裝配仿真建模[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2013，25(7)：1513-1517.

Zhang Yongtao，Yan Jing，Zuo Dunwen，et al. Cable Assembly Simulation Modeling under Suspended Condition[J]. Journal of System Simulation，2013，25(7)：1513-1517.

[57]魏迎梅，王涌，吳泉源，等. 碰撞檢測(cè)中的固定方向凸包包圍盒的研究[J]. 軟件學(xué)報(bào)，2001，12(7)：1056-1063.

Wei Yingmei, Wang Yong, Wu Quanyuan, et al. Research on Fixed Direction Hull Bounding Volume in Collision Detection[J]. Journal of Software, 2001, 12(7)：1056-1063.

[58]鄒益勝，丁國富，許明恒，等. 實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)算法綜述[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2008，25(1)：8-12.

Zou Yisheng, Ding Guofu, Xu Mingheng, et al. Survey on Real-time Collision Detection Algorithms[J]. Application Research of Computers, 2008, 25(1)：8-12.

[59]王志強(qiáng)，洪嘉振，楊輝. 碰撞檢測(cè)問題研究綜述[J]. 軟件學(xué)報(bào)，1999，5(10): 545-551.

Wang Zhiqiang，Hong Jiazhen，Yang Hui. A Survey of Collision Detection Problem[J]. Journal of Software，1999，5(10): 545-551.

[60]Jimenez P, Thomas F, Torras C. 3D Collision Detection: a Survey[J]. Computers and Graphics, 2001, 25(2):269-285.

[61]劉曉平，翁曉毅，陳皓，等. 運(yùn)用改進(jìn)的八叉樹算法實(shí)現(xiàn)精確碰撞檢測(cè)[J ]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 17(12):2631-2635.

Liu Xiaoping，Weng Xiaoyi，Chen Hao，et al. An Improved Algorithm for Octree-based Exact Collision Detection[J]. Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics，2005，17(12): 2631-2635.

[62]Naylor B, Amatodes J A, Thibault W. Merging BSP Trees Yields Polyhedral Set Operations[C]//Proceedings of the 17th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques. New York, 1990: 115-124.

[63]Jonathan D C, Ming C L, Dinesh M, et al. I-COLLIDE: An Interactive and Exact Collision Detection System for Large Scale Environments[C]//Proceedings of the 1995 Symposium on Interactive 3D Graphics. New York, 1995: 189-196.

[64]范昭煒. 實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)技術(shù)研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2003.

[65]Stephhen J, Adelson, Larry F, et al．Generating Exact Ray-traced Animation Frames by Reprojection[J]．IEEE Computer Graphics and Application，1995，15(3)：43-52.

[66]Goldsmith J, Salmon J．Automatic Creation of Object Hierarchies for Ray Tracing[J]. IEEE Computer Graphics and Application，1987，11(1)：14-20.

[67]魏迎梅，王涌，吳泉源，等. 碰撞檢測(cè)中的層次包圍盒方法[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2000，20(增)：241-244.

Wei Yinghai，Wang Yong，Wu Quanyuan，et al. A Hierarchical Bounding Box Method of Collision Detection[J]. Computer Applications，2000，20(S)：241-244.

[68]鄒益勝，丁國富，周曉莉，等. 一種基于圖像空間的碰撞檢測(cè)算法[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2011，23(5)：944-949.

Zou Yisheng, Ding Guofu, Zhou Xiaoli, et al. Collision Detection Algorithm Based on Image Space[J]. Journal of System Simulation, 2011, 23(5): 944-949.

[69]萬畢樂，寧汝新，劉檢華，等. 虛擬環(huán)境下的線纜裝配建模技術(shù)研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18(增1)：267-270.

Wan Bile，Ning Ruxin，Liu Jianhua，et al. Research on Cable Harness Assembly Modeling Technology in Virtual Environment[J]. Journal of System Simulation，2006，18(S1)：267-270.

[70]李蘊(yùn)奇. 基于可變形物體的碰撞檢測(cè)算法[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2012，30(3)：321-326.

Li Yunqi. Collision Detection Algorithm for Deformable Objects[J]. Journal of Jilin University (Information Science Edition), 2012, 30(3): 321-326.

[71]謝世富，馬立元，劉鵬遠(yuǎn)，等. 可變形線性體仿真中的碰撞檢測(cè)算法研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2013，25(9)：2177-2183.

Xie Shifu, Ma Liyuan, Liu Pengyuan, et al. Research and Realization of Collision Detection Method Used in Deformable Linear Object Simulation[J]. Journal of System Simulation, 2013, 25(9): 2177-2183.

[72]劉翊. 剛?cè)峄旌袭a(chǎn)品的裝配工藝規(guī)劃技術(shù)與應(yīng)用研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2014.

[73]劉檢華，寧汝新，萬畢樂，等. 面向虛擬裝配的復(fù)雜產(chǎn)品裝配路徑規(guī)劃技術(shù)研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19(9)：2003-2007.

Liu Jianhua，Ning Ruxin，Wan Bile，et al. Research on Complex Product Assembly Path Planning in Virtual Assembly[J]. Journal of System Simulation，2007，19(9)：2003-2007.

[74]張丹. 航天產(chǎn)品虛擬裝配工藝設(shè)計(jì)技術(shù)及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

[75]Shang W, Liu J H, Ning R X, et al. Computational Path Planner for Product Assembly in Complex Environment[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2013, 26(2):282-292.

[76]王志斌，劉檢華，劉佳順，等. 面向電纜虛擬裝配仿真的多分支彈簧質(zhì)點(diǎn)模型[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50(3)：174-183.

Wang Zhibin，Liu Jianhua，Liu Jiashun，et al. A Multi-branch Mass-spring Model for Virtual Assembly of Cable Harness[J]. Journal of Mechanical Engineering，2014，50(3)：174-183.

[77]Grigore B, Philippe C. Review: Virtual Reality Technology[M]. 2nd ed. Malden,Massachusetts,USA：Wiley-IEEE Press, 2003.

[78]彭濤，李世其，王峻峰，等. 基于增強(qiáng)人機(jī)交互技術(shù)的虛擬裝配[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2009，21(3)：354-361.

Peng Tao, Li Shiqi, Wang Junfeng, et al. Virtual Assembly Based on Augmented Human-computer Interaction Technology[J]. Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics，2009，21(3)：354-361.

(編輯張洋)

Research Status and Its Perspective of Key Techniques for Cable Harness Virtual Assembly

Wang Falin1Liao Wenhe1Guo Yu1Wang Xiaofei1,2Gao Yang1

1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016 2.Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing,210039

Abstract:Cable harness wiring and installation were the universal problems in the design of complex mechatronic products. The wiring quality of cable harness became an important indicator to measure the product performance and reliability. Firstly, the connotation and main research contents of cable harness virtual assembly were introduced herein. Then the key technologies and its characteristics involved to cable harness virtual assembly were analyzed especially, and a comparative analysis of research status at home and abroad was also given. The existing problems and future development trends were also presented and analyzed. Finally, the applications of augmented reality in the field of cable harness assembly were discussed.

Key words:cable harness virtual assembly; cable harness virtual wiring; assembly process simulation; virtual reality; augmented reality

作者簡(jiǎn)介：王發(fā)麟，男，1986年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)、虛擬裝配。發(fā)表論文8篇。廖文和，男，1965年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。郭宇，男，1971年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。王曉飛，男，1973年生。南京電子技術(shù)研究所信息中心副主任。高揚(yáng)，男，1992年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生。

中圖分類號(hào)：TP391

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.06.024

基金項(xiàng)目：國防基礎(chǔ)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目；江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目(KYLX_0311)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目

收稿日期：2015-04-27