一个约束管理对虚拟可维修性的支持探讨

张连宝

摘要虚拟原型工具作为可行的设计工具已经吸引了整个行业的关注。最重要的一个挑战是研究机构延长虚拟现实技术的功能，并超出它现在的人机工程学和设计评审范围。文章提出的一种研究是一个更大的研究项目的一部分，维修性评估目的是为了完成在虚拟原型上的维修性评估。文章论述了设计和实现一个几何约束管理，已被设计用来支持在虚拟环境下的物理实在性和交互式的装配和拆卸任务。约束管理所使用的关键技术是直接的相互作用、自动约束识别，约束补偿和受约束的运动。各种最优化技术已经应用于实现实时互动的大型工业模型。

关键词约束管理；虚拟

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）12-0196-02

1简介

现代市场不仅鼓励厂商创造更好的产品，而且迫使他们在更短的时间尺度里这样做。并行工程（CE）的概念是鼓励公司处理问题，比如在设计过程非常早的时候维护。然而，缺乏模拟工具阻碍了对CE的适应，因此进一步的研究必须开发这样的工具。一个发展阶段，仍然缺乏适当的维修仿真工具软件。维护操作的仿真允许维护在早期设计阶段处理。这就减少了意料之外的问题悄悄进入设计，因为它的进展贯穿它的生命周期，从而当提高产品质量时节省了时间和金钱。

在Salford，处于虚拟环境中心虚拟样机技术小组已经对交互式维护仿真的虚拟现实的适用性进行调查。一个可以进行交互式地模拟现实的维护操作的系统是工业所要求的。这个研究调查使用虚拟环境去评估一些物理样机在可以使用之前进行维护操作。除了加快发展进程，虚拟模型的评价也可以减少需要的物理原型的数量。这样一个工具有可能减少上市时间和开发成本。

执行维修操作通常是在一个受限的时间间隔的有限空间中。操作者的动作时常受到周围组件和组件间的接触、冲突所约束是不可避免的。此外，要求维护时间需要被控制和最小化。在一个维修仿真中对这些问题加以考虑，计算机仿真需要现实。

2相关工作

已有几个研究计划发展了总装模拟器的环境并且做了大量工作，允许使用者在虚拟环境中构成场景，在解决的许多问题中包含3D对象的交互式创造。这种系统的问题是当虚拟对象相互作用时缺乏约束。使用者被局限于相互作用的总数，对对象操作不能精确执行。支持约束的系统是基于向用户提供组件的装配，并且支持被要求在3D空间里对组件精确的定位。有许多研究工作调查了装配虚拟环境的发展。约束的自动识别，例如在系统里支持‘相反的、‘一致的、‘相切的和‘同轴的。通过储存于关系图里可计算的自由度阅读约束关系，以便系统可以对一个给定的装配部分确定许可的运动。虚拟现实环境被使用于IRIS Inventor图形工具包。当子对象在装配中被控制，无法从子对象到上层对象支持约束传播；对于CAD的数据输入虚拟环境缺乏一个标准的数据翻译器。

3系统定义

这部分描述了约束管理器的功能来源于它的需求，这些需求是基于先前的建立一个组装模拟器的经验。

开发一个新的约束管理器目标在于创造一个有效的、独立的软件工具，这样可以容易地被集成到不同的虚拟现实系统中。这个系统的要求是：

1）多平台（Unix and Windows）；2）场景图的独立；3）多重的约束识别；4）多重的约束补偿；5）删除破碎的约束；6）自动的约束管理。

约束管理器和主要的应用程序之间的信息交流使用一个有着适当数据结构的被定义的API。内部数据的表示是基于独立于任何场景图的私人级别。因为这个原因，虚拟现实系统需要在约束管理器中插入每一个组件的几何性质，因为约束管理器有它自己的内部数据表示方法。这允许主要用于选择可以约束的对象，虚拟手，例如，不会被插入到约束管理器中，因此也不服从几何约束。

约束管理器有两种类型的几何节点：对象和表面。对象是一个具有表面和可以移动的实体。一个表面是一个对象的外观。约束管理器支持参数表面和使用特定的原理来确定它的参数方程。约束管理器能够识别并应用不同类型的几何约束。一个几何约束是两个表面之间相对运动的规则。这条规则减少了包含相关表面和约束它们运动的对象的自由度。约束管理器支持图1上三种不同类型的约束。

约束识别程序还必须能够验证被认可和已应用的约束。验证是一个确定约束是否还有效或被破坏的过程。如果一个相关表面超过了被定义的临界值，一个约束就被破坏了。约束管理器的功能可分为三个主要的任务：验证现存的约束和确定被破坏的约束；执行现有的约束和解决约束运动；识别新的可能的约束。

图1支持的约束：（a）相反的 （b）共线的 （c）同轴的

这项功能可以结合到实现三个阶段完全自动化的约束管理器中。一旦一个组件的转换传送给约束管理器，模型会被搜索，对被取消的可能破坏的约束。剩下的约束得以执行，一个作为结果的变换被计算出来。在一个位置，搜索约束管理器在移动的组件和周围环境之间的新约束。

4系统架构

这一节描述应用的约束管理器的体系结构。图2展示了一种这种架构的图形表示法。

约束管理器有一个分级的数据图表，维护所有来自对象和表面的相关信息。数据图表可被用于约束管理器的所有模块：约束求解程序、约束识别器和过滤器。约束管理器模块是独立的，他们的交互作用被应用程序所定义。

尽管有好的结果，有大量的工作要做使其成为一个成熟的系统，可以被用作一种虚拟样机研究的工具。进一步改善现有约束管理器现在正被考虑。这些改善包括发展一种更有效的空间数据结构和运用过滤器，在识别新的约束之前。

参考文献

[1]林容，杨慧，安树兰.编目格式的重大突破──USMARC的进展介绍[J].现代图书情报技术，1997（S1）.

[2]隋爱娜，吴威，陈小武，赵沁平.基于分布式虚拟环境的装配约束语义模型[J].计算机研究与发展，2006（03）.

[3]陈炉云.基于虚拟现实的远程维修服务[J].计算机仿真，2005（02）.

[4]阎楚良，杨方飞.农业机械产品数字化设计技术及展望[J].中国工程科学，2006（09）.

图2约束管理器的架构

endprint

摘要虚拟原型工具作为可行的设计工具已经吸引了整个行业的关注。最重要的一个挑战是研究机构延长虚拟现实技术的功能，并超出它现在的人机工程学和设计评审范围。文章提出的一种研究是一个更大的研究项目的一部分，维修性评估目的是为了完成在虚拟原型上的维修性评估。文章论述了设计和实现一个几何约束管理，已被设计用来支持在虚拟环境下的物理实在性和交互式的装配和拆卸任务。约束管理所使用的关键技术是直接的相互作用、自动约束识别，约束补偿和受约束的运动。各种最优化技术已经应用于实现实时互动的大型工业模型。

关键词约束管理；虚拟

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）12-0196-02

1简介

现代市场不仅鼓励厂商创造更好的产品，而且迫使他们在更短的时间尺度里这样做。并行工程（CE）的概念是鼓励公司处理问题，比如在设计过程非常早的时候维护。然而，缺乏模拟工具阻碍了对CE的适应，因此进一步的研究必须开发这样的工具。一个发展阶段，仍然缺乏适当的维修仿真工具软件。维护操作的仿真允许维护在早期设计阶段处理。这就减少了意料之外的问题悄悄进入设计，因为它的进展贯穿它的生命周期，从而当提高产品质量时节省了时间和金钱。

在Salford，处于虚拟环境中心虚拟样机技术小组已经对交互式维护仿真的虚拟现实的适用性进行调查。一个可以进行交互式地模拟现实的维护操作的系统是工业所要求的。这个研究调查使用虚拟环境去评估一些物理样机在可以使用之前进行维护操作。除了加快发展进程，虚拟模型的评价也可以减少需要的物理原型的数量。这样一个工具有可能减少上市时间和开发成本。

执行维修操作通常是在一个受限的时间间隔的有限空间中。操作者的动作时常受到周围组件和组件间的接触、冲突所约束是不可避免的。此外，要求维护时间需要被控制和最小化。在一个维修仿真中对这些问题加以考虑，计算机仿真需要现实。

2相关工作

已有几个研究计划发展了总装模拟器的环境并且做了大量工作，允许使用者在虚拟环境中构成场景，在解决的许多问题中包含3D对象的交互式创造。这种系统的问题是当虚拟对象相互作用时缺乏约束。使用者被局限于相互作用的总数，对对象操作不能精确执行。支持约束的系统是基于向用户提供组件的装配，并且支持被要求在3D空间里对组件精确的定位。有许多研究工作调查了装配虚拟环境的发展。约束的自动识别，例如在系统里支持‘相反的、‘一致的、‘相切的和‘同轴的。通过储存于关系图里可计算的自由度阅读约束关系，以便系统可以对一个给定的装配部分确定许可的运动。虚拟现实环境被使用于IRIS Inventor图形工具包。当子对象在装配中被控制，无法从子对象到上层对象支持约束传播；对于CAD的数据输入虚拟环境缺乏一个标准的数据翻译器。

3系统定义

这部分描述了约束管理器的功能来源于它的需求，这些需求是基于先前的建立一个组装模拟器的经验。

开发一个新的约束管理器目标在于创造一个有效的、独立的软件工具，这样可以容易地被集成到不同的虚拟现实系统中。这个系统的要求是：

1）多平台（Unix and Windows）；2）场景图的独立；3）多重的约束识别；4）多重的约束补偿；5）删除破碎的约束；6）自动的约束管理。

约束管理器和主要的应用程序之间的信息交流使用一个有着适当数据结构的被定义的API。内部数据的表示是基于独立于任何场景图的私人级别。因为这个原因，虚拟现实系统需要在约束管理器中插入每一个组件的几何性质，因为约束管理器有它自己的内部数据表示方法。这允许主要用于选择可以约束的对象，虚拟手，例如，不会被插入到约束管理器中，因此也不服从几何约束。

约束管理器有两种类型的几何节点：对象和表面。对象是一个具有表面和可以移动的实体。一个表面是一个对象的外观。约束管理器支持参数表面和使用特定的原理来确定它的参数方程。约束管理器能够识别并应用不同类型的几何约束。一个几何约束是两个表面之间相对运动的规则。这条规则减少了包含相关表面和约束它们运动的对象的自由度。约束管理器支持图1上三种不同类型的约束。

约束识别程序还必须能够验证被认可和已应用的约束。验证是一个确定约束是否还有效或被破坏的过程。如果一个相关表面超过了被定义的临界值，一个约束就被破坏了。约束管理器的功能可分为三个主要的任务：验证现存的约束和确定被破坏的约束；执行现有的约束和解决约束运动；识别新的可能的约束。

图1支持的约束：（a）相反的 （b）共线的 （c）同轴的

这项功能可以结合到实现三个阶段完全自动化的约束管理器中。一旦一个组件的转换传送给约束管理器，模型会被搜索，对被取消的可能破坏的约束。剩下的约束得以执行，一个作为结果的变换被计算出来。在一个位置，搜索约束管理器在移动的组件和周围环境之间的新约束。

4系统架构

这一节描述应用的约束管理器的体系结构。图2展示了一种这种架构的图形表示法。

约束管理器有一个分级的数据图表，维护所有来自对象和表面的相关信息。数据图表可被用于约束管理器的所有模块：约束求解程序、约束识别器和过滤器。约束管理器模块是独立的，他们的交互作用被应用程序所定义。

尽管有好的结果，有大量的工作要做使其成为一个成熟的系统，可以被用作一种虚拟样机研究的工具。进一步改善现有约束管理器现在正被考虑。这些改善包括发展一种更有效的空间数据结构和运用过滤器，在识别新的约束之前。

参考文献

[1]林容，杨慧，安树兰.编目格式的重大突破──USMARC的进展介绍[J].现代图书情报技术，1997（S1）.

[2]隋爱娜，吴威，陈小武，赵沁平.基于分布式虚拟环境的装配约束语义模型[J].计算机研究与发展，2006（03）.

[3]陈炉云.基于虚拟现实的远程维修服务[J].计算机仿真，2005（02）.

[4]阎楚良，杨方飞.农业机械产品数字化设计技术及展望[J].中国工程科学，2006（09）.

图2约束管理器的架构

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摘要虚拟原型工具作为可行的设计工具已经吸引了整个行业的关注。最重要的一个挑战是研究机构延长虚拟现实技术的功能，并超出它现在的人机工程学和设计评审范围。文章提出的一种研究是一个更大的研究项目的一部分，维修性评估目的是为了完成在虚拟原型上的维修性评估。文章论述了设计和实现一个几何约束管理，已被设计用来支持在虚拟环境下的物理实在性和交互式的装配和拆卸任务。约束管理所使用的关键技术是直接的相互作用、自动约束识别，约束补偿和受约束的运动。各种最优化技术已经应用于实现实时互动的大型工业模型。

关键词约束管理；虚拟

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）12-0196-02

1简介

现代市场不仅鼓励厂商创造更好的产品，而且迫使他们在更短的时间尺度里这样做。并行工程（CE）的概念是鼓励公司处理问题，比如在设计过程非常早的时候维护。然而，缺乏模拟工具阻碍了对CE的适应，因此进一步的研究必须开发这样的工具。一个发展阶段，仍然缺乏适当的维修仿真工具软件。维护操作的仿真允许维护在早期设计阶段处理。这就减少了意料之外的问题悄悄进入设计，因为它的进展贯穿它的生命周期，从而当提高产品质量时节省了时间和金钱。

在Salford，处于虚拟环境中心虚拟样机技术小组已经对交互式维护仿真的虚拟现实的适用性进行调查。一个可以进行交互式地模拟现实的维护操作的系统是工业所要求的。这个研究调查使用虚拟环境去评估一些物理样机在可以使用之前进行维护操作。除了加快发展进程，虚拟模型的评价也可以减少需要的物理原型的数量。这样一个工具有可能减少上市时间和开发成本。

执行维修操作通常是在一个受限的时间间隔的有限空间中。操作者的动作时常受到周围组件和组件间的接触、冲突所约束是不可避免的。此外，要求维护时间需要被控制和最小化。在一个维修仿真中对这些问题加以考虑，计算机仿真需要现实。

2相关工作

已有几个研究计划发展了总装模拟器的环境并且做了大量工作，允许使用者在虚拟环境中构成场景，在解决的许多问题中包含3D对象的交互式创造。这种系统的问题是当虚拟对象相互作用时缺乏约束。使用者被局限于相互作用的总数，对对象操作不能精确执行。支持约束的系统是基于向用户提供组件的装配，并且支持被要求在3D空间里对组件精确的定位。有许多研究工作调查了装配虚拟环境的发展。约束的自动识别，例如在系统里支持‘相反的、‘一致的、‘相切的和‘同轴的。通过储存于关系图里可计算的自由度阅读约束关系，以便系统可以对一个给定的装配部分确定许可的运动。虚拟现实环境被使用于IRIS Inventor图形工具包。当子对象在装配中被控制，无法从子对象到上层对象支持约束传播；对于CAD的数据输入虚拟环境缺乏一个标准的数据翻译器。

3系统定义

这部分描述了约束管理器的功能来源于它的需求，这些需求是基于先前的建立一个组装模拟器的经验。

开发一个新的约束管理器目标在于创造一个有效的、独立的软件工具，这样可以容易地被集成到不同的虚拟现实系统中。这个系统的要求是：

1）多平台（Unix and Windows）；2）场景图的独立；3）多重的约束识别；4）多重的约束补偿；5）删除破碎的约束；6）自动的约束管理。

约束管理器和主要的应用程序之间的信息交流使用一个有着适当数据结构的被定义的API。内部数据的表示是基于独立于任何场景图的私人级别。因为这个原因，虚拟现实系统需要在约束管理器中插入每一个组件的几何性质，因为约束管理器有它自己的内部数据表示方法。这允许主要用于选择可以约束的对象，虚拟手，例如，不会被插入到约束管理器中，因此也不服从几何约束。

约束管理器有两种类型的几何节点：对象和表面。对象是一个具有表面和可以移动的实体。一个表面是一个对象的外观。约束管理器支持参数表面和使用特定的原理来确定它的参数方程。约束管理器能够识别并应用不同类型的几何约束。一个几何约束是两个表面之间相对运动的规则。这条规则减少了包含相关表面和约束它们运动的对象的自由度。约束管理器支持图1上三种不同类型的约束。

约束识别程序还必须能够验证被认可和已应用的约束。验证是一个确定约束是否还有效或被破坏的过程。如果一个相关表面超过了被定义的临界值，一个约束就被破坏了。约束管理器的功能可分为三个主要的任务：验证现存的约束和确定被破坏的约束；执行现有的约束和解决约束运动；识别新的可能的约束。

图1支持的约束：（a）相反的 （b）共线的 （c）同轴的

这项功能可以结合到实现三个阶段完全自动化的约束管理器中。一旦一个组件的转换传送给约束管理器，模型会被搜索，对被取消的可能破坏的约束。剩下的约束得以执行，一个作为结果的变换被计算出来。在一个位置，搜索约束管理器在移动的组件和周围环境之间的新约束。

4系统架构

这一节描述应用的约束管理器的体系结构。图2展示了一种这种架构的图形表示法。

约束管理器有一个分级的数据图表，维护所有来自对象和表面的相关信息。数据图表可被用于约束管理器的所有模块：约束求解程序、约束识别器和过滤器。约束管理器模块是独立的，他们的交互作用被应用程序所定义。

尽管有好的结果，有大量的工作要做使其成为一个成熟的系统，可以被用作一种虚拟样机研究的工具。进一步改善现有约束管理器现在正被考虑。这些改善包括发展一种更有效的空间数据结构和运用过滤器，在识别新的约束之前。

参考文献

[1]林容，杨慧，安树兰.编目格式的重大突破──USMARC的进展介绍[J].现代图书情报技术，1997（S1）.

[2]隋爱娜，吴威，陈小武，赵沁平.基于分布式虚拟环境的装配约束语义模型[J].计算机研究与发展，2006（03）.

[3]陈炉云.基于虚拟现实的远程维修服务[J].计算机仿真，2005（02）.

[4]阎楚良，杨方飞.农业机械产品数字化设计技术及展望[J].中国工程科学，2006（09）.

图2约束管理器的架构

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