[发明专利]一种基于GPS的螺栓虚拟装配力觉渲染方法

说明书

本发明公开一种基于GPS的螺栓虚拟装配力觉渲染方法，包括：搭建螺栓虚拟装配软硬件平台；操作虚拟扳手进行虚拟螺栓装配；本发明将虚拟螺栓装配分为四个阶段，即导向阶段，过渡阶段，线性阶段和屈服阶段。在不同阶段，基于GPS理论考虑螺栓连接零件的尺寸误差、形位误差、螺纹特殊误差对装配力觉的影响，根据螺栓装配所处的不同阶段，对装配力觉进行计算，从而形成螺栓装配完整过程的虚拟装配力觉模型。本发明充分考虑了基于GPS的零件设计几何误差对螺栓装配力矩的影响,可实现更真实的螺栓虚拟装配力觉渲染效果,有助于提高虚拟装配在训练和遥操作等应用场景下的质量和效率。

技术领域

本发明涉及虚拟现实领域的虚拟装配/触觉交互技术，尤其涉及一种基于GPS的螺栓虚拟装配力觉渲染方法。

背景技术

虚拟装配力觉渲染广泛应用于虚拟装配训练及机器人遥操作领域。在虚拟装配训练领域，很多机械零件的装配，拆卸操作需要操作者们具有专业的装配知识和丰富的经验，工程师们的岗前培训必不可少。在众多虚拟交互方法中，触觉交互提供了革命性的解决方案，用户可以通过使用特殊的力反馈设备来获得触觉和力的反馈，从而感受和操纵虚拟对象。在实际装配中，精确的力感知会影响虚拟零件的定位精度，最终影响产品质量，特别是对于螺栓等紧固件的装配。因此，在虚拟装配中，精确的力触觉渲染对于提高虚拟装配训练的效果具有重要意义。在机器人遥操作领域，在一些远端，高危，恶劣，人难以达到的环境下，工程师可以在本地操作控制器控制远程机器人完成机械零件的装配。遥操作系统的力觉反馈可以提供操作者身临其境的装配感受，精确的装配力觉渲染可以提高系统的可靠性和安全性，帮助操作者提高控制精度并提高远程机器人的装配质量。

为了提高虚拟装配力觉渲染的真实性和稳定性，近年来，大量文献对虚拟装配力觉渲染做出研究，主要分为基于约束的力觉渲染方法和基于物理的力觉渲染方法。这些装配面向的主要是轴孔装配，键装配等接触关系简单的装配类型。螺栓装配是机械装配的典型装配之一，但针对螺栓虚拟装配的虚拟装配力觉渲染研究较少,且现有方法都没有考虑零件的几何误差对螺栓装配力觉的影响，因此，对于一些依靠螺栓连接实现精密配合的装配操作，不能提供真实、精确的虚拟装配力觉渲染。

Tchin等(Interactive simulation of CAD models assemblies using virtualconstraint guidance[J])针对插入操作提出了一种虚拟约束导向方法。他们在两个装配零件之间设置连接约束，同时，还需要设置一些例如虚拟墙的虚拟约束来限制用户的移动。然而该方法没有考虑零件运动过程中的物理性质，装配力觉不够真实。

Xia PJ等(A new type haptics-based virtual environment system forassembly training of complex products.[J])将物理引擎引入虚拟装配，使用物理引擎模拟零件的速度，加速度，摩擦力等物理属性。并利用物理引擎中的碰撞检测模块求出物体接触的渗透深度，进而求解接触力觉。但是，对于螺栓虚拟装配，其接触面复杂，碰撞检测的计算量过大，无法满足力觉渲染1kHz的计算频率。

Weijian等(A new constraint-based virtual environment for hapticassembly training[J])将装配约束和物理引擎都应用到虚拟装配中，研究了一种集成装配约束和物理引擎的虚拟装配力觉模型。但是，主要针对轴孔虚拟装配，并不涉及螺栓虚拟装配的力觉模型。

Li JR等(A staged haptic rendering approach for virtual assembly ofbolted joints in mechanical assembly[J])分析了螺栓虚拟装配的力觉渲染算法，提出了螺栓虚拟装配的四个阶段。但是，该方法只考虑了理想状态下的螺栓虚拟装配，没有考虑零件的几何特征，力觉模型仍不够准确。

发明内容