[发明专利]一种虚拟柔性电缆的混合建模方法

说明书

本发明提供了一种虚拟柔性电缆的混合建模方法，属于柔性物体建模的技术领域。本发明将电缆分成了N段，对要求静态姿态逼真度高的子电缆采用能量优化法建模，对要求动态实时姿态逼真度高的子电缆采用质点弹簧法建模，在连接点处设置所连接的两个子电缆段过同一定点的约束，以及在该连接点处所连接的两个子电缆段的切线方向一致的约束，最终确定柔性电缆的混合模型。根据实际情况处理电缆的约束，主要包括端点约束和卡箍约束。本发明不仅满足虚拟环境对电缆运动姿态的实时性要求，且在电缆模型中尽可能多地考虑了电缆的物理属性，提高了柔性电缆模型的真实性，为后续的虚拟电缆布局、装配、总装排故和维修仿真提供支撑。

技术领域

本发明属于柔性物体建模的技术领域，具体是虚拟环境下一种柔性电缆的混合建模方法。

背景技术

柔性电缆是机电产品中非常重要的组成部件，电缆的合理布局和可靠安装将直接影响到机电产品的质量和性能。传统电缆布局安装是通过在实物样机上进行的，需通过多次反复试装来逐步完善，因此导致电缆布局安装的整体效率差。

虚拟现实技术的出现为在虚拟环境下柔性电缆建模和仿真提供了新的方法，使得柔性电缆的建模和仿真问题越来越受到关注。目前针对电缆的建模研究已经取得了一定的成果。在2000年，Hergenrother等就提出了虚拟电缆的概念，且利用大小相同的圆柱体，通过球形节点连接来对电缆建模，节点处采用螺旋弹簧表示电缆的抗弯特性，并利用了能量优化法确定电缆最终形态。中国工程物理研究院总体工程研究所的王峰军、魏发远等在2008年9月进一步公开了基于能量优化的电缆几何建模的方法；该方法更多的体现的是电缆姿态的逼真度上的静态效果。北京理工大学的王志斌、刘检华等在2014年2月公开了面向电缆虚拟装配仿真的多分支弹簧质点模型，对质点弹簧的柔性电缆的建模方法进行了研究。质点弹簧法在表现电缆运动过程中的姿态逼真度上很有优势。这两种方法只是被单一运用到电缆建模中。但是，在实际情况下，经常出现对电缆的不同部位的要求不同，有些部位对电缆的静态的逼真度要求较高，例如在被两个卡箍固定的那部分电缆。而有些部位对电缆的动态姿态的逼真度要求较高，例如靠近电连接器的部位的电缆，在维修排故过程中经常需要对其进行插拔。

发明内容

本发明为了实现电缆在虚拟仿真中能够真实地体现电缆的物理特性和运动特征，提高电缆模型精确性和逼真度，提供了一种虚拟柔性电缆的混合建模方法。

本发明提供的虚拟柔性电缆的混合建模方法，包括如下步骤：

步骤1：构建柔性电缆的混合模型；

设将电缆分成了N段，对要求静态姿态逼真度高的子电缆采用能量优化法建模，对要求动态实时姿态逼真度高的子电缆采用质点弹簧法建模；设第m段子电缆要求静态姿态逼真度高，设第m+1段子电缆要求动态实时姿态逼真度高；N、m均为正整数；

步骤1.1，利用能量优化法建立第m段子电缆模型；

步骤1.2，利用质点弹簧法建立第m+1段子电缆模型；

步骤1.3，设A_m为第m段子电缆和第m+1段子电缆的连接点，设置所连接的两个子电缆段过同一定点的约束，以及在该连接点处所连接的两个子电缆段的切线方向一致的约束；

步骤1.4，确定柔性电缆的混合模型如下：