專利名稱：一種基于Virtools的虛擬雙梁橋式起重機(jī)的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種虛擬雙梁橋式起重機(jī)的構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
隨著我國工業(yè)的增長(zhǎng)，起重機(jī)的用量在日益增加，產(chǎn)量和品種也在不斷的增長(zhǎng)，因而相關(guān)的作業(yè)人員數(shù)量也在大幅上升，隨之帶來安全隱患也在悄然的增加，數(shù)據(jù)表明，由于工作和操作不當(dāng)造成的事故已占全部事故的70%左右，給人民生命和財(cái)產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的損失。由于使用起重機(jī)裝卸貨物是具有危險(xiǎn)性的特種工作，所以起重機(jī)司機(jī)必須到政府批準(zhǔn)的培訓(xùn)中心參加培訓(xùn)，取得資格證書以后，才可以從事此項(xiàng)工作。隨著裝卸設(shè)備向大型化、 高效化和自動(dòng)化方向發(fā)展，高新技術(shù)的應(yīng)用和更新?lián)Q代不斷加強(qiáng)；另一方面也要求機(jī)器操作人員具有熟練的操作技巧，使設(shè)備能高效、安全的運(yùn)行。這使現(xiàn)有的培訓(xùn)手段和考核方法已無法與現(xiàn)有狀況相適應(yīng)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)起重機(jī)模擬系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究。但研究對(duì)象多是塔式起重機(jī)、 門式起重機(jī)和集裝箱起重機(jī)，在橋式起重機(jī)方面的研究還不是很多。在建模工具方面，基本都是采用了 3DS MAX軟件和Multigen、Opengvs圖形開發(fā)高級(jí)平臺(tái)對(duì)門式或集裝箱起重機(jī)進(jìn)行幾何建模。在仿真工具方面，則使用Virtools軟件和采用OpenGL進(jìn)行開發(fā)對(duì)塔式起重機(jī)和門式起重機(jī)進(jìn)行仿真。Solidworks與3DS MAX雖然都是功能非常強(qiáng)大的三維建模軟件，但是由于各自應(yīng)用的領(lǐng)域不同，它們之間還是存在著很大的差異。主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面1.建模方式。SolidWorks是實(shí)體建模，它不僅描述零件的輪廓與表面，還能描述零件的體積，可以說實(shí)體建模包含了曲面的信息；而3DS MAX的模型是以面來代替的，描述了零件的表面，但沒有描述零件的質(zhì)量和體積。2.建模的對(duì)象。因?yàn)閷?duì)實(shí)體建模，所以SolidWorks對(duì)工業(yè)機(jī)械類建模精確度高， 裝備效率高，其特征管理模式修改方便。而3DS MAX對(duì)工業(yè)機(jī)械類的建模不夠精確，裝配效率低，但是對(duì)非機(jī)械類建模則非常好，而且它的開發(fā)效率高。3.渲染。SolidWorks雖然可以通過添加插件對(duì)模型進(jìn)行渲染與動(dòng)畫制作，但是效果無法與3DS MAX相比。現(xiàn)有技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)虛擬起重機(jī)的技術(shù)采用全景圖虛擬方式。全景圖虛擬方式主要是把相機(jī)環(huán)360度拍攝的一組或多組照片拼接在一起組成一個(gè)全景圖像，然后再通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)的互動(dòng)式觀看。應(yīng)用該方法生成的虛擬場(chǎng)景只能對(duì)所拍攝的實(shí)景進(jìn)行環(huán)繞式的瀏覽而不能在場(chǎng)景中進(jìn)行任何操作，若想瀏覽場(chǎng)景的其他視角則只能通過某一熱鍵進(jìn)行切換，如果沒有對(duì)某一視角進(jìn)行拍攝則無法對(duì)其進(jìn)行瀏覽。存在的技術(shù)缺陷是效率較低、成本較高、實(shí)時(shí)性較差。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有虛擬雙梁橋式起重機(jī)的構(gòu)建方法的效率較低、成本較高、實(shí)時(shí)性較差的不足，本發(fā)明提供一種效率較高、成本較低、實(shí)時(shí)性良好的基于Virtools的虛擬雙梁橋式起重機(jī)的構(gòu)建方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于Virtools的虛擬雙梁橋式起重機(jī)的構(gòu)建方法，所述構(gòu)建方法包括以下步驟(1)、利用SolidWorks實(shí)體建模功能，按照從企業(yè)調(diào)研回來雙梁橋式起重機(jī)的圖紙上標(biāo)記的尺寸，在SolidWorks中通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁、特征陣列以及打孔操作完成起重機(jī)各零部件模型的建立，并按照裝配關(guān)系對(duì)零件進(jìn)行裝備，然后再以.stl格式輸出；(2)、起重機(jī)裝配完成導(dǎo)出后，將模型導(dǎo)入到3DS Max環(huán)境中對(duì)起重機(jī)整機(jī)模型做編輯與修改；把所有零部件導(dǎo)入后，使用3DS Max中組-成組命令，將起重機(jī)打包成3個(gè)組件大車組、小車組合和支架組，所述編輯與修改操作包括賦予起重機(jī)模型基本材質(zhì)屬性與貼圖、模型優(yōu)化；最后再以.nmo格式輸出；(3)、將輸出的.nmo場(chǎng)景和模型導(dǎo)入到Virtools，進(jìn)行優(yōu)化、測(cè)試和重組，然后通過Virtools提供的行為交互模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)；(4)、把構(gòu)建好的虛擬起重機(jī)系統(tǒng)，通過Virtools將作品發(fā)布為.vmo格式，客戶端只需安裝Virtools Web Player就可以通過IE瀏覽器訪問系統(tǒng)。進(jìn)一步，所述步驟(1)中，增加系統(tǒng)對(duì)操縱桿的響應(yīng)模塊，橋式起重機(jī)的駕駛室為兩個(gè)操縱桿，左邊的操縱桿主要控制大車和小車的運(yùn)動(dòng)；右邊的操縱桿則用于控制吊鉤的起升。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為三維模型虛擬方式主要是應(yīng)用SolidWorkS、3DS Max等建模軟件先對(duì)模型進(jìn)行建模、渲染、烘焙并導(dǎo)入Virtools等虛擬軟件中，再經(jīng)過編輯操作之后即可生成一個(gè)可執(zhí)行的EXE文件，用戶可通過這個(gè)EXE文件瀏覽三維場(chǎng)景的每個(gè)畫面，還可以使用鼠標(biāo)、鍵盤、游戲桿或其他跟蹤工具，在規(guī)劃方案中進(jìn)行實(shí)時(shí)操作。使用SolidWorks軟件對(duì)橋式起重機(jī)進(jìn)行實(shí)體建模，然后導(dǎo)入3DS MAX進(jìn)行優(yōu)化和渲染。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、安全性降低了非專業(yè)人員的操作風(fēng)險(xiǎn)；2、功能性使用計(jì)算機(jī)仿真軟件，通過人機(jī)交互方式，可實(shí)現(xiàn)貨物的裝卸過程；3、經(jīng)濟(jì)性使用周期長(zhǎng)，易于維護(hù)和擴(kuò)充，長(zhǎng)期使用可降低減少企業(yè)員工的培訓(xùn)費(fèi)用。


圖1是系統(tǒng)開發(fā)流程圖。圖2是系統(tǒng)組成圖。圖3網(wǎng)格單元的尺寸問題，其中，(a)為網(wǎng)格過于密集，(b)為(與對(duì)象尺寸相比) 網(wǎng)格過于稀疏，(c)為(與對(duì)象復(fù)雜程度相比)網(wǎng)格過于稀疏，(d)為既稀疏又密集的網(wǎng)格。圖4 一個(gè)4*5網(wǎng)格可隱式定義為9個(gè)鏈表的交集。圖5 —個(gè)4*5網(wǎng)格數(shù)組可隱式地定義為9個(gè)位數(shù)組的交集。圖6系統(tǒng)中碰撞檢測(cè)的流程。圖7小車-重物系統(tǒng)。圖8重物受力圖。
圖9超重控制流程。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步描述。參照?qǐng)D1 圖2，一種基于Virtools的虛擬雙梁橋式起重機(jī)的構(gòu)建方法，包括以下步驟(1)、利用SolidWorks強(qiáng)大的實(shí)體建模功能，按照從企業(yè)調(diào)研回來的圖紙上標(biāo)記的尺寸，在SolidWorks中通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁、特征陣列以及打孔等操作完成起重機(jī)各零部件模型的建立，并按照一定的裝配關(guān)系對(duì)零件進(jìn)行裝備，然后再以.stl格式輸出，方便導(dǎo)入3DS Max中進(jìn)行渲染。(2)、起重機(jī)裝配完成導(dǎo)出后，需將模型導(dǎo)入到3DS Max環(huán)境中對(duì)起重機(jī)整機(jī)模型做進(jìn)一步的編輯與修改。在將模型導(dǎo)入3DS Max中時(shí)，導(dǎo)入的過程不可移動(dòng)零部件，否則會(huì)影響起重機(jī)模型的裝配關(guān)系，把所有零部件導(dǎo)入后，可以使用3DSMax中組-成組命令，將起重機(jī)打包成幾個(gè)組件以方便對(duì)其進(jìn)行整體操作。本系統(tǒng)中主要分成3組，大車組、小車組合和支架組。為了更好地滿足虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所提出的要求，主要的編輯與修改有賦予起重機(jī)模型基本材質(zhì)屬性與貼圖、模型優(yōu)化。最后再以.nmo格式輸出。(3)、最后將輸出的.nmo場(chǎng)景和模型導(dǎo)入到Virtools，進(jìn)行優(yōu)化、測(cè)試、重組以達(dá)到更好的效果。然后就可以通過Virtools提供的行為交互模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。(4)、把構(gòu)建好的虛擬起重機(jī)系統(tǒng)，通過Virtools將作品發(fā)布為.vmo格式，客戶端只需安裝Virtools Web Player就可以通過IE瀏覽器訪問系統(tǒng)。系統(tǒng)用到了 SolidWorkS、3DS MAX、Virtools等作為制作的工具。需要注意的是， 在SolidWorks中建好起重機(jī)模型在導(dǎo)入3DS MAX之后，需要使用optimize修改器對(duì)模型的面數(shù)進(jìn)行減少，以減少文件所占的空間大小，最后在利用Virtools進(jìn)行起重機(jī)的交互制作。最后為了達(dá)到更好的操作效果，增加了系統(tǒng)對(duì)操縱桿的響應(yīng)模塊。橋式起重機(jī)的駕駛室為兩個(gè)操縱桿，另外加幾個(gè)按鈕，分別起輔助作用，比如啟動(dòng)等。操縱桿作用如下左邊的操縱桿主要控制大車和小車的運(yùn)動(dòng)；右邊的操縱桿則用于控制吊鉤的起升。該系統(tǒng)主要是為企業(yè)內(nèi)部員工進(jìn)行訓(xùn)練和培訓(xùn)提供一個(gè)平臺(tái)?？梢陨?EXE格式可執(zhí)行文件，也可以制作網(wǎng)頁的形式，只需通過瀏覽器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)員工的培訓(xùn)。本實(shí)施例中，以橋式起重機(jī)為模型，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)通過在計(jì)算機(jī)中建立三維模型、作業(yè)場(chǎng)景，模擬出真實(shí)的工作環(huán)境，制作成為一個(gè)能進(jìn)行人機(jī)交互的仿真系統(tǒng)，來進(jìn)行橋式起重機(jī)學(xué)員的培訓(xùn)工作。由于該培訓(xùn)過程是在計(jì)算機(jī)展示的虛擬環(huán)境中進(jìn)行，擁有高沉浸感，使學(xué)員如同身臨其境，在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中反復(fù)實(shí)踐技術(shù)要領(lǐng)，最后提高技術(shù)水平，降低了非專業(yè)人員的操作風(fēng)險(xiǎn)，可長(zhǎng)期使用降低了學(xué)員的培訓(xùn)費(fèi)用。橋式起重機(jī)仿真系統(tǒng)三維模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)量比較大。因此創(chuàng)建三維模型時(shí)需要兼顧到視景渲染的真實(shí)性和實(shí)時(shí)性，因此需要對(duì)模型進(jìn)行有效的管理和合理的組織 (如圖幻。按照各部件的運(yùn)動(dòng)特性將虛擬場(chǎng)景分為動(dòng)態(tài)場(chǎng)景和靜態(tài)場(chǎng)景，其中部分動(dòng)態(tài)場(chǎng)景和所有靜態(tài)場(chǎng)景在Solidworks和3DS Max中建立，具體包括起重機(jī)橋架和重物等組成虛擬車間內(nèi)部場(chǎng)景和以地面、天空為主要部分的外部場(chǎng)景。部分動(dòng)態(tài)場(chǎng)景包括固定路徑運(yùn)動(dòng)的大車、小車和吊具等。靜態(tài)模型主要影響視覺效果，因此，可以采用景物幾何和圖像相結(jié)合的建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)，以提高程序運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和較高的沉浸感。動(dòng)態(tài)模型的主體是需要仿真起重機(jī)及各種提示信息，主要通過相關(guān)的圖形引擎寫相應(yīng)的程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。因?yàn)橐獙?shí)時(shí)對(duì)大車、小車和吊具的仿真，因此，必須建立準(zhǔn)確的三維模型以真實(shí)的表現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)。然后把建立好的橋式起重機(jī)模型導(dǎo)入到3DS Max中進(jìn)行模型的優(yōu)化和渲染，最后再導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)制作軟件Virtools中進(jìn)行起重機(jī)的仿真和實(shí)現(xiàn)，并基于此，開發(fā)出虛擬雙梁橋式起重機(jī)仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，涉及幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，分別是碰撞檢測(cè)算法的優(yōu)化、小車(大車)_重物系統(tǒng)的模擬和系統(tǒng)對(duì)超重的處理。1、本文實(shí)現(xiàn)的碰撞檢測(cè)算法是基于包圍盒技術(shù)和空間分割中的均勻網(wǎng)格技術(shù)。在對(duì)虛擬起重機(jī)進(jìn)行空間劃分時(shí)，對(duì)其經(jīng)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。起重機(jī)的活動(dòng)范圍有限，只在由大車軌道和支架圍成的長(zhǎng)方體中移動(dòng)。將這個(gè)長(zhǎng)方體由上到下投影到地板上形成一個(gè)矩形，然后對(duì)這個(gè)矩形使用均勻網(wǎng)格劃分?？紤]到主要是對(duì)大小比較規(guī)則，尺寸比較統(tǒng)一的對(duì)象操作，故將單元格周長(zhǎng)定為場(chǎng)景中零部件直徑的兩倍。碰撞檢測(cè)的過程可以分為以下幾個(gè)部分 碰撞區(qū)域的均勻網(wǎng)格劃分對(duì)投影矩形區(qū)域進(jìn)行均勻網(wǎng)格劃分。循環(huán)訪問碰撞區(qū)域中的物體，并且記錄每個(gè)物體所占的單元格。 判斷吊鉤所在單元格根據(jù)吊鉤的位置和自身包圍盒計(jì)算出吊鉤所在的單元格。 選擇要進(jìn)行碰撞檢測(cè)的物體根據(jù)吊鉤所在的單元格和吊鉤運(yùn)動(dòng)方向，選擇單元格，并與這些單元格中的物體進(jìn)行碰撞檢測(cè)。 碰撞響應(yīng)沒有發(fā)生碰撞就繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，否則就停止。具體流程如圖6所示。2、小車(大車)系統(tǒng)在橋式起重機(jī)仿真器開發(fā)中是重點(diǎn)內(nèi)容。在起重機(jī)工作時(shí)， 重物的不斷擺動(dòng)，對(duì)橋式起重機(jī)來說，存在兩種擺動(dòng)，分別是小車運(yùn)動(dòng)時(shí)重物的前后擺動(dòng)和大車運(yùn)動(dòng)時(shí)重物的左右擺動(dòng)。由于這兩個(gè)擺動(dòng)的除了方向的不同其余都是相似的，所以在這里我們主要闡述小車運(yùn)動(dòng)時(shí)重物的擺動(dòng)。如何模擬這種擺動(dòng)，使仿真效果盡可能貼近現(xiàn)實(shí)中重物的運(yùn)動(dòng)，成為系統(tǒng)是否具有高效真實(shí)性的瓶頸。一般來說，為了準(zhǔn)確模擬模型中各個(gè)零部件的運(yùn)動(dòng)，需要對(duì)模型建立實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)運(yùn)動(dòng)模型，并進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，這樣通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)得到的方程可以很精確的模擬系統(tǒng)的變化過程。由于本系統(tǒng)重點(diǎn)在于訓(xùn)練操作者的操作技能而非精確的模擬橋式起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡，且因所使用的Virtools開發(fā)軟件的編程注重對(duì)模型行為的視覺模擬，并不善于數(shù)學(xué)建模。所以先通過數(shù)學(xué)建模對(duì)小車-重物系統(tǒng)進(jìn)行分析，了解系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，用于指導(dǎo)、 驗(yàn)算方案設(shè)計(jì)。而開發(fā)工作則充分利用Virtools軟件的功能模塊，以視覺效果為開發(fā)的最終評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。小車-重物系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)建模(1)、首先，對(duì)橋式起重機(jī)小車-重物系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)分析，以小車沿大車運(yùn)行時(shí)為例進(jìn)行受力分析。小車-重物系統(tǒng)受力分析如圖7、8。假定重物為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，M為小車質(zhì)量，m為重物質(zhì)量。絕對(duì)坐標(biāo)χ代表小車沿大車的位移。在與小車一起運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，提升的重物還做相對(duì)小車的來回?cái)[動(dòng)。由此可知，重物的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是有兩部分運(yùn)動(dòng)合成的相對(duì)小車的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(提升和擺動(dòng))和隨小車一起的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。1代表繩長(zhǎng)4為提升重物的相對(duì)擺動(dòng)角度。則提升重物的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以通過相對(duì)坐標(biāo)(/,妁來表示，而絕對(duì)運(yùn)動(dòng)可由絕對(duì)坐標(biāo)χ算出。如圖所示，F(xiàn)m為操作過程中小車所受的阻力，并且隨小車的運(yùn)動(dòng)而改變；F是牽引電機(jī)對(duì)小車的牽引力；T則是提升電機(jī)作用于重物的提升力。小車-重物擺動(dòng)系統(tǒng)屬于不完全約束，使用達(dá)朗伯原理，建立動(dòng)態(tài)方程。在垂直纜繩方向受力平衡得
權(quán)利要求
1.一種基于Virtools的虛擬雙梁橋式起重機(jī)的構(gòu)建方法，其特征在于所述構(gòu)建方法包括以下步驟(1)、利用SolidWorks實(shí)體建模功能，按照從企業(yè)調(diào)研回來雙梁橋式起重機(jī)的圖紙上標(biāo)記的尺寸，在SolidWorks中通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁、特征陣列以及打孔操作完成起重機(jī)各零部件模型的建立，并按照裝配關(guān)系對(duì)零件進(jìn)行裝備，然后再以.stl格式輸出；(2)、起重機(jī)裝配完成導(dǎo)出后，將模型導(dǎo)入到3DSMax環(huán)境中對(duì)起重機(jī)整機(jī)模型做編輯與修改；把所有零部件導(dǎo)入后，使用3DS Max中組-成組命令，將起重機(jī)打包成3個(gè)組件 大車組、小車組合和支架組，所述編輯與修改操作包括賦予起重機(jī)模型基本材質(zhì)屬性與貼圖、模型優(yōu)化；最后再以.nmo格式輸出；(3)、將輸出的.nmo場(chǎng)景和模型導(dǎo)入到Virtools，進(jìn)行優(yōu)化、測(cè)試和重組，然后通過 Virtools提供的行為交互模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)；(4)、把構(gòu)建好的虛擬起重機(jī)系統(tǒng)，通過Virtools將作品發(fā)布為.vmo格式，客戶端只需安裝Virtools Web Player就可以通過IE瀏覽器訪問系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于Virtools的虛擬雙梁橋式起重機(jī)的構(gòu)建方法，其特征在于所述步驟(1)中，增加系統(tǒng)對(duì)操縱桿的響應(yīng)模塊，橋式起重機(jī)的駕駛室為兩個(gè)操縱桿， 左邊的操縱桿主要控制大車和小車的運(yùn)動(dòng)；右邊的操縱桿則用于控制吊鉤的起升。
全文摘要
一種基于Virtools的虛擬雙梁橋式起重機(jī)的構(gòu)建方法，包括以下步驟(1)在SolidWorks中通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁、特征陣列以及打孔操作完成起重機(jī)各零部件模型的建立，并按照裝配關(guān)系對(duì)零件進(jìn)行裝備，然后再以.stl格式輸出；(2)起重機(jī)裝配完成導(dǎo)出后，將模型導(dǎo)入到3DS Max環(huán)境中對(duì)起重機(jī)整機(jī)模型做編輯與修改；(3)將輸出的.nmo場(chǎng)景和模型導(dǎo)入到Virtools，進(jìn)行優(yōu)化、測(cè)試和重組，然后通過Virtools提供的行為交互模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)；(4)把構(gòu)建好的虛擬起重機(jī)系統(tǒng)，通過Virtools將作品發(fā)布為.vmo格式，客戶端只需安裝Virtools Web Player就可以通過IE瀏覽器訪問系統(tǒng)。本發(fā)明效率較高、成本較低、實(shí)時(shí)性良好。
文檔編號(hào)G06T17/00GK102360396SQ201110296328
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者俞楚勇, 張?jiān)Q, 肖剛, 胡榮保, 袁曉陽, 陸佳煒, 高飛 申請(qǐng)人:浙江眾擎起重機(jī)械制造有限公司, 浙江工業(yè)大學(xué)