6-DOF并联坐标测量机碰撞检验研究

　　坐标测量机CMM (CoordinateMeasuringMachine)作为现代大型精密仪器,已越来越显示出它的重要性和广阔的发展前景[1]。它可方便地进行空间三维尺寸的测量,可实现在线检测及自动化测量。虚拟样机技术是指在产品设计开发的过程中,将分散的零部件设计和分析技术揉和在一起,在计算机上模拟建造出整体模型,并针对产品投入使用后的各种情况进行仿真分析[2-3]。随着计算机软硬件及网络技术的高速发展,人们迫切要求对现实世界的真实模拟及与计算机的实时交互操作。要真实地模拟现实世界中物体的运动,关键问题之一是必须对场景中的所有物体进行实时碰撞检验,防止对象间发生穿透等不真实的现象,因此碰撞检验问题在虚拟现实等领域中是至关重要的问题之一[4]。作者对6-DOF并联坐标测量机的运动过程进行了碰撞检验。首先在OpenGL环境下设计虚拟6-DOF并联坐标测量机,然后使用AABB包围盒算法进行碰撞检验的验证,完成算法的编程,并在虚拟环境下进行三维的模拟仿真测试。

　　1　并联坐标测量机虚拟样机设计

　　OpenGL是一个开放的三维图形软件包,它独立于窗口系统和操作系统,容易实现模型的变换、着色、光照、纹理、曲面造型、材质、交互和动画等操作。由于OpenGL在三维真实感图形制作中的优秀性能,所以它在高级三维对象可视化和图形绘制的领域内得到广泛应用[5]。

　　图1为六自由度并联机构坐标测量机几何模型中的各个组成部分的结构示意图。

　　六自由度并联机构坐标测量机主要由运动部件、工件和静止部件组成。其中,运动部件包含球铰、移动副、球形副、运动平台和测量杆及侧头。工件包含椎形杯和立方体。静止部件包含顶盖、支撑柱和机座。利用OpenGL库中函数运动参数可以方便地实现虚拟样机逼真的三维运动,如图2所示。

　　2　碰撞检验算法

　　在虚拟环境中,由于用户的交互,物体间经常发生碰撞,所以碰撞检验是虚拟场景实时漫游和人机交互必不可缺少的一部分,是仿真物体间进行交互的先行步骤[4,6-7]。图3所示为未实现碰撞检验技术的并联坐标测量机对象间发生穿透的不真实现象。图4为实现碰撞检验技术的并联坐标测量机。从图中可以看出,实现碰撞检验技术会避免碰撞等现象,更加符合实际应用。

　　2·1　包围盒算法的研究

　　包围盒技术[8]的基本思想是用一个简单的几何形体(即包围盒)将虚拟场景中复杂的几何物体围住,通过构造树状层次结构可以越来越逼近真实的物体。当对两个物体碰撞检验时,首先检查两者的包围盒是否相交,若不相交,则说明两个物体不会发生碰撞,反之则需要再进一步对两个物体作检测。因为包围盒的求交算法比物体的求交算法要简单得多,所以可以快速排除很多不可能发生碰撞的物体,从而大大加快了碰撞检测的速度。以包围盒树为代表的碰撞检验方法有包围球(Sphere)、沿坐标轴的包围盒AABB (AlignedAxisBoundingBox)、有向包围盒OBB(Oriented Bounding Box)和基于离散有向多面体K-DOPs (DiscreteOrientation Polytope)等包围盒的碰撞检验方法。