虚实融合环境下柔性线缆物理建模与实时布线方法研究

This study is aimed to study the wring design and process of electrical and mechanical. Based on the simplification and discretization of cable configuration, a Discrete Mass-Cosserat model will be presented, and discrete forces, initial-boundary value, numerical method will be solved. A real-time collision detection method will be designed considering the particularity of mixed scene. A discrete masses-based approach will be realized to handle collision problems between cable and the outside objects or itself. A novel real-time wiring approach based on multi-markers that are registered by Non-iterative LUT method will be presented to enable users to real-time control the position and shape of cable. This study will provide a new ideas and theoretical guidance for wiring design and process of mechanical and electrical products. It also has valuable applications in these fields, such as flexible object simulation, real-time interaction in augmented reality, suture surgery and catheters surgical simulation.

本项目以机电产品线缆布线设计和工艺方法为研究对象，通过对柔性线缆构形简化和离散，提出一种新颖的离散质点Cosserat线缆模型，建立离散力计算、初边值约束、数值求解的方法；针对虚实融合场景碰撞交互的特殊性，设计合理、高效的实时碰撞检测与处理方法，并提出基于离散质点的接触机制处理线缆与外界对象或自身的碰撞；研究基于非迭代LUT的方形标识物注册方法，并以此为基础设计高效、便捷的多标识物布线交互工具和实时布线交互算法，最终实现虚实融合环境下使用户能像操作真实物体一样方便地完成布线设计任务。本项目的研究将为机电产品布线设计与工艺方法提供新的解决思路和理论指导，并在图形学领域的柔性物体仿真、增强现实领域的实时交互方法、医学领域的缝线以及导管手术模拟等方面具有广泛的应用前景。

项目针对虚实融合环境下线缆变形真实度（性能）和布线实时性（速度）需要平衡的科学问题，提出了一种计算成本低、仿真逼真度高的离散质点Cosserat 模型的线缆建模方法，研究了面向虚实融合场景的碰撞检测方法和基于离散质点的线缆接触机理，设计了一套基于机器视觉方法的实时布线系统，实现了用户在虚实融合环境下可以实时地设计线缆的分支结构和走线路径。项目的主要研究结论如下：.（1）设计了基于机器视觉的三维运动捕捉与示教系统，实现了360度实现刚体运动轨迹的实时跟踪定位和复杂路径智能规划。实验表明该系统具有亚毫米级的定位精度，个性化路径模拟设计等特点。.（2）提出了基于离散质点Cosserat模型的线缆建模方法。实现了计算成本低、视觉效果逼真的建模目标。实验表明该模型可以高效地处理弯曲和扭转这两种物理现象，也可通过改变模型参数来仿真不同材料的细长柔性零件。.（3）构建了虚实融合三维物体高精度快速碰撞检测系统，实现了柔性线缆与外界对象或自身之间的碰撞接触处理方法。实验表明该系统可以高效解决刚体和可变形对象混合环境的碰撞检测问题。.（4）发明了一种基于视觉的手持式智能示教笔系统，实现了基于增强现实的实时智能布线方法。实验表明该系统具有很强的抗干扰性和鲁棒性，可以在复杂的工业环境下进行线缆定位、碰撞检测和路径优化。.项目研究成果申请/授权国家专利/软件著作权21项，在国内外核心期刊发表论文15篇，培养研究生3名，培养了一支20名技术人员组成的人工智能研发团队（国家先进轨道交通装备创新中心），组建了“虚拟现实与机器视觉”、“智能感知器件与系统”、“轨道交通智能运维技术”三个人工智能相关的联合创新实验室。本项目研究成果将为机电产品布线设计与工艺方法提供新的解决思路和理论指导。同时本项目提出的机器视觉示教、虚实碰撞检测和智能算法等研究成果后续将拓展应用到智能机器人、数字孪生智能运维系统和工件视觉检测等实际工程问题。