[论文解读] Haptic devices and objects, robots and mannequin simulation in a CAD-CAM software: eM-Virtual Desktop

Damien Chablat, Fouad Bennis+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2011

Manufacturing Process and Optimization被引用 10

一句话总结

本文提出 eM-Virtual Desktop，一款将 Phantom 设备的触觉反馈整合至 CAD-CAM 软件的工业设计仿真系统，用于模拟机器人、人体模型和物体。系统采用图形、碰撞检测与触觉反馈三个独立循环，以不同频率并行运行，实现低延迟的实时沉浸式交互，显著缩短汽车工业中的产品开发周期。

ABSTRACT

This paper presents the development of a new software in order to manage objects, robots and mannequins in using the possibilities given by the haptic feedback of the Phantom desktop devices. The haptic device provides 6 positional degrees of freedom sensing but three degrees force feedback. This software called eM-Virtual Desktop is integrated in the Tecnomatix's solution called eM-Workplace. The eM-Workplace provides powerful solutions for planning and designing of complex assembly facilities, lines and workplaces. In the digital mockup context, the haptic interfaces can be used to reduce the development cycle of products. Three different loops are used to manage the graphic, the collision detection and the haptic feedback according to theirs own frequencies. The developed software is currently tested in industrial context by a European automotive constructor.

研究动机与目标

• 为改善工作场所与装配线设计，实现与虚拟工业环境的沉浸式、触觉交互。
• 将 Phantom 桌面设备的触觉反馈集成至 Tecnomatix eM-Workplace 平台，以增强数字样机能力。
• 通过力反馈使工程师能够与虚拟原型进行物理交互，从而缩短产品开发周期。
• 在统一、交互式的虚拟工作空间中，支持对机器人、人体模型和工作对象的仿真。
• 在实际工业环境中验证系统，特别是在一家欧洲汽车制造商的应用场景中。

提出的方法

• 将具备六自由度位置感知与三自由度力反馈的 Phantom 桌面设备集成至 eM-Workplace CAD-CAM 环境中。
• 实现三个并行处理循环：一个用于实时图形渲染，一个用于碰撞检测，一个用于触觉反馈，各自以最优频率运行。
• 利用 Phantom 设备的力反馈，模拟与虚拟物体、机器人及人体模型（人体模型）的物理交互。
• 在 eM-Virtual Desktop 环境中开发软件层，用于管理物体动力学、机器人运动学及触觉交互逻辑。
• 利用 Tecnomatix eM-Workplace 平台，确保与工业数字样机工作流程的兼容性。
• 应用实时碰撞检测算法，确保在虚拟操作任务中实现精确的触觉反馈。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效将 Phantom 设备的触觉反馈集成至工业设计用 CAD-CAM 环境？
• RQ2 何种体系架构可实现虚拟仿真中图形、碰撞检测与触觉反馈之间的稳定、实时交互？
• RQ3 触觉仿真在多大程度上可缩短工业装配规划中的产品开发周期？
• RQ4 将机器人与人体模型结合触觉反馈，如何提升虚拟工作场所仿真的真实感与可用性？
• RQ5 在工业汽车应用场景中，部署此类系统面临哪些实际挑战与优势？

主要发现

• eM-Virtual Desktop 系统成功将 Phantom 设备的触觉反馈集成至 Tecnomatix eM-Workplace 平台，实现工业仿真。
• 采用图形、碰撞检测与触觉反馈三个独立循环的架构，实现低延迟、稳定的实时性能。
• 系统使工程师可通过力反馈与虚拟机器人、人体模型及工作对象进行物理交互，提升设计验证效果。
• 该软件已在一家欧洲汽车制造商的工业环境中完成测试，验证其实际适用性。
• 该集成降低了对物理原型的依赖，并显著加快复杂装配设施规划中的开发周期。
• 系统支持沉浸式、交互式的数字样机工作流程，显著提升虚拟环境中的人体工学与工艺规划水平。