线缆建模与仿真研究综述

刘嵘睿

（广东工业大学，广州 510006）

0 引言

科学技术是第一生产力，伴随着科学技术的高速发展，作为一种工具，计算机在科学技术、国民经济等各个领域中发挥着越来越重要的作用。计算机技术的不断发展也给制造业带来了新的发展机遇，为产品的设计、生产、管理、装配等环节的自动化提供了强大的技术力量。虚拟现实技术是在计算机技术的基础上发展起来的新技术，该技术可以模拟仿真存在于现实环境的真实事物，通过相应的计算机软硬件设备，可以使操作者在虚拟的环境中的听觉、触觉、视觉达到真实的环境一样的效果。

线缆是传输信息及能量的重要媒介，线缆装配得好坏对机电产品的性能、质量、成本和开发周期具有极大的影响。如果线缆的布局不合理，将会对产品的电磁兼容性、散热性、可靠性及抗振性等性能造成不良影响，给产品安全带来极大的隐患，甚至会导致产品在性能方面存在各种缺陷，严重影响到产品的开发周期、研发成本以及质量，造成重大的经济损失。因此线缆装配是机电产品布局设计中的重要研究课题之一。怎样在虚拟现实环境下进行线缆的仿真和设计来切实提高实际线缆装配的质量和效率已经成为当前急待解决的问题。

1 线缆的建模与仿真技术

线缆的建模与仿真最主要的问题就在于线缆的建模。如今线缆的建模方法主要有以下几种：

（1）线缆的离散控制点建模。线缆的离散控制点建模方法，就是将柔性线缆表示成由一系列离散的截面中心点连接而成的三维空间连续折线段，并且将这些中心点作为线缆空间位置及空间姿态的控制点，同时通过操作这些控制点来实现线缆在虚拟环境下的布线。

（2）基于弹性细杆力学模型的线缆建模。基于弹性细杆力学模型的线缆建模主要分为两部分：建立线缆物理特性模型和求解线缆物理特性模型。建立线缆物理特性模型包括建立坐标系，对线缆微分单元进行受力分析，构建弹性细杆静力学平衡方程。求解线缆物理特性模型是根据数值分析的相关理论对连续的线缆进行离散并对弹性细杆静力学平衡方程进行理论上的数值求解。

（3）线缆的能量最优化的建模。由于现实中线缆的两端大多是固定的，所以在建模时也将线缆的两端设为固定，并处于悬挂约束下。对线缆的弹性势能和重力势能进行分析，通过对一定范围内的控制点位置求出线缆的总能量。比较各控制点的总能量得出能量最优化时的线缆最佳控制点，从而建立线缆的几何模型。

2 线缆建模与仿真研究现状

国外对于线缆布线的研究开始得比较早，1992年斯坦福大学就研发出了一种用于导弹中线缆布线的线缆并行设计系统［1］。1994年Conru［2］利用人工智能的方法研究了在复杂空间环境下线缆路径的搜索问题。2000年Hergenrother［3］等利用能量最小的方法建立了线缆的运动学模型，其能量由线缆自身的重力势能和线缆弯曲时引起的弹性势能两部分构成，介绍了在此基础上建立质点弹簧线缆模型的具体过程。此法虽然理论比较简单，但是在建立线缆模型的过程中会随着线缆段的增加而成倍地增加计算量，要求的计算机硬件条件很高，因此此方法并没得到广泛的应用。此后，MarkMoll［4］等提出了一种可以对像线缆这样的柔性物体做路径规划的新方法，并提出了在线缆被操作的情况下有效计算其外形的方法，指出这种方法计算得到的线缆外形是能量最小的模型。

国内对于线缆的建模和装配也进行了大量的研究，并取得了较好的进展。中国工程物理研究院的魏发远应用虚拟样机技术来研究线缆的建模和仿真，提出了基于虚拟样机的线缆布线方法和基于逆运动学的线缆安装方法；北京理工大学的刘检华等利用离散的控制点方法建立了线缆的模型，并对线缆的装配规划和信息管理做了一定的研究。

3 线缆建模与仿真研究趋势

虽然目前对线缆的建模与仿真的研究逐渐深入，但还是存在着一些问题：第一，线缆模型姿态较为简单，基本上都未考虑线缆的扭曲等情况，而在现实环境下，线缆的扭曲、打结等情况极为常见；第二，建模的多为静态的线缆，未将线缆运动加入进去。其实在线缆装配的过程中，线缆一直是运动状态。

因此，以后线缆建模与仿真的研究将向以下两个方向深入：

（1）线缆模型复杂化。以后线缆建模与仿真的线缆模型将把线缆的扭曲、打结等线缆常见的情况包括进去，并将不同线缆的材料属性等也包含进去，从而使仿真结果更加贴合实际。

（2）线缆动态化的模拟。线缆的装配过程中，线缆必然一直在运动当中，以后的线缆建模与仿真将把这种动态过程也进行模拟，从而更好地为实际的线缆装配提供参考指导，实现更大的价值。

［1］Hisup Park， Soo Hong Lee， Mark E Cutkojky.Computational S upport C oncurrent E ngineering of C able H amess ［R］.CDR Technical Report，1992.

［2］ABConru.A G enetic A pproach to the C able H arness R outing P roblem［C］//Proceedingsof the IEEEConferenceon Evolutionary Computation， Vol.l，Orlando，USA，1994：200-205.

［3］E Hergenrother and P Dahne.Real－time V irtual C ables B ased on K inematic S imulation［C］//In Proceedingsof theWSC，2000.

［4］Mark Moll， Lydia E.Path Planning for Deformable Linear Objects［J］.IEEET ransactions O n R obotics，2006，22（4）：625-636.