1、外文原文：http:/ 中文 3450 字 基于物理模拟起重机操作和 协同仿真 池黄林 黄威航 康石春 池黄林国立台湾大学土木系研究生 ， 台湾台北 10617。 电 话 （ 886） 2-3366-4342； 电子邮件 ： 黄威航国立台湾大学土木系研究生 ， 台湾台北 10617。 电 话 （ 886） 2-3366-4342； 电子邮件 ： 康石 春国立台湾大学土木系助理教授，台湾台北 10617。电话（ 886） 2-3366-4346；电子邮件： sckangntu.ed
2、u.tw 摘要 本文介绍了 在计算机生成的虚拟 环境中 构建一个数值起重机模型的方法 ，用 此 来证明一个双起重机方案 。 数值起重机模型被分成两个子模型 ： 操纵模型和悬架模型。操纵模型是用来描述起重机操作之间的关系（起重机的各部分的运动）和起重机 现 状 （ 起 重机的位置和 方 向 ） 。 悬 架模型包括 起 重机缆索和操 纵 对 象 。它可以被用来分析起重机在操作过程中由惯性力所引起的悬浮对象的动态行为。为了证明子模型的使用 ， 一个原型仿真系统被开发了出来 。 结果表明 ， 该原型系统能充分地提供模拟起重机操作和协同仿真的可视化细
3、节。 介绍 起重机操作和协同仿真的问题在现代建筑中非常重要。然而，这些任务通常是非常危险的 ， 因此需要很高的精度 。 例如 ， 有百分之二十五的工程预算直接与起重机资源或对钢结构建筑的操作任务相关 。 此外 ， 在美国从 1984 年到 1994年期 间 （ 2002 的普里福伊和舍克斯纳德）由起重机操作失误导致事故的不幸死亡人 数超过 500 人 。 在本研究中 ， 我们的目标是开发一个通用的方法在建设开始之前来模拟起重机相关活动。使用模拟，我们希望确定和消除危险的情况。 尽管计算机可以显著的帮助施工模拟 ，
4、但根据物理学规律 ， 计算机呈现逼真 的可视化和在同一时间向用户提供反馈仍然是一个棘手的问题 。 第一个困难就是 制作一个详细和逼真的动画的成本很高 。 因为动画是由逐帧生成的 ， 它需要一个 数量巨大的工时。第二，渲染一个动画会消耗大量的计算机能力 。 平均来说 ， 渲染一个 60 秒质量平均水平的动画可能需要一个小时。第三个困难就是制造 一个 逼真的动画的准确性 。 为了满足模拟操作起重机的动态反馈的要求 ， 它需要引入 物理学，比如动态情况下的运动。 为了自动的生成可视化和提高模拟的现实程度 ， 研究人员 ， 如卡玛特和马丁 内兹（ 2005） 和 康和米兰 达 （ 2004
5、） ，最近进行 了 详细的施 工 可视化的自 动 可视化方法研究。 Simlog（ 2007 年）公司和 CMLabs（ 2007）公司已经生产了带有物理反应和逼真的纹理的培训模拟器 。 在本文中 ， 我们将进一步介绍操纵模型来模拟在操作起重机过程中的动态行为和介绍一个悬架模型促进物理精确表示的产生。该模型可以广泛的用于各种仿真的目的，如模拟详细的安装活动。 双吊起重机方案 在这项研究中 ， 我们使用一个双吊起重机方案来体现起重机的协同仿真（参见图 1） 。 建立一个数学模 型 ， 这种双起重机方案被分为两个模型 ， 一个悬架
6、模型和一个操作模型 。 悬架模型包括电缆 ， 钩和操纵的对象 。 想要正确地模拟悬架模型的动态行为 ， 我们必须要遵循约束动力学的原理和建立数学模型 。 操纵模型用来计算由运营商和端部执行 器 （动臂的前端 ） 的位置来操作起重机各组件运动之间的关系 。 介绍了正向运动学理论用来确定其几何关 系 。 在本文后面的部分中 ， 我们 将解释如何运用约束动力学和正向运动学来建立起重机模型和开发一个基于物 理模拟环境的建筑工程起重机。 悬架模型 j 约束动力学 ， 广泛应用在计算机图形学中的多体建模领域的技术 ， 在这次研究中用于模拟建筑机械 。 多体建模方法用
7、于模拟仅由刚性体和关节组成的虚拟对象 。 由于虚拟对象是联动的物体 ， 它们的运动受到关节的制约 。 因此 ， 推导出用于从所有关节几何约束的方程 ， 并试图开发出可以用来方便基于物理学的可视化生成的数学模型。 两种类型的接头 ， 球状接头和滑动接头 ， 被引入到模拟建筑起重机中 。 我们 首先解释一下球状接头 。 假定第 I 点是如图所示物体 Bi和物 体 Bj相接的球状接 头 。 球状接头 的特点是两个点 ， 一个是从每个物体 ， 总是连接到另外一个物体。它意味这有三个约束，在 X,Y 和 Z 中有两个点的维度是一样的。 图 1 双起重机方案 图 2 球状接头 根据以上约束条件，我们可以形成方程如下： 当 m=(x,y,z), ,R 是物体相应方位的转动矩阵。 Pianc和 Pjanc分别代表质 体的中心至锚载体上的连接点 ， Pi 和 Pj 分别是物体 Bi和 Bj位置矢量 。 根据 Bi 和 Bj 的位置和方向构成的空间向量 P 知道 x（ P） , y（ P）和 z（ P） 是 方程 的 几 何 约束。
