基于Java3D的连杆机构创新设计虚拟实验平台的研究与实现

论文摘要

基于Java、虚拟现实、多媒体、网络技术,运用JBuilder 9.0、Java3D和VRML等为主要开发工具,在J2SE应用开发平台下设计和开发了连杆机构创新设计虚拟实验平台。该平台能为学生提供一个类似于实际机构运动方案创新设计实验室的虚拟环境,让学生能够体验到身临其境的感觉,通过对机构三维实体模型的交互式操作使学生能够获得逼真的实验效果,同时还可以实现学生的个性化学习。本课题首先在对比分析了连杆机构运动学分析常用的方法后,采用基本杆组法进行机构的运动分析,而对基本杆组则采用矢量三角形法进行运动分析；其次比较了当前虚拟实验室的实现技术、系统结构及技术解决方案,在此基础上提出了该系统的设计目标与设计思想,确定了系统的总体功能结构模块的组成；最后以计算机图形学中的几何造型理论为基础,结合Java3D API曲面生成方法提出利用三角面片进行构件的三维参数化建模。该虚拟实验平台首先运用基于杆组的机构组建理论对连杆机构中Ⅰ级杆组、Ⅱ级杆组（RRR、RRP、RPR、RPP、PRP）和Ⅲ级杆组（RR-RR-RR、RR-RR-RP、RR-PR-RP）进行运动数学模型的建立,并以此为基础结合Java3D与虚拟现实技术实现其总体设计；而后根据总体设计和各功能模块详细设计,建立了基于Java3D的机构创新设计虚拟实验平台的系统总体框架,并利用Java3D强大的曲面造型功能生成机构三维交互式实体模型库,实现了机构运动方案创新设计及其可行性判断与干涉检测分析、机构运动方案到机构三维实体运动仿真模型的直接映射、三维实体运动仿真模型的实时显示和机构三维模型的运动仿真与分析等功能。由于该虚拟实验平台采用当前流行的MVC（模型—视图—控制器）构架及面向对象的技术,从而使整个系统具有良好的可扩展性和复用性,便于系统功能的扩充和进一步完善。

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第一章绪论

1.1 问题的提出

1.2 国内外研究现状

1.2.1 虚拟现实技术的发展与应用

1.2.1.1 虚拟现实技术的发展

1.2.1.2 虚拟现实技术的应用现状

1.2.2 虚拟实验系统的研究与应用

1.3 本论文的研究内容及科学意义

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 科学意义

1.4 论文的组织结构

第二章相关理论与技术

2.1 连杆机构运动分析的常用方法

2.2 分析方法的选择

2.3 基本杆组理论

2.3.1 构件上点的运动分析

2.3.1.1 连架杆上点的运动分析

2.3.1.2 平面运动构件上点的运动分析

2.3.2 RRR杆组运动分析

2.3.3 RRP杆组运动分析

2.3.4 RPR杆组运动分析

2.3.5 PRP杆组运动分析

2.3.6 RPP杆组运动分析

2.3.7 RR-RR-RRⅢ级杆组的分析

2.3.8 RR-RR-RPⅢ级杆组的分析

2.3.9 RR-PR-RPⅢ级组的分析

2.4 Java3D简介

2.4.1 Java3D中形体的形成

2.4.2 Java3D中形体的组合

2.4.3 Java3D的动画编程

2.4.4 Java3D的交互式编程

第三章系统总体设计

3.1 开发工具的比较与选择

3.1.1 当前主流开发工具的比较

3.1.2 开发工具的选择小结

3.2 系统总体设计

3.2.1 系统总体设计思想

3.2.2 系统主要功能结构

第四章系统详细设计与程序实现

4.1 机构参数输入模块

4.2 机构运动学分析模块

4.2.1 机构运动分析模块结构关系

4.2.2 机构运动的确定性条件

4.3 构件库模块

4.3.1 机构运动简图符号库的实现

4.3.1.1 机构运动简图符号创建的方法

4.3.1.2 创建机构运动简图符号的程序实现

4.3.2 三维参数化实体模型库的实现

4.3.2.1 三维参数化实体模型创建的方法

4.3.2.2 三维参数化实体模型的程序实现

4.3.3 机构运动简图到三维参数化实体模型的映射机制的实现

4.4 场景树模块的实现

4.4.1 场景树的形成

4.4.2 场景树中节点的选择

4.4.3 场景树中浮动菜单的实现

4.5 机构拼接模块的实现

4.6 三维可交互式运动仿真模块的实现

4.6.1 干涉检测分析

4.6.2 运动仿真的实现

第五章系统运行实例

5.1 系统运行环境

5.2 系统使用简介

5.3 系统运行实例

第六章总结与展望

6.1 总结

6.1.1 主要研究成果

6.1.2 主要创新点

6.2 展望

参考文献

致谢

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