计算设计与工程学报6（2019）542可在ScienceDirect上获得目录列表计算设计与工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/jcde用于通过无线连接的块Jinwon Son，Hoik Jang，YoungChoi韩国首尔市铜雀区Heukseok-Ro 84号中央大学工学院机械工程学院阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2018年收到修订版2019年4月13日接受2019年4月15日在线提供2019年关键词：物联网CADZigbee3D块建模3D形状建模视觉遮挡块旋转A B S T R A C T三维计算机辅助设计（CAD）是一种通过有形的物理设备在用户和计算机之间进行交互的新型接口技术，它可以比传统的建模接口更有效地生成和操作三维模型。由于大多数有形CAD系统使用相机或投影仪，因此无法生成具有视觉遮挡的复杂结构的3D模型。在这项工作中，我们提出并开发了一个系统，允许用户通过组装无线块来创建复杂的形状。通过在块的方向上允许更多的自由度，与先前研究产生的2.5D形状相比，由组装操作创建的模型可以用于生成真正的3D形状该系统的物理模块包括红外接近传感器、惯性磁单元、Zigbee模块和Arduino微控制器。块组件的状态通过Zigbee无线传输到工作站。工作站收集块的传感器数据，并生成和呈现物理组装块的3D模型。所提出的有形CAD系统的概念可以用于各种应用领域，其中用于通过组装小块来创建模型的简单、易于使用的形状建模接口教育和游戏行业是很好的例子，可以很容易地应用这一概念©2019计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）下访问文章1. 介绍在教育、计算机游戏、患者康复等领域中，3D计算机模型的使用不仅对于专家而且对于普通人都变得流行。最近，对3D打印的兴趣增加，并且对便宜且非专家可访问的3D形状建模工具的需求不断增长。计算机辅助设计（CAD）是一种用于帮助设计、分析、优化和修改现有设计的计算机系统。CAD工具用于提高用户生产力、设计质量和改善用户之间的沟通。自从1957年Sketchpad问世以来， CAD工具已经发生了巨大的变化。 它已被广泛应用于各种设计领域，如国防、航空、航天、汽车、船舶、建筑、室内、电影、动画、游戏和服装，并受益于速度和性能的不断改进。特别地，它已经从命令行界面（CLI）发展成图形用户界面（GUI），并且通过实现由计算设计与工程学会负责进行同行评审。*通讯作者。电子邮件地址：yychoi@cau.ac.kr（Y. Choi）。简单直观的界面在屏幕上的配置和设计方法。然而，尽管有这些进步，许多人仍然需要培训来使用CAD工具。要创建3D形状模型，很难期望不是专家的人花费大量的时间和精力。为了克服这一点，已经开发了各种接口，诸如触摸屏、手写笔（Walker，2012）以及使用增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术的CAD建模系统（Arisandi等人，2012; Chen，Chi，Hung，&Kang，2011; Chi，Kang，&Wang，2013; Dong，Behzadan，Chen，&Kamat，2013;Goulding ， Nadim ， Petridis ， &Alshawi ， 2012; Kobayashi ，Moriwaki，Shimada ，&Ootsubo，2015; Li，Yi，Chi，Wang，&Chan，2018; Lorenz等人， 2016; Park ，Jung，&Park，2014;Portman ， Natapov ， &Fisher-Gezartzman ， 2015; Sampaio&Martins ， 2014;Sun ， Hu ， &Xu ， 2019; Woksepp& Olofsson ，2008），其中不包括使用现有的键盘/鼠标接口。有了有形的CAD系统，以前从未使用过CAD的人可以轻松地访问3D建模，并可以通过处理3D物理对象，通过新颖的3D形状建模方法进行直观和创造性的设计。Jota、Walther和Miller使用KinectTM和投影仪捕获用户组装块的位置和方向，并使用此信息创建3D 模型（ Jota Benko ， 2011;Miller、White、Charbonneau、Kanzler、LaViola，2012;https://doi.org/10.1016/j.jcde.2019.04.0062288-4300/©2019计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。J. Son等人/Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）542543Walther，Brentzen， Aan s，2016）. 在这些研究中，通过预先将块的几何形状输入到系统中来创建3D模型，并且利用KinectTM组件提取块的点数据和深度信息，并计算对象的位置然而，缺点包括不能生成具有视觉遮挡的3D模型，并且如果块超出Kinect的范围，则不能创建模型麻省理工学院开发了一个有形的CAD系统，使用传感器和通信系统的物理块（Gorbet Orth，1997年）。每个模块都配有一个微处理器，并使用磁性连接器作为联锁装置，便于组装/断 开 和 有 线 通 信 。 Watan-abe 等 人 还 开 发 了 ActiveCube 系 统（Watanabe等人， 2004年）。ActiveCube系统不仅可以在没有外部设备的情况下执行设计块组件的实时这些先前的研究使用有线通信来传达物理对象的位置和方向信息。然而，有线通信减少了用户可以生成的模型的自由度.本文针对以往文献的局限性，开发的有形系统，我们提出了一个用户友好的界面（SM块），协助3D可视化的物理块的直接组装所提出的方法具有相同的块形式作为以前的系统，如ActiveCube。然而，在该系统中，使用无线通信来增加组装的自由度并且不受组装空间的限制。此外，块的实时组装/拆卸和旋转被显示在屏幕上，并且若干传感器（诸如陀螺仪、加速度计以及接近和地磁传感器）被安装在块中以创建对应于用户意图的准确3D模型该块实时呈现在屏幕上，以便用户可以轻松创建3D模型。2. 概述SM-块系统的块组装接口是无线的，便于块的实时建模，这允许比先前公开的块组装接口更多的组装自由度（Watanabe等人， 2004年）。此外，它不使用任何外部设备，避免了用户与设备交互的限制和障碍在实践中，块建模是可能的，在几米的工作站;这允许更多的自由和空间比以前的研究中，系统是由电线的长度，阻碍建模自由的限制。图1示出了用于仅具有六个块的简单形状建模的块交互及其在工作站上的显示。红色具有惯性磁单元（IMU）的块被称为基本块，而没有IMU的白块被称为构建块。由于3D组件模型是从基础块生成的，因此第一个构建块将与基础块组装在一起，并且将向该组件添加更多的构建块。如（a）所示，物理基块或块组件的取向在工作站的屏幕上相同地表示。当两个基块同时使用时，建筑块可以与每个基块组装以形成块组件，如（b）和（c）所示。如果构建块未装配到任何基本块，则无法在屏幕上显示它们。当与基块分离时，从屏幕上删除，如（e）所示。当块组件被组装时，块组件连接以形成单个块组件，并且如（f）中所示，显示在屏幕上的分割线消失。如（g）所示，该单个块体组件可以被分成与（c）的原始组成块体组件不同的块体组件。（c）和（h）的两个组件具有相同的形状。然而，由于（c）和（h）的取向不同，所以（c）和（g）的组装结果不同，如（f）和（i）所示。为了减轻这种情况，所有块的方向由系统计算如图 2、积木组装时，接近传感器-每 个 模 块 中 的 传 感 器 将 联 系 人 数 据 传 输 到 专 用 微 控 制 器 单 元（MCU），即处理联系人信息并将其无线传输到工作站（通过Zigbee协议）的Arduino Fio。联系信息由连接块组成如果块是构建块，则其将其接触信息传输到基本块。基块收集并处理来自构建块的该信息，然后将该处理后的信息发送到工作站以最小化通信干扰。基块分别直接向工作站发送数据和从工作站接收数据。除了他们的联系信息和积木块信息外，他们还不断地将积木块方向信息从IMU传输到工作站。通过使用IMU，基块可以识别其静态性并停止发送定向信息，同时仍然充当积木的信息流通道。在某些情况下，基块从工作站接收消息以关闭基块以减少通信干扰。图 3显示了SM-Block系统的概述。它显示了传感器数据在块或块旋转的组装/拆卸过程中的流程和处理无线通信和数据处理的细节分别在第3.2节和第3.3中讨论Fig. 1. SM-Block系统建模操作的简单示例。红色块或基本块包含惯性磁单元（IMU），而白色块或构建块不包含IMU。544J. Son等人/Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）542图二、区块交互和通信示意图基块和构建块每个面具有一个接近传感器（每个块总共六个接近传感器）;为了清楚起见，每个块仅示出了两个传感器。图三. SM-Block系统概述，显示了在装配/拆卸和旋转操作期间的传感器数据流和处理。3. 方法3.1. 硬件在这项研究中，块是矩形的，以便用户可以使用SM块系统创建简单的形状。检测块安装/拆卸和旋转的实时，几种类型的传感器和设备安装在所有的基础块，如图所示。 四、安装接近传感器以检测块的飞兆半导体公司，本研究采用QRD1114红外传感图四、基础模块和构建模块的硬件配置包括Arduino MCU、接近传感器、Zigbee设备、IMU（仅限基础模块）、Li-Po电池以及模块表面上用于容纳连接引脚的孔J. Son等人/Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）542545在1- 3cm的范围内。接近度数据、块ID和面ID被压缩并被传输到工作站设备。街区的六个侧面都安装了接近传感器在该系统中，每个块的方向计算，以创建一个精确的三维装配模型。一个九轴惯性测量单元传感器被安装在基础块，以获得物理块的角取向。九轴传感器由一个测量角速度的陀螺仪、一个测量线加速度的加速度计和一个测量地球磁场绝对方向的地磁传感器组成。本研究中使用了X-IO Technologies X-IMU。为了优化无线通信环境，将模块划分为“基础模块”和“构建模块”.基块是块组件的主要部件。当基本块打开时，其3D模型在工作站上生成并在屏幕上渲染它可以随后与其他块组合。当构造块与基础块或其中存在基础块的块部件组合基块始终传输块的角度方向相反，块表面的组装/拆卸信息仅在组装到另一个块或从另一个块拆卸时发送仅当积木块组装到另一个积木块或与另一个积木块分离通过这样做，角度方位仅从基块连续地发送，并且当块连接和分离时发送块组装和拆卸信息为此，旋转传感器或IMU仅安装在基块中。为了将区块编号和来自区块中所有传感器的数据作为单个压缩数据项进行处理，在每个区块中安装了Arduino Fio，并使用Zigbee将压缩数据传输到工作站。在众多的无线通信协议中，Zigbee被选择用于所有块与工作站之间的N：1通信。图5示出了MCU、连接的传感器和设备、3D打印块内部的安装前和安装后本研究中使用的块可以在块表面的法向量定义的任何方向上组装。连接销仅用于组装模块时的机械稳定性，而不用于促进电气连接。模块间无需外接电源，也无需有线数据图6示出了原型系统中使用的块组装接口。3.2. 无线通信无线通信引入了与有线通信不同的新问题。当同一信道和网络上存在多个块时，会发生通信干扰，导致数据丢失或损坏。这随着块的数量增加以及要发送和接收的信息量增加而增加。为了缓解这个问题，有必要通过选择一个图五. 块组件：（a）接近传感器，IMU，Arduino和Zigbee，（b）安装在3D打印块中的组件。见图6。 模块组装界面显示3D打印模块、连接引脚和组装示例。546J. Son等人/Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）542适当的网络信道和限制要传送的信息的类型为了最小化要传输的数据的类型和数量，块被划分为基本块和构建块，如第3.1所述。当基块与其它块组合和分离时，或者当其它块组合或分离时，在等待块的组装/拆卸信息的传输之后，临时传输基块的角度定向。此外，我们使用零速度更新（ZVUT）来解决通信干扰的问题。我们使用ZVUT来停止数据传输时，块是静止的（没有旋转感测）。当块被组装时，用户移动一个或两个块或块的组件，而不是移动所有的块。如果旋转数据由静止的所有接通的基块传输，则功率将被浪费，并且将导致不必要为了防止这种情况，我们对系统进行了编程，使其在块的角速度为零时停止传输角取向。为了实现这一点，获得并存储停止状态下的旋转传感器的加速度值，并且当出现超过该值的加速度时，即，当块体移动时，发送角度方位在停止状态下出现的加速度范围内的值用于获得加速度平均值。因此，我们减少了块传输的块数据量3.3. 数据处理形状建模的速度和可靠性是该系统的基本要求。SM-Block系统需要的信息处理量比传统研究系统大得多与早期的研究不同，除了在无线通信环境中组装和拆卸块之外，还实现了块的定向（Anderson例 如 ， 2000; Fitzmaurice ， Ishii ， &Buxton ， 1995; Ichida ，Itoh，Kitamura，&Kishino，2004; Miller等人， 2012年）的报告。由于N：1（块：工作站）环境采用串行通信，通过通信通道顺序地以小增量传输数据的过程，所有信息必须在工作站中快速处理，而不会丢失任何数据。在串行通信中，数据首先存储在临时存储设备中，称为缓冲器。当缓冲区已满时，数据被传输到工作站，缓冲区开始再次填充数据。在这样的过程中，如果数据被缓慢地收集、存储、然而，以往的研究表明，即使只处理装配/拆卸数据，数据处理时间延长的块的数量增加。在SM-Block系统中，需要快速且稳定的数据处理方法，因为定向信息从基块连续传输，并且组装/拆卸信息从所有块传输。构建块仅传输组装/拆卸基块传送块的组合组装/拆卸和角度定向。为了提高数据处理速度，我们将数据处理分为定向和建模两个过程，如图所示。7.第一次会议。工作站接收由块传输的数据，在组装/拆卸和存储在接收缓冲器中的角度取向之间进行区分角取向被存储为对应于每个基块的旋转矩阵，并且块间组装/拆卸信息确定在3D建模期间是否生成块。如果判断如果块组装/拆卸已经发生，则用于块建模的所有块从开始再次组合，以生成具有与用户的物理块组装相同的形状的3D模型生成的3D模型不会更改，直到发生新的块装配/拆卸事件。但是，应用于3D模型的角度方向会不断更新。因此，角取向更新器和块组装/拆卸信息更新器被分离以有效地处理从块传输的数据。3.4. 块的组装和拆卸在SM块系统中，构建块基于基本块组装。当第一次组装基块和构件块时，工作站存储具有构件块的相对位置和取向以及基块和构件块的接触表面的相对变换矩阵，如图8（a）所示。该信息用于生成3D模型，在该3D模型中组装基础块和构建块。组装后，我们仅使用基本块的方向图8（b）示出了具有一个基块的两个或更多个构件块的组件。在这种情况下，基于基本块的每一侧存储构建块的信息，并且在块组件中组装的其他构建块被存储为子块。块的数据结构形成为如图8（b）所示的树结构。每个子块的相对位置和方向的变换矩阵存储在父块中。可以组装两个块组件，每个块组件包括一个基块。在这种情况下，应用块组装的基本原理。一个块组件被定义为另一个块组件的子块，并且存储块数据。图9示出了两个块组件的组装。块体2和3与作为基块体的块体1组装，块体4和6与作为基块体的块体5组装。当两个块组件被组装时，块1和4被连接，如图9（b）所示，并且包含具有最低块编号（块ID）的基础块的块组件被定义为父块组件。因此，包含块1的块组件动作，因为父块和连接两个组件的块4成为块1的子块。块5被定义为块4的子块，尽管它是基块。块的重命名始终发生在块装配状态中。从块组件中分割块时，将检查分离的块中是否存在基础块。如果在分离的块组件中没有基础块，则从数据结构和生成的3D模型中移除块组件。如果在分离的块组件中存在基础块，则该块组件从先前的数据结构和3D模型中消失，并且基于分离的基础块生成新的块组件数据结构和3D模型。也就是说，存在两个块组件。图10示出了一个块组件被分成两个块组件的情况。在组装过程中，块5（基块）被停用，并在拆卸后再次激活3.5. 相对旋转当仅利用接触信息组装两个块时，由于块之间的多个可能的相对取向，实际组装配置是非唯一的，如图11（a）和（b）所示，其中接触表面相同，但是块之间的相对取向不同。当创建组件的所得3D模型时，通过具有IMU传感器的两个块的取向来计算两个块之间的相对取向J. Son等人/Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）542547见图7。 传感器数据收集和处理。图8.第八条。表示（a）由基础块和构建块组成的块组件，以及（b）由基础块和若干构建块组成的块组件见图9。 两个子组件的组装。见图10。 分为两个子组件。为了利用惯性测量单元的信息实现块体的相对旋转，需要定义并获取基块体的接触轴。接触轴被定义为虚拟全局坐标系的轴，在该虚拟全局坐标系中，接触参与块上的面的法向量被对齐。它被定义为确定从每个基块IMU的哪个轴获取角如图12所示，示出了块组组件的示例。红色和蓝色基块的接触轴是IMU的相应局部坐标系虚线框表示548J. Son等人/Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）542图十一岁两种装配情况，如果没有惯性磁单元的感测数据，则无法区分旋转块通过全局橙色轴和其IMU的局部坐标轴与红色基块分组。为了识别块组的每个基块的接触轴，每个块的变换矩阵应从基块开始乘以每个块组参与接触过程的块。对于该相乘矩阵，将接触的块体的接触表面的法线向量相乘以获得每个块体组中的基块体的接触轴。然后，提取相对于每个IMU的接触轴的角方位，并且基于IMU的接触轴从编号较小的基块计算相对旋转，该基块然后成为根块的组合块组。然后，将该相对角取向乘以子块的变换矩阵，该变换矩阵已经存储了接触参与块之间的父块的相对取向信息。其余过程与第3.3节中描述的组装过程相同。结果，块组的相对方向完全显示在屏幕上。图十三. 具有实时定位功能的基座。4. 结果我们使用物理块生成3D模型来验证SM-Block系统。我们试验了当用户组装块以创建所需模型时可能发生的基本情况。首先，我们只对基本块进行了实验，因为该系统是第一次运行。如图13所示，我们可以看到，只有基本块被渲染在工作站屏幕上，并且当物理块旋转时，3D块模型也旋转。接下来，尝试组装构件块和基块的情况这是使用SM-Block系统生成3D模型时最常见的情况如图如图14（a）所示，可以组装构件块和基块，并且可以将另外的构件块添加到块组件。工作站生成组装块组件的3D模型旋转物理块部件时，渲染模型也会旋转。 如图如图14（b）所示，当一个块组件被划分为两个组件时，呈现包括基块的块组件，并且不再显示另一个块组件。接下来尝试组装并分离两个基块的情况。如图15（a）所示，当两个基块图12个。两个子组件的局部坐标系与它们所形成的组件的全局坐标系之间的差异J. Son等人/Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）542549见图14。 拆卸后，带基块的分组装件仍保留图15. 基块的组装和拆卸。图16. 包括两个基块的多块组装和拆卸。组装时，一个块组件以与组装基础块和构建块时相同的方式呈现在屏幕上。然而，当这两个基本块被分离时，一个屏幕被分成两个区域，如图15（b）所示，并且每个基本块占据一个区域。这与图14中所示的情况相反，图14中所示的情况是将基座和建筑块组装起来，然后分离，而屏幕没有被分成两个区域。在图16（a）中，示出了两个块组件，每个块组件包含一个基本块，并且确认每个块组件被呈现在被划分为两个区域的屏幕上。即使如图16（b）所示组装的块体的组装体被分成与初始块体组装体不同的两个块体组装体，也生成与物理块体组装体的形状匹配的3D模型。最后，我们实验了块组件之间的相对旋转。我们创建了一个红色基块和黄色基块的块组件，如图17所示。可以看出，图17（a）和图17（b）中的红色块和黄色块的物理块组件的取向是不同的。渲染的3D模型的两个块部件之间的相对角度也发生了变化。这样，就可以计算出相对优势。图17. 区分两个块组件之间的相对旋转。在装配前对每个模块装配进行定位，并在装配过程中在工作站上生成550J. Son等人/Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）5425. 结论本文提出了一种基于物理块无线实时通信的有形CAD系统SM-Block。物理模块包括红外传感器、加速度传感器、地磁传感器、Arduino微控制器和Zig-Bee设备;所有传感器数据都通过ZigBee无线传输到工作站使用来自传感器的数据，工作站通过计算物理块的组装形状和取向来这项研究是不同于以往的研究，它实现了使用无线通信生成的模型的旋转。由于SM-Block系统是实时无线操作的，因此通信故障和信息泄漏等问题是一个问题。过去，为解决这些问题采取了许多综合措施。然而，在单信道无线通信期间，数据丢失的问题是不可避免的。并对这一现象的原因作了详细的解释第3.3节。如果Zigbee接收器可以同时从多个通道接收信息，并且工作站可以并行（并发）处理从各个通道接收的数据，则可以解决这个问题。所提出的有形CAD系统的概念可以应用于各种领域，在这些领域中，简单且易于使用的形状建模接口足以通过装配小块来创建模型。可以提高系统的利用率如果添加各种类型的基本块单元，例如球体、圆柱体和正方形棱锥以及矩形平行六面体。如果块可以被减小到合理的尺寸，则有形CAD有望应用于各种各样的应用领域。随着3D计算机形状模型的使用越来越普及，它们将用于年轻学生的教育工具和游戏。该技术可以结合到许多类型的教育或游戏软件中，提供手持物理交互，而不仅仅是鼠标或操纵杆界面。它还可用于通过简单的装配操作生成3D模型，以创建3D打印部件。此外，一些可能的应用可能是：有协调问题的患者的康复，可能是创伤后，有特殊教育需要的儿童，动物研究，例如，灵长类研究利益冲突作者没有利益冲突确认本研究由韩国国家研究基金会（NRF）的基础科学研究计划支持，由教育部资助（NRF-2015 R1 D1 A1 A01060486）。引用安德森，D.，Frankel，J. L.，Marks，J.，Agarwala，A.，Beardsley，P.，哈金斯，J。，... Yedidia，J. 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