用于模拟互连元件的物理系统的系统的制作方法

1.本发明一般涉及一种用于模拟互连元件或构件的物理系统的系统和方法。本发明适用于模拟其中元件彼此机械耦合的物理系统以及包括电、机械等的其他系统。


背景技术：

2.许多数字和物理辅助工具是为科学和工程原理的教学而存在。如海绵块或吊链之类的物理辅助工具可以帮助学生通过触觉响应培养对结构行为的直觉，而基于计算机的辅助工具可以有效地培养对内部作用力分布的直觉，并可以支持理论原理的教学。然而，物理辅助工具受限于设定演示器的示例(即，定制能力有限或无定制能力)，屈曲柱、门户框架或海绵块意味着它们，物理辅助工具，未让用户获得探索性体验，也不会获得设计导向的体验。相反，通常采用基于玩耍的游戏或补充理论的软件模型的数字工具通常过于强调玩耍性或过于复杂，并且总是忽略在教学中公知非常有价值的触觉交互(具体来说其整体行为由变形定义的机械或结构系统)。
3.期望提供一种数字或物理教学辅助工具，以改善或克服公知教学辅助工具的一个或多个缺点，或至少提供公知教学辅助工具的替代方案。


技术实现要素：

4.根据本发明的第一方面，提供一种模拟系统，包括：
5.多个物理部件，这些物理部件各对应于多种物理部件类型的其中之一，
6.附接面板，该附接面板包括附接位置的布置，使得一个或多个物理部件能够附接到该附接面板；
7.显示系统，该显示系统被配置为提供附接面板和多个物理部件的其中之一或二者的可视化内容或对其的近似；
8.捕获装置，该捕获装置被配置为捕获该附接面板和多个物理部件的当前状态的图像数据；以及
9.控制器，该控制器被配置为在至少一个物理部件耦合到该附接面板时执行以下操作：
10.a)确定其中一个或多个耦合到附接面板的物理部件的配置；
11.b)通过对这些物理部件的配置的每个物理部件指派虚拟部件来创建虚拟部件的配置；
12.c)识别用户与物理部件的配置的物理交互，并确定对虚拟部件的配置的行为属性进行的对应改变；
13.d)将所选择的建模模板应用于虚拟部件的当前布置，以生成可视化内容，该可视化内容包括指示与行为属性的改变相关联的物理影响；以及
14.e)使该显示系统显示该可视化内容。
15.在实施例中，该至少一个物理部件对应于结构构件，并且其中该物理部件或每个
物理部件可机械耦合到至少一个其他物理部件。
16.该至少一个物理部件可以是线形部分，该线性部件选自包括以下一个或多个项的集合：梁、支柱、缆线、杆和绳索线形部分。
17.或者，该至少一个物理部件可以是锚固部分，该锚固部分选自包括以下一个或多个项的集合：销钉锚、刚性锚、滑轮锚、瓦锚和转盘锚。
18.或者，该至少一个物理部件可以是接头部分，该接头部分选自包括以下一个或多个项的集合：销钉锚、刚性锚、滑轮锚、瓦锚和转盘锚。
19.或者，该至少一个物理部件可以是对接部分，该对接部分选自包括以下一个或多个项的集合：连接坞、瓦坞(tile dock)和跟踪信标。
20.在系统的某些版本中，
21.步骤c)包括识别应用于物理部件的配置的畸变，并确定对虚拟部件的配置进行的对应畸变，以及
22.步骤d)包括将所选择的建模模板应用于虚拟部件的当前布置，以生成可视化内容，该可视化内容包括指示与该畸变相关联的物理影响。
23.在系统的某些版本中，
24.至少部分地根据控制器执行以下操作来确定虚拟部件的配置的畸变：
25.从捕获装置接收图像数据；
26.基于分析接收的图像数据来识别物理部件的畸变；以及
27.对每个相应虚拟部件指派等效的畸变。
28.在系统的某些版本中，
29.至少部分地根据控制器执行以下操作来确定虚拟部件的配置的畸变：
30.从捕获装置接收图像数据；
31.确定交互装置的当前位置，其中该交互装置被靠压着一个或多个物理部件以导致对物理部件的配置进行的畸变；以及
32.基于该交互装置的当前位置，确定虚拟部件的配置的畸变。
33.在系统的一些版本中，该交互装置是手持装置。
34.在该系统的其他版本中，该交互装置被耦合到一个或多个互连的支撑构件，一个支撑构件被耦合到附接面板。
35.在其他实施例中，该至少一个物理部件对应于电路元件。
36.在这种情况中，步骤c)可以包括将用户选择的改变识别到至少一个电路元件，并确定对虚拟部件配置的电特性的对应改变，以及
37.步骤d)可以包括将所选择的建模模板应用于虚拟部件的当前布置，以生成可视化内容，该可视化内容包括指示与用户选定的改变相关联的电影响。
38.至少部分地根据控制器执行以下操作来确定对虚拟部件的配置的一个或多个电属性的改变：
39.从捕获装置接收图像数据；
40.确定耦合到附接面板的交互装置的当前位置；以及
41.基于该交互装置的当前位置，确定对虚拟部件的配置的电属性的对应改变。
42.该捕获装置可以包括红外传感器和/或rgb传感器。
43.该控制器可以被配置为识别耦合到附接面板的个体物理部件，并且记录为每个物理部件确定的类型。
44.可以根据物理部件的当前布置的部件类型、形状和位置来生成可视化内容。
45.这些附接位置可以包括凹部，该凹部构形为使得物理部件附接到附接位置时，被阻止相对于附接表面的平面转动。
46.这些附接位置可以界定周期性矩形阵列。
47.本发明的另一方面提供一种由控制器实现用于在附接面板和多个物理部件中生成可视化内容以进行模拟的方法，该方法包括以下步骤：
48.a)基于接收的图像数据，识别虚拟部件的配置，其中虚拟部件的配置对应于物理部件的配置，其中每个物理部件与物理部件类型相关联，其中这些物理部件被布置为耦合到附接面板，以及其中这些物理部件包括能附接到附接面板的附接位置的至少一个物理部件；
49.b)识别用户与部件的物理配置的物理交互，并且确定对虚拟部件的配置的行为属性的对应改变；
50.c)将选定的建模模板应用于虚拟组件的当前布置；
51.d)生成可视化内容，该可视化内容包括指示与对行为属性进行的改变相关联的物理影响；以及
52.e)使该显示系统显示该可视化内容。
53.本发明的又一方面提供一种计算机程序，该计算机程序被配置为在该程序被处理器执行时使该处理器实现上述方法。
54.正如本文所使用的，词汇“包括”或如“包含”或“含有”的变体是在包容性含义上使用的，即指示本发明的多种实施例中存在所陈述的特征，但是不排斥另一些特征的存在或增设。
附图说明
55.为了可以更清楚地理解本发明，现在将参考附图通过举例详细描述其优选实施例，其中：
56.图1是根据本发明一个实施例的模拟系统的框图；
57.图2是形成图1的模拟系统一部分的附接面板的前视图；
58.图3是形成图1的模拟系统一部分的典型物理部件的等距视图，在本例中为线形部分；
59.图4是形成图1的模拟系统一部分的典型物理部件的等轴视图，在本例中为锚固部分；
60.图5是形成图1的模拟系统一部分的典型物理部件的等距视图，在本例中为接头部分；
61.图6是图3所示的梁线形部分的等距放大视图；
62.图7是图3所示的支柱线形部分的等距放大视图；
63.图8是又一个物理部件的等距视图，在本例中为对接部分，其示出对接到梁、杆和缆线线形部分；
64.图9是形成图1所示的模拟系统一部分的物理部件的配置的等距视图，并示出其与附接面板的附接；
65.图10示出形成图1中所示的模拟系统一部分的用户交互装置(“指示棒”)的两个等距视图；
66.图11至13表示与形成图1所示的模拟系统一部分的，如图10所示使用用户交互装置，该用户交互装置具有物理部件的配置且附接到附接面板；
67.图14和15是示出由形成图1中所示的模拟系统一部分的控制器执行的步骤的流程图；
68.图16示出如何才能将形成图1中所示的模拟系统一部分的物理部件构形为近似于对应特征的通用符号；
69.图17和18图示通过形成图1所示的模拟系统一部分的显示系统在图2所示的附加面板显示面板；
70.图19和20分别是使用2维和3维显示系统的模拟系统的实施例的等距视图；
71.图21是示出附接到形成与图1所示不同的模拟系统实施例一部分的附接面板的物理部件，在本例中为瓦锚；
72.图22和23是示出附接到图1所示的又两个实施例一部分的附接面板的物理部件的前视图，这些物理部件包括转盘锚；以及
73.图24和图25是示出跟踪信标和附接构件分别对接到附接面板的孔径中以便用于本文描述的模拟系统的一个或多个实施例的前视图。
具体实施方式
74.图1示出根据实施例的用于将动态图形信息可视化到结构模拟上的模拟系统10。系统10包括附接面板11、显示系统12、捕获装置13和控制器14。显示系统12和捕获装置13与控制器14形成接口。
75.控制器14通常可以对应于可编程计算装置。控制器14的功能通常在软件中定义，该软件在被控制器14执行时实现本文所描述的方法。
76.参照图2，根据实施例的附接面板11是平面表面，例如具有如图所示的矩形轮廓。附接面板11还包括在附接面板11的前表面21上的附接位置20(在图中，标记一个附接位置20)的布置。在所示的实施例中，附接位置20构成附接面板11的凹部。然而，预期附接位置20可以构成凸起部(至少部分地凸起)。
77.在一个实施例中，如图所示，附接位置20的布置是规则的矩形阵列-即，相邻的附接位置20在水平方向和垂直方向上等距间隔。然而，可设想其他布置，包括不规则和/或非矩形布置。
78.连接面板11可以具有适于具体用途的尺寸。在一些情况下，附接面板11的侧边可以具有小于一米的长度-例如，用作课桌或桌面的辅助助理工具时。在其他情况下，附接面板11的侧边可以具有大于一米的长度-例如，用作培训教学辅助工具的正面时。
79.图3至5分别示出根据多种实施例的用于与附接面板附接和/或彼此耦合的物理部件的示例。
80.在该实施例中，物理部件被归类到线形部分(梁、杆、支柱、缆线和绳索)120至128、
锚固部分(刚性锚、销钉锚、滚轮锚、滑轮锚、转盘锚和瓦锚)130至142和接头部件(刚性接头、固定接头、滑轮接头、配重接头和扩展接头)144至164。
81.每个物理部件被配置为模拟结构构件-梁、支柱或缆线。这些物理部件被设计为承受与正在被模拟的结构部件一致的操控-例如，弯曲和轴向运动。一些类型物理部件还被设计为能够以可拆卸方式附接到其他类型的物理部件。例如，锚固部分和接头部分可以被配置为模拟线形部分之间的连接。
82.通常，由于本实施例中物理部件的目的是模拟结构构件，因此可以提供不同物理部件的多样性(或“工具箱”)。实施例可以视为被采取来包括所描述的一个或多个具体示例，但不应被视为限于这些示例。
83.可以使用公知的技术来形成物理部件的至少一部分-例如，注塑成型。还可设想可以提供3d打印数据文件，包括使3d打印机制造本文描述的多种物理部件的指令。
84.结合图4，术语“锚固”是指锚固部分130至142分别具有锚固构件130a至142a，这些锚固部分被配置为使得锚固部分能够附接到附接面板11。锚固部分130至142被构形为具有与附接位置20的互补轮廓(例如，如图2所示)，使得通过将锚固部分130a至142a置于(例如推入)互补附接位置20中，能够将锚固构件固定到位。在所示的示例中，锚固构件130a至142a包括一个或多个突起(如标记为136b的突起)，突起被构形为稳固地配接在附接位置20界定的凹部内。相关地，凹部和锚固构件的形状设为限制(优选地避免)锚固部分130至142的本体转动。在所示的示例中，通过剖面实现这一点。
85.附接位置20可以各包括十字形凹部-每个附接位置20相对于90度转动是对称的。这些突起还被构形为具有与附接位置20的十字形凹部互补的剖面。因此，锚固部分130至142的每个锚固部分可以按四个朝向中的任何一个朝向附接到附接面板11。在其他实施例中，可以使用不同的形状。例如，六角形或6角星形凹部和突出剖面布置将能够按六个朝向进行附接。六角形或8角星形将能够实现八个朝向。通常，可以按需选择凹部和突起的形状。可以设想，附接面板11可以包括具有不同转动选项的两个或更多个不同形状的附接位置20。
86.锚固部分130至142可以被视为代表被模拟的结构部件被固定以抵抗某些移动的位置-例如，代表固定到地面支撑件的梁。
87.举例来说，刚性锚固部分130包括一个或多个固定方向耦合器42a(图中示出一个)，其被配置为接纳线形部分120至128末端的连接部。固定方向耦合器42a相对于刚性锚固部分130的本体固定-因此，当附接到附接面板11时，固定方向耦合器42a不会改变朝向。
88.作为另一个示例，销钉锚固部分132包括一个或多个可变方向耦合器42b，其被配置为接纳线形部分120至128末端的连接部。在该图中，示出一个可变方向耦合器42b。一个或多个可变方向耦合器42b例如经轴402可转动地安装到销钉锚固部分132的本体上。
89.销钉锚固部分132可以包括阻挡部403(如图所示)，以限制一个或多个可变方向耦合器42b的可用转动角度。在该图中，阻挡部403形成为销钉锚固部分132的本体一部分，并且有效地阻挡大约120度的转动。可以按需使用不同尺寸的阻挡部403-例如，阻挡大于120度或小于120度的转动。有利地，阻挡部403可以被构形为提供现场中使用的图形符号的物理表示(例如，建筑科学/建筑设计)。
90.滚动锚136是对销钉锚132的修改，因此，它包括一个或多个可变方向耦合器(所示
的示例中为两个)。滚动锚136被配置为相对于附接面板11的受限移动-在图示的示例中，受限移动构成单个维度上的短距离移动的自由度。为了能够移动，滚动锚136包括安装部404，该安装部已附接可变方向耦合器42b，该可变方向耦合器可滑动地连接到本体400c，在插入到附接面板11上时本体被固定其中。
91.与锚固部分130至142相反，接头部分144至164不包括锚固构件，因此能够相对于附接面板11的平面而移动。接头部分144至164是“浮动”，并且支持两个或更多个物理部件之间的连接，而不将该连接稳固到附接面板11。
92.举例来说，接头部分152包括三个可变方向耦合器42b，它们本身绕轴402可转动地彼此耦合。可选地，接头部分152可以包括阻挡部(未示出)以限制可变方向耦合器42b的相对转动。因此，耦合到接头部分152的物理部件有效可转动地彼此耦合在接头部分152处。
93.另一个示例是接头部分144，其被配置为耦合到两个或更多个物理部件。在此情况中，接头部分144包括两个固定方向耦合器42a。固定方向耦合器42a固定地彼此耦合(并且通常将一体地形成)。因此，耦合到附接模块31e的物理部件有效固定地彼此耦合在线形或对接部分。
94.图6更详细地示出梁线形部分120的示例。梁线形部分120被配置为模拟可弯曲结构部件。术语“可弯曲”不一定要指由预设为要按显著量弯曲的结构部件-而是，可弯曲是指可能承受弯曲力的结构部件。这种结构部件的示例是梁。
95.梁线形部分120包括第一端件300和第二端件301。与端件300、301整体形成的是接头303a-303d以及一个或多个(在本例中为三个)结构模块302a-302c。接头303被配置为使梁线形部分120“在平面”中能够弯曲，同时提供针对弯“出平面”而言的高刚性。在本实施例中，接头303具有平剖面，从而允许绕轴304在平面内弯曲。结构模块302被配置为提供对所有方向上弯曲的刚性。
96.可以根据梁线形部分120的期望弯曲属性来设计接头303。即，接头303的(例如)厚度和/或长度可以根据期望的弯曲属性来进行配置。例如，与厚度的减少相比，增加接头303的厚度能够减小可弯曲的容易性。类似地，较短的长度通常会导致可弯曲性减小，而较长的长度会增大可弯曲性。在一个实施例中，物理元件30a由被选择来提供期望的可弯曲性的材料制成。
97.结构模块302的配置也可以根据期望的弯曲属性来选择。例如，考虑到相同长度的不同可弯曲物理元件30a，结构模块302的数量可以具有对弯曲属性的作用-应该注意，通常，对于相同的物理元件长度，增加结构模块302的数量减小结构模块302的长度。
98.梁线形部分120被配置为具有设计成看起来像典型结构i梁的外观-这种外观可以帮助增强模型的视觉感观和元件30a的教学价值。
99.图7更详细地示出支柱线形部分124的示例。支柱线形部分124被配置为模拟轴向力的作用，该轴向力作用于沿着轴压缩(和胀大)支柱线形部分124。例如，支柱线形部分124可以模拟承受沿轴的压缩力或伸展力的结构部件，例如支柱。
100.支柱线形部分124包括第一端件310和第二端件311。物理元件30b还包括第一结构模块312a，第一结构模块耦合到(可选地整体形成有)第一端件310；以及第二结构模块312b，第二结构模块耦合到(可选地整体形成有)第二端件311。第一结构模块312a可滑动地耦合到第二结构模块312b。如图所示，第一结构模块312a形成活塞，该活塞进入第二结构模
块312b的汽缸。第一结构模块312a包括从其活塞部延伸的销杆315，该销杆被配置为在第二结构模块312b的汽缸部的细长孔隙316内移动，以便例如限制第一结构模块312a和第二结构模块312b的相对滑动。图3b中还示出，设有弹簧317，其耦合到第一端件310和第二端件311，第一端部件和第二端件被配置为在端件310与311之间提供拉伸和压缩。
101.支柱线形部分124可以被设计为通过配置和设计的变化来模拟不同的结构部件。例如，可以利用不同强度的弹簧316来模拟对轴向力的不同响应(例如，不同的刚度)。另外，可以将孔隙315的长度选为设置第一结构模块312a和第二结构模块312b之间的相对运动的最大范围。在一个实施例中，弹簧316是与具有不同弹簧常数的弹簧316可互换的。
102.图8更详细地示出缆线线形部分31f的示例。缆线线形部分31f包括一个或多个缆线耦合器42c(附图示出一个)。每个缆线耦合器42c可耦合到缆线物理元件30c。缆线线形部分31f可以是浮动(如图所示)或锚固的(未示出)。耦合功能可以是柔性的、非柔性的等。
103.缆线线形部分被配置为模拟通过拉伸传达力的结构构件。通常，力仅在缆线线形部分30c是拉紧时被传送。缆线线形部分30c包括第一端320和第二端(未示出)并限定细绳、绳索或其他缆线状物体322。可以使用半非柔性缆线线形部分30c，其被配置为允许沿与拉伸力不同的方向传递到力。在所示的实施例中，第一端320附接到缆线线形部分31f的缆线耦合器42c。
104.图8示出对接部分31f，其使用图3中标为120至128的类型的标准长度“线形部分”来帮助实现对角线连接。在该示例性场景中，梁线形部分120通过销钉接头150连接到杆线形部分122。销钉接头150包括孔隙，该孔隙在使用时垂直于组装面板1的平面延伸。
105.对接部件31f包括中央细长体450、对接头452和耦合尾件454。对接头452包括适于插入穿过销钉接头150延伸的孔隙中的公对接构件456。耦合尾件454包括用于与另一个线形部分接合的直接耦合器42b，在本例中为缆线线形部分126，其跨过安装到附接面板的物理部件的配置呈对角线延伸。公对接构件优选地在孔隙内可旋转，使得缆线线形部分126或类似线形部分跨过安装到附接面板的物理部件的配置延伸的角度可以按需改变。
106.图9示出物理部件和具有附接位置20的附接面板11的集合，-统称为“配置”。具体地，该附图示出物理部件如何彼此附接，并且显著地锚固部分如何附接到附接板11。如图所示，存在三个可弯曲物理部件30a-1、30a-2、30a-3。还存在锚固部分31a和31b。还存在浮动接头部分31d(允许旋转移动)和浮动接头部分31e(不允许旋转移动)。
107.锚固部分31a定位成具有朝上的固定方向耦合器42a-1。它接纳物理部件30a-1的第一端件300。锚固31a应被附接面板11接纳在附接位置20a处。物理部件30a-1的第二端件301被配置为被浮动接头部分31d的可变方向耦合器42b-1接纳。注意，浮动接头部分31d未附接到附接面板11。附接模块31d的可变方向耦合器42b-2接纳物理部件30a-2的第一端300。物理部件30a-2的第二端301被浮动接头部分31e的固定方向耦合器42a-2接纳。浮动接头部分31e的固定方向耦合器42a-3接纳物理元件30a-3的第一端300。物理元件30a-3的第二端301被锚固部分31b的可变方向耦合器42b-3接纳。注意，锚固部分31b允许其绕轴402移动可变方向耦合器42b-3。锚固部分31a应被附接面板11接纳在附接位置20b处。可以通过在部件30、31上的一个或多个点处施加力来使配置变形。变形被多种因素所约束，在该示例中包括附接位置20a、20b的位置、部件31的可转动性(或不可转动性)以及物理部件30的弯曲属性。
108.再次参考图1，根据实施例的显示系统12包括投影仪50。投影仪50被配置为将图像投影到附接面板11上-在所示的示例中，投影仪50投影到附接面板11的前表面21上。然而，可设想在另一个实施例中，投影仪50投影到附接面板11的后表面上-在这种情况中，附接面板11应该足够半透明，以使用户能够观看前表面21上的投影图像。根据具体实施例，显示系统12可以采用其他形式。例如，lcd或oled屏幕可以形成为附接面板11的特征。
109.根据实施例，显示系统12由控制器14控制。因此，显示系统12处于与控制器14的数据通信，由此，使控制器14能够将显示数据传送到显示系统12，提供图像来显示。该数据通信可以是公知类型的，例如采用如hdmi、dvi、displayport或usb的数字标准或模拟标准。
110.显示系统12被配置为将图像可视化内容(应该理解的是，“可视化内容”包括后方可视化内容)呈示到附接面板11。可视化内容将当前耦合(例如附接)到附接面板11的任何物理部件30、31，从而提供具有部件30、31的可视化图像的集成体验。
111.仍旧参考图1，捕获装置13与控制器14接口-在所示示例中，捕获装置13包括红外摄像器或rgb摄像器或单色摄像器或深景深摄像器。捕获装置13被配置为捕获表示附接面板11的当前状态的图像数据和深度。捕获装置13将图像数据传送到控制器14。控制器14通常被配置为接收用户输入以及(例如，通过人机接口装置(hid))向用户呈示显示内容。
112.参考图10至图13，可选地提供交互装置51(此处，也称为“指示棒51”)。指示棒51具有对于控制器14已知的一个(或多个)定义的视觉属性-典型地，使控制器能够可视化地识别指示棒51的位置和典型朝向被存储在控制器14的存储器中。
113.应当理解，在其他实施例中，用户可以手动地，例如使用其手与物理部件交互。
114.具体地，参考图10，本实施例的指示棒51包括一个或多个电磁源56-在所示的示例中，指示棒51包括一个红外led。电磁源56通常应该是对捕获装置13可见的-在本实施例中，捕获装置13是红外摄像器。图15中示出两种模式
‑“
梁推动”模式，其中指示棒51a被配置为推入部件30、31(具体为可弯曲物理部件)中。在该模式中，指示棒51a包括滚轮59，该滚轮被配置为滚动，并且由此将指示棒51与物理部件之间的摩擦减到最小。另一种模式是“节点拉动”模式，其中指示棒51b被配置为通过挂钩构件60拉动物理部件(再如，可弯曲物理部件)。一个(或多个)电磁源56还可以被配置为例如通过脉冲操作将信息传送到控制器14。该信息可以响应于例如，经由触发器61的用户输入。例如，脉冲可以指示用户“选择”被显示的选项，其中通过将指示棒放置在与选择对应的位置处并且用户激活触发器，具体被显示的选项被选定。
115.或者(或者此外)，指示棒51可以包括例如捕获装置13包括红外摄像器时在红外光下易见到的特征。在一个示例中，指示棒51具有二维或三维中界定的形状，并且控制器14被配置为从图像数据识别所述形状。界定的形状例如使得控制器14能够确定指示棒51的朝向。
116.根据一个实施例，如图14所示，控制器14被配置为在步骤100处，响应于确定存在附接到附接面板11的部件30、31的初始配置，接收来自捕获装置的图像数据。例如，确定可以是响应于指示存在初始配置的用户输入。
117.控制器14还被配置为在步骤101处，确定初始配置的虚拟表示。虚拟表示对每个物理部件30、31指派虚拟部件-因此，可以存在(例如)虚拟梁和虚拟支柱。通常，控制器14被配置为以与施加到部件30、31的畸变相一致的方式模拟对虚拟部件施加畸变(下文予以解
释)。
118.在一个实施例中，参考图17和图18，控制器14被配置为使显示系统12将物理部件30、31的具体配置的模板57显示在附接面板11。显示模板57提供哪些物理部件30、31应附接到附接面板11的指示，物理组件30、31应附接到何处的指示以及多种物理部件30、31应如何彼此附接的指示。在所示的实施方案中，模板57包括每个物理部件30、31的部件符号58，其中每个部件符号58被选为具有与物理部件30、31的外观相似的外观(例如，相似的轮廓或2维表示)。然后，用户可以根据模板57附接对应的物理部件30、31。因为模板57被显示在附接面板11上，用户设置物理部件30、31的正确配置相对容易-用户只需将相关的物理部件30、31附加在正确位置中。
119.在一个实施例中，使用户能够向控制器14提供输入，该输入指定要使用哪些虚拟部件，以及虚拟部件之间的关系-由此，用户负责将虚拟部件的布置配置为使得该布置与部件30、31在附接面板11上的布置一致。
120.在另一个实施例中，由控制器14处理图像数据，以便识别当前耦合到附接表面11的部件30、31对应的一个或多个虚拟部件。通常，该处理可以采用公知的成像处理算法和技术。识别一个或多个单独物理部件30、31的过程还包括确定物理部件30、31的当前形状和位置-被存储在数据变量中。通常，当前的形状和位置可以按需以不同的方法来表示。例如，使用位图方法或向量方法。
121.根据一个实施例，虚拟组件的配置是参照附接表面11被记录-即，附接表面11被视为界定参照平面，并且当前虚拟配置是相对于其在附接表面11上的位置被记录。
122.在步骤102处，对于每个识别的物理部件30、31，确定部件30、31的类型。(每个部件的)识别包括确定部件30、31是物理元件30还是附接模块31。控制器14还确定物理元件30或附接模块31(如适用的话)的类型。该信息与当前形状和位置相关联地被存储在数据存储器中。在相关实施例中，由所选模板57提供部件30、31的识别和类型。
123.作为步骤101和102的结果，该控制器在存储器中具有指示与附接表面11上存在的物理部件30、31相对应的一个或多个虚拟部件的当前集合的信息，这些虚拟组件与指示每个物理部件30、31的类型及其在附接面板11上的原形状和位置的信息相关联。控制器14可以被配置为使用成像分析技术识别部件部分。再有或在备选方案中，控制器14可以设有深度信息作为图像数据的一部分-例如，可以使用飞行时间传感器(例如，红外飞行时间传感器)来获得该信息-并且基于该深度信息，控制器14能够被配置为识别单独的部件部分。这种图像和/或深度分析还可以被用于识别特定类型的部件部分，例如，基于预先提供到控制器14(例如，存储在控制器14的存储器中)的模板。还可以与步骤101和102相关地并入其他方法-例如，可以将每种类型的部件部分唯一性地配色，使得该类型的部件部分能够至少部分地基于其配色来被确定。可以实现使用机器学习确定的算法进行图像处理，其中教导机器学习以识别多种物理部件30、31。
124.然后，控制器14在步骤103处确定所选择的建模模板。当前建模模板可以是用户从一组一个或多个建模模板中选择的。每个建模模板界定物理模型，以应用于部件30、31的当前布置，以便例如确定要传送到显示系统12的显示数据。例如，建模模板包括指示虚拟部件响应于施加到物理部件30、31的对应配置的变形应如何变形的信息。建模模板还可以包括能确定与物理部件30、31相关联的模拟的物理特性的信息-例如，指示由物理部件30、31所
模拟的应变和/或力的信息。
125.然后，控制器14被配置为在步骤104处，确定与对部件30、31的配置所产生的畸变对应的对虚拟部件的畸变。畸变是由于一个或多个作用力被施加到物理部件30、31所致，从而导致由物理部件30、31的布置所界定的形状改变。畸变被使用的实际物理部件30、31及其位置所约束-例如，锚固附接模块31a、31b、31c无法相对于其在附接面板11上的位置移动。可弯曲物理部件30a可以弯曲但不压缩或膨胀，而可压缩物理部件30b不能弯曲。浮动物理部件31d、31e能够相对于附接面板11移动，并且因此耦合到浮动物理部件31d、31e的物理部件30的端部300、301、310、311能够相对于附接面板11移动。作为推论，耦合到锚固物理部件31a、31b、31c的端部300、301、310、311不能相对于附接面板11移动。然而，具有可变方向耦合器42b的物理部件31能够使耦合的端部300、301、310、311旋转移动。
126.参考图15，在一个实施例中，控制器14被配置为基于当前位置确定对虚拟部件的畸变，并且一个实施方案中，基于指示棒51的朝向确定对虚拟部件的畸变。控制器14被配置为在步骤200处，确定指示棒51的当前位置(以及可选地朝向)。然后，控制器14被配置为在步骤201处，通过假定指示棒51通过接触一个或多个物理部件30、31并迫使它们畸变以使指示棒51能够达到其当前位置而获取其当前位置，以确定至少一个虚拟部件的对应位移。控制器14可以采用碰撞模型，以便确定指示棒51何时与部件30、31相互作用-控制器14通过确定指示棒位置是否已导致与虚拟部件发生碰撞来实现。
127.控制器14还被配置为在步骤202处，通过应用建模模板，基于每个虚拟部件的属性(例如，固定到位、可弯曲等)来确定每个虚拟部件的畸变。因此，控制器14被配置为计算由畸变的虚拟部件所界定的当前形状。步骤201和202可以同时进行-因为由指示棒51引起的畸变可以影响虚拟部件的整个形状。
128.在另一个实施例中，控制器14被配置为连续地接收显示物理部件30、31的当前形状的图像数据。根据该数据，控制器14被配置为确定虚拟部件的对应形状。
129.再次参考图14，控制器14然后在步骤104处将选择的建模模板应用到虚拟部件的当前布置(对应于物理部件30、31的当前布置)，以在步骤105处生成发往显示系统12的显示数据。
130.响应于步骤105，显示系统12将显示数据作为图像可视化内容显示到附接面板11上，如前所述。
131.例如，建模模板将物理部件30、31的当前布置解释为物理系统的模型。例如，具有特定类型的连接(即附接模块31)的支柱(即物理元件30)的布置。所选择的建模模板还界定对物理部件30、31的布置的可视化响应-例如，指示根据当前正在建模的物理系统的特定作用力和/或应变的可视化显示。
132.图11至13图示若干特征。例如，在每个附图中，示出选择界面59，用于选择一个或多个建模模板。在图11中，选择建模模板“轴向力”和“反作用力”。在图19中，选择建模模板“弯矩”。在图20中，选择建模模板“剪切力”和“反作用力”。这些附图还示出显示建模的物理属性(例如轴向力、反作用力、弯矩、剪切力)的不同可视化内容-这些物理属性以不同方式被示出。相关地，可视化内容是动态的，且响应于指示棒位置而改变-进而与部件30、31的配置的畸变相关。
133.作为参考，本发明人在以下出版物描述了物理系统的建模：
134.·
quinn，g：“增强和虚拟现实结构”，2004年lass年度研讨会论文集，2017年9月25日至28日，德国汉堡。
135.·
quinn，g：“structvr虚拟现实结构”，2018年lass研讨会论文集，2018年7月16-20日，麻省理工学院，美国波士顿。
136.本公开包括在这些出版物中未定义的许多特征-例如，控制器14可以被配置为识别存在的物理元件30和附接模块31的类型，并且在应用模型时包括该信息。现有技术中公开的技术需要有关控制器14要预先知道哪些物理元件30和附接模块31的信息-例如，通过在编程中的预定义。
137.因此，本文描述的实施例提供更大灵活性的模拟，并且更容易配置-实际上，使用户能够通过将多种物理部件30和物理部件31耦合到附接面板11来配置建模模板。例如，由结构模块302将物理部件30a离散化以有利地表示由建模模板定义的模拟的有限元件离散化-这样可以有利地表示将力的绘图与物理部件30a的实际畸变相匹配。
138.在有利实施方案中，参考图9，物理部件30、31被构形为例如类似于对应特征的通用符号。例如，图16中的示意性符号800包括对于配置900的部件的视觉上可识别的特征，并且示意性符号801包括对于配置901的部件的视觉上可识别的特征。在一个实施例中，这些标准化符号被显示系统12投影为可视化内容的一部分。
139.可以在不背离本说明书的精神和范围的情况下实施进一步修改。如图19所示，上文描述的实施例包括附接面板300和物理部件302的组装件，这些物理部件的其中一个或多个附接到附接面板300。在上文描述的示例中，由投影仪50在附接面板304上提供可视化内容304，其包括与由形成系统一部分的控制器创建的虚拟部件的配置的行为属性的改变相关联的物理影响的指示。
140.然而，如图20所示，在本发明的其他实施例中，显示系统可以包括增强现实头盔400，该增强现实头盔以与投影仪50相同的方式可操作地连接到控制器14。这种布置特别适用于本发明的实施例，这些实施例中附接到附接面板402的物理部件的组装件400是3维结构(相对于图26中所示的2维结构)。在这种情况中，增强现实头盔400(移位)提供了近似于物理部件的附接面板404和组装件402其中之一或二者兼有的可视化内容406和408。
141.应当理解，前文的实施例是模拟系统的示例，其能够更广泛地表征为包括
142.多个物理部件，这些物理部件各对应于多种部件类型的其中之一，
143.附接面板，该附接面板包括附接位置的布置，使得一个或多个物理部件能够附接到该附接面板；
144.显示系统，该显示系统被配置为提供附接面板和多个物理部件的其中之一或二者的可视化内容或对其的近似；
145.捕获装置，该捕获装置被配置为捕获该附接面板和多个物理部件的当前状态的图像数据；以及
146.控制器，该控制器被配置为在至少一个部件耦合到该附接面板时执行以下操作：
147.a)确定其中一个或多个耦合到附接面板的物理部件的配置；
148.b)通过对这些部件的配置的每个物理部件指派虚拟部件来创建虚拟部件的配置；
149.c)识别用户与物理部件的配置的物理交互，并确定对虚拟部件的配置的行为属性的对应改变；
150.d)将所选择的建模模板应用于虚拟部件的当前布置，以生成可视化内容，该可视化内容包括指示与行为属性的改变相关联的物理影响；以及
151.e)使该显示系统显示该可视化内容。
152.尽管是结合与物理结构对应的部件30、31来进行描述的，但是模拟系统能够被调适为表示其他物理系统，例如化学、电学、量子系统。虽然是依据具体物理元件30和附接模块31而表示系统的具体方面，但是这些表示可以包括附加的抽象层。再有，在这些调适中，控制器14被配置为通过识别物理元件30或附接模块31的具体类型来识别当前所表示的系统的方面。
153.图21中图示一个备选实施例。在这种情况中，一个或多个瓦锚500至508被配置为模拟电路元件。在这种情况中，由控制器识别用户可选择对一个或多个电元件进行的改变。该控制器确定对虚拟部件的配置的电属性进行的对应改变，然后将所选择的建模模板应用虚拟部件的当前布置，以生成可视化内容，该可视化内容包括指示与用户选定的改变相关联的电影响。
154.例如，用户选择的改变可以包括置换元件，其中每个元件代表不同的电阻、电容、电感等。或者，捕获装置13可以被配置为检测转盘锚，例如图4所示的转盘锚140的转动位置。
155.用户选择的改变可以包括将转盘锚140转动以增加或减小对应于瓦锚500至508的电路部件的期望电属性。因此，对虚拟组件的配置的一个或多个电属性进行的改变可以至少部分地根据控制器，通过从捕获装置接收图像数据，确定耦合到附接面板510的交互装置(例如，转盘锚140)的当前位置，然后基于交互装置的当前位置确定对虚拟部件的配置的电属性进行的对应改变来确定。
156.转盘锚140可以用于多种多样的场景。转盘锚140预设为能够对接在组装件面板上的任何位置且其功能可以在具体使用场景中根据期望的功能进行指派和重新指派的装置。示例包括：
157.·
用于模拟的液体或气体的温度控制
158.·
用于在物理部件的用户定制组装件上进行模拟流体的风速
159.·
投影的物理行为的显示度量(例如，梁中作用力的显示大小)
160.·
电部件的属性(例如，电阻器的电阻或电池的电压)
161.·
用于物理部件的用户定制组装件的太阳照射方向
162.在一个或多个实施例中，转盘锚具有有限数量(例如120)的“点击而停”径向位置，使得转盘可以被用户转动并保持就位。
163.本发明的另一个实施例是结合图22描述的，其示出附接到附接面板552的结构部件的组装件550。转盘锚554与图4所示的转盘锚140相同，也附接到附接面板552。代之用户例如使用指示棒51将畸变施加于部件的配置，在这种情况中，用户可以将转盘锚554转动到指示影响元件550的组装件的期望风速的位置。可以通过可视化内容556显示风速增加或减小引起的组装件550的行为属性进行的改变的可视化内容556。例如，可以向用户显示与风速变化相关联的空气湍流或其他物理效应的可视化内容。
164.在又一个实施例中，如图23所示，与图4所示的转盘锚140相同的转盘锚600可以附接到附接面板602，以便用户与附接到附接面板602的物理部件的组装件604进行物理交互。
在该示例中，用户可以将转盘锚604转到对应于一个温度的期望位置。基于转盘锚600的位置，控制器可以确定对组装件604的配置的行为属性进行的对应改变。举例来说，物理部件的组装件604可以模拟容纳气体的封闭系统。与用户定义的增加组装件64内的气体温度相关联的物理效应可以是与热量、压力或与气体温度变化相关联的其他物理影响的增加相对应的可视化内容。
165.图24和图25示出跟踪信标700和702，其分别对接在一个或多个物理部件中的开口或孔隙中。跟踪信标700和702被图1所示的捕获装置13跟踪，分别为708和710的可视化内容描绘信标位置的时间历史路径。这可以应用于任何用户生成的组装件，但对物理应用特别有效(例如图30所示的双杆摆或图31中所示的摆动质量。