虚拟消化道内窥镜训练系统

介绍了一种应用虚拟现实技术实现消化道内窥镜训练功能的系统.主要讨论了通过计算机三维可视技术,对医学断层影像重建得到三维训练模型;并讲解系统外设实现操作量采集和力反馈的工作原理,以及系统仿真软件采用的质点-弹簧/阻尼物理仿真模型.学员可在这一具有虚拟场景和真实力感相结合的训练环境中反复训练,从而不断提高业务操作水平.     

基于改进质点-弹簧模型的图像变形仿真方法

为了满足仿真系统中对仿真的实时性和视觉效果上的真实性要求,提出了一种改进的质点-弹簧模型,采用传统的质点-弹簧模型与虚拟弹簧共同表征图像的表面,利用Verlet数值积分更新图像变形期间的质点位置,使用双线性插值技术实时绘制出动态变形的效果.在OpenGL环境下对改进的3D质点一弹簧模型进行了仿真实验,实验结果表明所提模型能逼真地模拟出图像变形的效果.     

虚拟吊装训练系统中柔性吊索建模方法研究

在虚拟吊装训练系统中,为了进行柔性吊索的动态实时模拟,提出了一种基于改进弹簧-质点模型的虚拟吊索建模方法。通过定义非线性弹簧,增强了吊索运动过程中的物理真实性。利用物理跟几何相互融合的方式进行建模,并采用将发生碰撞的吊索质点退回到上一时刻位置的方式,来进行虚拟吊索的快速碰撞处理。利用此方法对虚拟吊装系统中的柔性吊索进行建模仿真,不仅能够满足柔性吊索物理与几何的真实性,还能够达到吊装系统的实时性要求。     

混凝土泵车臂架实验台数值仿真和振动特性

针对泵车臂架末端运动轨迹确定和动力学求解困难的问题,建立泵车臂架实验台刚体模型;采用模态缩减技术对臂架柔性化,建立臂架系统的多柔体模型,然后利用虚拟弹簧阻尼法建立四节臂液压驱动油缸的等效模型,研究臂架系统臂、连杆、铰之间的运动学、动力学规律,对比分析臂架系统刚体模型、柔体模型和加液压油缸等效柔体模型的末端位移、液压缸运动受力以及整体臂架系统的第一阶固有频率。研究结果表明:臂架柔体模型运动停止后存在振动衰减的过程,其末端位移量比刚体模型增大数倍,柔性体液压缸关键部位的受力比刚体模型也大幅增加,第一节臂对整体末端振动位移的贡献最大,液压油缸的等效分析对固有频率值的影响较大。最后通过臂架实验台验证了建模和分析方法的正确性,为臂架系统低频振动抑制、轨迹规划和疲劳分析提供参考。     

平面单轴柔性关节的力传递关系

采用变形叠加方法分析了柔性微动关节的受力(矩)变形位移过程,推导了柔性关节两端广义力传递的矩阵变换.以对称半圆弧曲线柔性关节为例进行分析,并与以往采用伪刚体方法进行运动学建模的分析结果相比较,其结果与有限元分析结果更接近,从而大大提高了模型精度.     

支持力/触觉反馈的虚拟肝脏手术仿真系统

为提高支持力/触觉反馈的虚拟肝脏手术仿真系统的精度和实时性,提出了一种基于物理意义的平行菱形链连接变形模型.该模型中由于各个链结构单元中菱形的长度等比例变化,计算量小,改变链结构单元中菱形的长度和夹角就可方便地对不同的柔性体进行建模.同时还讨论了系统的结构设计、柔性体形变计算、快速碰撞检测和实时力/触觉反馈操作等.基于6-DOF Delta手控器建立试验平台,并结合力/触觉反馈计算实现了虚拟肝脏手术的拉拽、按压等变形仿真.实验结果表明,该系统力/触觉感觉平稳、模拟效果逼真,能够满足虚拟现实系统对精细作业和实时性的要求.建立简单逼真的物理变形模型和精确快速的碰撞检测算法,有助于提高虚拟肝脏手术仿真系统的性能.     

基于时间序列的虚拟接触力的建模方法研究

为了同时提高力觉再现系统中力觉模型的实时性和精度,提出了一种基于时间序列的虚拟力预测算法用于改进弹簧质点接触力/变形模型.该模型不仅研究力与变形的关系,而且还考虑力的历史变化.对不同的接触对象,测量接触力随时间的变化,根据实际测量数据,建立AR模型,在物理模型计算的时间间隔内用AR模型预测虚拟力.实验结果表明, 和以往仅考虑力与变形关系的力/变形物理模型相比,加入时间序列预测的模型,能提高力觉再现的刷新频率,同时保证较高的精度.     

全柔性滑块机构的设计与分析

采用伪刚体模型法对全柔性滑块机构进行了变形分析,设计了一种微型全柔性滑块机构,并主要对其中的柔性移动副进行了设计与分析,给出了该设计实例柔性移动副的等效弹簧力,进而得到微型全柔性滑块机构伪刚体模型的分析结果. 同时用有限元方法对该实例进行了仿真分析,两种方法所得结果基本一致,表明了理论分析是正确的,该实例的设计是可行的.     

基于数字图像相关法的混凝土全场变形测量

为了解决混凝土构件实验中大刚体位移、低应变的变形特点使常用测量技术难以胜任实验测试要求的问题,采用提高数字图像相关法(DIC)形函数阶次和选择合适的相关函数以提高图像位移模式识别的精度;结合DIC位移识别精度分析了刚体位移对变形分析的不利影响,根据双点位移识别转动角度和受力变形特点提出了刚体位移消除方法;根据混凝土构件的力学变形特性提出了由位移场求解应变分布的方法,并进行了实测验证.数字模拟试验表明,改进后的数字图像相关法能很好地消除刚体位移的影响和提高测量分析精度,实测验证实验结果也能够很好地解释构件的受力变形分布特征.与目前常用的离散、接触式测量技术相比,针对混凝土构件实验特点进行改进后的数字图像相关法能够更好地适应工程实验测试的要求.     

基于波变量的力反馈遥操作研究

设计了一个基于波变量的带力反馈的主从式遥操作系统.引入波变量保证系统在操作过程中的稳定性.以虚拟环境中灵巧手的位姿代替实际力作用方向的位移,用于虚拟力计算;使用事先实验获得的实际材料接触力特性数据进行虚拟力外推.仿真实验结果表明,该方法能给操作者提供连续的力反馈,保证了较高的透明度和刷新率.     

Dynamical simulation of cornea deformation in laser surgery

A dynamical simulation method is presented to model the cornea deformation in surgery of laser thermokeratoplasty. The virtual cornea is constructed as a mass-spring system. The corneal surface tension is simulated by damping spring stretch between mass points on the cornea model. The aqueous humor in the eyeball is modeled as ideal gas, and the intraocular pressure is simulated by gas pressure. The coagulation force is exerted on each photocoagulation spot to demonstrate its collapse caused by the condensation of corneal soft tissue irradiated by laser. An extra viscous drag force is added to each mass point to weaken the mass point oscillation. The use of the effective time-corrected Verlet integral method brings about flowing and stable dynamic simulation procedures. The simulation results show that, comparing to the undeformed model, the curvature of the region between the optical center and photocoagulation spot increases obviously. Moreover, the shape of the deformed virtual cornea is much similar to that of the real cornea after surgery.     

软组织形变算法仿真改进研究

 针对以表面网格表示的软组织形变过程中受力点最近邻质点求取算法存在的不足,提出了基于随机点搜索平面最近邻质点的改进算法.该算法将以往穷举集合的方式改为随机点树形搜索方式,使得算法减少了受力点与各个质点之间的距离大小的比较次数,在模拟平面组织形变时具有较好的实时性.实验表明,面积匹配算法结合质点弹簧算法能很好地模拟软组织形变的过程,达到良好的实时与准确性.     

桥式起重机行走机构的虚拟样机建模及动态仿真研究

建立了某型桥式起重机行走机构的虚拟样机模型,基于Hertz静力弹性接触理论,对模型进行了动力学仿真分析,验证了减速器的传动比和车速,得到了减速器的角加速度、齿轮啮合力和轮轨接触力,分析了机构的平稳性.运用有限元分析软件获取了减速器输出轴的应力分布和变形.结果表明,齿轮传动和轮轨接触的刚度激励与啮合冲击激励引起的响应呈周期性变化,减速器输出轴满足强度要求.     

基于变刚度与力反馈的虚拟3D画笔触觉行为

针对汽车工业中虚拟油泥模型外观设计问题,采用一种六自由度输入设备并基于实时力反馈交互技术,提出一种新型的变刚度画笔模型以及触觉装饰方法,实现在虚拟三维物体表面实时触觉绘制与外观装饰.基于变刚度弹性理论,深入研究虚拟3D画笔的触觉行为.首先,采用一种弯曲弹簧振子模型来构建3D画笔的力学模型,并分析虚拟画笔实时变形与承受的绘制力之间的内在关系;接着,基于一种加权平均距离的碰撞算法,研究虚拟画笔与虚拟3D物体之间的碰撞检测问题;采用一种球扩展操作以获得弯曲画笔的最小包围球,进而计算得到虚拟投影平面;根据在一个采样点处的画笔变形,得到虚拟投影平面上的二维笔触;通过将二维画笔笔触实时地映射到三维对象表面,便可以得到三维笔触;沿着三维绘制方向,通过控制绘制力矩并叠加不同大小、形状的3D笔触便可得到3D笔道.仿真对比实验结果表明,所采用的画笔模型及方法可以有效增强用户虚拟绘制时的真实性.     

简化质点弹簧模型在牙龈变形仿真中的应用

在分析常用建模方法的基础上,采用简化质点弹簧系统的物理建模技术,研究了简化质点弹簧系统的动力学方程及方程组的求解.根据STL文件牙齿模型的特点给出了简化质点弹簧系统的数据结构,并通过渗透深度来控制计算量和准确度.实验表明,该变形模型能实时计算描述动态变形过程,达到了较好的仿真显示效果.     

钻石背弹翼的静气动弹性研究

使用动网格技术耦合结构模型和气动模型,利用逐次迭代法计算钻石背弹翼的气动弹性变形.使用模态法构造结构模型,求解N-S方程计算气动力.计算了不同刚度弹翼的气动弹性变形以及变形对气动特性的影响并与实验结果对比.结果表明:钻石背弹翼的气动弹性变形量越大,其法向力越小;柔性钻石背弹翼小直径炸弹的法向力大小以及随攻角变化趋势与计算风洞实验结果接近;钻石背弹翼两侧非对称变形会引起滚转力矩,并且滚转力矩随攻角增大而增大.     

基于球面调和函数与距离场的柔性体碰撞检测方法

 针对虚拟现实中柔性体碰撞检测实现的复杂性,提出一种基于球面调和函数（SH）的柔性体距离场碰撞检测方法。该方法利用SH的多尺度特性实现柔性体距离场的快速建立,依据距离场碰撞检测方法实现交互工具与虚拟柔性体的快速碰撞检测,并沿着距离的梯度方向进行柔性碰撞响应的快速估计。结果表明,相对于传统的距离场碰撞检测算法,该方法可大大节省内存占用量并有效实现交互工具与柔性体的碰撞检测,碰撞检测时间在毫秒级范围内,满足柔性体碰撞检测的实时性要求。     

Dynamic Simulation for Rigid-Flexible Coupling Model of Gear Transmission System Based on ADAMS

The influence of the flexible body for the motion of gear transmission system is analyzed and the foundation for a more accurate assessment of gear transmission system is established when it has battle damage faults. By using Pro / E software,the virtual prototype model of gear transmission system in the speed reducer is established,and the rigid model and rigid-flexible coupling model are simulated respectively in ADAMS to obtain the data of gear meshing force. It can be concluded that rigid-flexible coupling model can reflect the real motion better than rigid model by comparing the simulation data of two models.