具备触觉反馈的实时绳子打结仿真

实现了实时绳子打结仿真.绳子使用刚性杆模型和FTL(Follow the Leader)变形算法.碰撞处理算法将刚性杆当作圆柱体,使用AABB层次结构提高碰撞检测效率,可以处理绳子的自碰撞和绳子与其它刚体的碰撞,并通过设置临时接触约束实现等效摩擦力.通过碰撞簇的识别检测结的形成并在FTL算法中将结作为一个整体处理,确保结形成后可以在空间自由运动.图形绘制算法对刚性杆进行曲线插值以产生光滑的绳子效果.用户通过触觉反馈设备控制绳子的运动.反馈力根据绳子的张力和约束条件计算,并使用时间域上取平均的方法消除反馈力抖动现象.最后给出仿真程序的运行效果.     

虚拟介入手术中导管物理建模技术研究进展

虚拟手术训练是虚拟现实技术在医学手术仿真训练中重要的应用.在虚拟导管介入手术中,导管的实时变形以及所产生的力反馈对手术仿真的真实感至关重要.针对导管柔性细长等特点,研究了近年来柔性导管的几种典型物理建模方法,如混合质点弹簧模型、有限元模型及弹性杆模型等,分析讨论了各种方法构建模型的基本思想、关键过程与优缺点,并探讨了虚拟介入手术仿真在未来的发展趋势与应用展望.     

基于软组织形变力学信息虚拟手术力反馈过程仿真

为了更好的实现对真实手术的力触觉模拟,利用质点弹簧模型建立了人体软组织的力学模型;应用四阶龙格库塔法解决了力学模型的计算问题;基于模块化设计思想完成了力反馈设备的设计;将力反馈设备通过ADAMS平台建模与力学算法程序相连接,实现了力学信息的传送过程和力反馈设备终端获取力学信息的模拟,该仿真对整个力反馈过程的进行实现了验证。仿真结果表明:力反馈设备可以实时获取力学信息。该项研究将虚拟现实与虚拟样机技术相结合,基于力反馈器虚拟设计实现力反馈过程的仿真模拟,为虚拟手术系统前期设计提供参考和设计依据。     

SAMCEF在柔性并联机器人建模与仿真分析中的应用研究

分析了SAMCEF软件的特点,建立了柔性并联机器人的虚拟仿真模型,并进行了仿真分析.介绍了SAMCEF软件的相关模块在柔性并联机器人虚拟仿真中的应用.利用API接口技术开发了自动计算机器人固有频率、系统任一点内力的程序,扩展了SAMCEF软件的功能和用途.以平面3-RRR柔性并联机器人为例,介绍了建模要点和仿真流程.仿真结果表明该模型能正确地反映柔性并联机器人的运动学、动力学特性,杆件的弹性变形对柔性并联机器人的运动学、动力学性能具有重要影响.     

虚拟手术中的软组织变形仿真研究

虚拟手术中对生物体软组织变形仿真的研究一般采用线弹性物理模型。然而,生物软组织本身呈粘弹性的物理特性。本文通过对软组织生物力学特性的分析,将粘弹性模型应用于手术仿真中软组织变形的研究。在尽量减小算法复杂度的前提下,推导粘弹性模型的计算公式,较好地仿真了在外力作用下软组织的变形。     

平面柔性并联机器人系统建模与仿真研究

利用运动弹性动力学理论和有限元方法研究了平面柔性并联机器人的动力学建模方法。分析了各运动支链的弹性位移及其耦合关系,提出了柔性并联机器人系统的运动学约束条件和动力学约束条件,综合考虑了构件的分布质量、集中质量、集中转动惯量以及杆件的各种弹性变形的影响,建立了平面柔性并联机器人的动力学模型。以平面3-RRR柔性并联机器人为例,用MATLAB语言编程进行了仿真计算,并用SAMCEF软件的计算结果验证了模型的准确性。仿真结果表明该动力学模型能正确地反映柔性并联机器人的弹性振动特性,杆件的弹性变形对机器人动平台的位置误差和方向误差具有重要影响。     

平面柔性并联机器人系统建模与仿真研究

利用运动弹性动力学理论和有限元方法研究了平面柔性并联机器人的动力学建模方法.分析了各运动支链的弹性位移及其耦合关系,提出了柔性并联机器人系统的运动学约束条件和动力学约束条件,综合考虑了构件的分布质量、集中质量、集中转动惯量以及杆件的各种弹性变形的影响,建立了平面柔性并联机器人的动力学模型.以平面3-RRR柔性并联机器人为例,用MAlLAB语言编程进行了仿真计算,并用SAMCEF软件的计算结果验证了模型的准确性.仿真结果表明该动力学模型能正确地反映柔性并联机器人的弹性振动特性,杆件的弹性变形对机器人动平台的位置误差和方向误差具有重要影响.     

一种膝关节镜手术仿真系统

介绍了一种膝关节镜手术仿真系统,主要对系统结构设计、快速碰撞检测、软组织形变和实时力反馈计算等方法进行讨论,提出了基于八叉树分割的坐标轴层次包围盒碰撞检测算法和线弹性有限元半隐式模型,并结合力反馈计算实现了四类膝关节镜手术的仿真。通过应用,表明系统能够满足临床手术训练的需要。     

基于虚拟样机技术的刚柔耦合系统动力学仿真

基于集成CAD、CAE与可视化技术的虚拟样机技术,提出一种刚柔耦合系统动力学建模与仿真的方法.根据刚柔耦合动力学方程,建立计及刚体运动与弹性变形的系统虚拟样机.对于运动副间隙、摩擦力以及制造误差引起的建模与仿真误差,通过对比试验结果选择系统特征参数为修正因子进行调整,从而补偿以上因素对建模和仿真精度的影响.利用三维实体建模技术、有限元技术以及多体动力学分析,依照虚拟样机仿真和试验的建模仿真流程,完成了曲柄滑块机构的刚柔耦合动力学仿真实例.与试验对比结果表明建模方法和仿真流程的有效性和实用性.     

虚拟柔性触觉再现技术的研究

研制了一套小型柔性触觉再现装置。针对虚拟操作的需求,提出了一种高斯分布变形模型,该模型建模简单、算法实时性好、实时交互能力强。在此基础上构建了一个完整的集成触觉显示和视觉显示的虚拟触觉再现系统。通过仿真实验验证了触觉再现装置人机交互过程的有效性和可靠性以及算法的可行性。     

用于虚拟力觉再现的弹簧-质点力/变形模型研究

为提高虚拟力觉再现的精度与实时性,提出了一种弹簧-质点力/变形模型,它将物体以受力点为中心,沿径向方向分割为呈同心圆分布的弹簧-质点系统。系统中各个质点的相对位移的叠加对外等效为物体表面变形,与之相连的弹簧弹性力的合力等于物体表面的接触力。该方法由于分割只涉及到发生变形的局部区域,不需要对整个物体进行大量的矩阵运算;进行了基于图像边缘检测的变形测量,推导了模型参数;基于此力变形模型,利用DELTA手控器,进行了柔性物体接触变形以及实时虚拟力反馈的半物理仿真。     

虚拟手术中具备触觉功能的软组织交互技术

研究了虚拟手术中用户通过触觉设备与软组织进行交互操作的技术.所用触觉设备为Phantom Desktop,交互操作包括切割、触摸和抓取.为了克服用户手的颤抖产生的触觉反馈力振荡,切割中的反馈力使用代理的方法计算,反馈力由刀锋阻力和刀面约束力构成.触摸和抓取操作使用作用球的方法,根据作用球的入侵体积来计算作用力和反馈力,并使用力和力矩等效原则将作用力分解成顶点等效力.最后给出了使用虚拟肝脏模型进行交互操作的效果.     

力反馈汉字书法模拟的任务规划和逼真度评价方法

交互过程的任务规划和逼真度评价是力反馈模拟系统的两个重要问题。目标是针对汉字书写模拟建立人的触觉技能表达和逼真度评价模型。提出了分层任务规划方法。在任务层，将汉字的力觉引导过程分为形状引导和笔顺引导；在表达层，提出了状态变化图谱，描述笔尖与纸面的交互状态序列；在设备层，将上述状态序列映射为交互设备的控制指令序列。基于分层规划建立了交互状态空间映射匹配度模型，作为逼真度评价指标。采用力反馈设备Phantom desktop进行了系统实验，证明上述规划方法可以满足实时力觉引导的控制规律设计要求，逼真显示汉字书写过程的交互力。提出的逼真度指标可以定量地评价力觉显示的训练效果。     

一种于基于有限元的形变模型算法

针对实时虚拟手术仿真中的弹性形变特性,本文提出了一种新的算法,该算法考虑到虚拟手术中存在的特殊情况,在形变模型的实时交互性与精确性之间取得了良好的平衡,模型的实时交互性是通过进行预处理实现的,此时响应操作的实时形变计算得到加速,模型的精确性则来自于基础算法有限元法的精确性。     

触觉照相机:表面力觉属性采集装置

触力觉模拟对于增强虚拟现实系统的沉浸感具有重要作用。准确获取物体表面的力觉属性信息是建立逼真的触力觉模拟系统的基础。介绍了触觉照相机的概念和工作原理,针对刚度和摩擦两类表面力觉属性,阐述了测量原理,设计出可测量物体刚度和表面摩擦系数的实验方案及实验装置,该装置主要由两个独立的滚珠丝杠螺母结构、一个6自由度力传感器以及电机等部件组成。开展了典型物体的刚度测量和表面摩擦测量实验,初步检验了设计方案的合理性。     

实时力觉交互中的虚拟力计算及渲染方法

虚拟力计算和渲染是虚拟现实力觉显示系统的核心技术。针对人与虚拟环境通过工具进行接触交互的任务,讨论了提高力觉显示逼真度的方法。静态物体采用三角片模型,运动的虚拟工具采用质点模型。用均匀划分包围盒方法和基于三角片元素拓扑关系及最短距离迭代的方法,分别解决虚拟力计算的碰撞检测和碰撞响应问题。针对物体几何特征逼真度显示给出了渲染判据,实现了逼真度和稳定性的矛盾折衷。基于力觉交互设备Phantom,开发了力觉仿真系统平台,通过感知具有典型几何特征的物体形状,验证了虚拟力计算和渲染方法的有效性。     

基于局部模型的多更新率切削仿真力觉渲染算法

提出了一种牙科手术虚拟现实模拟训练系统的力觉计算方法。为了保证切削仿真的逼真度、力觉计算的快速性和交互稳定性,提出了基于局部模型的多更新率体系架构的计算方案。仿真系统分解为三个不同计算频率的线程,即切削仿真、力觉伺服和图形显示线程。提出虚拟工具和切削工具的概念,实现交互力计算和牙齿三角片网格模型切削变形的协调;基于虚拟工具和牙齿三角片碰撞检测信息构造局部模型,实现力觉设备控制与切削仿真线程的解耦,降低了对切削仿真线程计算频率的要求;利用多线程技术保证图形显示和力觉显示的数据传输和时间同步。针对局部模型更新时的振荡问题,采用改进的恢复时间方法对局部模型进行插值,增强了仿真系统稳定性。基于力觉交互设备Phantom建立试验平台,开发了牙科手术力觉交互仿真软件,通过试验验证了本文算法的有效性。     

多分支多部件水下拖曳系统运动仿真

针对多分支多部件的水下拖曳系统特点,构造了杆和质点组成的通用力学结构;基于虚功原理建立系统动力学仿真模型;以仿真约束力处理浮体在水面的单双侧混合约束问题,避免了约束方程带来的复杂性。对典型系统的动态过程仿真结果表明,该模型可以获得系统的动态过程,正常收敛于稳态位置,浮体的水面约束与下沉过程均符合实际情况。     

一种基于OpenHaptic的软组织有限元形变模型

OpenHaptic是基于PhanToM设备的力反馈模拟编程环境,与原来常用的GHOST SDK编程环境相比有着不可替代的优势;因此,在OpenHaptic环境下进行力反馈相关研究具有十分重要的意义。充分探究了采用OpenHaptic进行空间力反馈模拟的实现方法,在分析现有软组织形变模拟方法的基础上,根据软组织形变模拟对真实感与实时性的要求,建立了一种基于有限元计算模型的形变处理方法。实验结果表明软组织有限元形变模型在OpenHaptic环境下完全满足软组织形变模拟的真实感与实时性要求。较早地探究基于OpenHaptic环境的虚拟手术相关实现技术并做出相应的研究成果对于基于OpenHaptic环境的虚拟手术相关研究具有重要的参考价值。