Virtual brain surgery simulation system based on haptic interaction

To improve the accuracy and interactivity of soft tissue deformation simulation,a new plate spring model based on physics is proposed.The model is parameterized and thus can be adapted to simulate different organs.Different soft tissues are modeled by changing the width,number of pieces,thickness,and length of a single plate spring.In this paper,the structural design,calculation of soft tissue deformation and real-time feedback operations of our system are also introduced.To evaluate the feasibility of the system and validate the model,an experimental system of haptic interaction,in which users can use virtual hands to pull virtual brain tissues,is built using PHANTOM OMNI devices.Experimental results show that the proposed system is stable,accurate and promising for modeling instantaneous soft tissue deformation.     

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.     

软组织非线性物理建模及其参数测定

对现有虚拟手术中人体软组织建模方法进行了分析,针对目前软组织建模真实性还有待提高的问题,提出了一种新的软组织建模方法.首先,在引入体弹簧质点模型的基础上,利用生物力学方法建立了适合软组织力学仿真的模型.然后通过非线性超弹性应变能方程对弹簧力建模,并根据真实肝脏软组织物理特性的测量结果求解模型参数,得到基于物理特性的软组织模型.通过实验验证,该方法在提升虚拟手术触觉沉浸感方面具有可行性和有效性.     

基于压力采集和FEM模型的软组织参数测量方法

提出基于压力采集和FEM模型的软组织参数测量方法,搭建基于光学运动跟踪系统和压力采集模块的软组织参数测量平台,对软组织形变过程三维重建,通过带压力传感器的ARM采集板获取压力值,采用BP神经网络对传感器进行精度校正.基于软组织形变集合构建四面体有限元模型计算软组织的初始参数弹性模量与泊松比,并提出一种参数参照模型对初始参数进行修正,通过实验验证参数的准确性.实验结果表明,用所述方法求得的软组织参数计算的软组织形变与真实测量所得软组织形变的平均相对误差为1.03%~1.60%,符合实际工程应用对软组织形变的精度要求.     

扭转精度对扭杆弹簧强扭工艺的影响

为了研究扭杆弹簧扭转精度对其强扭过程的影响,利用弹塑性理论对扭杆弹簧强扭过程进行了理论探讨,获得扭杆弹簧在屈服与塑性强扭工况下的断面应力、扭矩及残余应力等变化的数学模型.应用ABAQUS有限元软件对不同型号、强扭工况的扭杆弹簧进行数值模拟,分析了扭转精度对扭杆弹簧强扭效果的影响.结果表明,在强扭工艺允许范围内,扭转误差对扭杆弹簧强扭效果影响不超过5%.试验结果不仅验证了有限元模型的正确性,也得出扭杆弹簧强扭误差在不超过±1°工况下的强扭效果可近似等同的结论,此研究为扭杆弹簧强扭工艺的完善提供理论依据.     

虚拟电梯控制系统建模与仿真

虚拟电梯模型相对于实物模型成本低廉,所以其具有广泛的应用前景。提出了一种通过组态软件设计构建虚拟电梯模型的方法,实现了虚拟电梯模型和软PLC之间的通信,并应用倍福Twincat软PLC实施了对虚拟电梯模型的控制仿真。所提出的方法可以很方便地实现电梯群控模型建模,应用此模型不仅可以实现电梯控制程序的逻辑故障分析而且还可以实现机械故障的模拟。用此方法设计出一个三层的虚拟电梯模型,同时编写并调试了三层电梯的控制程序,实现了Twincat软PLC控制虚拟电梯的正常运行,验证了仿真系统的可用性和控制程序编写方法的合理性。     

软实时系统下动态电压/频率调节算法设计

基于实时DVFS模型,提出满足软实时性约束的DVFS算法SRT-DVFS.该算法利用软实时系统在给定延迟率下允许任务延迟的特点,在 EDF算法基础上实现软实时DVFS调度,克服了在软实时系统里直接使用硬实时DVFS算法效率低的缺点.通过模拟实验证明该算法能够满足系统软实时要求.实验结果表明,该算法比LEDF算法节省10%的能量消耗.     

侧脑室穿刺术的力反馈仿真

针对侧脑室训练模型缺乏的问题,提出一种适用于侧脑室穿刺术的虚拟手术培训系统.将软组织与穿刺针交互过程产生的力分为3种,以模拟穿刺力的层次感,从而极大程度上还原穿刺手感.特别地,在形变力分析中构建软组织形变模型,并提出形变模型参数的转化方法.在3种力的基础上,提出穿刺力的力反馈计算模型,结合力反馈设备将其应用于侧脑室穿刺术中.选猪脑组织进行穿刺力实验,结果表明,猪脑穿刺的穿刺力与虚拟穿刺穿刺力间的最大差值为17.25 mN(<20 mN),力的两次突变以及变化趋势具有较高的一致性,能够最大程度上接近真实手术手感.     

软体机器手纤维增强式三腔体结构设计与分析

根据人手三指节结构,提出纤维增强式三腔体仿人软体机械手和新型布管方式.采用Neo Hookean模型建立了软体机械手单指的大变形数学模型,分析了软体机械手单指的形变特征,建立了弯曲模型和扭转模型.采用Ecoflex 00-50与Dragon skin 30 进行1∶1比例混合制作软体手指,并利用测试数据对理论模型进行了误差修正.结果表明,提出的新型软体手指结构的理论模型和实际测量数据一致,相对于其他结构,新型布管方式增加了整体的稳定性,得出的结论可为仿人软体机械手的发展提供理论支撑.     

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.     

浮式生产储油轮诱导软刚臂系泊系统的动力响应

建立软刚臂系泊系统的理论模型和动力方程,模拟实际几何与物理特性及作用机制.开发误差判断结合变步长迭代搜索的数值逼近求解方法和软件,计算分析软刚臂系泊系统在浮式生产储油轮(FPSO)空间6自由度运动诱导下的动力响应特性,并进行模型试验验证.结果表明,该模型的数值计算与试验结果符合很好,而且迭代计算次数少、收敛快、误差小,可用于海上软刚臂系泊FP-SO系统动力性能的实时监测或理论预报.建议进一步研制实时监测装置,实现安全监控与防护.     

基于软PLC技术的磨矿过程运行控制系统及实验

为解决具有综合复杂特性的磨矿生产过程运行控制实验研究的难题,开发了由运行监视子系统、运行控制子系统、虚拟执行机构与检测装置和虚拟对象子系统组成的运行控制半实物仿真系统.本系统采用软PLC技术构建的嵌入式控制器实现实时运行控制,采用基于C sharp语言开发的过程监测软件进行在线监测,并集成执行机构与检测运算模型和虚拟过程对象,具有实时性高、移植性好、面向工业实际等特点.基于运行控制实验系统的结果表明,该系统能够为运行控制方法的研究提供一个高效、便捷的验证环境,为运行控制算法的进一步工业应用奠定基础.     

面向一类混合退化装备RUL预测的平行仿真技术

针对一类带离散冲击的混合退化装备剩余寿命预测问题,研究了面向混合退化装备剩余寿命预测的平行仿真技术.提出以混合Wiener状态空间模型为基础仿真模型,以泊松冲击到达为模型选择判据,在实时退化数据驱动下,实现仿真模型在线选择,利用强跟踪滤波和期望最大化算法进行仿真模型数据同化和未知参数在线估计,从而实现仿真模型演化,提高仿真模型逼真度.在此基础上,实现了基于平行仿真的剩余寿命实时预测.利用某轴承性能退化数据对平行仿真方法进行了实例验证,仿真结果表明平行仿真方法能有效仿真轴承的性能退化过程,剩余寿命预测的不确定性小、精度高.      

基于非线性虚拟材料栓接结合部动力学建模方法

为仿真栓接结合部非线性动力学特性，提出一种基于非线性横观各向同性虚拟材料的栓接结合部动力学建模方法.基于有限单元法，利用8节点实体单元构建被连接件及用来等效栓接结合部的横观各向同性虚拟材料层，虚拟材料层与被连接件固接.采用非线性虚拟材料等效栓接结合部，以模拟含栓接结合部结构在不同幅值的外简谐激振下所体现出的非线性刚度特性.为提高非线性模型计算精度，将非线性横观各向同性虚拟材料层进行分区处理，每个区域虚拟材料参数分别由该区域虚拟材料的形变确定.最后，对模型进行局部降维，在时域下求解模型的幅频响应，通过对比仿真计算结果和试验结果，验证所提出建模方法的可行性与有效性.     

全球战场环境实时仿真系统研究

为了对全球范围内的战场作战情况进行实时模拟,文章提出了一种构建战场环境仿真系统的解决方案,分别以基于视点的LOD和地形预读方法解决大规模地形的可视化问题,以基于模板的动态场景元素管理解决大量运动物体的组织、管理问题,以基于经纬度的运动物体位姿变换解决物体运动姿态的模拟问题。实验结果表明,该方法能够实现大规模地形的实时可视化,能够对物体运动姿态进行有效的模拟,满足全球范围内战场环境实时仿真的需要。     

基于弹簧质点模型的织物变形仿真技术

讨论了一种基于弹簧质点模型的织物变形仿真技术，并提出了一种变形约束技术．在建立弹簧质点模型的基础上，通过受力分析得到织物变形的动力学方程，采用Runge-Kutta算法结合变形约束求解其方程，实现了织物变形仿真．用很少的运算时间取得了满意的仿真结果，证明了本弹簧质点模型的实时性．     

汽车悬架非线性螺旋弹簧的设计与仿真分析

通过拟合空气弹簧的特性曲线,并利用螺旋弹簧刚度计算公式得到螺旋弹簧中径和高度的关系,在ANSYS对非线性螺旋弹簧模型进行载荷分析,并对结果数据进行拟合,得到所设计弹簧的特性曲线方程.对建立四分之一悬架系统模型的动力学方程,利用摄动法将非线性弹簧特性曲线方程线性化处理且带入动力学方程中,在MATLAB/Simulink中进行仿真分析,以及与四分之一定刚度悬架系统对比分析.仿真结果表明:利用空气弹簧非线性特性所设计的非线性弹簧可有效提高车辆的舒适性和平顺性,相对于定刚度悬架其各参数指标均有很大程度的改善和提升.     

热塑性聚烯烃大变形行为建模及数值模拟

为了研究热塑性聚烯烃(TPO)大变形过程中力学行为,将基于高分子材料微观特征建立的本构模型加入有限元软件中,实现了TPO变形和微观特征演变的耦合.该模型考虑了TPO材料与应变速率有关的初始均匀变形、屈服、应变软化和应变硬化的变形过程.采用数值模拟的方法,研究了TPO在拉伸状态下的力学行为.结果表明,本构模型的预测结果与试验结果比较接近,模拟结果清晰地描述了三维变形过程中应力场的分布以及颈缩演变,为TPO材料零件的虚拟设计提供了依据.