基于分布式系统的虚拟力感知与交互技术

针对现有人机交互系统中的力觉交互沉浸感不足的问题,提出了一种基于分布式系统的动态碰撞检测与虚拟力觉交互的控制策略。力觉交互系统采用分布式设计,主要包括:人机交互接口管理、空间位形解算和运动控制与碰撞检测等单元设计。在交互过程中,采用分层方式处理碰撞效果。根据模型所处虚拟空间的相对几何位置与碰撞后的运动状态构建虚拟力觉,并由交互管理单元映射至实体交互设备,实现操作者的力觉感知与交互。采用PHANTOM omni力反馈设备与Visual Studio 2010构建了动态碰撞检测的仿真实验系统,并进行了虚拟力觉交互实验。实验结果表明:操作者通过力反馈设备能够实现力觉感知与交互,有效解决了交互过程中的力觉效果不足的问题。     

虚拟操作训练系统中的人机交互技术

为提高某型导弹动力系统虚拟操作训练中人机交互的沉浸性,开发了基于数据手套和空间位置跟踪仪的人机交互环境。介绍交互环境的硬件组成和工作原理,根据手的生理结构和运动特性,建立具有约束的虚拟手几何建模,采用面向对象的技术,对虚拟手的数据结构进行描述,采用放置透明包围体的方法,有效解决碰撞检测问题,对碰撞后的视觉和力觉反馈进行研究。该系统提高了该型导弹动力系统虚拟操作训练的效率。     

基于3DMouse的虚拟仿真系统人机交互技术

为了提高虚拟仿真系统的人机交互性,增强虚拟现实的沉浸感,并结合对虚拟装备仿真系统人机交互性能的需求分析,提出了一种基于Open Inventor技术的三维鼠标视点控制方法.利用三维鼠标的操作模式与工作原理,建立了一种新的仿真系统人机交互模型,从而解决了三维鼠标作为人机交互设备与虚拟仿真系统集成的问题,实现了操作者操纵三位鼠标在虚拟场景中的漫游和装备三维对象模型的动态控制.三维鼠标浏览路径数据的保存和导入功能可实现反复多角度的观察虚拟装备的装配和工艺过程,使装备的操作和维护培训效果显著,该技术可应用在多种虚拟装备仿真系统中.     

虚拟装配中基于导纳控制的力觉渲染技术

传统的力触觉渲染多采用阻抗控制,不能很好地满足虚拟装配的应用要求,相比之下导纳控制模式更适用这一领域.为此提出一种基于导纳控制的双线程力觉渲染构架,并给出相应的力觉渲染算法.首先建立用于导纳控制的动力学模型,并讨论了碰撞和约束这2个状态下的力觉渲染;为了使用力觉交互接口进行虚拟装配中的小间隙装配,提出物理约束与几何约束结合的力觉渲染方法;最后针对物理计算和力反馈循环2个线程刷新频率不匹配的问题,利用二次拉格朗日多项式进行数值插值,实现了力觉交互接口的平稳输出.通过力反馈设备与自主开发的虚拟装配原型系统VAPP的连接与应用,验证了所提出的算法满足虚拟装配系统中力觉交互的应用要求.     

基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法

针对力反馈遥操作中传统人工势场法无法适应于机械臂整体的避障以及在作业过程中操作者难以控制机械臂到达所需位姿的问题,提出了一种基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法。力反馈设备向操作者提供力觉交互。通过结合人工势场法和虚拟夹具,构建管道形虚拟力场,生成实时虚拟力引导,实现协助操作者完成从端机器人的整体避障任务并在完成避障后引导机器人返回预定义路径并趋近目标点。当进行抓取任务时,构建锥形虚拟力场,实现协助操作者操作机械臂到达目标位置和姿态。此外,提出了一种机器人运动限制方法以降低操作者的操作失误对抓取任务的影响。实验证明,该方法能有效提高目标抓取操作的成功率和操作效率。     

基于增强人机交互技术的虚拟装配

提出了基于虚实融合、增强信息和约束代理的增强交互技术,从视觉、信息和操作三个方面来改善虚拟装配环境的人机交互效率.虚实融合在保留虚拟现实全部交互方式的同时附加真实装配场景来丰富装配过程感知;基于文字和特征表示的增强信息为用户提供装配知识来引导装配操作;约束代理及其匹配规则可视化重建零件装配约束关系并避免了复杂计算.增强人机交互技术为虚拟装配的应用提供了一种便捷的交互手段.最后介绍了虚拟装配辅助支持平台的体系构架,并用实例说明了虚拟装配系统的运行流程.     

飞行模拟系统人机交互设计

针对增强飞行模拟训练的沉浸感,提高飞行模拟训练的效率和效果的目的,以真实飞行训练为基础,利用UI分类和设计方法,对飞行训练关键交互操作以及核心人机交互UI进行研究并加以整合,运用虚拟仿真技术,着力解决飞行模拟训练中人机交互体验沉浸感低,人性化设计不足,交互方式单一,训练效率和效果不佳等问题。提出将飞行模拟训练系统人机交互UI分为沙盒人机交互UI模块,平显、仪表人机交互UI模块,头戴式显示器人机交互UI模块,样机驾驶舱人机交互环境模块四个部分,完成了四个模块的设计,并基于Unigine引擎实现了四个模块。有效提升了飞行模拟训练的效率和训练效果。     

气动力反馈数据手套设计与验证

针对目前面向大型复杂机电产品的虚拟装配环境中力反馈装置所能提供的触觉力偏小的问题,提出一种基于微型低摩擦气缸的内置式力反馈数据手套.首先介绍了手套结构及其工作原理;然后搭建了实验系统,基于牛顿迭代法进行运动学方程组求解,验证了手套的角度测量和力反馈功能;最后开发了手套的人机交互控制系统,采用D-H理论来描述虚拟手的空间位置,基于虚拟墙的弹簧-质点模型计算虚拟力.实验结果表明,所设计的数据手套可实现大触觉力的反馈,满足虚拟装配系统虚拟抓取的需求.     

虚拟训练系统中大屏幕多点触摸研究与实现

研究虚拟训练中的人机交互问题,使虚拟训练系统支持多点触摸操作.针对鼠标键盘交互沉浸感不足,训练效果不佳,而专业VR设备成本太高等问题,提出利用多点触摸设备作为人机交互接口以改善用户体验.研究了几种常见的多点触摸技术,设计并实现了一种采用光学感应原理的大屏幕多点触摸系统;研究了多触点信息的传输机制,改进了虚拟现实开发软件Virtools,使其能够识别多点触摸手势并做出正确响应.应用实践表明,训练系统沉浸感强,能够准确识别并跟踪多个红外触点,响应迅速,很好地满足了虚拟训练的需求.     

基于力反馈设备的文检虚拟触摸鉴定方法

传统的文件检验鉴定是在显微镜中观察文件检材并鉴定文件真伪,针对这种文检方法缺少高度信息且不能全面反映文件物证特征的缺陷,提出一种基于力反馈设备的文检虚拟触摸鉴定方法。该方法是通过阴影恢复形状法获取文检图像的相对高度信息后在虚拟现实中三维重构和渲染,在重构的三维模型上采用力反馈设备触摸鉴定。实验表明,这种虚拟三维重构技术将文检鉴定方法由二维扩展到三维,并且采用力反馈触摸比对可以给鉴定人员直观的触觉感受,从而使文检鉴定由单纯的视觉变为视觉、触觉一体的鉴别,提高了鉴别的可靠性。     

一种基于弹簧模型的作用力视觉反馈方法

在虚拟拆装系统中,为了增强用户的"沉浸感",会引入力反馈设备,但目前力反馈设备价格昂贵,同时力反馈算法也不成熟,二者导致了力反馈的引入无法商用和推广.为使用户在无力反馈设备的虚拟拆装系统中感受到操作时作用力的变化,提出了一种基于弹簧模型的作用力视觉反馈方法,构造一个可形变、带标尺的弹簧来代表虚拟手,将拆装关系变化时引起的力反馈通过弹簧的实时形变来表达,用视觉反馈形象化地表现了力觉反馈,取得了良好的实际效果.实验证明,此方法既降低了虚拟拆装系统的研发难度,又节约了虚拟拆装系统开发与推广的成本,具有较好的推广和使用价值.     

具有虚拟力觉导引功能的机器人网络遥操作系统

为实现机器人网络遥操作系统中从端机器人和被抓取目标接触前的力觉感知效果,提出了具有虚拟力 觉导引功能的机器人网络遥操作系统控制方法．利用单目视觉技术获得末端执行器相对于被抓取目标的位姿信息, 并将此信息转换为操作者相对敏感的力反馈信息,引导操作者为远端机器人系统提供合适的控制命令,控制机器人 达到期望的位姿．利用手腕相机和人工目标搭建了演示实验系统,并分别进行了机器人位置和姿态遥操作控制实 验．实验结果表明,机器人遥操作系统的可操作性和操作效率有了明显提高．     

基于STEP和OSG的虚拟装配系统

针对传统虚拟装配系统中装配灵活性不足以及模型格式的局限造成的问题,对工业CAD设计中STEP标准进行了研究,并结合开源虚拟现实引擎OSG (OpenSceneGraph)的技术特点,设计出一个虚拟装配系统,并解决了其中关键技术问题,仿真出一个原型系统.系统采用OSG组织STEP产品模型的拓扑结构,并采用NURBS曲线曲面方法表达STEP模型的几何形状信息,将STEP模型读入系统,根据模型特征面、线之间的配合关系实现装配.系统的实现不仅增强了装配的灵活性,还使工业CAD与虚拟现实系统无缝结合、数据双向通信,同时也扩展了OSG的应用范围,从单纯的图形渲染走向虚拟装配制造领域.为虚拟装配设计、教学培训提供了方便有效地支持.     

虚拟手交互中约束类物体操作研究

虚拟手技术是虚拟现实技术中的一种交互方式，是指通过手势识别技术将人的真实手映射到虚拟环境中并与虚拟物体进行交互操作的人机交互方式。主要应用于虚拟训练、虚拟手术和虚拟装配等领域。对虚拟手交互的约束类对象进行了研究，提出了基于运动学的约束类物体操作方法，解决了阀门类有约束物体交互中虚拟手姿态不真实、操作不可控的问题。设计实验验证了基于运动学的方法能以符合实际操作的效果完成虚拟现实系统中的操作任务，可以应用到虚拟训练、虚拟装配等仿真平台。     

面向智能制造的在线通用虚拟装配系统

针对智能制造领域存在的虚拟装配系统通用性不足的问题,提出一种在线通用虚拟装配系统。该系统在传统虚拟装配方法的基础上研发了针对复杂层次化模型的通用装配算法,结合装配管理数据库自由规划装配序列,基于客户端网站实现在线虚拟装配,用户可自主上传三维模型数据并进行可视化装配逻辑设计,利用云服务器端的高计算性能和渲染性能降低客户端硬件要求,便于系统统一维护和更新,具有便捷性、灵活性、易推广的特点。以飞机、航空发动机、汽车发动机三种模型为例对系统的可行性进行检验,并且,以飞机虚拟装配为例,对系统的交互性能进行测试。实验结果表明,对于不同机械产品,系统具有通用性,其中,以飞机为例的130 s装配时段中,人机交互的每帧间隔时间最大为10.9 ms,最小为6.8 ms,平均间隔时间为8.79 ms,人机交互性能良好,能够满足用户交互需求。     

虚拟油泥造型交互方法研究

虚拟油泥造型是一种新的计算机辅助工业设计方法,但目前虚拟油泥造型过程中使用的二维鼠标和键盘等人机交互设备无法体现油泥模型设计师的操作习惯,从而降低了造型过程的真实感和系统的交互能力,增加了造型过程的控制难度;根据虚拟油泥造型系统中刮削、填补和刮补造型操作的特点,考虑到设计操作中较为频繁的视图变换,研究了三维鼠标和力反馈设备的作用机理,提出了采用6自由度的三维鼠标和力反馈设备的新的交互方法,并使用Open Inventor开发包在虚拟油泥造型系统中进行了实现;该交互方法在虚拟油泥造型系统中得到了实际应用,效果良好,为设计人员创造力的发挥提供了一种新的途径.     

面向虚拟装配的产品公差混合建模技术

为实现带公差的虚拟装配,应首先解决产品建模问题.通过分析虚拟装配对产品公差模型的要求,提出了虚拟环境下产品公差混合模型.该模型将产品基本公差信息与附加公差信息相结合,将普通几何拓扑信息与精确几何信息相关联,同时添加了装配特征等工程语义信息;详细阐述了产品公差混合模型的层次结构、模型信息来源、各个层次之间的映射方法及精度信息的表达方式;最后介绍了该模型的应用.     

一种三维力反馈训练仿真控制系统设计

针对空间站舱外任务需要研究人员通过遥操作控制平台对空间站机械臂遥操作来完成,而空间站机械臂研制成本高,无法实现现场调试,直接投入使用风险性高,系统安全性与可靠性无法保障的缺陷与不足,设计了一种面向空间站机械臂的遥操作力反馈训练的仿真控制系统.重点阐述了该系统的工作原理以及系统硬件和软件设计思路.该系统的力反馈手柄具有3个自由度,充分模拟操作空间;力反馈手柄末端位置信息和力反馈信息,由微控制器STM32系列单片机与PC实现数据传输.实验结果验证了该系统面向空间站虚拟机械臂的力反馈控制仿真功能、系统硬件和软件的可靠性,为空间站机械臂的虚拟仿真提供了一种可行方案.     

虚拟装配环境支持下的产品可装配性评估

为了解决传统的产品可装配性评估研究需要结合实物模型或样机进行反复试验造成的评估周期长且成本高的问题,提出虚拟装配环境(VA)下的产品可装配性评估方法.从CAD模型及产品虚拟装配操作过程中分别得到产品装配中各零件的基本属性信息及主观属型信息,建立零件属性信息模型,通过Boothroyd-Dewhurst方法中的装配操作时间表计算得到产品装配效率,对产品可装配性进行评估.以减速箱产品装配为研究实例在虚拟环境下对产品可装配性进行了评估,验证了该方法的有效性和实用性.     

Leap Motion关键点模型手姿态估计方法

在虚拟操作的人机交互中,为解决视觉方式人手姿态估计的问题,提出一种基于Leap Motion采集设备的关键点模型手姿态参数估计方法.该方法通过建立关键点模型,利用Leap Motion采集的少量手势信息计算模型中人手关键点的空间位置,并将其作为手姿态的估计参数.实验结果表明,文中方法能够实时地估算出手各个关键点的位置以驱动虚拟手运动,为基于手势的虚拟操作人机交互应用奠定了基础.