基于射线的虚拟手动态碰撞检测算法

针对没有力反馈的数据手套,结合刚体和软体模拟人手,利用射线特性对虚拟手抓取操作过程进行分析,提出了基于射线的虚拟手动态碰撞检测算法。首先将射线碰撞应用于数据手套碰撞检测上。文中描述了该算法,并给出了算法的流程图,针对单个手指和物体接触过程,将该动态碰撞检测算法和传统的静态碰撞检测算法进行比较,结果证实:该动态碰撞检测算法能够提供具有真实感的虚拟手交互模拟视觉信息反馈,有效避免了虚拟手和物体间的穿透,在总体性能上优于传统静态碰撞检测算法。该动态碰撞检测算法可以推广到其他的系统仿真应用。     

基于PPT跟踪器和Cyber手套的虚拟手交互

提出了一种基于PPT(precision position tracker)跟踪器和Cyber手套的虚拟手交互方法,该方法先是通过PPT跟踪器获取人手的空间方位和移动数据以及通过Cyber手套获取手指各关节的运动数据;接着构建相应的数据结构,关联数据手套、位置跟踪器和虚拟手,驱动虚拟手操作,实现虚拟手在3D虚拟环境中的自然交互.实验结果表明此方法可以实时地获取数据手套运动数据并控制虚拟手操作,视觉效果良好,交互行为直观.     

基于数据手套和双目视觉技术的虚拟手势及其空间位置跟踪

基于数据手套技术,搭建了虚拟手势交互系统,实现人手到虚拟手的映射. 对双目视觉中空间点定位模型进行了修改,提出一种基于两垂直摄像头的空间点定位模型,实现了基于双目视觉技术的运动目标位置与姿态跟踪;通过对CamShift算法的改进,提高了运动目标跟踪系统的准确性和自动性,解决了柔性物体的空间姿态捕捉问题. 在VS2008平台上,用VC++和双摄像头搭建了一个虚拟手势交互平台,通过实验,获取了图像及相应的角度与位置信息对照,将虚拟手的位置和姿态与图片相对照,对所提出的方法进行了验证,证明了该方法的有效性.     

独立车轮与钢轨接触问题的研究

应用有限元参数二次规划法建立了独立车轮与钢轨接触的三维计算模型,通过分析不同踏面、不同相对位置的轮轨接触,得出了轮轨接触斑形状和面积、接触力的变化规律,并且对比不同踏面在减缓磨耗方面的特点.同时建立了磨耗后的轮轨接触模型,分别研究直线段和曲线段轮轨配合接触问题,总结了不同模型的接触斑面积、形状、位置,以及接触力分布和等效应力的变化规律.结果表明磨耗后的轮轨配合与其它模型相比接触斑面积最大,轮轨匹配相对较好.     

基于ADAMS的双齿圈人字行星齿轮传动系统动力学仿真与故障特征分析

为研究双齿圈人字行星齿轮传动系统的动力学特性和故障机理,探明系统故障、元件支撑刚度与接触力的关联规律,使用SolidWorks建立双齿圈人字行星齿轮系统三维模型。基于ADAMS虚拟样机和赫兹接触理论,考虑摩擦系数,构建系统虚拟样机模型,研究人字行星齿轮传动系统运动学规律、健康或故障两种状态下的接触力频谱特性和考虑构件支撑刚度时的接触力变化规律。在接触力分析的基础上计算系统均载系数,分析系统的均载特性。结果表明:系统在运行过程中,行星轮存在较高的齿频振动,当发生断齿故障时,系统故障特征明显,均载系数呈倍数增大;构件支撑刚度对系统接触力和均载特性均有较大影响,考虑构件支撑刚度时系统的载荷分布更为均匀,很大程度上提高了系统的均载性能。研究结果对于故障诊断、改善系统动力学特性和实现系统的动态设计具有参考价值。     

虚拟现实灵巧手姿态力度控制算法与仿真

针对灵巧手虚拟现实的控制,提出了数据手套控制手指关节角度,肌电信号进行抓取力度控制的方法.建立了虚拟现实灵巧手模型,根据神经网络算法实现前臂肌电信号对抓取过程中的拇指尖力预测.实验改变拇指接触状态,预测力模型与实际力度对比,验证模型的有效性.该研究可用于智能假肢控制及上肢康复训练、遥操作机器人等领域.     

超声电机定、转子接触微观力学模型

针对现有超声电机定、转子的接触模型未考虑表面粗糙度的影响,因而不能反映定、转子的实际接触状态这一问题,以定、转子接触的微观力学特性为研究对象,依据分形几何表征摩擦层表面的表面形貌,并通过实验确定了由摩擦材料构成的半球体的相对变形、相对接触面积和相对压力之间的函数关系.建立了考虑表面粗糙度影响的定、转子接触微观力学模型;基于力学模型计算实际接触点数、实际接触面积与总的预压力之间关系.研究结果表明,摩擦层的变形量、接触面积和相对压力之间的呈非线性关系,实际接触面积在名义接触面积的三分之一之内.     

机器人多指手的优化抓取力计算

由于机器人灵巧手与物体接触所产生的摩擦力约束为非线性约束,导致实时计算手指抓取力受到了极大的限制。提出了一种计算多指手优化抓取力的通用方法,其关键是利用拉格朗日乘子法,通过自动调节各手指法向接触力的权值系数来获得满足非线性摩擦锥约束的初始抓取力,并结合梯度流的方法对初始抓取力进行优化。对于任意的干扰外力,在满足抓取稳定性的情况下,可快速地计算出各手指的优化抓取力。仿真结果证明了该方法的有效性。     

人手到灵巧手指尖运动映射的实现

在人手到灵巧手的运动映射方面，人手和灵巧手在运动学上的异构现象造成了二者之 间运动映射的困难。本文研究灵巧手的抓持规划，通过主从操作来实现。提出了一种基 于虚拟手指的直角空间指尖运动映射方法实现人手到灵巧手的运动映射，以数据手套为人机 接口，测量手指的关节角度，建立手的运动学模型，根据运动学模型计算出指尖运动轨迹， 完成指尖在抓取过程中的运动学分析，记录指尖在直角坐标空间的运动轨迹，实现了人手和 灵巧手的三维运动仿真，完成了三维工作空间的可视化。在虚拟环境下，运动仿真验证了映 射算法，证明了其有效性。     

灵巧手指力回路自适应神经网络模糊PID控制

在多指灵巧手位置控制的基础上 ,提出一种在力控制回路采用基于模糊规则的自适应神经网络 PID控制的方法 ,将神经网络、模糊规则和 PID控制相结合 ,以 Fuzzy控制粗调 ,ANN控制为细调 ,改善了常规 PID控制中参数线性组合的缺点 ,有利于提高系统对灵巧手指与外界工作环境接触时 ,接触力控制的自适应能力和对外部干扰的抗干扰能力。最后 ,通过仿真实验验证了提出方法的有效性     

基于Kinect深度信息的指尖检测

指尖检测是目前人机交互研究的热点之一,针对基于普通摄像机的指尖检测容易受到复杂背景的影响而无法准确定位的问题,提出了基于Kinect深度信息的指尖获取方法。利用Kinect获取的深度信息将手单独分离出来,从而更好的实现手或手指与虚拟物体的交互。研究了一种利用NITE库函数定位手的位置的方法,根据获取的手的位置能够迅速而准确的从复杂背景中提取手部信息。再利用道格拉斯-普克算法得到手的轮廓曲线,最后利用轮廓分析法从凸包点中识别出指尖。实验表明该方法能够精确的定位到手的各个指尖位置,识别率达到80%,该方法实现简单,实时性好,有较好的鲁棒性。     

大刚度环境下力反馈主手自适应算法研究

针对机器人力反馈主手在大刚度环境下的稳定性和透明性下降问题,提出了一种力觉渲染与反馈的自适应算法。通过改进虚拟墙壁模型引入力的空间梯度,根据力信号随主手末端位置的变化率来自适应选取不同的控制策略,对大刚度环境下的阻抗显示力反馈主手的力觉输出进行渲染。仿真试验表明,该算法可在消除振荡、保障系统稳定的基础上,恢复输出刚度,提高系统的操作透明性。     

力反馈技术在虚拟装配中的应用研究

在虚拟装配中,力反馈技术有着广泛应用前景和迫切的现实需求,但目前存在普通触觉渲染引擎不适用于虚拟装配,专业设备价格高昂等问题。该文提出了一种在普通三维引擎的基础上,将力反馈技术运用于虚拟装配的方法。首先,设计了具有力反馈功能的虚拟装配程序的基本框架。其次,在现有触觉渲染引擎的基础上,针对虚拟装配的特点,以God—Object算法和Force—Shading算法为基础,设计并实现了符合虚拟装配要求的触觉渲染模块。结果表明力反馈技术能有效提高虚拟装配的效率。     

基于力/速度控制方法的掰手机器人设计

采用力/速度控制方法,完成了掰手机器人在与人实际掰手腕过程中的拟人化控制任务.根据物体接触后能产生力的特性,分析确立外力和由这些外力所引起的变位量之间的关系,利用质量-弹簧-粘性系统参考模型建立了力与速度的动态关系表达式,在整个过程中,根据所测得的力信息及速度信息实时调整伺服电机的旋转方向及旋转速度,系统有较强的自适应性.并且,测试者可通过选择适合于自身情况的测试等级,使比赛更富有意义.测试结果显示了方法的有效性.     

轻敲模式下原子力显微镜的能量耗散机理研究

为研究原子力显微镜（AFM）在轻敲工作模式下的能量耗散机理,基于Hamaker假设和Lennard-Jones势能定律得到了原子与球体间的作用力.通过将球体与平面原子间的作用力等效为球体与平面间的粘着分布力,并结合经典弹性理论建立了一种新型的球体与平面粘着接触的弹性模型,根据所建模型得到了AFM针尖与样品表面间的粘着力随其间距的变化规律.仿真结果表明,粘着力随间距的变化曲线在AFM针尖趋近和撤离样品表面,即加载和卸载的两个过程中并不完全相同,产生了粘着滞后现象,而粘着滞后现象的出现表明AFM在轻敲工作模式中将耗散能量,因而,所建模型从理论上证实了AFM在轻敲工作模式下存在能量耗散现象.     

基于EMG的假手实时力跟踪控制

针对商业假手灵活性及智能化水平较低的问题,进行了具有力矩/位置感知的五指假手及其控制方法的研究.以人体前臂肌电信号（EMG）为控制源,以力传感器检测指尖法向力,通过SVR支持向量机（Support Vector Regression,SVR）构建了指尖力的预测模型;采用网格搜索法确定模型的参数,缩短了训练时间,提高了模型的泛化能力.通过在线预测,结合带有二阶微分跟踪器的模糊PID控制方法实现了指尖施力实时跟踪;速度快,超调小,鲁棒性强,提高了假手的控制水平.     

面向任务的机器人灵巧手控制系统及多指空间协调阻抗控制

为提高多指灵巧手的控制和操作性能,提出了基于集中控制-分层处理的DLR/HIT Ⅱ机器人灵巧手实时控制系统结构,并建立了基于Simulink/QNX的实时控制平台和嵌入式驱动控制层,极大地简化了高集成度机电一体化灵巧手的控制器设计过程,并实现灵巧手在多自由度仿机器人上的无缝连接,进行了多指灵巧手空间协调阻抗控制的研究,基于手指指尖位置建立了适用于任意手指数目n的机器人灵巧手物体空间坐标系,并基于六维空间虚拟弹簧的阻抗思想和关节力矩反馈实现了以被抓取物体位置和姿态为控制目标的多指灵巧手空间协调阻抗控制.在基于Simulink/QNX的实时控制平台上对DLR/HIT Ⅱ灵巧手进行了空间协调阻抗控制实验,实验结果表明了灵巧手控制软硬件系统和控制策略的有效性和稳定性.在未降低灵巧手自由度的前提下,将DLR/HIT Ⅱ多指灵巧手协调抓取操作的控制输入量由30个减为6个,为提高抓取规划算法效率提供了稳定高效的新型控制策略.     

复杂场景中多细节层次模型生成新算法

图形渲染速度目前已成为大规模虚拟漫游场景的主要瓶颈,而降低场景复杂度是提高图形渲染速度的有效方法,目前比较常用的是细节层次(Levels of Detail,简称LOD)模型。在详细分析传统LOD模型算法的基础上,提出了模型差值信息渐增的改进思想,以避免系统的重复建模并减少了数据冗余。算法验证结果表明,改进的LOD算法可以较好的降低场景复杂度,进而提高图形渲染速度。