基于物理的虚拟手抓持力觉生成和反馈

提出了一种基于物理的虚拟手静力抓持虚拟物体力觉生成和反馈方法,借鉴机械手抓持原理,在建立基于物理的虚拟手静力抓持通用力学模型并对其进行可解性分析的基础上,针对通用力学模型的多解性,提出了虚拟手最小力螺旋模型以生成力觉,并根据抓持物体的不同,进行模型实例化,实时求得各虚拟手指上的力和(或)力矩,实验结果表明,借助于本文的力觉生成和反馈方法,利用CyberGrasp力觉反馈数据手套,用户可在抓持虚拟物体时感受到真实的接触力。     

虚拟手抓持力觉生成算法真实性的评价

目的 虽然许多学者研发了多种虚拟手交互触力觉生成算法,但是如何评价虚拟手交互触力觉生成算法的真实性是一个富有挑战性的新问题,值得深入研究.方法 构建手指抓持力测量平台,设计3种抓持姿态下指尖静力抓持球体实验内容,测得各指尖作用力的实测值;通过虚拟手静力抓持力觉生成算法,求得这3种抓持姿态下各手指作用力的理论值;对实测值进行统计和分析,并与理论值进行对比和讨论;结果 日常抓持经验和实测值是完全相符的,实测值和理论值很接近且偏差均在可接受范围之内.单个手指作用力或多个手指合力的实测值与理论值的偏差均在1%6%.结论 本文实现了一种基于物理的实验方法,评价和分析了虚拟手静力抓持力觉生成算法的真实性,证实此算法可以逼真地生成虚拟手抓持力,可应用于具有力反馈的自然的虚拟手交互.     

基于实时点云建模虚拟夹具辅助力觉交互研究

为满足遥操作的精度和实时性要求,应对在操作过程中出现的目标工件形状发生变化或与机械臂末端间出现相对移动等状况,提出一种融合RGB与深度图像信息的点云建模方法。对未知的操作环境进行实时建模,在此基础上实时构建虚拟夹具,继而研究遥操作系统中的力觉交互环节。实验结果表明,基于实时点云建模的虚拟夹具能够有效辅助操作者操纵力反馈设备与点云进行力觉交互,力觉临场感效果良好,可用于规避固定或动态障碍物,完成相对精确的操作任务。     

一种基于非线性弹簧模型的虚拟手交互新方法

基于虚拟手的交互技术在人机交互和人机工程学测试等应用中发挥着重要的作用。为了实现直观自然、实时准确、接近真实世界中的虚拟手与虚拟物体的交互,并计算出反馈作用力,首先提出了用非线性弹簧模型计算抓取作用力,使虚拟手和虚拟环境之间实现了基于物理的交互;然后将计算结果以视觉渲染的形式反馈给用户,并对仿真的速率做了定量分析,以便使仿真速率可以达到屏幕刷新频率和力反馈刷新频率的要求。实验结果表明,虚拟手不仅可以直观自然地抓取3维虚拟物体,而且和3维物体之间能够进行实时交互,同时可计算出反馈作用力。     

基于力觉交互的高速率精准操作技能训练方法

介绍了用力觉交互技术进行手眼协调高速率精准操作的动作技能训练方法。提出了记录播放和轨迹智能导引两种培训模式。在记录培训模式中,采用PD控制的方法使学员被动感受专家的运动信息。在智能导引纠正模式中,学员主动操作交互设备,计算机根据学员的操作情况控制交互设备输出导引力或纠正力。最后,采用Omega 3DOF建立了具备触觉显示和图形显示功能的“信封靶”描绘技能训练系统样机平台,分析了力模型参数对系统稳定性的影响。实验结果证明了培训方法的可行性。     

基于虚拟3D视觉和力觉交互的SEM遥纳操作系统

为增强纳米操作的交互性,本文结合虚拟现实技术,借助力觉反馈设备搭建了基于虚拟3D视觉反馈与虚拟力觉反馈的遥纳操作平台.为确保虚拟环境能够正确反映真实的纳米操作环境,对虚拟模型的碰撞检测和力觉渲染进行了详细设计;同时在力觉反馈设备和虚拟环境之间引入虚拟匹配环节保证力觉交互接口的稳定,增强主端控制模块的协调性.为实现准确的纳米操作,采用基于兴趣区域的图像特征方法提取探针深度信息,快速建立图像模糊度与探针到基底的距离的关系,实现对探针的闭环控制.最后,利用所述的系统平台以及操作方法,完成了单根ZnO纳米线的转移实验.     

虚拟手术训练力觉交互技术的现状与趋势

虚拟手术训练系统对于解决传统的手术训练存在的问题,提高临床手术的安全性和治愈率起着积极的作用。在介绍目前虚拟手术训练系统发展现状的基础上,阐述了虚拟手术训练交互装置的研究进展,针对目前虚拟手术训练交互装置存在的问题,提出了建设性的解决方案,并分析了其发展趋势和应用前景。     

基于VRML的虚拟实验室交互控制方法研究

介绍一种采用VRML开发的实现数字逻辑电路虚拟实验室交互控制的方法。首先从系统的整体体系结构出发，详细地论述了虚拟实验室交互控制的事件驱动原理，然后以芯片插入面包板为例，给出实现这一交互控制过程的具体方法。     

虚拟手自然抓取动作生成研究

在虚拟抓取规划中,生成稳定的抓取姿态非常重要,但是只考虑稳定性往往会导致抓取姿态不符合自然的人手抓取习惯.为了生成既满足物理约束又符合人手抓取习惯的自然抓取姿态,提出一种基于抓取分类理论的虚拟手自然抓取规划算法.首先根据人类抓取分类理论,基于人类行为构建物体形状与人手抓取姿态之间的映射关系,然后在动作规划中加入人手抓取姿态的引导,最终在虚拟手的位姿空间中找到一组自然的抓取姿态.对于复杂的多部件物体,先将其分割成可抓的部件,再对可抓部件进行自然抓取动作的生成.实验中展示了以人类抓取分类理论中的5种人手抓取姿态为指导,对常见的三维物体生成自然抓取姿态的结果,经用户评估,所提算法生成的抓取动作相比其他算法更符合人手抓取习惯.     

一种虚拟手术二维力觉交互装置的力学模型

对力交互装置在虚拟手术巾有着广泛的应用,作为基础研究,提出一种二维力觉交互装置的反馈力模型,通过模拟虚拟器械与肌肉组织和骨骼碰撞时的受力情况,验证模型的合理性。首先,根据人体组织的生物力学性能,参照Kamopp模型和胡克定律提出了系统的反馈力模型;然后针对系统的性能指标,通过对肌肉和骨骼两种组织的碰撞实验,验证了设备在虚拟手术过程中反馈力实现效果。仿真结果显示,反馈力方法能较准确地仿真力的变化,准确地感知骨骼的位置,对于虚拟手术系统的实用性具有重要意义。     

面向人机工程学测试的虚拟手仿真模型

以人机工程学测试为目标提出虚拟手仿真模型,建立虚拟手运动学模型。提出一种曲线拟合的校准方法,以获取精确的数据,更好地控制虚拟手的运动。建立弹簧模型计算手与被抓取物体之间的受力,以视觉渲染的形式将其反馈给用户。实验结果表明,虚拟手可自然地抓取三维虚拟物体,视觉反馈的使用可免于购买昂贵的力反馈设备。     

沉浸式虚拟训练中的虚拟手操控技术研究

将人手的自然动作加入沉浸式虚拟现实系统中,可有效提高系统的沉浸感和交互性,简便快捷、成本低廉的虚拟手建模及操控技术,有助于此项内容的推广应用;在对虚拟手骨骼结构模型分析的基础上,提出了基于Leap Motion的虚拟手控制方法和流程;以维修训练为任务背景,设计了四种用于虚拟手操作的手势规则,并对实现流程和关键技术进行了分析;构建基于Unity3D引擎的原型系统对虚拟手进行仿真验证,结果表明,基于Leap Motion的虚拟手操控简单、交互自然,可以满足虚拟现实系统交互需要。     

虚拟现实的力触觉交互技术发展现状与趋势

虚拟现实通过模拟人的视觉、听觉、力触觉等,使人处于一种与真实世界非常逼真的虚拟世界中,来感受、体验和评价虚拟世界中的场景和设备。力触觉在虚拟现实环境中有其突出优越性,力触觉使得虚拟现实环境变得真实,是唯一的既可接受周围环境输入又可以对周围环境输出的感知通道,可极大增强可视化表达的效果。虚拟现实的力触觉交互技术包括力触觉再现技术和虚拟环境的力触觉建模。介绍了这两方面的发展现状、存在的问题和今后的发展趋势。     

虚拟环境下物体的手抓取

本文分析了手模型及其虚拟环境下物体的操作方法,提出了点接触平面法矢的手握持抓取方法。在此基础上运用虚拟手模型和抓取规则实现了在虚拟环境下对物体的抓取、移动和释放,实例说明能够使虚拟手正确地抓取虚拟环境中的物体。     

虚拟体空间中的触觉雕刻

目前，在虚拟环境中大多数的信息获取是通过视觉、听觉等非接触感觉获得的。然而缺乏触觉反馈的信息减少了很大一部分的信息源。在看和听之外，能够触摸、感觉和操纵物体，在很大程度上提高了虚拟环境的真实性。该文研究了触觉绘制的基本模型，提出了采用虚平面作为中介实现体数据的实时触觉绘制。并在此基础上探讨了体的局部变形及结合触觉反馈模型，实现了具有触觉反馈的虚拟雕刻交互系统。该系统可应用于融化、燃烧、印记、构造和着色实时交互操作。     

双触点交互的力触觉实时生成方法

力触觉的生成和交互有助于提升虚拟环境的沉浸感和真实性.提出了一种双触点交互的力触觉实时生成方法.把双触点交互分为4种状态,分别提出不同状态下双触点交互的力触觉实时生成算法,并建立虚双触点交互的实验环境,开展双触点交互力触觉生成的评价研究.实验结果表明,该方法能够实时生成双触点交互时的力触觉,增强虚拟环境的沉浸感和真实性,提升了人手力触觉交互的自然性.     

虚拟手模型及其抓取技术

在深入分析手的解剖结构和运动特点的基础上，采用层次结构建模方法，建立了虚拟手模型、然后针对已有的虚拟手抓取规则过于简化的特点，提出了一种新的虚拟手抓取规则．该规则能够使虚拟手正确地抓取虚拟环境中的物体．最后运用虚拟手模型和抓取规则实现了虚拟手对虚拟物体的抓取、移动和释放操作．     

虚拟制造环境中虚拟手的行为构造

为了实现虚拟制造环境中智能高效的虚拟手,改善目前主流的依赖对用户手抓握动作跟踪的状况,提出一种适用于虚拟制造环境的虚拟手自主行为构造方法.通过在虚拟手结构模型上增加感知环设计,构建虚拟手的感知能力;结合文中提出的虚拟手三阶段感知算法实现虚拟手的自适应行为机制,极大地减轻了操作者的认知和操作负载;通过构造虚拟手手势集和手势状态转换模型,实现了虚拟手在复杂零件表面的连续抓握操作.文中还重点研究了复杂零件表面虚拟手的连续抓握的行为机制和相关算法.实验结果表明,文中的虚拟手具有很好的几何真实感和行为真实感;提出的方法具有良好的可用性、可靠性和实时性.