基于物理的虚拟手交互碰撞力觉生成和反馈

提出一种考虑摩擦的虚拟手交互碰撞力觉生成和反馈方法，以让用户手指感受到逼真的冲击，增强虚拟操作的真实性和沉浸感．该方法首先运用冲量定理和弹性恢复系数，求得质点刚体在二维空间碰撞后的运动状态，然后结合库仑定理，生成质点刚体有摩擦的碰撞力，并拓展到三维空间的虚拟环境中，计算非质点的虚拟刚体碰撞的力矩，再通过虚拟手静力抓持力觉生成模型，将碰撞力和碰撞力矩作用到虚拟手上，求得每个虚拟手指受到的冲击力．当虚拟手抓持的物体与其它虚拟物体发生碰撞时，利用CyberGrasp力觉反馈数据手套，用户手指可感受到逼真的冲击力．实验结果表明运用所提出的方法，用户在虚拟装配时可感受到真实的碰撞力．     

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.     

虚拟手抓持规则融合策略研究

群体虚拟手抓持规则是虚拟手和虚拟物体进行抓持操作的交互规则,用于判定虚拟手是否能够成功抓持物体。对基于几何的虚拟手抓持规则和基于物理的虚拟手抓持规则分别进行了研究,针对基于几何的虚拟手抓持规则规则简单、仿真效果较差,基于物理模型的虚拟手抓持规则计算复杂、难以实现实时仿真的问题:（1）改进基于几何的虚拟手抓持规则,通过接触点位置、法矢和抓持面法矢制定抓持规则,使其效果逼近力封闭虚拟手抓持规则;（2）利用力封闭计算中抓持接触点和法矢不变的特性,通过内力配比避免了抓持操作中的非线性规划求解,使抓持操作阶段实现实时仿真;（3）通过几何约束进行初始抓持判断-力封闭计算校正-内力配比力封闭计算的策略,实现了完整的抓持过程实时仿真。设计的交互实验说明该抓持规则能实现高沉浸感和实时性的抓持仿真,可以应用到虚拟训练、虚拟装配等仿真平台。     

交互式乐器演奏的六自由度力觉渲染方法

目的在进行虚拟乐器交互演奏时,需要模拟触力觉-视觉-听觉多通道同步反馈,其中触力觉反馈的难点在于模拟人手操作乐器的六自由度(6-Do F)力觉交互过程。方法提出一种基于混合模型和单边约束优化的六自由度力觉合成方法,实现了虚拟人手和琴弦的多点多区域接触力觉模拟。虚拟人手采用层次化球树模型表达,古琴采用混合模型表达,其中琴体和琴弦分别采用层次化球树模型和直线解析模型。提出了基于混合模型的离散碰撞检测算法,实时检测虚拟手和琴弦是否产生碰撞;基于发生碰撞的几何元素对建立单边不可穿透约束方程,通过Active Set方法求解约束优化后方程,获得6维位姿变量保证图形显示场景中的虚拟手不会和琴弦产生穿透。为模拟琴弦变形,提出变直径的圆柱体模型来模拟琴弦在不同振动幅度下的动力学响应;提出交互状态敏感的力计算模型以刻画人手在弹奏不同状态琴弦(静态、振动态)的力觉感受差异。结果基于力觉交互设备Phantom Premium 3.0建立了实验平台,实验结果表明,本文算法可以模拟单点、多点等不同接触状态,并能模拟6维力和力矩,操作者可以感受到琴弦振动时的细腻力感觉,力觉交互过程稳定,算法计算效率在1 k Hz以上。结论算法可模拟针对琴弦一类的超薄形状物体的多点接触力觉交互过程,算法计算效率高,包含碰撞检测、约束优化、琴弦变形仿真等计算回路的更新频率也能达到要求,该混合模型能为后续复杂形状物体的碰撞响应研究提供思路。     

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。     

虚拟手的姿态控制与变形仿真

iHandRehab应用机器人技术与虚拟现实技术对手部损伤患者进行康复训练。主动模式下的训练任务需要在虚拟环境中模拟人手抓持和释放物体的真实过程,难点集中在虚拟手与刚性物体接触时的姿态控制和局部变形计算。根据人手的组织结构和运动特征将食指和拇指简化为3指节串联机构,通过改变各关节的旋转角度来实现虚拟手的自由运动。虚拟抓持过程中以手指的运动学模型为基础,结合前后指节需要满足的约束关系确定虚拟手的最终姿态。指节和物体分别采用点壳和距离场模型进行碰撞检测,根据点壳上碰撞点的嵌入信息计算虚拟手在接触区域的局部变形量。实验结果表明:模型能够实时准确地模拟人手抓持刚性物体时的真实状态。     

基于物体目标阻抗的多指手协调混合阻抗控制的研究

本文在多指手协调控制的基础上,提出了协调混合阻抗控制方法。在不同方向引入位置或力控制的物体目标阻抗,根据多指手协调控制的动力学方程设计计算力矩控制器,并对ＢＨ－１手抓持物体在自由空间和受限空间运动进行了仿真研究。结果表明,采用协调混合阻抗控制可使物体在被抓持过程中按期望的位置和力轨迹运动,且具有较好的动态性能。     

一种基于强化学习的多指手位置控制方法

为解决多指手模型复杂和模型参数不确定问题，针对一类不确定系统，给出了一种基于强化学习的控制方法，该方法将反馈控制与强化学习相结合；在多指手的控制中，反馈控制使关节和被抓持的物体运动跟踪期望轨迹，强化学习控制使关节和被抓持的物体运动逼近期望轨迹；仿真结果表明，该方法能克服多指手动力学模型的不确定性和黏性滑动摩擦力造成的影响，具有良好的鲁棒性，提高了控制性能。     

柔性手抓持平面物体的最佳状态分析

本文将柔性手抓持物体的细微平面运动力学模型简化成质量刚度系统,导出物体系统的广义平移刚度、广义扭转刚度、广义耦合刚度.引进抗扰动指标作为衡量系统承受扰动力和力矩的综合效应.分析了系统平衡状态的稳定性条件,并认为在满足静力平衡条件、状态选择条件和稳定性条件下.抗扰动指标取得最大值时为最佳抓持状态.采用非线性规划理论进行系统综合.最后以A3-A3-A3型柔性手抓持椭圆为例,进行数值求解.     

考虑物体弹性的多指抓持力的优化

本文基于多指抓持中的动力学程，在考虑了接触旋量和关节力矩的限制条件基础上，采用弹性接触力学推导了手－物体接触时法向压应力和切向剪应力的计算公式，提出了安全抓持弹性物体对接触力的限制条件，把动力学方程的静不定问题归结为具有线性的二次规划问题，使用共轭梯度投影法解决了这种二次求解问题。     

遥操作系统中力反馈研究与实现

力反馈的研究与实现是遥操作系统研究的重要内容之一。该文设计了一种带力反馈的主从式遥操作系统。在系统中提出以虚拟手指空间位姿代替实际力作用线方向上位移的计算和基于实际材料的虚拟力外推的方法。该方法以虚拟手指的位姿来计算虚拟力,以实验所得实际材料的数据作为索引进行虚拟力的外推。实验结果表明,和以往的考虑力和变形关系的力反馈研究相比,此力反馈系统不仅简单易行,同时保证了较高的精度和刷新率。     

无线传感器网络的虚拟力蛙跳优化布局策略

无线传感器网络(WSNs)的优化部署能够提高网络的生存时间、增强系统的可靠性。主要针对传感器网络节点的覆盖问题,提出一种新型的虚拟力蛙跳策略,利用虚拟力算法中的引、斥力因子对蛙跳算法中群体和模因组的最优解进行优化,使蛙跳算法能够迅速跳出局部极值,进行全局搜索。分析和仿真同时表明:该策略能够快速优化传感器网络布局,具有良好的收敛性,更好的网络覆盖率,更加接近于理论覆盖值。     

基于手术刀的虚拟外科手术系统仿真器

该文设计了一种虚拟外科手术系统专用的虚拟手术刀仿真器。阐述了该仿真器的组成和各组成部分的工作原理,并对仿真器驱动机构进行了控制建模,设计了具体的计算机控制算法,最后在虚拟外科手术系统配套软件中给出了控制实现方案。该仿真器较之虚拟现实系统中传统的力反馈装置(如PHANTOM),更加符合外科医生实际操作习惯,具有更好的实用价值。     

支持力反馈的肝脏外科虚拟手术仿真系统

介绍一个用于外科手术的肝脏虚拟手术仿真系统。该系统基于SensAble公司的PHANTOM力反馈设备,利用虚拟现实技术实现肝脏手术过程中有关肝脏及其内部组织的多种手术操作,提供真实的视觉反馈和力反馈,具有良好的实时性。为虚拟现实技术在手术仿真中的实用化探索出一条可行的道路。     

基于安全连接的 WSN 节点优化部署

针对目前无线传感器网络节点覆盖优化方案中,无线传感器网络节点位置移动会破坏节点间的共享密钥的问题,采用了一种基于泰森多边形形心引力和存在共享密钥节点间的安全连接虚拟力的无线传感器网络部署方案.该方案以提高节点覆盖率为优化目标,引入安全连接虚拟力,以保证节点的安全连接;采用改进泰森多边形形心引力的虚拟力方案,能够有效指导节点散布过程和实现全局优化.通过仿真实验表明,本文方案能够提高节点的覆盖率,并且能够的减小存在共享密钥的安全连接的破坏.     

一种基于物理意义的快速力反馈形变模型及实时力觉响应算法

虚拟物体在受力作用时的形变建模是虚拟环境中力/触觉人机交互的关键.文中提出了一种新的基于物理意义的形变建模方法,不仅计算速度快,满足力反馈的实时性要求,而且能够同时保证接触力和形变的计算具有较高的精度,适用于具有较大变形量的柔性物体的力反馈计算,满足精细作业对虚拟现实系统的要求.     

柔索牵引式力觉交互机器人控制策略

为了让航天员在没有太空真实环境的地面上模拟太空环境进行虚拟作业训练,设计了一种与虚拟现实（VR）技术相结合的柔索牵引式力觉交互机器人．首先,根据微重力环境中物体的运动特性设计机器人的构型,建立移动平台、驱动单元、人推物体运动过程的动力学模型并进行运动学分析．然后,针对系统冗余驱动及力控制任务,提出一种复合控制策略,即以柔索长度变化为速度控制内环,力的外环控制为力／速混合控制．最后,分别进行单柔索加载和人机系统力觉交互仿真分析,分析结果表明该控制策略可以使柔索驱动单元降低10%的恒力跟随误差并能稳定地跟随余弦力的变化,验证了该控制策略对多余力抑制的有效性．     

基于PHANTOM的虚拟手术系统的研究

对虚拟手术系统中虚拟手术器械的建模、物理模型、碰撞检测、切割等关键技术进行研究,利用Sensable公司开发的PHANTOM力反馈设备以及配套的OpenHaptic软件开发包,构建一个基于力反馈设备的虚拟手术系统。     

随机异构传感器网络中基于虚拟节点的调度算法

针对随机异构传感器网络节点调度过程中覆盖率和能耗的平衡问题,论文面向具有随机异构属性的无线传感器网络,提出了一种基于虚拟节点的调度算法(SAVSH)。通过部署虚拟节点,与原网络拓扑共同构建Delaunary三角剖分,分配节点受力来源。利用三角形平衡点实现网络整体的覆盖优化;通过三角形关键点完成节点位置的精确定位;引入二进制编码,完成对越界关键点的识别,及其对边界节点的约束受力设计。仿真结果表明,SAVSH在稳定的短移动距离下,能够高效地提高异构网络的覆盖率,且与同类算法相比,SAVSH在收敛速度上表现出一定优势。