基于虚拟现实踝关节康复系统的研究

将虚拟现实和机器人技术引入到踝关节的康复工程,根据康复医学的运动疗法和作业疗法,为患者研制出踝关节康复系统,实现了踝关节的运动控制,并构建了虚拟环境仿真平台.借助于触觉感知接口的力反馈作用可以使患者感觉到踝关节受到的作用力.提出踝关节功能康复测评方法,并建立患者康复病案数据库.踝关节康复系统为患者提供有效的运动功能恢复的工具.     

触觉传感与显示技术现状及发展趋势

阐述了触觉感知、触觉传感及触觉显示等方面的国内外技术现状。在分析综合的基础上,指出触觉传感和显示技术已经逐渐脱离了最初紧密关联的临场感应用环境,两者分离并独立发展成为全新的学科方向已经成为一个趋势。触觉传感主要围绕智能机器人领域和康复医疗领域,而触觉显示除传统的机器人临场感及视觉功能替代应用外,还包括虚拟现实、电影电视、游戏娱乐、工业设计、制图绘画、教育培训以及工业触控屏等领域。最后给出了触觉领域的未来发展趋势。     

基于虚拟现实手臂外骨骼康复系统的研究

将虚拟现实和外骨骼技术引入到肢体的康复工程，根据康复医学的运动疗法和作业疗法，为上肢残疾患者研制出手臂外骨骼康复系统，实现了手臂的运动控制，并构建了虚拟环境仿真平台。借助于触觉感知接口的力反馈作用可以使患者感觉到手臂受到的作用力。提出手臂功能康复测评方法，并建立患者康复病案数据库。手臂外骨骼康复系统为患者提供有效的肢体功能恢复的工具。     

面向自然人机交互的力触觉再现方法综述

力触觉再现技术借助力触觉人机接口设备,提供了操作者与虚拟环境之间的力触觉交互,使得操作者能够主动地触摸、感知和操纵虚拟物体,从而有效增强了虚拟现实等系统的真实感和沉浸感,进一步拓展了虚拟现实等技术的应用领域。传统的穿戴式、力反馈操纵杆式力触觉再现设备在便携性、操作空间等方面存在局限性,随着计算机技术与消费电子的快速发展,面向自然交互的力触觉再现方法受到广泛的关注。评述了传统的穿戴式、力反馈操纵杆式力触觉再现设备后,重点阐述了非固定式和非接触式的两类面向自然交互的力触觉再现方法。在对比分析不同的力触觉再现方法之间的差异后,探讨了面向自然交互的力触觉再现方法的未来发展方向。     

力／触觉再现虚拟现实系统的实现方法研究

力／触觉再现技术通过提供给操作者作用力的感觉,极大地增强了虚拟现实系统的真实感,并且拓展了虚拟现实技术的应用领域。该文论述了由力／触觉设备、操作者和计算机仿真环境组成的力／触觉再现虚拟现实系统体系结构,分析了系统实现过程中需要着重注意的系统稳定性问题,包括操作系统引入误差、作用力计算刷新率和速度估算等。最后,结合Delta力／触觉设备,实现了基于PC机的力／触觉再现虚拟现实原型系统并进行了实验。对于力／触觉再现的深入研究具有指导意义。     

基于足底力反馈的踝关节主被动康复策略

踝关节机能损伤人群数量增长与康复医师紧缺是现阶段面临的一个重要社会问题,为此,基于一款2-SPU/RR踝关节康复机器人提出一种主被动结合的辅助康复策略。首先建立虚拟样机模型和对应的结构简图,进行运动学分析,求解了机器人的工作空间,结果表明该机器人能够满足踝关节跖屈-背屈和内翻-外翻复合运动需求。然后针对目前康复机器人主要研究内容为被动康复问题,未能根据患者脚踝实际损伤情况进行康复,提出一种踝关节机器人主被动康复结合的方法。先预设康复运动轨迹,基于足底压力数据和力感知算法获得患者的运动意图,通过软硬件控制系统实现机器人主动跟随,同时将运动轨迹进行记录和数据化。最后对描迹轨迹进行优化,根据优化轨迹使用5段S型加减速控制方式进行定制化被动康复。主被动康复系统实现了机器人跟随控制与患者主动行为感知的结合,有助医师对踝关节机能损伤患者的诊断与治疗。     

虚拟现实技术与虚拟设计／虚拟制造

1.虚拟现实的概念 虚拟现实(Virtual Reality,VR)从本质上讲,是一种先进的计算机用户接口,通过给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段,最大限度地方便用户的操作,从而减轻用户的负担,提高整个系统的工作效率。根据VR所应用的对象不同,VR的作用可以表现为不同的形式,例如将某种概念设计或构思可视化和     

触觉显示器及其振动激发方式

触觉再现作为下一代虚拟现实技术已成为国际上的开发热点。触觉再现就是通过控制触觉显示器的某种物理效应提示,让手指在触摸时产生相应的触感,从而实现人机触觉信息的交互。该文介绍了触觉显示器的基本工作原理,综述了几种比较典型的触觉显示器激发方式,指出了触觉显示器的发展趋势。     

基于阵列式触觉传感器的操作意图实时感知

针对协作型机器人,自主研发了一款柔性阵列式触觉传感器,将其封装为可感知人手抓握姿态与力大小的触觉手柄,提出一种基于卷积神经网络(CNN)的可区分人手松抓握、紧抓握与无意间触碰触觉手柄3种模式状态的方法,识别准确率达到98.2%。提出一种可变导纳控制策略,利用人手抓握手柄状态,实时调节机械臂虚拟阻尼,基于此触觉手柄可实时感知人手局部变换姿态,准确估计操作者操作意图,并将局部感知信息传输给机器人控制其运动,以UR协作型机器人为实验平台,以触觉手柄为感知输入并进行人机交互实验,对机械臂运动精度做了评价。实验表明触觉手柄具有良好的意图感知能力。     

踝关节智能康复机器人的设计

在偏瘫康复领域中,踝关节康复机器人取代传统理疗师进行康复训练已经是一种趋势。针对踝关节偏瘫康复的训练方法,提出一种三自由度、融合主动训练和被动训练,适用于早期康复的智能偏瘫康复机器人。通过对踝关节生理特性的分析,并利用传感器检测踝关节的运动特性,建立踝关节生理模型,进而设计了踝关节的机械机构。介绍了控制系统的结构,并进行了机械性能实验,证实了控制系统的可行性。     

Virtual Reality Application for Direct-Drive Robot with Force Feedback

Most of the current virtual reality systems use geometric models and non-sensing robots for simulation, which cannot provide an insight into the real operation of the task. In this paper, we present a new type of telerobotics based on the haptic virtual reality (VR) approach for simulating hitting a ball with force feedback attached to a human arm. The main components of the approach include a user interface, simulation, and a robot control scheme. The user interface is implemented as a combination of a virtual paddle and a graphic interface. The human operator manipulates a direct-drive type handler in the simulated environment, and the environment is simulated by the haptic virtual system that enables the operator to feel the actual force feedback from the virtual environment just as she/he would from the real environment. The haptic virtual system integrates the dynamics of the direct-drive active paddle and the virtual environment, whereas the paddle actuator consists of the dynamics of the paddle and the operator on the physical side. The control scheme employs a dynamic controller that is designed considering the force from the operator imposed on the paddle, and the force from the environment imposed on the paddle and feedback to the human arm. Experiments in the virtual environment on hitting a virtual ball system are used to validate the theoretical developments. ID="A1"Correspondance and offprint requests to: M.-G. Her, Graduate Institute of Mechanical Engineering, Tatung University, 40 Chung-Sang North Road, 3rd Secto, Taipei, 10451, Taiwan. E-mail: kshsu@kyit.edu.tw     

Virtual reality and a haptic master-slave set-up in post-stroke upper-limb rehabilitation

Since the number of stroke patients is ever growing, and since studies show that the patients can benefit from more exercise, the possible use of virtual reality and haptic devices in the rehabilitation of stroke patients is researched. Besides offering more independent and challenging exercise possibilities, the inherent registration capabilities of the haptic devices open up the possibility of monitoring patients' motions in an objective way. This research results in the implementation of a VR mock-up of an exercise in which patients use both hands and a stick to push away a ball that is tossed at them. In this mock-up, two FCS HapticMasters are used in a master-slave set-up to mimic the behaviour of the stick. The implementation of the scene shows that there are currently limitations, in the hardware as well as in the software, that cause the virtual exercise to behave differently to the real-life exercise. Consequences for the therapeutic value are subject to further research.     

基于共享控制的人机灵巧力触觉交互系统设计与实现

人能够在复杂感知的相互协调下做出决策并完成灵巧操作。将视听觉和力触觉等不同模态相融合,可以提高操作者对虚拟场景或远程环境的感知,进而改善操作效果。如何协调人的操作和虚拟环境中目标机器人系统的自主性,则是人机交互中的一个关键问题。为此,本文基于Unity3D引擎建立了虚拟场景,并实现了omega.7力反馈平台与虚拟场景之间的通信。进而,创建了基于碰撞检测的虚拟距离传感器,实现了虚拟场景中目标机器人对周围环境的探测。然后,设计实现了人机力触觉交互共享控制算法,将人的智能决策与灵巧操作优势同目标机器人的自主算法相融合,使得目标机器人系统的控制权限可以在人手操作和机器人自主算法之间连续平滑转移。由此,实现了人与虚拟环境和目标机器人之间功能多样、场景逼真的视听觉和灵巧力触觉多模态交互,从而为医学、康复、军事、娱乐等领域中的人机交互提供了一种解决方案。     

Analysis and Design of a Haptic Control System: Virtual Reality Approach

In this paper, the analysis and design of telerobotics based on the haptic virtual reality (VR) approach for simulating the clay cutting system is proposed. The main components of the approach include a user interface, networking, simulation, and a robot control scheme. The telerobotics for the clay cutting system and the environment is simulated by a haptic virtual system that enables operators to feel the actual force feedback from the virtual environment just as they would from the real environment. The haptic virtual system integrates the dynamics of the cutting tool and the virtual environment whereas the handle actuator consists of the dynamics of the handle and the operator on the physical side. The control scheme employs a dynamical controller which is designed considering both the force and position that the operator imposes on the handle and feedforward to the cutting tool, and the environmental force imposed on the cutting tool and the feedback to the handle. The stability robustness of the closed-loop system is analysed based on the Nyquist stability criterion. It is shown that the proposed control scheme guarantees global stability of the system, with the output of the cutting tool approaching that of the handle when the ratios of the position and the force are selected correctly. Experiments in the virtual environment on cutting a virtual clay system are used to validate the theoretical developments.     

基于Pro/E的脚踝康复机的建模及仿真研究

根据脚踝康复训练的需要,基于并联机构原理,设计了一种运动形式为1T-2R三自由度的新型脚踝康复机。利用Pro/E软件对其进行了三维参数化建模、虚拟装配以及运动仿真,验证和优化了该机构的合理性。     

一个三自由度力觉接口设备硬件系统的设计

介绍了一个新型三自由度的力觉接口设备系统的设计,并以此为基础,建立了一个能够让操作者获得沉浸感的虚拟现实系统。     

基于电磁力控制的非接触式二维力触觉再现系统

力触觉再现提供了操作者与虚拟物体间的双向信息和能量交互,有效提高了虚拟现实等应用系统的真实感、沉浸感和 操作效率,成为人机交互的新兴技术和研究热点。 本文实现了一种新型的基于电磁力控制的二维力触觉再现系统,该系统由二 维背景电磁场产生和控制模块、指尖穿戴式永磁铁、人手位置检测模块和中央控制模块组成。 基于 ANSYS 有限元分析,确定了 系统中背景电磁铁线圈和指尖永磁铁的最优参数,获得指尖永磁铁所受电磁力与二维可控背景电磁铁驱动电流、指尖电磁铁位 置的映射关系,形成离线仿真数据。 提出了基于离线仿真数据实时插值的二维力触觉再现中电磁力控制方法。 在实现系统原 型的基础上,开展了作用力阈值感知基础实验和三维虚拟物体识别实验。 实验结果表明,两种三维虚拟物体的识别实验成功率 分别为 85. 7% 和 71. 4% ,有效验证了本文所设计力触觉再现方法的有效性。