集成几何约束与物性仿真技术的虚拟装配

针对传统装配定位导航中零部件位姿的突变问题,利用线性插值与四元数球形插值的方法,求解零部件约束定位变换过程的渐变运动;同时利用导纳式力觉交互控制模式,解决了约束定位变换后的控制信号分离问题;在装配运动导航阶段,将约束几何元素具象化为力觉约束模型,以满足虚拟装配对力觉反馈的需求。针对虚拟装配对物性仿真的需求,将开源物理引擎Bullet 集成到仿真系统中,提出几何约束与物性仿真技术相结合的装配流程,最后在自主研发的虚拟装配原型系统中进行了应用实例验证。     

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.     

基于虚拟夹具的手术机器人导纳控制安全策略

针对人机协同手术全过程中医生不正确操作以及手术空间复杂性所导致的潜在安全问题,提出基于虚拟夹具的导纳控制安全策略.该策略针对人机协同手术中拖动引导阶段、精准定位阶段以及手术操作阶段的特点,结合导纳控制原理,分别设计了管道虚拟夹具、圆锥体虚拟夹具以及基于人工势场的禁止型虚拟夹具模型.在自主研发的手术机器人上模拟关节置换手术进行相应的实验验证,结果表明管道虚拟夹具可以在一定范围内有效地辅助机器人沿着轨迹运动;圆锥体虚拟夹具可以有效地减小医生拖动机器人时的定位误差,其定位误差为0.23 mm;禁止型虚拟夹具可以有效地避免机器人越过手术区域,从而保证机器人手术操作的安全.     

拖拉机前驱动桥虚拟装配应用研究

在分析和总结了虚拟装配技术研究现状的基础上,阐述了其原理,实施步骤以及关键技术的应用,并以拖拉机前驱动桥为虚拟装配对象,在计算机虚拟装配环境(Division Mockup)中装配并进行相应的装配检验,介绍生成装配序列与装配路径,并制作成装配动画的步骤,形象地展现产品的装配全过程.在(Division Mockup)中...     

虚拟装配技术的研究综述

对虚拟装配技术的研究状况进行了全面的综述和分析。根据实现功能和目的不同,将虚拟装配分为四类。从虚拟装配环境、虚拟装配关键技术及虚拟装配应用系统三个方面,对虚拟装配技术的研究内容进行了分析和综述。探讨了传统虚拟装配环境的优势与不足,研究了二种新型的虚拟装配环境。总结了虚拟装配中各关键技术的研究和应用概况,重点分析了其中的装配建模、约束定位、工艺规划三种技术。介绍了四种典型的虚拟装配应用系统。最后,最后指出了目前系统开发和应用方面存在的主要问题和不足。     

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．     

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。     

沉浸式虚拟装配中物体交互特征建模方法研究

沉浸式虚拟装配是一种“人在回路”的虚拟现实系统,可用于大型设备的设计及装配人员的培训等领域.作为其关键技术之一,如何实现“真实”人对“虚拟”物体的操作,仍是一项具有挑战性的工作.针对这一问题,提出了一种基于交互区和状态机的物体交互特征建模方法.通过交互区,虚拟物体可理解用户的操作意图,并据此发生相应的状态转换,进而正确监测用户的交互行为.该方法可实现包括使用工具在内的复杂装配操作以及对装配流程的管理控制.通过在实际项目中的应用验证了该方法的有效性.     

虚拟装配技术概述

基于现代制造业的现状和发展趋势,从市场的需求出发,在总结传统装配技术的基础上,详细地介绍了虚拟装配技术的相关理论和相关技术,如：虚拟现实、虚拟环境等。虚拟现实和虚拟环境为虚拟装配提供了逼真的、具有视、听、触、嗅、味等多种感知的虚拟仿真的场景,同样具有真实环境所有的特征。文章对虚拟装配的步骤、过程、分类及功能进行了系统地介绍,在现有知识的基础上,提出了更新的、更有实际意义的技术思想,总结了一般意义下虚拟装配的实现技术,得出虚拟装配的现实意义。     

手术仿真中基于导纳控制的力触觉形变模型

为了在虚拟手术仿真中获得快速、准确的力触觉形变效果,提出一种基于导纳控制的力触觉形变模型.基于该模型,采用PHANTOM OMNI力触觉交互设备,以3DS MAX 2013,Microsoft Visual C++2012,Open GL函数库为基础搭建了实时柔性体力触觉再现系统,实现了虚拟双手对心脏双点的拉拽交互操作.感知实验和交互效率的结果表明,所提出的模型简单有效,形变效果逼真、视觉反馈流畅、力触觉反馈平稳,操作者对虚拟环境的感知和交互准确可靠,能够满足虚拟手术仿真系统的要求.     

基于触觉反馈和运动约束的虚拟装配操作

该文将人对虚拟对象的抓取分为两个过程,然后分别对这两个过程的触觉反馈进行模拟,使用户产生真实的操作感觉。然后根据零件在装配过程中受到的约束,对零件的运动进行约束,同时提出基于虚拟工具的运动轴线与连接件的轴线对齐的方法对虚拟工具的运动进行约束,从而实现自然直观的交互手段。     

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。     

弹性体力/触觉框架模型

在力/触觉建模技术中,高效的实时性与基于物理意义的准确性是与生俱来的一对矛盾.为了提高实时性与准确性的和谐程度,提出一种分析虚拟柔性体力/变形关系的框架结构模型.在柔性体内部建立一定数量并相互独立的钢架结构,运用虚功原理计算每根钢架上节点的位移;根据接触点和节点的分布,采用分水岭法将柔性体表面分割成若干区域,通过本区域内节点和接触点的位移插值计算区域内顶点的变形,进而得到柔性体的整体变形.仿真实验结果表明,该模型简便、实时性好,在具体的虚拟建模力反馈工作中可操作性强.     

基于RTX的力/触觉再现系统实时性实现方法研究

针对虚拟环境力/触觉再现系统中作用力计算的实时性要求,研究了Windows操作系统下循环控制的实现方法:时间查询法、多媒体定时器法和基于实时扩展RTX(real-time extension)的方法.利用Delta 6-DOF力/触觉手控器建立了一个基于PC的力/触觉再现原型系统,分别在系统空载、并存网络通信、并存音频播放和并存视频播放4种系统负载状态下对3种实现方法进行了实验.实验结果表明,基于RTX的方法能够获得较理想的实时循环控制性能,适用于力/触觉再现等需要较高实时性计算循环的应用系统.     

Intelligent Control for Haptic Displays

Usually, a mouse is used for input activities only, whereas output from the computer is sent via the monitor and one or two loudspeakers. But why not use the mouse for output, too? For instance, if it would be possible to predict the next interaction object the user wants to click on, a mouse with a mechanical brake could stop the cursor movement at the desired position. This kind of aid is especially attractive for small targets like resize handles of windows or small buttons. In this paper, we present an approach for the integration of haptic feedback in everyday graphical user interfaces. We use a specialized mouse which, is able to apply simple haptic information, to the user's hand and index finger. A multi-agent system has been designed which ‘observes’ the ‘user in order to predict the next interaction object and launch haptic feedback, thus supporting positioning actions with the mouse. Although primarily designed in order to provide intelligent’ haptic feedback, the system can be combined with other output modalities as well, due to its modular and flexible architecture.     

力／触觉再现设备的研究现状与应用

力/触觉再现技术作为一种新兴的人机交互模式在虚拟现实系统得到较多应用。力/触觉再现设备是力/触觉再现系统实现过程中必不可少的环节,受到广泛的重视和研究。讨论了力/触觉再现设备的种类和特点,分类介绍了国内外力/触觉再现设备的研究现状,并作了分析比较。最后讨论了力/触觉再现设备在不同领域的应用,并探讨了其未来的研究发展趋势。     

Haptic Direct-Drive Robot Control Scheme in Virtual Reality

This paper explores the use of a 2-D (Direct-Drive Arm) manipulator for mechanism design applications based on virtual reality (VR). This article reviews the system include a user interface, a simulator, and a robot control scheme. The user interface is a combination of a virtual clay environment and human arm dynamics via robot effector handler. The model of the VR system is built based on a haptic interface device behavior that enables the operator to feel the actual force feedback from the virtual environment just as s/he would from the real environment. A primary stabilizing controller is used to develop a haptic interface device where realistic simulations of the dynamic interaction forces between a human operator and the simulated virtual object/mechanism are required. The stability and performance of the system are studied and analyzed based on the Nyquist stability criterion. Experiments on cutting virtual clay are used to validate the theoretical developments. It was shown that the experimental and theoretical results are in good agreement and that the designed controller is robust to constrained/unconstrained environment.     

A Survey of Haptic Rendering Techniques

Computer Graphics technologies have developed considerably over the past decades. Realistic virtual environments can be produced incorporating complex geometry for graphical objects and utilising hardware acceleration for per pixel effects. To enhance these environments, in terms of the immersive experience perceived by users, the human's sense of touch, or haptic system, can be exploited. To this end haptic feedback devices capable of exerting forces on the user are incorporated. The process of determining a reaction force for a given position of the haptic device is known as haptic rendering. For over a decade users have been able to interact with a virtual environment with a haptic device. This paper focuses on the haptic rendering algorithms which have been developed to compute forces as users manipulate the haptic device in the virtual environment.