虚拟现实中力触觉模型及再现技术研究

摘要

虚拟现实中的力/触觉再现是指用户通过触觉设备进行触摸、感知和操纵虚拟物体等一系列相互作用来获得虚拟物体特性，表征触觉感知信息的过程。其实质是在虚拟环境里创建虚拟对象，通过计算机技术生成一个逼真的触觉感观世界，用户能够以自然的方式与这个环境交互，从而产生与真实环境一致的虚幻感、沉浸感。本文以国家自然科学基金项目和国家“八六三”高技术研究发展计划项目为依托，从方法实现、模型建立及系统性能等方面，对虚拟环境中力/触觉物理建模技术中的一些关键问题进行研究。
　　 在力/触觉建模技术中，如何建立准确高效的物理模型是一个关键问题。但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，在分析了已有的多种模型方法的基础上，重点研究并拓展了基于直梁框架结构的力/变形模型。在运用直梁框架解决多接触问题的同时，提出了圆曲梁框架模型来分析具有凸表面内部圆洞结构凹柔性体的力/变形之间的关系。对于凹表面体或内部具有特殊几何形状孔洞的凹柔性体来说，由于内部无法直接建梁，故不能构建单梁框架，在很大程度上限制了框架模型的适用范围。为此，根据弹性力学及结构力学原理，通过拓展单梁构成的框架，设计了基于节点支架结构的连接梁框架模型，将柔性研究对象从凸表面体扩展到凹表面体。
　　 虚拟手术是柔性体力/触觉建模技术的一个重要的应用领域。目前，医生临床实践经验不足已经成为医患矛盾的主要原因之一，虚拟手术可为外科医师提供更多的临床培训机会。本文针对气管手术的特点，提出了一种基于框架结构的气管模型，运用力法、虚功原理等分析气管在外力作用下气管力/变形关系，探索虚拟技术在气管手术中运用的可能。
　　 在力/触觉虚拟技术中，除了框架模型，本文也尝试着从其它方面对物理模型进行探索研究。提出了一种基于层次分割的弹簧—质点模型，根据虚功原理与系统弹性势能不变原理计算柔性体上产生的全局变形。该模型继承了经典弹簧—质点模型所具有的原理简单、易建模、计算速度快等优点，同时还具有控制变形区域的能力。抓取是人类与外界交互的重要形式，稳定精确的抓取是虚拟抓取的内在要求。本文以获取最小抓取角度为目标，在力封闭基础上，采用Lagrange混合约束条件，设计出稳定精确的抓取算法。
　　 本文所有算法均通过多种实验论证其方法的有效可靠性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1触觉再现技术概述

1.2虚拟力／触觉再现装置及应用

1.3柔性体的力／触觉模型及再现技术的研究难点

1.4虚拟物体的力／触觉模型

1.4.1自由式形变模型

1.4.2 3D ChainMail模型

1.4.3弹簧-质点模型

1.4.4有限元模型

1.4.5 Shape-Retaining Chain Linked模型

1.4.6长单元模型

1.5虚拟物体的力／触觉模型比较

1.6力／触觉再现技术发展趋势

1.7本文研究的重点及主要工作内容

1.8本文主要创新点

第二章 单梁框架模型

2.1直梁框架模型

2.1.1 GJK碰撞检测算法

2.1.2基于Duffing方程的接触力／变形公式

2.1.3锚点(anchor point)

2.1.4直梁框架模型的建立

2.1.5直梁框架模型的变形

2.1.6全局变形与局部变形

2.2基于直梁框架的虚拟手抓取模型

2.2.1多接触算法模型

2.2.2多接触实验分析

2.3圆曲粱框架模型

2.3.1圆曲梁力／变形分析

2.3.2圆曲梁框架的建立

2.3.3圆曲梁在柔性体中的位置判定

2.3.4圆曲梁框架实验分析

2.4本章小结

第三章 基于节点支架结构的框架模型

3.1基于节点支架结构的框架模型概述

3.2弹性梁的力／变形计算

3.2.1变形体的虚功原理

3.2.2变形体中虚功原理的应用

3.2.3载荷作用下静定结构的位移计算

3.3节点支架力／变形分析

3.3.1平面节点支架结构中的节点力／变形分析

3.3.2空间节点支架结构中的节点力／变形分析

3.3.3固定端的位移

3.4节点支架的横截面积与柔性体的全局变形

3.5模型特性与效果

3.6本章小结

第四章 虚拟手术中基于框架结构的气管模型

4.1虚拟手术概述

4.2气管框架模型

4.2.1气管概述

4.2.2力法

4.2.3框架模型的构建

4.2.4气管框架模型变形计算

4.2.5气管软骨环力／变形

4.2.6气管固定端的位移

4.2.7气管全局变形与局部变形

4.3气管力／变形仿真

4.3.1单区域接触气管变形

4.3.2组织钳夹取气管

4.4本章小结

第五章力觉再现柔性体弹簧质点模型及力封闭抓取算法

5.1弹簧—质点全局变形模型

5.1.1建立物理模型

5.1.2虚拟力觉再现系统的实现

5.2力封闭稳定抓取柔性体模型

5.2.1精密抓取过程中的手指运动学分析

5.2.2稳定抓取静态分析

5.2.3稳定抓取优化模型

5.2.4基于混合型广义Lagrange乘子约束规划法

5.2.5虚拟手抓取柔性体力觉反馈实验

5.3本章小结

第六章 结论与展望

6.1本学位论文的工作总结

6.2对未来研究的展望

致谢

参考文献

博士期间参加科研项目及发表的论文