基于运动捕获的虚拟手交互技术及其在人机工程中的应用

摘要

基于虚拟手的虚拟抓取交互技术在人机交互接口和工业产品设计的人机工程学测试等应用中发挥着重要的作用。在工业设计中，利用虚拟现实技术的人机工程学测试能够在产品设计的初级阶段检测产品，使产品的设计更加合理，更加满足人的舒适度方面的使用需求，可以缩短产品的生产周期，降低成本。 本文以工业设计中的人机工程学测试为目标，分析了真实人手的生理解剖学结构和运动特点，总结出了人手是一个多关节多指节的运动系统，并对这种复杂的结构提出了简化的方法。根据合理的简化条件建立了符合人手运动规律的虚拟手运动学模型，并讨论了虚拟手的几何真实感建模。对数据手套采集的数据进行了分析，校准和滤波，提出了曲线拟合的动态校准新方法。该动态校准方法可以让文中所使用的手套能够适合不同大小的手，增强了手套的准确性和通用性。 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，本文提出了一种新的基于物理的交互方法。该方法避免了启发式方法的局限性，使交互具有通用性。启发式方法需要对虚拟手所交互的虚拟物体分类，根据特定分类制定相应的交互策略，交互是针对性的。而基于物理的方法不需要分类，使用通用的交互策略。本文对简单弹簧模型进行改进，提出用非线性弹簧模型计算抓取作用力，计算结果巧妙的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，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，虚拟手可以直观自然的抓取三维虚拟物体，和三维物体之间能够进行实时交互，同时计算出了反馈作用力。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题背景和意义

1.2本文主要研究工作和创新点

1.3论文结构

第二章相关工作综述

2.1虚拟手交互技术基础

2.1.1虚拟现实技术

2.1.2虚拟现实仿真技术

2.2虚拟手交互仿真软硬件技术

2.2.1硬件技术

2.2.2建模技术

2.3虚拟手运动控制技术

第三章人手建模与运动跟踪设计方案

3.1人手解剖学分析

3.2人手建模方案

3.2.1人手运动学建模

3.2.2人手几何建模

3.2.3设计实现

3.3虚拟手运动控制方案

3.3.1数据手套动态校准

3.3.2运动关节坐标求解

3.3.3运动关节约束

3.4实验结果与讨论

第四章虚拟手与物体的碰撞检测机制

4.1碰撞检测机制概述

4.2常见的碰撞检测方法

4.2.1几何模型表达

4.2.2碰撞检测算法

4.2.3各种常用碰撞检测包及比较

4.3 Novodex碰撞检测机制介绍

4.3.1 Novodex仿真工具介绍

4.3.2 Novodex的碰撞检测机制

4.4实验结果与讨论

第五章抓取作用力设计方案

5.1非线性弹簧模型

5.2抓取作用力的视觉反馈

5.3实验结果与讨论

5.3.1实验结果

5.3.2应用方案

第六章系统总体设计与实现

6.1基于OpenInventor平台的实现

6.2基于Novodex平台的实现

6.3实现方案对比分析

第七章结论与展望

7.1结论

7.2未来工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢