虚拟匹配单元对力觉交互系统性能影响分析

讨论虚拟现实力觉交互系统中,阻抗再现方式下虚拟匹配单元对系统稳定性和透明性的影响.对不同的虚拟环境,根据弹簧单元和阻尼单元的不同物理性质,将其与虚拟环境串联或并联,作为连接操作端与虚拟端的双端口系统;对于单自由度力觉交互系统,当虚拟环境驱动点为弹簧元素时,以串联弹簧单元和串联阻尼单元为例,通过对附加虚拟匹配单元后的系统性能评价,及与原系统的比较,分析了虚拟匹配单元对系统性能尤其是稳定性的影响,仿真和分析结果吻合较好.在力觉交互控制系统设计中,可根据需要选择不同的虚拟匹配单元以提高系统的稳定性.      

单自由度力觉交互系统建模与分析

为提高力觉交互系统性能,需要通过建模和分析来了解各参数对系统性能的影响.对单自由度力觉交互系统,假设虚拟环境为被动,将操作者对系统影响分为主动输入和被动阻抗,建立了包括操作者在内的力觉交互系统模型;通过双端口网络理论的应用,就系统对刚度阻尼组合虚拟环境的稳定性进行了分析,给出了系统稳定条件的一般判定准则,并由此分析了传动刚度对系统稳定性的影响.该方法可以用于对力觉交互系统的性能评估和设计指导.      

快速计算虚拟物体之间精确接触位置的算法

在触觉、力觉交互的虚拟现实系统中,快速计算虚拟物体之间精确接触位置是触觉、力觉交互碰撞检测系统的前提.在这样的系统中虚拟物体大多是多面体模型且是三角形模型,采用层次包围盒法判断物体是否相交,如果相交,采用本文提出的二级检测算法快速计算出物体的接触位置.该算法首先判断那些相交三角形是异面还是同面,如果是异面,求出一个三角形T₂与另外一个三角形T₁所在平面的交线,然后再判断该交线与T₁之间的位置关系,进而求出有效的相交线段;如果是同面,需要判断两个三角形之间相互位置关系,然后有针对性地求出相关线段之间的交点,从而求出三角形的相交区域.最后用实例验证了该算法的有效性和鲁棒性.     

具有位置/力混合控制的虚拟装配模型

目前在虚拟环境的应用领域研究主要集中在视觉的逼真性方面,而力觉在交互过程中有着不可替代的作用.采用位置/力混合控制的方法,通过具有力反馈的数据手套在虚拟约束空间中装配虚拟物体可获得触觉效果,使操纵者感受到操纵的细腻过程,如同操纵者直接与物体相接触一样,达到了虚拟装配过程的临场感目的.结果表明,采用力控制技术可使零件的设计质量、装配速度得到显著提高.      

复杂产品虚拟装配系统的人机交互技术

介绍了一种基于双机同步的desktop虚拟现实设备的复杂产品虚拟装配仿真系统,对系统的人机交互技术进行了深入研究,提出了一种基于SOP(Structure of Parts)数据结构的属性类驱动算法的产品信息管理技术以及模型转心匹配法,阐述了一种适用于多部件多场景的、快速的基于扫描线技术的直接操纵交互算法原理,通过系统的实现验证了算法的实用性与效率,有效地提高了系统性能与扩展性.     

虚拟现实中坐标测量机的运动建模方法

虚拟现实中坐标测量机的运动建模是虚拟坐标测量机仿真运行的基础,是虚拟制造系统发展的需要。首先说明了虚拟现实、虚拟制造的基本概念和虚拟现实中坐标测量机运动建模的重要性,然后介绍了虚拟现实中坐标测量机几何建模、形象建模和运动建模之间的关系和运动建模方法,并针对运动建模中难以处理的光照模型变换进行了较详细的阐述,最后提出了虚拟现实中坐标测量机运动模型的开发运行环境。     

基于虚拟现实Stewart平台遥操作系统

针对基于虚拟现实的遥操作Stewart平台设计了虚拟系统.介绍了虚拟系统的驱动算法的原理.该算法首先建立合适的坐标系,通过一系列的空间坐标变换,解决了平台和6根杆的运动一致问题.采用基于L-M(Levenberg-Marquardt)算法的BP(Backpropagation Algorithm)神经网络来解决平台位置正解的问题,经过检验,证明该网络具有很好的泛化性能.采用了层次化的包围盒技术,每个节点建立轴向包围盒,来解决虚拟环境中的虚拟模型的碰撞检测问题.设计了一种简单的控制策略来解决大时延的稳定性问题.在机器人本地控制器的设计中采用离散化的微分跟踪器来保证机器人本地控制的稳定性和良好的动态性能,最后通过试验验证了本系统的有效性.      

基于铣削力的刀具磨损监控研究

以铣削实验为基础,分析了铣削力中包含的与刀具磨损状态有关的频谱特征,分析了切削用量对切削力功率谱的影响,对比了切削力各分量的特征对刀具磨损状态的反映.从对铣削力功率谱的分析中得出:径向力功率谱对刀具磨损状态更敏感,其中有与刀具磨损状态密切相关的特征频段,而切削用量对该特征频段的影响不明显;还通过对切削力的时域分析,讨论了铣削力中径向力和切向力的分力比值对刀具磨损状态的反映.     

自由虚拟实景空间的构造

使用基于图像的绘制技术构造虚拟实景空间是目前虚拟现实领域研究的热点. 如何扩大自由度是虚拟实景空间需要解决的关键问题.自由虚拟实景空间是能够自由操纵的 虚拟实景空间. 提出同心球拼图的方法构造自由虚拟实景空间,能满足用户在自由漫游时俯 视和仰视的需要.另外在自由虚拟实景空间中引入超链的思想,通过对虚拟空间中虚拟对象 进行有效的组织,为用户提供丰富的空间操纵能力.试验结果表明,用户在自由虚拟实景空 间中能够自由地操纵虚拟空间.      

基于四面体网格的软组织位置动力学切割仿真算法

为满足虚拟手术中软组织变形与手术模拟的真实性和实时性要求,提出了一种基于四面体网格和位置动力学的软组织切割模拟算法.首先,本算法以四面体作为软组织几何模型的基本操作单元,物理模型采用位置动力学模型驱动软组织变形,四面体网格的凸包形成软组织的外表面.其次,本算法对位置动力学模型进行了扩展,支持了模型拓扑改变的情况,使其适用于软组织的切割模拟.再次,利用支持纹理信息的四面体网格作为几何模型,能生成细节丰富的切口.最后,在该算法上实现了力反馈设备的应用,增加了切割过程中的触觉模拟,增强了虚拟手术中手术环境和过程模拟的真实性.实验表明:该模型能提供真实和高效的变形模拟,并具有较高稳定性和可操作性.本算法目前已应用在北航虚拟现实技术与系统国家重点实验室开发的医学手术模拟器上.合作医院在使用模拟器进行的腹腔镜检查手术方面已经做了前导性的研究,医生对模拟器评价也较高.      

基于权重的层次矢量量化体压缩算法及其在空间环境中的应用

空间环境数据可视化是空间环境预报和服务的重要手段.目前基于矢量量化的压缩体绘制算法均只考虑了数据特点和压缩效果,并未结合具体应用需求.为适应空间环境体数据可视化具体应用需求,提出了一种应用驱动的压缩体绘制算法—-基于权重的层次矢量量化算法(WHVQ).算法将体数据划分为43的数据块,并为数据块设置权重,重点关注区域的数...     

"混合控制"驱动虚拟人实现维修仿真

目前在开展虚拟维修仿真过程中,驱动虚拟人多采用2种方式,一种为沉浸式的虚拟外设控制,另一种为非沉浸式的算法控制.2种方式各有其局限性,为了提高维修仿真的实现效率,提出混合控制的方法及实现结构,即在算法控制虚拟人的仿真过程中插入虚拟外设控制方式,目的在于充分利用这2种控制方法的长处.对混合控制系统结构进行了描述,分析了2种控制方式之间的转换机制,并用实例加以验证.在当前的软硬件技术条件下混合控制方法为实现维修仿真提供了有效的技术手段.     

自主虚拟人智能驾驶行为模型的研究和实现

描述了自主虚拟人的分层驾驶行为及对虚拟世界的感知.在对自主虚拟人的驾驶行为进行研究的基础上,结合导向行为与专家经验,建立了基于产生式规则的智能行为模型,并给出了规则的具体实现.通过虚拟现实技术对该智能模型进行了验证,证明了其可行性.      

基于导纳原理的下肢外骨骼摆动控制

针对下肢外骨骼摆动过程中对操作者运动意图的识别和跟踪问题,首先提出了一种基于导纳原理的控制算法.该方法借鉴了物体运动过程中力和速度所具有的导纳特性,通过合理设计导纳参数将操作者与下肢外骨骼之间的交互力转化为外骨骼的期望运动轨迹.然后利用传统控制方法驱动外骨骼准确跟踪期望运动轨迹,最终实现操作者和外骨骼的协调运动.构建了包含交互力信息的人机系统模型,并在此基础上进行了仿真验证试验.仿真结果表明:相比于未驱动的外骨骼,正常摆动频率下操作者与外骨骼之间的交互力降低了约85%,并成功实现了对操作者运动的准确跟踪,误差在±0.3°以内.      

全柔性空间机器人基于虚拟力的输出反馈有限维重复学习控制及振动抑制

探讨了基座、关节、臂均存在柔性情况下,空间机器人关节轨迹运动及多重柔性振动的主动控制和主动抑制问题.结合线性弹簧、扭转弹簧、简支梁及假设模态法,利用拉格朗日方程建立了基座、关节、臂全柔性影响下的空间机器人系统动力学模型,利用奇异摄动法,将模型分解为关节运动慢变子系统与关节柔性振动快变子系统.为控制慢变子系统中载体姿态、关节刚性运动并且抑制臂的柔性振动,依据虚拟控制力的概念,设计了基于有限维傅里叶级数解析周期信号的输出反馈重复学习算法.李雅普诺夫直接法证实了上述控制器的稳定性.为了抑制快变子系统中基座和关节的柔性振动,分别采用线性二次最优控制方法以及引入关节柔性补偿器间接增大关节等效刚度的方式,使控制算法不局限于求解弱非线性问题.系统数值仿真结果表明,所提出的控制器能够有效抑制机器人多重柔性构件的振动,实现对期望信号的高品质追踪.