虛擬環(huán)境中柔性物體力觸覺再現(xiàn)建模與仿真研究.pdf

1、力觸覺再現(xiàn)借助于力觸覺再現(xiàn)設(shè)備和計算機(jī)生成的虛擬仿真環(huán)境，使操作者可以觸摸、感受和操作虛擬物體，從而進(jìn)一步提高虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的真實(shí)感和沉浸感，因而具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。本文以虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)這一重要的應(yīng)用為背景，開展了柔性物體建模、實(shí)驗(yàn)仿真和模型驗(yàn)證等方面的研究。
　　在柔性物體建模方法中，基于物理意義的真實(shí)性和力觸覺再現(xiàn)所需的實(shí)時性是兩個相互矛盾的系統(tǒng)需求。本文在分析了力觸覺再現(xiàn)中柔性物體建模研究現(xiàn)狀和已有方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了

2、一種基于蜂窩狀多孔固體結(jié)構(gòu)的柔性物體力觸覺再現(xiàn)模型。該模型以蜂窩單元為要素構(gòu)建柔性物體的三維體模型，基于結(jié)構(gòu)力學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)梁理論獲得蜂窩單元形變和作用力的解析表達(dá)式，實(shí)現(xiàn)基于物理意義的柔性物體形變仿真。模型不僅具有較好的形變計算實(shí)時性，而且通過改變蜂窩單元的彈性模量、孔穴邊長和內(nèi)角等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)線性與非線性形變仿真?；贔ALCON設(shè)備和肝臟模型構(gòu)建了一個力觸覺再現(xiàn)原型系統(tǒng)，驗(yàn)證了該模型的實(shí)時性和真實(shí)性。
　　針對柔性物體模型的參

3、數(shù)優(yōu)化和性能驗(yàn)證需求，本文基于作用力測量模塊和FALCON設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了一個柔性物體力觸覺再現(xiàn)模型驗(yàn)證系統(tǒng)。作用力測量模塊由集成2.4GHz無線信號傳輸、AD轉(zhuǎn)換和USB接口的CC2531SoC芯片、微型力傳感器、信號調(diào)理和放大等部分組成，用于實(shí)現(xiàn)最高800Hz采樣率、14位轉(zhuǎn)換精度和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔昧y量；FALCON設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)三維位移測量。基于該驗(yàn)證系統(tǒng)，本文進(jìn)行了不同工具和豬肝實(shí)物交互過程中的形變和作用力數(shù)據(jù)測量實(shí)驗(yàn)，為柔性物體