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虚拟环境中柔性物体力触觉再现建模与仿真研究

作　者: 万文章
导　师: 陆熊
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 力触觉再现 蜂窝状多孔固体结构 柔性物体形变模型 作用力测量 模型验证
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


力触觉再现借助于力触觉再现设备和计算机生成的虚拟仿真环境,使操作者可以触摸、感受和操作虚拟物体,从而进一步提高虚拟现实系统的真实感和沉浸感,因而具有广阔的应用领域。本文以虚拟手术仿真系统这一重要的应用为背景,开展了柔性物体建模、实验仿真和模型验证等方面的研究。在柔性物体建模方法中,基于物理意义的真实性和力触觉再现所需的实时性是两个相互矛盾的系统需求。本文在分析了力触觉再现中柔性物体建模研究现状和已有方法优缺点的基础上,提出了一种基于蜂窝状多孔固体结构的柔性物体力触觉再现模型。该模型以蜂窝单元为要素构建柔性物体的三维体模型,基于结构力学中的标准梁理论获得蜂窝单元形变和作用力的解析表达式,实现基于物理意义的柔性物体形变仿真。模型不仅具有较好的形变计算实时性,而且通过改变蜂窝单元的弹性模量、孔穴边长和内角等参数,可以实现线性与非线性形变仿真。基于FALCON设备和肝脏模型构建了一个力触觉再现原型系统,验证了该模型的实时性和真实性。针对柔性物体模型的参数优化和性能验证需求,本文基于作用力测量模块和FALCON设备,实现了一个柔性物体力触觉再现模型验证系统。作用力测量模块由集成2.4GHz无线信号传输、AD转换和USB接口的CC2531SoC芯片、微型力传感器、信号调理和放大等部分组成,用于实现最高800Hz采样率、14位转换精度和无线数据传输的作用力测量；FALCON设备用于实现三维位移测量。基于该验证系统,本文进行了不同工具和猪肝实物交互过程中的形变和作用力数据测量实验,为柔性物体力触觉再现模型的参数优化和性能验证奠定了重要基础。本文最后提出了柔性物体力触觉再现建模和模型验证方法今后的发展方向。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-11
第一章 绪论  11-17
  1.1 研究背景和意义  11-12
  1.2 柔性物体的力触觉再现模型研究现状  12-15
    1.2.1 弹簧—质点模型  12-13
    1.2.2 基本连接模型  13-14
    1.2.3 质点—张量模型  14
    1.2.4 有限元模型  14-15
    1.2.5 其他模型  15
  1.3 本文研究的内容和章节安排  15-17
第二章 柔性物体力触觉再现系统的构建  17-22
  2.1 力触觉再现系统的基本工作原理  17-19
    2.1.1 碰撞检测  17-18
    2.1.2 虚拟物体模型  18
    2.1.3 力触觉再现设备  18-19
  2.2 力触觉再现系统的软硬件工作环境  19-21
  2.3 本章小结  21-22
第三章 基于蜂窝状多孔固体结构的柔性物体力触觉再现模型  22-35
  3.1 蜂窝状多孔固体理论基础  22-26
  3.2 基于蜂窝状多孔固体结构的柔性物体形变模型  26-29
    3.2.1 蜂窝的构建  26-27
    3.2.2 形变的计算  27-29
  3.3 算法实现与仿真实验  29-34
    3.3.1 算法实现  29-32
    3.3.2 仿真实验  32-34
  3.4 本章小结  34-35
第四章 基于无线数据传输的柔性物体力触觉再现模型验证系统  35-58
  4.1 模型验证的重要性和系统需求  35
  4.2 系统整体方案设计和软硬件实现  35-47
    4.2.1 系统整体方案设计  35-36
    4.2.2 系统的硬件构成  36-41
    4.2.3 系统的软件设计  41-47
  4.3 模型验证系统软件设计  47-51
  4.4 作用力测量系统的标定  51-55
  4.5 针对不同材料物体的撞击实验  55-57
  4.6 本章小结  57-58
第五章 柔性物体力触觉再现模型验证实验  58-65
  5.1 验证实验系统环境  58-59
  5.2 实验和数据分析  59-64
  5.3 柔性物体模型验证方法  64
  5.4 本章小结  64-65
第六章 总结与展望  65-67
  6.1 工作总结  65
  6.2 未来研究展望  65-67
参考文献  67-71
致谢  71-72
在学期间的研究成果及发表的学术论文  72-73
附录  73-82
  附录1：基于蜂窝状多孔固体结构的柔性物体模型作用力生成源程序  73-75
  附录2：作用力测量模块的电路原理图  75-76
  附录3：作用力测量模块的PCB图  76-77
  附录4：作用力测量模块源程序相关函数  77-79
  附录5：模型验证实验数据(节选)  79-82

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 计算机仿真
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