虛擬現(xiàn)實(shí)中力觸覺模型及再現(xiàn)技術(shù)研究.pdf

1、虛擬現(xiàn)實(shí)中的力/觸覺再現(xiàn)是指用戶通過觸覺設(shè)備進(jìn)行觸摸、感知和操縱虛擬物體等一系列相互作用來獲得虛擬物體特性，表征觸覺感知信息的過程。其實(shí)質(zhì)是在虛擬環(huán)境里創(chuàng)建虛擬對象，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的觸覺感觀世界，用戶能夠以自然的方式與這個(gè)環(huán)境交互，從而產(chǎn)生與真實(shí)環(huán)境一致的虛幻感、沉浸感。本文以國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和國家“八六三”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目為依托，從方法實(shí)現(xiàn)、模型建立及系統(tǒng)性能等方面，對虛擬環(huán)境中力/觸覺物理建模技術(shù)中的一些關(guān)鍵問

2、題進(jìn)行研究。
　　 在力/觸覺建模技術(shù)中，如何建立準(zhǔn)確高效的物理模型是一個(gè)關(guān)鍵問題。但高效的實(shí)時(shí)性與基于物理意義的準(zhǔn)確性是與生俱來的一對矛盾。為了提高實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性的和諧程度，在分析了已有的多種模型方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究并拓展了基于直梁框架結(jié)構(gòu)的力/變形模型。在運(yùn)用直梁框架解決多接觸問題的同時(shí)，提出了圓曲梁框架模型來分析具有凸表面內(nèi)部圓洞結(jié)構(gòu)凹柔性體的力/變形之間的關(guān)系。對于凹表面體或內(nèi)部具有特殊幾何形狀孔洞的凹柔性體來說，由于

3、內(nèi)部無法直接建梁，故不能構(gòu)建單梁框架，在很大程度上限制了框架模型的適用范圍。為此，根據(jù)彈性力學(xué)及結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，通過拓展單梁構(gòu)成的框架，設(shè)計(jì)了基于節(jié)點(diǎn)支架結(jié)構(gòu)的連接梁框架模型，將柔性研究對象從凸表面體擴(kuò)展到凹表面體。
　　 虛擬手術(shù)是柔性體力/觸覺建模技術(shù)的一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，醫(yī)生臨床實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足已經(jīng)成為醫(yī)患矛盾的主要原因之一，虛擬手術(shù)可為外科醫(yī)師提供更多的臨床培訓(xùn)機(jī)會(huì)。本文針對氣管手術(shù)的特點(diǎn)，提出了一種基于框架結(jié)構(gòu)的氣管模

4、型，運(yùn)用力法、虛功原理等分析氣管在外力作用下氣管力/變形關(guān)系，探索虛擬技術(shù)在氣管手術(shù)中運(yùn)用的可能。
　　 在力/觸覺虛擬技術(shù)中，除了框架模型，本文也嘗試著從其它方面對物理模型進(jìn)行探索研究。提出了一種基于層次分割的彈簧—質(zhì)點(diǎn)模型，根據(jù)虛功原理與系統(tǒng)彈性勢能不變原理計(jì)算柔性體上產(chǎn)生的全局變形。該模型繼承了經(jīng)典彈簧—質(zhì)點(diǎn)模型所具有的原理簡單、易建模、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有控制變形區(qū)域的能力。抓取是人類與外界交互的重要形式，穩(wěn)定精