基于虚拟仿真技术的进阶式手部技能训练在口腔医学专业本科生教学中的应用

目的评价虚拟仿真系统在口腔专业低年级本科生手部技能进阶式训练的应用效果。方法选择78名大二口腔专业本科生作为培训对象,利用Simodont虚拟系统模块设计出进阶式培训课程,包括初级(60%完成度)、中级(80%完成度)、高级(90%完成度),共5学时,通过初、中、高级虚拟课程培训,考察学生操作的效率。结果78名学生通过初、中、高的虚拟课程培训后,平均分数为初级(74.42±5.00)、中级(73.70±3.79)分,高级(70.04±3.98)分。平均操作时间逐渐缩短,初级(6.43±2.25)min,中级(6.19±1.98)min,高级(4.87±0.98)min。操作效率逐渐升高,其中高级虚拟课程培训与初、中级相比差异具有统计学意义(P<0.05)。结论以Simodont虚拟系统操作模块为基础的进阶式虚拟课程能提高低年级学生的操作效率,具有推广价值。

虚拟手错觉中外表与朝向一致性对身体拥有感和施动感的影响

虚拟手错觉是研究身体拥有感的典型范式,研究发现,同步的视觉、触觉、身体感觉和动觉信息的集合,会使被试对该虚拟手产生身体拥有感和施动感。本文使用了外显问卷和内隐间接测量,分别研究了真实手和虚拟手的外表一致性、摆放朝向一致性对虚拟手错觉中身体拥有感和施动感的影响。实验发现,不管是外显还是内隐测量,朝向一致性只影响身体拥有感,不影响施动感;而外表一致性则同时影响身体拥有感和施动感,但具体的结果又表现出差异。结果表明,虽然身体拥有感和施动感的外显和内隐测量所依靠的信息源有一部分是重合的,比如会受到相同的因素影响,但是又各自有其独特的信息源以及不同的比重,反映了不同的认知过程。

鳍条效应软体采摘机械手建模与试验

针对现有鳍条效应软体手指建模分析方法难以兼顾高精度与小运算量的问题,本研究以课题组设计的苹果采摘软体机械手为对象,在观察软体手指变形的基础上,提出将鳍条效应软体手指等效为串连铰链四杆机构;运用虚功原理推导了给定变形状态下软体手指各处接触力与驱动力矩计算方法;提出用线弹性扭簧模型描述变形恢复力矩,利用改进的粒子群算法求解各级四杆机构扭簧劲度系数;基于有限元模型,结合二次开发建立了给定关节转角和充气压力下驱动力矩的BP神经网络静态模型。搭建试验平台对3个不同大小的仿真苹果在3个不同高度位置下进行抓取力测量试验。试验结果表明,所建立的力学模型计算抓取力相对误差绝对值小于8.6%,与有限元模型精度相当;驱动力矩测量试验结果表明关节神经网络模型计算值与测量值变化趋势相同,相对误差小于12.7%。

开放大学基层分校理工专业在线实践教学模式的应用研究

随着信息技术的不断发展,开放大学基层分校理工专业积极尝试在线实践教学模式的应用研究。通过观察、问卷访谈以及大量实践,提出了开放大学提高在线实践教学模式成效的三大途径,包括:加强虚拟仿真实验平台建设或引入云服务器技术、开展课程在线实践教学案例设计以及设计合理的在线课程实践评价指标体系。

面向VR航海模拟器的虚拟手交互方法研究

为促进航海模拟器的发展,利用虚拟现实技术高沉浸感以及可交互性的特点构建虚拟现实航海模拟器,重点研究其人机交互问题。以HTC Vive、Leap Motion为硬件载体,通过Unity构建虚拟船舶操纵场景;采用层次包围盒树技术和立体模型堆积算法对虚拟驾驶台控件进行高效的碰撞检测;根据实际船舶操纵特点建立虚拟手操纵方法,并引入反向运动学算法对操纵过程中的虚拟手姿进行实时优化。仿真结果表明,采用改进后的碰撞检测算法运行帧率提高了23.1%,经反向运动学算法优化后手姿稳定性提高了50.8%,实现了高沉浸感与高真实感的船舶操纵,解决了传统虚拟现实仿真中人机交互真实感不足的问题。

虚拟人手语动画自动生成技术研究

虚拟人手语动画中信息量较多,其手势动作复杂性较高。在手语动画生成过程中,通常缺乏动作约束能力,动画生成后具有重合部分且手部画面异常,导致手语动画生成精度低、质量差。为此,研究了虚拟人手语动画自动生成技术。根据动作数据采集结果,构建无向加权图,确定各个顶点位置与特征,得到原始动作捕捉序列,完成虚拟人手语动作分割,确定虚拟人手部动作基础信息。使用类函数与高度函数以及人体体征数据,提取虚拟人手部动作关键点,对手部特征点进行划分,分析手部动作的骨骼关节特征。使用线性变换公式以及动作处理帧窗口,对手语动画进行约束,实现手语动画自动生成。实验结果表明,本文方法可提升手语动画生成精度,实现手部滑动动作控制,提升虚拟人手语动画质量。

基于虚拟仿真方法的手部姿态数据集构建技术

手部姿态是人机交互的重要载体,姿态信息的获取和识别很大程度上依赖于手部姿态数据集。现有的数据集分成2类:真实数据集和合成数据集。真实数据受限于设备与环境等因素,手部姿态类别不足且标注掺入大量人工误差。而目前存在的合成数据虽然可以解决真实数据的数据量问题,但生成的手部姿态有限且存在一些不合理的运动学姿态,获取的数据往往也只有RGB图像。通过研究手部的解剖学结构,基于虚拟仿真方法,创建了手部的虚拟三维运动学模型和一个手部姿态仿真生成器。利用该生成器构建的手部姿态数据集既可以有效解决真实数据数据量不足、标注准确度低、人工标注工作量大等问题,也可以解决当前合成数据手部姿态类别不足且数据模态单一的问题。

基于sEMG和变刚度控制的虚拟假手交互系统

为使虚拟假手在交互时具有柔顺性,实现了一种基于表面肌电(sEMG)信号和变刚度控制的虚拟假手交互系统。首先,采集人体前臂的sEMG信号并从中估计人手的刚度水平和关节扭矩;然后,通过变刚度阻抗控制模型估计虚拟假手的关节角度;最后,使用估计的关节角度控制虚拟假手与虚拟环境中的物体进行交互,交互过程中根据虚拟假手与物体的交互力对关节角度进行动态调节。实验结果表明:基于sEMG和变刚度控制的虚拟假手在进行抓握物体的交互任务时能在成功抓握物体的前提下产生较小的交互力,从而实现柔顺的交互。

床边教学结合虚拟诊疗平台教学法对医学生临床思维能力培养的效果研究

目的:探讨床边教学结合虚拟诊疗平台教学法对神经内科实习学生临床思维能力培养的效果。方法:将68名符合纳入标准的本科临床实习生随机分为试验组及对照组,每组各34名。对照组采用传统教学方法,试验组采用床边教学结合虚拟诊疗平台教学法。两组学生入科、出科考试评价均采用Mini⁃CEX临床思维能力测试。结果:出科时试验组临床思维能力测试成绩优于对照组(P<0.05),且出科时试验组临床思维能力测试成绩优于入科时成绩(P<0.05),试验组临床学习积极主动性量表得分优于对照组(P<0.05)。结论:床边教学结合虚拟诊疗平台教学法应用于神经内科实习教学可明显提高学生自主学习能力,同时提高学生临床思维能力,有效提高教学效果。

虚拟现实训练系统在康复作业治疗学临床教学中的应用

目的探讨虚拟现实训练系统在作业治疗学临床带教中的应用价值。方法2021年9月—2022年6月,调查解放军总医院第一医学中心60名康复治疗及相关专业实习生在康复作业治疗学的学习方式偏好及知识接受成效,使用虚拟现实训练系统或传统作业治疗带教法,对实习生进行培训。其中试验组30名实习生使用虚拟现实训练系统,对照组30名实习生使用传统带教方法。在为期1个月的带教后,对其进行出科考试和带教满意度调查,并比较两组间的教学效果。结果试验组的学生出科考试理论成绩优秀率为36.67%,合格率为100%,技能考试优秀率为43.33%,合格率为96.67%,均高于对照组。试验组教学满意度评分均高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。在最满意带教环节评选中,试验组选择应用虚拟现实训练系统人数为21名,满意度较高。结论虚拟现实训练系统对于康复治疗及相关专业实习生在作业治疗学的学习上较传统教学方法教学效果更好,同时提高了学生对该门课程的满意度。

虚拟装配中基于数据手套的虚拟操作研究

在虚拟装配中,采用数据手套对虚拟物体进行虚拟操作,是进行虚拟装配的重要手段。首先给出了数据手套的虚拟操作流程,探讨了虚拟操作中存在的三个关键技术问题碰撞检测问题、手的穿透限制问题、手的抓取和拖放问题。然后对这三种关键技术逐项进行了剖析,并在此基础上给出了具体的解决算法面向对象的基于包围盒的碰撞检测算法、基于面片的穿透限制算法和抓取与拖放算法。最后构建了虚拟装配试验系统对这几种解决方案进行了验证。这几种算法能够保证虚拟装配系统的实时性和真实性,较好地解决了虚拟操作中存在的问题。

Leap Motion虚拟手构建方法及其在航天训练中的应用

针对我国载人航天地面虚拟训练中虚拟手构建的需求,利用Leap Motion手势采集设备,研究了虚拟手构建方法,提出了一种Leap Motion虚拟手模型与约束。采用获取的信息构建出符合人手生理学结构的虚拟手,并通过对比实验、主观评价实验验证了所构建的虚拟手与真实手在完成操作手势时的构型、姿态等的相似性。Leap Motion虚拟手构建方法在设备组装的虚拟操作训练中的应用实践表明:该方法构建出的虚拟手与真实手基本一致,构建速度快,交互性好,能够应用于以虚拟操作为代表的航天员虚拟训练中。

基于虚拟手交互的航天员虚拟装配训练仿真方法

针对我国载人航天任务中的航天员虚拟训练需求,提出了一种基于虚拟手交互的航天员虚拟装配训练仿真方法。该方法利用Leap Motion设备采集的手部信息,构建出符合人手结构特征的虚拟手进行训练交互,提出了交互按钮设计方法和抓取规则,以某在轨装配设备的装配训练需求为依据建立虚拟装配训练系统,并设计了主、客观评价实验及其评价标准。实验结果表明,该交互按钮设计方法与抓取规则适用于航天员虚拟训练的交互要求,与传统的手册学习训练方法相比,该基于虚拟手交互的航天员虚拟装配训练方法具有更高的训练沉浸感和主观认可度,训练效率高,效果好。

基于物理的虚拟手交互碰撞力觉生成和反馈

提出一种考虑摩擦的虚拟手交互碰撞力觉生成和反馈方法,以让用户手指感受到逼真的冲击,增强虚拟操作的真实性和沉浸感.该方法首先运用冲量定理和弹性恢复系数,求得质点刚体在二维空间碰撞后的运动状态,然后结合库仑定理,生成质点刚体有摩擦的碰撞力,并拓展到三维空间的虚拟环境中,计算非质点的虚拟刚体碰撞的力矩,再通过虚拟手静力抓持力觉生成模型,将碰撞力和碰撞力矩作用到虚拟手上,求得每个虚拟手指受到的冲击力.当虚拟手抓持的物体与其它虚拟物体发生碰撞时,利用CyberGrasp力觉反馈数据手套,用户手指可感受到逼真的冲击力.实验结果表明运用所提出的方法,用户在虚拟装配时可感受到真实的碰撞力.

虚拟现实环境下虚拟手控制技术研究

虚拟手控制是虚拟现实关键技术之一。根据手的解剖结构和运动约束关系,建立了虚拟手的关节模型和实体模型。通过数据手套获取手指姿态数据进而确定虚拟手指弯曲的角度,通过驱动关节实体在其局部坐标系中的旋转运动来实现虚拟手指的位姿控制。通过位置跟踪器获取操作者手掌的位姿数据,采用数据分解和矩阵变换的方法将其映射为虚拟手掌在虚拟现实环境中的位姿,实现了对虚拟手的准确控制。

基于虚拟现实技术手功能康复训练系统的设计及临床应用

目的:根据手外伤后手功能障碍的特点,基于虚拟现实技术研制出一种增强手部肌力和协调性的手功能康复训练系统。方法:通过贴片式压力传感器实时采集患手的力学信息,将其输入到虚拟现实环境中驱动虚拟环境的运行,该系统能够智能设置虚拟环境中执行任务的难度,根据采集到的力学信息作出相应的康复评价。本文从总体构思,系统的组成和功能设计,系统实现所采用的力传感器模块、采集模块、虚拟现实模块和评估模块开发等方面进行介绍,并进行了初步的临床对照试验。结果:研制出基于虚拟现实技术的手功能康复系统;通过2周的临床试验,试验组在侧捏力(0.64±0.75N vs 0.09±0.21N)、握力(2.14±1.57N vs 0.81±1.00N)、ADL评分(3.44±2.45 vs 0.67±2.82)方面改善均优于对照组(P<0.05)。结论:该系统具有成本低、结构简单、易于维护、安全性高等特点,有助于推动虚拟现实技术在手功能康复治疗领域中的应用。

基于组件的虚拟手建模及碰撞检测

提出一种基于组件技术构建虚拟手的OBB层次包围体树方法.首先分解手模型为多个子单元形成部件,然后利用部件的OBB包围盒自底向上生成复杂组件层次体树结构,不但能较好地满足部件本身的几何约束,而且也加快了建模和运动更新的速度.实验表明,基于组件的手模型能很好地满足虚拟现实系统对手运动实时性与检测精确性的要求.

虚拟装配环境中虚拟手与虚拟零件的碰撞检测研究

虚拟装配环境中,采用数据手套进行虚拟零件操作是一个很重要的方法。通过在数据手套生成虚拟手的基础上,研究了虚拟装配中虚拟手与虚拟零件基于Hertz的碰撞检测算法,推导手指表面为球面的实现公式,并给出了具体的实现步骤。

基于人手指力学特性的虚拟手接触力生成

为了增强虚拟手交互的真实性和沉浸感,提出了一种考虑人手指力学特性的虚拟手接触力生成方法.通过分析虚拟环境中几种重要的接触力生成算法,结合人手的感知特性,构建了人手指接触力测量平台,研究了手指接触力和接触面积之间的关系,提炼出以接触面积为变量的指尖接触力的力学模型.仿生手的生理组织构造,分层建立虚拟手指的几何模型和运动模型,提出了虚拟手指接触面积的求解算法.实验结果表明,采用该虚拟手交互接触力生成算法,当虚拟手指触摸虚拟物体时,用户可感受到逼真的接触力觉.

基于数据手套的虚拟手精确建模的研究与实现

研究针对虚拟手与真实手的运动匹配问题,结合人手部的解剖学特征和机构学原理,提出将手部简化为合理的杆架机构,并采用实际物理参数测量等手段,为保证手部几何模型及运动映射的精确性与个性化,给出运动学建模、数据手套标定及采集数据处理的具体方法。结果搭建试验的平台对方法及实现进行验证,试验中虚拟手与真实手运动匹配良好,表明提出的实现方法有效且实用。