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。

基于共享云平台的虚拟仿真实训基地应用研究

虚拟仿真实训基地是深化实施教育数字化转型的重要载体,是重塑教育教学形态、创新人才培养模式的有效支撑,但是当前基地应用存在功能不完善、共享不充分、实训监管难等问题。为此,从资源部署应用、教学服务以及基地管理的需求转变进行分析,以教育部职业教育示范性虚拟仿真实训基地培育项目为支撑,探索建设分层开放、接入灵活、实时处理的虚拟仿真实训教学共享云平台。通过虚拟仿真实训基地的应用实践表明,共享云平台能更好的发挥虚拟仿真实训基地优势,推进优质资源共享,拓展基地服务功能,从而推进高素质技术技能人才培养。

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%。

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。

基于HTC Vive的双手协同虚拟拆卸系统

为了解决当前鼠标交互拆卸沉浸感不足、单手柄交互拆卸不满足实际并行拆卸的情况以及单手柄拆卸体积过大零件不符合拆卸实际等问题,文中基于HTCVive硬件设备提出双手协同拆卸的虚拟拆卸方案,构建双手协同的虚拟拆卸系统。首先,针对双手协同拆卸逻辑,研究了拆卸过程中零部件与手柄的坐标满足一致性的拾取流程;然后运用虚拟现实开发引擎Unity 3D,以减速器为例开发了基于HTC Vive的双手协同虚拟拆卸系统,验证了该方案的可行性和有效性。

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。

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。

面向人机工程学测试的虚拟手仿真模型

以人机工程学测试为目标提出虚拟手仿真模型,建立虚拟手运动学模型。提出一种曲线拟合的校准方法,以获取精确的数据,更好地控制虚拟手的运动。建立弹簧模型计算手与被抓取物体之间的受力,以视觉渲染的形式将其反馈给用户。实验结果表明,虚拟手可自然地抓取三维虚拟物体,视觉反馈的使用可免于购买昂贵的力反馈设备。

基于肌音信号的虚拟假肢控制

将肌音(Mechanomyography,MMG)信号作为假肢控制的生理信号源,实现了对于虚拟假肢的抓放控制。针对手部在握紧-张开动作过程中前臂肌肉声音信号,提取动作信号的7种时域特征并利用线性分类器进行分类识别,用以分辨手部动作类型,正确率为(95.63±2.55)%,并利用辨识结果产生控制信号实现对虚拟手的控制。结果表明肌音信号的动作判断具有很高的正确率,为利用肌音信号控制假肢提供了依据。

虚拟手模型及其抓取技术

在深入分析手的解剖结构和运动特点的基础上 ,采用层次结构建模方法 ,建立了虚拟手模型 .然后针对已有的虚拟手抓取规则过于简化的特点 ,提出了一种新的虚拟手抓取规则 .该规则能够使虚拟手正确地抓取虚拟环境中的物体 .最后运用虚拟手模型和抓取规则实现了虚拟手对虚拟物体的抓取。

基于交互环境的石化装置虚拟培训系统

石化企业员工培训主要采用课堂式和书本式教学,培训教材固定、形式单一,存在易导致员工兴趣丧失、眼高手低、实操能力弱等不足。为解决目前企业培训中存在的诸多问题,本文提出了研发一种基于交互环境的虚拟培训系统,系统通过搭建企业三维数字化场景,利用逆运动学算法实现虚拟手对设备的交互操作,结合事故模拟专业软件,利用图形处理技术实现泄漏、火灾等事故的数值模拟和三维可视化,最终利用虚拟现实引擎研发可交互的三维培训系统,通过视频、音频等多媒体形式对员工进行认知培训,利用人机交互方式使员工在三维场景中熟悉相关操作,最后通过评估模块对员工知识掌握情况进行考核。通过实例验证,利用该系统,员工所掌握的知识和效率都优于传统的培训方法,得到企业的认可。