基于VR触觉交互的针灸治疗教学系统设计

近年来,虚拟现实(VR)技术中的触觉交互备受关注,并在中医教学中有一些应用。本研究结合当前中医学生的学习需求,设计了一款基于VR触觉交互的针灸治疗教学系统,旨在解决中医教学中学用脱节的问题。该系统通过“针学”和“针用”两个模式,分别辅助学生学习针灸理论知识和实践操作,为中医针灸教学开辟了新的路径。

基于共享控制的人机灵巧力触觉交互系统设计与实现

人能够在复杂感知的相互协调下做出决策并完成灵巧操作。将视听觉和力触觉等不同模态相融合,可以提高操作者对虚拟场景或远程环境的感知,进而改善操作效果。如何协调人的操作和虚拟环境中目标机器人系统的自主性,则是人机交互中的一个关键问题。为此,本文基于Unity3D引擎建立了虚拟场景,并实现了omega.7力反馈平台与虚拟场景之间的通信。进而,创建了基于碰撞检测的虚拟距离传感器,实现了虚拟场景中目标机器人对周围环境的探测。然后,设计实现了人机力触觉交互共享控制算法,将人的智能决策与灵巧操作优势同目标机器人的自主算法相融合,使得目标机器人系统的控制权限可以在人手操作和机器人自主算法之间连续平滑转移。由此,实现了人与虚拟环境和目标机器人之间功能多样、场景逼真的视听觉和灵巧力触觉多模态交互,从而为医学、康复、军事、娱乐等领域中的人机交互提供了一种解决方案。

双通道触觉交互系统中牙科手术工具之间动态交互的力觉仿真

介绍了基于双触觉交互装置的双通道触觉交互系统(牙科手术训练系统)中动态工具交互仿真的分析和实现。动态工具交互是指操作者同时操作两台触觉交互装置导致虚拟环境中工具之间发生接触和碰撞的力觉仿真,它是双通道触觉交互牙科手术训练系统的重要组成部分。提出了计算工具和显示工具的概念,将图形显示与虚拟力的计算和输出解藕,保证了图形显示过程中,虚拟环境中的工具不会发生空间的重叠和干涉。同时,工具之间的交互被分为自由空间运动、碰撞和碰撞后挤压三个阶段,碰撞和挤压阶段分别提出了虚拟力计算模型,保证了虚拟力计算和输出的快速性、逼真性和稳定性。

触觉交互系统中牙齿网格模型被切削过程的图形仿真

本文介绍了在牙科手术训练触觉交互系统的虚拟手术环境中,通过构成牙齿的网格变形和剖分实现牙齿被切削时材料去除过程的图形仿真。在虚拟环境中,当工具切削牙齿时,所有进入工具空间范围的顶点都会沿着与工具轴线垂直的方向映射到工具表面,同时这个过程中产生的所有狭长三角片及其相关三角片都会被细分。通过网格变形和剖分算法可以动态的实现牙齿被切削过程的形状变化,图形显示逼真同时没有滞后。

触觉交互研究的回顾与展望

触觉交互方式是人机界面中信息交流的重要方式,近些年来逐渐成为交互研究中的热点领域。文章总结了触觉交互技术当前的最新研究进展,重点介绍了触觉交互技术在便携式产品交互设计中的应用,并对触觉交互未来的研究方向提出了建议。

一种基于MVC模式和插件的触觉交互软件体系结构

基于对触觉交互软件特点的分析,针对目前触觉交互软件应用中的突出问题给出了一种新的可扩展的触觉交互软件体系结构。该体系结构基于模型-视图-控制器(MVC)模式和插件,能够使系统进行动态扩展。在此基础上结合实例给出了三种扩展机制,分别是基于类型封装的模型扩展,基于状态转换的控制器扩展和基于发布-订阅的视图扩展。通过这些机制,开发者可以快速方便地扩展软件功能,提高开发效率。该体系对于实现触觉交互软件的标准化具有重要的价值。

虚拟物体力/触觉交互算法的研究进展

虚拟物体在受力作用时的力/触觉交互算法是虚拟环境中力/触觉人机交互的关键。分析了虚拟物体力/触觉交互算法的研究难点。介绍了当前十一种有代表性的力/触觉交互算法,并在此基础上对这些算法的优缺点进行了比较。最后对力/触觉交互算法的发展趋势进行了展望。

基于TCP/IP的远程触觉交互系统力反馈数据传输方法

时延、丢包是影响远程触觉交互性能和用户体验的重要因素。以实时传输和真实再现力反馈数据为目的,提出了一种基于TCP/IP的实时力反馈数据传输方法,该方法通过时延处理和插值预处理降低网络通信过程中对远程触觉感知造成的不利影响实验结果证明,该方法有效地解决了远程触觉交互系统中实时力反馈的信息再现与信息交互问题,在远程医疗、远程教学、虚拟现实等领域具有重要的应用价值。

虚拟现实及触觉交互技术:趋势与瓶颈

虚拟现实是当前的前沿和热点。本文阐述了虚拟现实的概念、发展历程、虚拟现实系统及部分关键技术,并对虚拟现实、增强现实、介导现实和混合现实等概念的内涵进行了溯源和诠释。虚拟现实在内涵上既有交集又各有特异性,难以简单地用包含或被包含关系去进行描述。触觉技术对于虚拟现实系统的交互性具有重要价值,在阐述虚拟现实系统的基础上,论文进一步介绍了触觉交互涉及的触觉传感和触觉显示技术及相关产品。论文最后讨论了制约虚拟现实发展的一些关键技术瓶颈。

触觉交互技术与三维网站构造的能量空间形式

本文在分析身体触觉确定空间关系、形状、大小、稳固度以及组织机理各方面重要作用的基础上,描述了各类力/触觉交互技术进入通讯领域,与三维网站技术系统汇聚而构造起的新型网络虚拟空间——能量空间形式。认为当代数字技术正将人类的生命力转化为一种能量信息,经由力/触觉交互技术输入网络空间,从而构造了一个有机体与无机体能量信息汇聚为一体的空间形式。在这样的一个空间形式中,不同的生命个体可以让生命力脱离身体而展开交流、碰撞和感知活动。由此,我们可以意识到,当代各类科学技术汇聚所生成的虚拟空间,有可能为人类创造出一种历史上从未有过的艺术化生存方式。

实现牙体预备触觉交互仿真的图形显示

介绍了在牙科手术训练触觉交互系统的虚拟手术环境中,通过材料去除速率控制构成牙齿的网格变形实现牙齿被切削时材料去除过程的图形仿真。针对牙体预备操作和触觉交互装置输出力的特点,在交互系统的虚拟环境中,当工具与牙体模型发生接触时,所有进入工具空间范围的顶点都会沿着其外法线的反方向进行投射,投射量受控于材料去除速度,且网格变形速度不超过真实的牙齿材料去除速度,同时针对网格的变形位置绘制虚拟工具。通过限制网格变形可以动态的实现牙齿被切削过程的形状变化,图形显示逼真同时没有滞后。

基于触觉交互系统的造型设计综合性实验

提出了基于触觉交互系统的产品造型设计综合性实验课程,内容包括对产品实物进行激光测量,通过逆向建模得到CAD模型,结合触觉交互系统进行再设计,并快速成型出新的样品。实践证明,通过该综合实验,学生了解先进的产品设计开发技术和逆向工程基本原理和关键技术的综合理解和集成运用,从而增强学生的工程实践和创新设计能力。

结合触觉交互的CAD反求建模与再设计

CAD反求建模是基于原型的先进设计方法,是实现创新设计的重要方法之一。触觉交互是人机交互领域的最新技术,可以实现传统CAD软件很难表达的不规则模型。介绍反求工程中的基于混合建模的CAD重构方法,并结合对鼠标进行再设计的例子,探讨如何在对产品进行CAD反求建模的基础上,利用触觉交互式设计系统FreeForm对其进行再设计,实现对原有产品的二次设计。

触觉交互——一种新兴的交互技术

触觉交互已成为人机交互领域的最新技术,对人们的信息交流和沟通方式将产生深远的影响。触觉交互设备开辟了多种可能的应用领域,包括产品设计和制造、医疗领域应用、工作培训、基于触觉的三维模型设计等。文章总结了触觉交互技术的发展历史和当前的应用领域,展望了其发展前景,对触觉交互未来的研究方向提出了建议。

智能家居中的触觉交互体验

目的 触觉是人类主动感知和响应外部世界及其他个体最直接、关键的感官渠道,近年已成为交互设计和用户体验设计的热点主题。由于触觉感知维度多、传感和驱动技术多样化,以及家居环境中已存在诸多天然触觉反馈等原因,触觉交互在智能家居场景中仍没有得到充分利用。在智能家居系统逐步普及的今天,触觉交互有助于智能设备更自然地融入用户熟悉的日常生活场景中,优化用户体验。方法 基于智能家居自然交互的内涵和发展趋势,论述了触觉的自然性优势和触觉交互技术的现状,确定了家居情境下的触觉交互界面的应用基础和设计框架。结论 通过大量案例调研发现,以辨别功能为主的触觉交互可以在智能家居的控制、监测、安全和提示场景中降低成本、提高操作效率、交互自然性和用户舒适度,保留用户熟悉的家居样式和与之相关的生活方式,优化用户的智能生活体验;同时,触觉交互还可以在感官增强、情感沟通、多模态媒体等方面提出新方案和新设备,发挥触觉独特的情感承载能力,为用户拓展智能家居的沉浸体验。此外,列举了一系列助力设计师搭建触觉交互体验的设计工具。

指端可穿戴式力触觉交互装置设计与评估

可穿戴式力触觉交互技术作为力触觉交互技术的一个分支,可以为操作者提供更为真实、自然的人机交互体验。设计了一种指端可穿戴式力触觉交互装置,装置由穿戴于腕部的控制盒以及穿戴于指尖的部分组成,穿戴于指尖的部分重约30g,尺寸为38mm×31mm×50mm。装置采用连杆机构,可实现三自由度的力触觉反馈。装置使用蓝牙通信,具有小型轻便、穿戴方便的特点。通过方向感知与识别实验证明,装置可在指腹面产生8个有效的方向性信息,而且每个方向都可以为人所正确感知。此外,虚拟环境交互实验证明,装置可帮助人在虚拟环境中控制交互力的大小,并提高人机交互的效率。

基于虚拟现实的沉浸式触觉交互技术在野外地质实习中的实现

为了降低在野外地质教学过程中发生的风险和意外,同时最大限度地激发学生在野外地质实习中的积极性,提升实习教学质量,文中提出基于虚拟现实的沉浸式触觉交互的实验设想,设计一种沉浸式触觉交互反馈系统。以虎峪实习区为例,使用Insta360 Pro2全景相机搭建虚拟场景,利用Unity 3D引擎开发实习系统模型,搭配可穿戴沉浸式触觉交互装备进行模拟。经测试,在系统性能及体验效果上,构建的野外地质实习虚拟模型可使大多数用户得到良好的体验感。结果表明,基于虚拟现实的沉浸式触觉交互技术能使用户在无法亲身参与的野外地质实习中得到极大限度的沉浸感,能充分调动用户的主观能动性,在大型野外实习教学方面具有较大的开发潜力。

基于触觉交互的三维弹性物体形变仿真算法（英文）

形变仿真是计算机图形学、系统仿真、虚拟现实等领域的关键技术,但在现有物体形变研究中,将自然交互引入三维弹性物体变形的研究较少。针对该问题,引入触觉交互至形体编辑领域,在给出视-触觉同步的自然交互框架基础上,提出了一种基于触觉交互的弹性物体变形仿真算法,包含建立栅格层次结构、构建局部"质点-弹簧"系统和数值迭代动态仿真。实验结果表明,该算法运行稳定,鲁棒性好,能实现视-触觉同步交互感知体验和良好变形效果,且整体交互过程简单、自然和有效。

面向磁悬浮视触觉交互的多速率系统框架

非接触式磁悬浮视触觉交互克服了机械式交互的固有摩擦,具有广阔应用前景,但存在交互过程中虚拟工具穿透物体、图形渲染与触觉渲染速率不一致等问题。针对上述问题,提出面向磁悬浮视触觉交互的多速率系统框架,通过扩展三自由度(3-DOF)单射线触觉渲染方法,利用多射线对虚拟工具进行建模,避免工具穿透,实现六自由度(6-DOF)触觉渲染;通过多速率并行,实现速率不一致模块间相互协同;通过构建映射滤波算法,实现视觉定位数据到虚拟工具位姿的稳定映射。实验结果表明,该系统能有效避免交互过程中的穿透现象,并提供稳定、真实的视触觉反馈。

可溶性液体的真实感触觉交互研究

现有的触觉交互研究多数集中在模拟单相流的触觉交互,忽略了可溶性液体中不同液体之间的差异,不能直接应用于可溶性液体的触觉交互。为解决可溶性液体触觉交互过程中出现的不真实和不稳定等问题,提出一种新的触觉渲染方法。运用该方法在液体混合过程中得到真实、稳定的触觉力,并在触觉力的计算过程中添加摩擦力等分力的计算,提高触觉交互的真实性。实验结果表明,与传统可溶性液体触觉交互方法相比,该方法可以提高触觉力的真实性和稳定性,为用户提供更真实的体验。