力/触觉再现设备的研究现状与应用

力/触觉再现技术作为一种新兴的人机交互模式在虚拟现实系统得到较多应用。力/触觉再现设备是力/触觉再现系统实现过程中必不可少的环节,受到广泛的重视和研究。讨论了力/触觉再现设备的种类和特点,分类介绍了国内外力/触觉再现设备的研究现状,并作了分析比较。最后讨论了力/触觉再现设备在不同领域的应用,并探讨了其未来的研究发展趋势。

基于触觉输入输出设备的五轴加工计算机仿真

以贝塞尔曲面作为被加工表面,使用圆柱体模拟刀具,通过虚拟五轴加工,生成加工过程中的一系列点,并以这些点作为成型的机加工表面路径。这样就在触觉输入输出设备的基础上,为复杂的五轴加工模拟提供了基本编程架构。

虚拟手术中具备触觉功能的软组织交互技术

研究了虚拟手术中用户通过触觉设备与软组织进行交互操作的技术。所用触觉设备为Phantom Desktop,交互操作包括切割、触摸和抓取。为了克服用户手的颤抖产生的触觉反馈力振荡,切割中的反馈力使用代理的方法计算,反馈力由刀锋阻力和刀面约束力构成。触摸和抓取操作使用作用球的方法,根据作用球的入侵体积来计算作用力和反馈力,并使用力和力矩等效原则将作用力分解成顶点等效力。最后给出了使用虚拟肝脏模型进行交互操作的效果。

表面触觉再现技术现状和评估方法

表面触觉再现技术可通过裸指触摸屏幕来感知物体特性,在多媒体终端实现高效自然的交互,具有巨大的研究价值,因而得到国内外研究学者的广泛关注。然而,现有研究多集中于力觉交互设备,未对表面触觉再现设备进行系统分析,且对设备的各项性能评价过于主观,未给出客观可信的表面触觉再现技术评估标准。首先,在充分研究现有表面触觉再现技术的基础上,重点对近十年表面触觉再现技术进行补充和完善。将表面触觉再现设备分为振动式、压力式、压膜式、静电力式和电刺激式,重点从工作原理、装置构成和性能指标等方面对典型设备进行详细分析和介绍,总结设备在触觉表达方面存在的优缺点。然后,针对现有评价方式过于粗糙和主观的问题,提出一种表面触觉再现技术的评估方法。通过制造难度、工作区间等7种评价指标全面评价设备的性能,采用专家打分法和层次分析法获得振动式、压力式、压膜式、静电力式4种设备在每种评价指标下的权重,并对4种设备在多媒体终端应用中的性能优劣进行排序,为不同领域下选择和评价表面触觉再现设备提供参考。最后,总结现有设备的不足,讨论其未来的研究和改进方向。

高临场感和自然交互性的分子可视化教学系统

介绍一个面向分子可视化教学的虚拟现实系统。系统基于多投影无缝拼接技术提供了具有高度临场感的虚拟环境,使学生沉浸在虚拟的分子、原子模型结构中学习生化分子的有关知识。学习者不仅可以带上立体眼镜,观察到高度真实的三维立体分子结构,而且可使用 6 自由度触觉/力觉反馈设备对分子模型进行自然直观的交互操作,获得操作真实物体的效果。文章主要介绍系统硬件构成、多投影无缝拼接、触觉交互技术、分子可视化以及分布式绘制等方面的内容。

改进的三角网格表面近似测地线算法

三角网格表面的测地线计算问题可转化为三角网格表面两点间的最短路径计算问题，为了快速地计算三角网格表面测地线，提出一种基于缩小最短路径搜索区域的三角网格表面近似测地线算法。将三角网格沿坐标系三坐标轴方向进行空间单元划分，使用A？算法求出两点间的最短路径盒子序列，进而得到新的搜索区域，计算三角网格上两点间的最短路径，迭代细分最短路径邻域内的边以构造新的网格求解测地线。实验结果表明，该算法能够快速准确地计算出三角网格表面任意两点间的近似测地线，有效解决大型三角网格上最短路径计算速度慢的问题，计算速度较改进前的算法提高了10倍~59倍。将该算法应用到虚拟肝脏手术系统的区域标定中，可满足虚拟场景中对计算实时性和效果真实性的要求。

The design of a novel parallel haptic device

A novel haptic device which is characterized by large workspace, high rigidity, simple kinematics and easy construction is presented. This device is a parallel mechanism which is composed of a base plate, three sub-chains, and a mobile plate. Each sub-chain is attached to the base plate through a pin joint and to the top plate through a spherical joint. The sub-chain is derived from and kinematically equivalent to a pantograph linkage but is redesigned to solve the difficult problem of motor-fitting. The spherical joint is of the ball-in-socket type, but has much larger workspace than its regular counterpart. The kinematics is analyzed, and the inverse kinematics analysis is performed with a geometric approach. The complete workspace is readily obtained with the spherical coordinate system searching method. The optimal value of the cone angle of the spherical joint is shown to be 100°.

盲人触觉图像显示器Graile设计研究

本文对面向盲人的低成本触觉图像显示器Graille进行了设计研究,探索了如何设计盲人触觉交互系统及其可用性。Graille采用了一种新型点阵驱动方式,并引入触觉引导等辅助方式,在降低设备成本的同时满足了用户体验的需要。盲人可以使用Graille学习、社交、上网,从而真正享受到互联网带来的便捷。