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Haptic Modeling and Rendering Based on Neurofuzzy Rules for Surgical Cutting Simulation
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作者 SONG Wei-Guo YUAN Kui FU Yu-Jin 《自动化学报》 EI CSCD 北大核心 2006年第2期193-199,共7页
This paper combines image processing with 3D magnetic tracking method to develop a scalpel for haptic simulation in surgical cutting. First, a cutting parameter acquisition setup is presented and the performance is va... This paper combines image processing with 3D magnetic tracking method to develop a scalpel for haptic simulation in surgical cutting. First, a cutting parameter acquisition setup is presented and the performance is validated from soft tissue cutting. Then, based on the acquired input-output data pairs, a method for fuzzy system modeling is presented, that is, after partitioning each input space equally and giving the premises and the total number of fuzzy rules, the consequent parameters and the fuzzy membership functions (MF) of the input variables are learned and optimized via a neurofuzzy modeling technique. Finally, a haptic scalpel implemented with the established cutting model is described. Preliminary results show the feasibility of the haptic display system for real-time interaction. 展开更多
关键词 图象处理 模糊神经网络 切割模拟 触觉显示
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Development and Evaluation of a 7-DOF Haptic Interface 被引量:2
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作者 Jian-Long Hao Xiao-Liang Xie +2 位作者 Gui-Bin Bian Zeng-Guang Hou Xiao-Hu Zhou 《IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica》 SCIE EI CSCD 2018年第1期261-269,共9页
With the development of human robot interaction technologies, haptic interfaces are widely used for 3 D applications to provide the sense of touch. These interfaces have been utilized in medical simulation, virtual as... With the development of human robot interaction technologies, haptic interfaces are widely used for 3 D applications to provide the sense of touch. These interfaces have been utilized in medical simulation, virtual assembly and remote manipulation tasks. However, haptic interface design and control are still critical problems to reproduce the highly sensitive touch sense of humans. This paper presents the development and evaluation of a7-DOF(degree of freedom) haptic interface based on the modified delta mechanism. Firstly, both kinematics and dynamics of the modified mechanism are analyzed and presented. A novel gravity compensation algorithm based on the physical model is proposed and validated in simulation. A haptic controller is proposed based on the forward kinematics and the gravity compensation algorithm. To evaluate the control performance of the haptic interface, a prototype has been implemented. Three kinds of experiments: gravity compensation, static response and force tracking are performed respectively. The experimental results show that the mean error of the gravity compensation is less than 0.7 N and the maximum continuous force along the axis can be up to 6 N. This demonstrates the good performance of the proposed haptic interface. 展开更多
关键词 Dynamic modeling EVALUATION haptic interface impedance control
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A Virtual Simulation System for Ship Marine Auxiliary Boiler with Force and Haptic Feedback 被引量:1
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作者 Shiwen Wang Ning Zhang +2 位作者 Zhonghao Jiang Zhipeng Shen Hongdi Qiu 《通讯和计算机(中英文版)》 2014年第2期118-123,共6页
关键词 虚拟仿真系统 触觉反馈 锅炉用 船用 人机交互界面 船舶 培训系统 锅炉辅机
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On Point-Based Haptic Rendering
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作者 Shi Wen Shahram Payandeh 《Engineering(科研)》 2013年第5期14-24,共11页
Haptic rendering is referred to as an approach for complementing graphical model of the virtual object with mechanics- based properties. As a result, when the user interacts with the virtual object through a haptic de... Haptic rendering is referred to as an approach for complementing graphical model of the virtual object with mechanics- based properties. As a result, when the user interacts with the virtual object through a haptic device, the object can graphically deflect or deform following laws of mechanics. In addition, the user is able to feel the resulting interaction force when interacting with the virtual object. This paper presents a study of defining the levels-of-detail (LOD) in point-based computational mechanics for haptic rendering of objects. The approach uses the description of object as a set of sampled points. In comparison with the finite element method (FEM), point-based approach does not rely on any predefined mesh representation and depends on the point representation of the volume of the object. Different from solving the governing equations of motion representing the entire object based on pre-defined mesh representation which is used in FEM, in point-based modeling approach, the number of points involved in the computation of displacement/deformation can be adaptively defined during the solution cycle. This frame work can offer the implementation of the notion for levels-of-detail techniques for which can be used to tune the haptic rendering environment for in- creased realism and computational efficiency. This paper presents some initial experimental studies in implementing LOD in such environment. 展开更多
关键词 haptic RENDERING COMPUTATIONAL MECHANICS Point-Based modelING Level-of-Details
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计算机触觉:虚拟现实环境的力触觉建模和生成 被引量:34
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作者 王党校 焦健 +1 位作者 张玉茹 赵晓含 《计算机辅助设计与图形学学报》 EI CSCD 北大核心 2016年第6期881-895,共15页
触觉是人类5种感觉通道之一,在日常生活中发挥着不可缺少的作用.在虚拟现实和增强现实系统中,力触觉反馈的引入有望显著提高人机交互的沉浸感和交互性.文中综述了虚拟现实环境中力触觉感受的建模和生成方法,从力触觉生成与视觉生成的差... 触觉是人类5种感觉通道之一,在日常生活中发挥着不可缺少的作用.在虚拟现实和增强现实系统中,力触觉反馈的引入有望显著提高人机交互的沉浸感和交互性.文中综述了虚拟现实环境中力触觉感受的建模和生成方法,从力触觉生成与视觉生成的差异性出发,回顾了计算机触觉的发展历史和国内外研究现状,重点分析了虚拟物体建模、碰撞检测、碰撞响应、变形计算等关键技术,并提出了力触觉生成技术的未来发展趋势和技术挑战. 展开更多
关键词 计算机触觉 虚拟现实 力触觉建模 力触觉生成 人机交互
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数字人体的针灸力感虚拟现实初步研究 被引量:14
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作者 程卓 王海生 +3 位作者 闽友江 严振国 张虹 庄天戈 《中国医疗器械杂志》 CAS 2007年第1期5-9,共5页
讨论了虚拟现实技术在三维数字人体和穴位研究中的应用。在融合了腧穴组织结构信息的三维数字人体基础上,根据各组织的物理特性,分析针灸过程中针体与组织的相互作用力,以及部分行针模式中的力感特征,建立力学模型模拟针体受力,并通过... 讨论了虚拟现实技术在三维数字人体和穴位研究中的应用。在融合了腧穴组织结构信息的三维数字人体基础上,根据各组织的物理特性,分析针灸过程中针体与组织的相互作用力,以及部分行针模式中的力感特征,建立力学模型模拟针体受力,并通过力反馈设备真实地传递给操作者,为视觉和触觉信息融合一体的三维针灸人体建模作了初步探索,为针灸教学提供了一种动态的仿真手段。 展开更多
关键词 三维数字人体 针灸 触觉模型 力反馈
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具备实时力/触觉交互的增强形变模型 被引量:2
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作者 张小瑞 孙伟 +4 位作者 宋爱国 Norman I Badler 张小娜 牛建伟 刘佳 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第9期1932-1937,共6页
高效精确的形变模型是研究虚拟手术仿真的一个重要环节,以一种新颖、基于物理意义、叠加正交小波基的1/f噪声的增强力/触觉模型为基础,采用Force Dimension公司生产的Delta 6-DOF力/触觉交互设备,搭建了实时柔性体力/触觉再现系统。通... 高效精确的形变模型是研究虚拟手术仿真的一个重要环节,以一种新颖、基于物理意义、叠加正交小波基的1/f噪声的增强力/触觉模型为基础,采用Force Dimension公司生产的Delta 6-DOF力/触觉交互设备,搭建了实时柔性体力/触觉再现系统。通过医用手术镊子实现了对婴儿肚皮的单点、双点拉拽的交互操作。实验结果表明,该模型算法简单、计算速度快、力/触觉反馈平稳,形变效果逼真,能够满足虚拟手术仿真交互系统实时性和稳定性的要求,从而使操作者对虚拟环境的感知和交互更加准确真实。 展开更多
关键词 触觉模型 实时交互 手术仿真
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用于触觉建模的生物组织切割特征多参量采集 被引量:7
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作者 宋卫国 原魁 《系统仿真学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2006年第1期204-206,236,共4页
基于图像及三维磁跟踪的方法,设计了生物组织切割过程的多参量(切割力,切割深度及切割速度)采集系统,并针对猪肝脏,心脏,肌肉等软组织进行了系统性能的实验验证;研究了手术刀在切割不同组织时,切割速度,切割深度等与切割反馈力,破裂极... 基于图像及三维磁跟踪的方法,设计了生物组织切割过程的多参量(切割力,切割深度及切割速度)采集系统,并针对猪肝脏,心脏,肌肉等软组织进行了系统性能的实验验证;研究了手术刀在切割不同组织时,切割速度,切割深度等与切割反馈力,破裂极限间的相互关系,并初步给出了手术刀连续切割的力反馈触觉模型;为进一步研究生物组织的物理特性及基于真实的切割过程的手术模拟提供了实验条件。 展开更多
关键词 手术模拟 触觉模型 切割力采集 软组织
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遥操作机器人系统软组织环境触觉建模实验 被引量:3
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作者 徐晶晶 陈孝凯 曾庆军 《江苏科技大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2010年第1期79-82,共4页
软组织作业环境作为面向微创手术的遥操作机器人系统的一个显著特点,其动力学精确建模具有非常重要的意义.本文研制了一套遥操作机器人实验系统,在动物软组织插针实验的基础上提出了一种交互过程中的非线性软组织力反馈触觉模型,设计了... 软组织作业环境作为面向微创手术的遥操作机器人系统的一个显著特点,其动力学精确建模具有非常重要的意义.本文研制了一套遥操作机器人实验系统,在动物软组织插针实验的基础上提出了一种交互过程中的非线性软组织力反馈触觉模型,设计了该模型动力学参数辨识的实验研究方法,并通过最小二乘法辨识模型参数.结果表明:本文建立的非线性软组织动力学模型比较准确,能够反映插针过程中力的变化过程,可以应用于虚拟手术仿真和控制策略的研究. 展开更多
关键词 遥操作机器人 微创手术 软组织 触觉模型
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一种新颖的用于触觉再现的平行菱形链连接模型 被引量:2
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作者 张小瑞 宋爱国 +1 位作者 刘佳 李建清 《高技术通讯》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第7期749-753,共5页
针对如何提高虚拟触觉再现的精度与实时性问题,提出了一种新颖的基于物理意义的平行菱形链连接触觉变形模型。该模型中各个链结构单元中菱形的长度等比例变化,因而计算量小;改变链结构单元中菱形的长度和夹角就可方便对不同的柔性体进... 针对如何提高虚拟触觉再现的精度与实时性问题,提出了一种新颖的基于物理意义的平行菱形链连接触觉变形模型。该模型中各个链结构单元中菱形的长度等比例变化,因而计算量小;改变链结构单元中菱形的长度和夹角就可方便对不同的柔性体进行建模,系统中各个链结构单元的相对位移的叠加对外等效为物体表面的变形,与之相连的弹簧弹性力的合力等效为物体表面的接触力。利用手控器对柔性体的接触变形和实时虚拟触觉反馈进行了仿真。实验表明所提出的方法适用于柔性体的触觉反馈计算,能够满足精细作业对虚拟现实系统的要求。 展开更多
关键词 平行菱形链连接模型 触觉再现 虚拟现实
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腹腔镜手术中软组织按压仿真 被引量:6
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作者 张小瑞 段佳骊 +2 位作者 孙伟 朱利丰 宋爱国 《电子测量与仪器学报》 CSCD 北大核心 2018年第7期21-28,共8页
精确可靠的软组织变形模型对虚拟手术至关重要,针对现有模型的不足,提出了一种等节距圆锥形螺旋弹簧模型,模拟对腹腔镜手术中软组织的按压。该模型吸收了弹簧-质点模型计算快速的优点,通过变形截止层控制变形范围,提升模型的稳定性和精... 精确可靠的软组织变形模型对虚拟手术至关重要,针对现有模型的不足,提出了一种等节距圆锥形螺旋弹簧模型,模拟对腹腔镜手术中软组织的按压。该模型吸收了弹簧-质点模型计算快速的优点,通过变形截止层控制变形范围,提升模型的稳定性和精确度。为验证模型各方面性能,首先分别与有限元模型和真实软组织对比变形效果,然后记录力反馈输出与变形响应时间并与弹簧-质点模型比较,最后邀请受试者评分。实验结果表明,模型变形精度高,变形与力反馈输出响应时间均在20ms以下,且普遍低于弹簧-质点模型响应时间。在评分实验中本模型所模拟的3种软组织各指标均分分别为9.2、9.0和9.0,普遍高于其他模型均分。 展开更多
关键词 虚拟手术 软组织建模 力触觉反馈 变形仿真 腹腔镜手术
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虚拟物体的力/触觉模型及再现技术研究进展 被引量:4
12
作者 张小瑞 宋爱国 +1 位作者 刘佳 李建清 《系统仿真学报》 CAS CSCD 北大核心 2009年第15期4555-4560,共6页
虚拟物体在受力作用时的形变建模是虚拟环境中力/触觉人机交互的关键。分析了虚拟物体的力/触觉模型及再现技术的研究难点。介绍了当前六种有代表性的力/触觉模型:自由式形变模型、3D ChainMail模型、弹簧-质点模型、有限元模型、Shape-... 虚拟物体在受力作用时的形变建模是虚拟环境中力/触觉人机交互的关键。分析了虚拟物体的力/触觉模型及再现技术的研究难点。介绍了当前六种有代表性的力/触觉模型:自由式形变模型、3D ChainMail模型、弹簧-质点模型、有限元模型、Shape-Retaining Chain Linked模型、长单元模型,并在此基础上对这些模型的优缺点进行了比较。最后对力/触觉模型及再现技术的发展趋势进行了展望。 展开更多
关键词 虚拟现实 力/形变模型 力触觉再现 力反馈
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用于虚拟力觉再现的弹簧-质点力/变形模型研究 被引量:20
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作者 吴涓 宋爱国 李建清 《系统仿真学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2006年第11期3152-3156,共5页
为提高虚拟力觉再现的精度与实时性,提出了一种弹簧-质点力/变形模型,它将物体以受力点为中心,沿径向方向分割为呈同心圆分布的弹簧-质点系统。系统中各个质点的相对位移的叠加对外等效为物体表面变形,与之相连的弹簧弹性力的合力等于... 为提高虚拟力觉再现的精度与实时性,提出了一种弹簧-质点力/变形模型,它将物体以受力点为中心,沿径向方向分割为呈同心圆分布的弹簧-质点系统。系统中各个质点的相对位移的叠加对外等效为物体表面变形,与之相连的弹簧弹性力的合力等于物体表面的接触力。该方法由于分割只涉及到发生变形的局部区域,不需要对整个物体进行大量的矩阵运算;进行了基于图像边缘检测的变形测量,推导了模型参数;基于此力变形模型,利用DELTA手控器,进行了柔性物体接触变形以及实时虚拟力反馈的半物理仿真。 展开更多
关键词 力觉再现 弹簧-质点模型 虚拟现实 力/变形模型
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肝胆虚拟手术中的力觉弹性模型研究 被引量:2
14
作者 朱志有 鲍苏苏 +2 位作者 潘家辉 廖其光 段秀丽 《计算机工程与应用》 CSCD 北大核心 2007年第33期211-213,233,共4页
利用增强的64排螺旋CT数据,对肝胆脏器进行了力觉弹性模型建模研究。总结了国内外近年来软组织建模的研究状况、主要流程和关键技术,给出了适合肝胆虚拟手术的几何建模、物理/计算建型、网格划分、碰撞检测及基于PHANTOM力反馈设备的实... 利用增强的64排螺旋CT数据,对肝胆脏器进行了力觉弹性模型建模研究。总结了国内外近年来软组织建模的研究状况、主要流程和关键技术,给出了适合肝胆虚拟手术的几何建模、物理/计算建型、网格划分、碰撞检测及基于PHANTOM力反馈设备的实时响应计算方法。给出了相应的系统框架和结果,搭建了一个GHOST SDK下开发的虚拟环境,为肝胆虚拟手术进一步的仿真奠定了基础。 展开更多
关键词 64排螺旋CT 肝胆虚拟手术 力觉弹性模型
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基于数据手套的虚拟操作技术研究 被引量:2
15
作者 梅继红 雷小永 戴树岭 《系统仿真学报》 CAS CSCD 2002年第3期330-332,共3页
介绍了虚拟操作的概念和应用前景,以及实现虚拟操作的方法,并探讨了利用动力学分析的方法实现基于数据手套的虚拟操作时的关键技术问题:碰撞检测算法、建立虚拟接触力模型、虚拟物体运动解算等。
关键词 虚拟现实 虚拟操作 虚拟接触力模型 数据手套 计算机仿真
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手术仿真中基于导纳控制的力触觉形变模型 被引量:3
16
作者 张小瑞 孙伟 +3 位作者 朱利丰 宋爱国 Norman I.Badler 牛建伟 《计算机辅助设计与图形学学报》 EI CSCD 北大核心 2015年第1期114-119,共6页
为了在虚拟手术仿真中获得快速、准确的力触觉形变效果,提出一种基于导纳控制的力触觉形变模型.基于该模型,采用PHANTOM OMNI力触觉交互设备,以3DS MAX 2013,Microsoft Visual C++2012,Open GL函数库为基础搭建了实时柔性体力触觉再现系... 为了在虚拟手术仿真中获得快速、准确的力触觉形变效果,提出一种基于导纳控制的力触觉形变模型.基于该模型,采用PHANTOM OMNI力触觉交互设备,以3DS MAX 2013,Microsoft Visual C++2012,Open GL函数库为基础搭建了实时柔性体力触觉再现系统,实现了虚拟双手对心脏双点的拉拽交互操作.感知实验和交互效率的结果表明,所提出的模型简单有效,形变效果逼真、视觉反馈流畅、力触觉反馈平稳,操作者对虚拟环境的感知和交互准确可靠,能够满足虚拟手术仿真系统的要求. 展开更多
关键词 实时仿真 柔性体变形 力触觉交互 形变模型
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虚拟现实的力触觉交互技术发展现状与趋势 被引量:9
17
作者 王爱民 戴金桥 《测控技术》 CSCD 2007年第10期1-3,共3页
虚拟现实通过模拟人的视觉、听觉、力触觉等,使人处于一种与真实世界非常逼真的虚拟世界中,来感受、体验和评价虚拟世界中的场景和设备。力触觉在虚拟现实环境中有其突出优越性,力触觉使得虚拟现实环境变得真实,是唯一的既可接受周围环... 虚拟现实通过模拟人的视觉、听觉、力触觉等,使人处于一种与真实世界非常逼真的虚拟世界中,来感受、体验和评价虚拟世界中的场景和设备。力触觉在虚拟现实环境中有其突出优越性,力触觉使得虚拟现实环境变得真实,是唯一的既可接受周围环境输入又可以对周围环境输出的感知通道,可极大增强可视化表达的效果。虚拟现实的力触觉交互技术包括力触觉再现技术和虚拟环境的力触觉建模。介绍了这两方面的发展现状、存在的问题和今后的发展趋势。 展开更多
关键词 虚拟现实 力触觉再现 力触觉建模 交互
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基于真实切割的虚拟手术中力觉模型建模方法研究 被引量:7
18
作者 臧爱云 原魁 《中国体视学与图像分析》 2004年第2期114-119,共6页
本文提出了一种基于真实切割数据的用于虚拟手术的力觉模型建模方法。从能量守恒和状态转换角度 ,对真实切割力变化曲线进行了详细分析 ,研究了确定生物体材料断裂强度 ,和粘弹性变形时应力 -应变关系的方法。研制了一种手术刀力采集装... 本文提出了一种基于真实切割数据的用于虚拟手术的力觉模型建模方法。从能量守恒和状态转换角度 ,对真实切割力变化曲线进行了详细分析 ,研究了确定生物体材料断裂强度 ,和粘弹性变形时应力 -应变关系的方法。研制了一种手术刀力采集装置 ,该装置能够同时采集手术刀刃上的受力 ,刀的位姿信息 ,以及运动速度信息 ,具有结构紧凑 ,精度高 ,使用方便的特点。为基于真实生物体软组织切割力的虚拟手术中力觉模型建模提供了必要的条件。 展开更多
关键词 虚拟手术 力觉模型 力采集 断裂强度 应力-应变
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基于软组织形变力学信息虚拟手术力反馈过程仿真 被引量:3
19
作者 王沫楠 王成友 +1 位作者 刘雨铭 李召 《系统仿真学报》 CAS CSCD 北大核心 2015年第4期900-906,共7页
为了更好的实现对真实手术的力触觉模拟,利用质点弹簧模型建立了人体软组织的力学模型;应用四阶龙格库塔法解决了力学模型的计算问题;基于模块化设计思想完成了力反馈设备的设计;将力反馈设备通过ADAMS平台建模与力学算法程序相连接,实... 为了更好的实现对真实手术的力触觉模拟,利用质点弹簧模型建立了人体软组织的力学模型;应用四阶龙格库塔法解决了力学模型的计算问题;基于模块化设计思想完成了力反馈设备的设计;将力反馈设备通过ADAMS平台建模与力学算法程序相连接,实现了力学信息的传送过程和力反馈设备终端获取力学信息的模拟,该仿真对整个力反馈过程的进行实现了验证。仿真结果表明:力反馈设备可以实时获取力学信息。该项研究将虚拟现实与虚拟样机技术相结合,基于力反馈器虚拟设计实现力反馈过程的仿真模拟,为虚拟手术系统前期设计提供参考和设计依据。 展开更多
关键词 软组织建模 质点弹簧模型 力反馈器 虚拟手术
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振动触觉的量化感知与触觉文字编码设计 被引量:4
20
作者 褚少微 《计算机辅助设计与图形学学报》 EI CSCD 北大核心 2019年第6期1046-1052,共7页
针对移动设备上实现触觉交互和触觉阅读文字的难题,提出一种触觉感知量化和编码模型,并设计了振动数量索引字符表和摩斯电码2种触觉文字编码方案.该模型首先对振动触觉的振动时长、间隔时长、连续振动次数进行量化设计;然后通过实验测... 针对移动设备上实现触觉交互和触觉阅读文字的难题,提出一种触觉感知量化和编码模型,并设计了振动数量索引字符表和摩斯电码2种触觉文字编码方案.该模型首先对振动触觉的振动时长、间隔时长、连续振动次数进行量化设计;然后通过实验测定用户对振动量化感知的数值;再对不同的振动时长和振动次数进行编码;最后组合不同的编码来表达文字.对编码文字的用户识别率及满意度的可用性评估实验的结果表明,通过对振动触觉进行量化感知设计和编码可以有效地提高触觉阅读效率,比传统基于盲文等的编码方案具有更高的阅读效率及更好的易用性;文中模型可在移动设备上设计触觉交互界面,实现高效的触觉文字阅读系统. 展开更多
关键词 振动触觉 触觉文字编码 触觉界面 触觉建模
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