【摘 要】
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力触觉再现借助于力触觉再现设备和计算机生成的虚拟仿真环境,使操作者可以触摸、感受和操作虚拟物体,从而进一步提高虚拟现实系统的真实感和沉浸感,因而具有广阔的应用领域
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力触觉再现借助于力触觉再现设备和计算机生成的虚拟仿真环境,使操作者可以触摸、感受和操作虚拟物体,从而进一步提高虚拟现实系统的真实感和沉浸感,因而具有广阔的应用领域。本文以虚拟手术仿真系统这一重要的应用为背景,开展了柔性物体建模、实验仿真和模型验证等方面的研究。在柔性物体建模方法中,基于物理意义的真实性和力触觉再现所需的实时性是两个相互矛盾的系统需求。本文在分析了力触觉再现中柔性物体建模研究现状和已有方法优缺点的基础上,提出了一种基于蜂窝状多孔固体结构的柔性物体力触觉再现模型。该模型以蜂窝单元为要素构建柔性物体的三维体模型,基于结构力学中的标准梁理论获得蜂窝单元形变和作用力的解析表达式,实现基于物理意义的柔性物体形变仿真。模型不仅具有较好的形变计算实时性,而且通过改变蜂窝单元的弹性模量、孔穴边长和内角等参数,可以实现线性与非线性形变仿真。基于FALCON设备和肝脏模型构建了一个力触觉再现原型系统,验证了该模型的实时性和真实性。针对柔性物体模型的参数优化和性能验证需求,本文基于作用力测量模块和FALCON设备,实现了一个柔性物体力触觉再现模型验证系统。作用力测量模块由集成2.4GHz无线信号传输、AD转换和USB接口的CC2531SoC芯片、微型力传感器、信号调理和放大等部分组成,用于实现最高800Hz采样率、14位转换精度和无线数据传输的作用力测量；FALCON设备用于实现三维位移测量。基于该验证系统,本文进行了不同工具和猪肝实物交互过程中的形变和作用力数据测量实验,为柔性物体力触觉再现模型的参数优化和性能验证奠定了重要基础。本文最后提出了柔性物体力触觉再现建模和模型验证方法今后的发展方向。
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