虚拟环境中力触觉建模与感知理论和方法研究

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1、东南大学博士学位论文虚拟环境中力/触觉建模与感知理论和方法研究姓名：陆熊申请学位级别：博士专业：测试计量技术及仪器指导教师：宋爱国20080920摘要作为一种新兴的人机交互技术，力／触觉再现技术借助力／触觉再现设备和计算机仿真环境，使得操作者可以触摸、感知和操纵虚拟物体。与视觉再现或听觉再现结合在一起，力／触觉再现技术能够极大程度地增强虚拟现实系统的真实感，进一步加强和拓展了虚拟现实技术在医疗、军事、工业、教育和日常生活中的应用。本论文以国家“九七三’’重点基础研究发展规划项目、国家自然科学基金项目和国家“八六三"高技术研究发展计划项目为依托，从实现

2、方法、模型建立、人机耦合稳定性和系统性能等方面，对虚拟环境中力／触觉再现中的一些关键问题进行了研究。论文研究工作中所有的实验系统，都是基于Delta力／触觉再现设备来构建的。对于一个力／触觉再现系统，数据采样系统的本质特性、作用力计算刷新率、力／触觉再现设备固有特性(阻尼、摩擦力和位移传感器量化误差)和操作者的行为特性等因素共同决定了系统的性能。论文通过实验研究了PC机和Windows操作系统环境下实现作用力计算循环控制的3种方法(时间查询法、多媒体定时器法和基于实时扩展方法)的性能，确立了基于实时扩展方法的适用性。提出了一种新颖的“超线程"力／触觉

3、再现体系结构，通过将力／触觉再现算法与其他耗时的事务解耦且以一定时间间隔连续触发多个力／触觉再现线程的途径，有效地提高了系统中作用力计算刷新率，进而提高了系统性能。该体系结构还因为能够容纳相对较大的算法计算时间，使得仿真较复杂的虚拟环境成为可能。考虑到速度参量在力／触觉再现作用力模型建立中的重要性，本文从交互过程中位移信息出发，利用位移峰值点和速度变化较大点作为分段点，分段进行速度估算。实验验证了该速度估算方法能够兼顾准确性和快速性，能够广泛应用于力／触觉再现系统。作为力／触觉再现系统中的主导性组成部分，操作者对系统性能有着重要的影响。针对人类操作者

4、手臂阻抗受多种因素(身体姿势和肌肉张力等)影响、大小可以在一定范围内调整和调整需要一定响应时间的特性，提出了一种利用随位置变化的磁力场来调节操作者手臂阻抗特性的方法。对比实验证明该方法能够在交互过程中逐渐提高操作者对扰动的抑制能力，从而增强人机耦合系统的稳定性。力／触觉再现系统是一个数据采样系统，系统中的采样保持环节会引起能量泄漏，从而有可能引起系统不稳定。为了消除这种能量泄漏，论文从无源性理论出发，提出了基于能量补偿控制的力／触觉再现方法。该方法以理想的连续时间力／触觉再现系统为参考，东南大学博士学文论文利用能量补偿控制器计算并补偿数据采样力／触觉

5、再现系统在每个采样周期内由于“做功差"引起的能量流差异。该方法不仅消除了系统中流出的过能量，还补偿了操作者对虚拟物体做功过程中的欠能量。基于虚拟墙系统进行了多实验对象参与的对比实验，验证了该方法能够有效地提高系统稳定性和仿真真实性。当基于能量补偿控制的方法能够有效地提高系统最大再现刚度时，力／触觉再现设备位移传感器量化误差成为影响系统性能的因素。提出了基于移动平均滤波器的方法和基于非线性弹簧模型的方法来抑制量化误差引起的干扰。前者通过仅在低速运动时用移动平均滤波器，获得抑制干扰且尽可能地减小滤波器时延的效果；后者融合线性弹簧模型和基于平方根方程的弹簧

6、模型，使得量化误差的干扰随着交互穿刺程度的增大而降低。基于物理意义的柔性物体形变模型对于构建医疗仿真等力／触觉再现系统具有重要的意义。本文提出了基于“棒集"的柔性物体形变模型并进行了仿真试验。该模型利用弹簧质点表面网络构建物体，并为每个质点定义了一个“虚拟棒”来限定质点仅能在法线方向移动。这种方法极大程度地减小形变计算过程中未知量个数(每个质点对应于一个未知量)，能够适用于任何弹簧质点网络构建的、不同特性的柔性物体形变仿真。关键词：力／触觉再现；“超线程"体系结构；基于峰值分段的速度估算；系统稳定性；操作者手臂机械阻抗；能量补偿控制方法；位移传感器量

7、化误差；基于“棒集"的弹簧质点模型ⅡAbstractHapticrenderingenablesthehumanoperatortofeel，touchandmanipulatethesimu-latedobjectsinthevirtualenvironmentWE)throughahapticdevice(interface)．Combinedwithvisual／audialrendering，hapticrenderingleadstoamorerealisticvirtualrealitysystemandbroadensitsfields

8、ofapplicationextensively．Thisdissertationissupportedby