《面向精細操作模擬的六自由度力覺合成方法》是依託北京航空航天大學，由王黨校擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：面向精細操作模擬的六自由度力覺合成方法
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：王黨校
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
觸力覺互動是提高虛擬現實系統真實感的重要手段。在外科手術等精細操作任務中，手術工具和人體組織會出現多點多區域接觸，所產生的接觸力隨著工具的運動呈現出靈敏變化的特點。如何模擬力/力矩的靈敏變化，逼真再現人體組織的細節特徵對力覺感受的影響，並保證500~1KHz計算頻率，成為制約精細操作觸力覺感受的瓶頸問題。.為解決狹小空間下力覺感受對計算誤差敏感的問題，擬直接對手術工具的六維位姿變數建立約束最佳化模型，以消除目前經典碰撞回響算法的數值積分誤差。為反映觸摸細節特徵時的力覺感受，定義基本接觸約束對來描述物體表面的點/棱/尖角等凹凸並存的細節特徵，避免前人的虛擬匹配算法對細節特徵力覺感受的損失，並能夠保證穩定性。最後通過牙科手術模擬實例來驗證力覺合成效果。.課題成果對於精細操作的虛擬手術培訓（牙科/眼科/微小創傷手術等）提供技術基礎，對於航空航天等精密產品的虛擬裝配和維修也具有套用價值。
結題摘要
力觸覺生成是構建虛擬現實系統的核心技術之一。現有的力觸覺生成方法不能很好地解決模擬複雜形狀物體產生多點多區域接觸時的1kHz力覺生成這一難題，這種現狀嚴重製約了力觸覺互動在虛擬現實系統中的套用。 本項目提出了一種新型的基於廣義位姿最佳化的六自由度力覺合成計算框架和系列化模擬算法，能夠模擬凹凸幾何特徵並存的複雜形狀物體之間的多物理屬性互動（剛體接觸力生成、摩擦力生成、彈性體互動、細節特徵感知），保證了多點多區域接觸和保持細節特徵的六自由度力覺生成精度、穩定性和實時性（＞1kHz）。該算法尤其適用於狹小緊緻空間下的物理約束更新頻繁的精細操作任務模擬，例如外科和微創手術操作、機械零部件裝配等。 為評估所研究力覺生成算法的逼真性，我們在本項目中提出了基於實測數據的力覺互動真實感評價方法，研製了基於穿戴式力感測裝置的操作力測量裝置，以及基於空心測量裝置的力位聯合測量裝置。基於這些裝置所測得的數據可以建立力覺互動過程中運動和力的基準信號，為力覺生成算法的評價提供金標準。 基於本項目的理論研究成果，研製了視聽觸融合虛擬現實牙科手術模擬器（iDental），模擬了口腔狹小空間內的精細操作任務，包括牙周袋深度探診、齦上牙石潔治和齦下牙石刮治等操作，並驗證了本項目所提出的力觸覺生成方法能夠穩定實時地模擬出手術器械和牙齒、牙齦、舌頭等不同軟硬組織之間的多點多區域接觸互動行為。這將能為醫生手術操作的精細動作提供訓練及其力覺體驗效果。該模擬器已經被華西口腔醫學院和北京大學口腔醫學院採用，作為一個主要發明點獲2013年教育部技術發明一等獎。 本項目累計發表學術論文21篇，其中IEEE Transactions論文7篇，國際觸覺領域頂級會議IEEE World Haptics Conference等會議論文9篇。論文被多位ACM Fellow和IEEE Fellow等國際知名學者引用。在Springer出版英文專著，在國際上首次提出精細操作的概念和力覺合成計算架構，系統化總結了本項目提出的基於直接位姿約束最佳化的六自由度力覺合成的研究成果。國際著名學者Ming C. Lin為專著作序，出版1年多下載量超過1100次。 課題的成果不僅為模擬複雜形體多點多區域接觸時的高頻力覺生成提供了實時性更好的新算法及其評價標準，而且為構建複雜場景和精細操作的虛擬現實系統提供了核心技術。
