带有力反馈功能的增强现实脑穿刺手术训练系统研发
这是一篇关于虚拟手术系统,增强现实,力反馈,脑穿刺,虚实交互的论文, 主要内容为外科手术是治疗疾病的必要手段之一,随着医学的不断发展,医院对外科医生的需求越来越大。目前外科医生普遍通过课堂学习、观摩实践等传统方式进行手术培训,因其训练周期长、成本高,已远远无法满足医院的需求。虽然市面上有一些基于仿真技术的虚拟手术系统,能在一定程度上解决传统手术培训方式的不足。但是这些虚拟手术系统,要么采用二维视野,可操作性差,要么使用VR沉浸式视野,搭建成本高、长时间使用容易产生疲劳眩晕感。这些问题导致虚拟手术系统并不能在外科医生的培训中得到广泛使用。增强现实(Augmented Reality,简称AR)具有立体视野,交互性强,开发成本低,长时间不会有眩晕感等优点。为解决传统培训方式的不足,克服现有虚拟手术系统的缺点,为医疗机构提供高效、易用、可靠、低成本的手术培训方案。将AR技术与力反馈技术结合起来,以脑穿刺手术为研究案例,开发了带有力反馈功能的AR脑穿刺手术训练系统。主要研究内容如下:1)分析系统的功能需求,提出包含AR视觉交互模块和力反馈交互模块在内的总体开发框架,以实现用实体穿刺针对虚拟颅脑模型进行手术操作。2)开发AR视觉交互模块。第一步先使用图像识别和三维注册算法完成AR融合。之后研究相机自动对焦、相机位姿异常提示和标记图坐标实时平滑处理三种方案,解决AR标记识别稳定性差的问题。紧接着提出“主图+位姿调整”的虚实配准方案,实现虚拟穿刺针和实体穿刺针的高精度配准,解决传统AR配准方案精度不足的问题。通过上述研究,为力觉模块的开发搭建AR环境。3)开发力反馈交互模块。首先通过坐标映射算法实现对力反馈设备的交互控制。然后提出基于AABB包围盒树的碰撞检测方法,解决简单包围盒精度不足和重复包裹的问题。接着根据颅脑组织的结构特点设计其理论反馈力公式。最后,为解决虚实交互问题,提出基于模型代理的方案,将触觉空间与AR空间进行匹配,实现实体穿刺针与虚拟颅脑模型交互时的视、力觉反馈。4)整合AR和力反馈模块,搭建脑穿刺手术训练系统的原型系统,并测试系统各模块功能及工作性能是否满足设计需求。其次进行用户实验,验证系统的有效性。实验结果是使用本系统进行训练的学生,比仅通过视频资料进行学习的学生,能更好地掌握相关手术技能,证明所设计的系统在提升手术培训质量上具有良好的效果。
无人机攻击决策虚拟孪生系统关键技术研究
这是一篇关于虚拟孪生,无人机,攻击决策,虚实交互,人机交互,辅助决策的论文, 主要内容为在无人作战装备迅速发展的今天,无人机凭借其卓越的攻击性能成为重点研究对象,受到国内外学者的广泛关注。目前,对无人机作战的研究手段大多基于实体飞行与仿真实验相结合的方式,但在作战仿真过程中存在模型精度较低、虚实交互运行较难、指挥员作战体验较弱等问题,亟需得到解决。本文基于虚拟孪生技术开发了无人机攻击决策仿真系统。首先,在架构规则基础上,本文设计了无人机攻击决策虚拟孪生系统的总体架构;第二,重新设计无人机软硬件环路,实现虚实体无人机的交互通信;第三,优化求解无人机攻击决策问题,并为指挥员提供显示界面和指令窗口;最后,设计了多个虚实结合场景,通过仿真运行进行案例验证。论文的研究内容包括以下四个方面:1.设计无人机攻击决策虚拟孪生系统总体架构。本文以单架四旋翼无人机为研究对象,结合“实体对象+虚拟对象+应用服务”的模型设计原则,设计了满足无人机攻击决策任务需求的物理框架和系统通信交互需求的逻辑框架。在此基础上,根据通用性五维模型设计原则,综合集成了系统的总体架构,作为无人机攻击决策仿真系统的开发基础。2.实现虚拟无人机和实体无人机之间的交互通信。针对模型精度较低和虚实无人机交互较难的情况,本文首先将开源机器人操作系统ROS作为虚拟孪生系统的开发基础,构建精准化数字孪生体。其次,对无人机软硬件环路进行重新设计与改造。最后,通过虚实无人机仿真实验,验证无人机攻击决策虚拟孪生系统的数据通信精度和虚实交互性能。3.设计虚拟孪生系统下面向指挥员的辅助决策方案。针对指挥员作战体验较弱的情况,本文首先利用多功能仿真软件Gazebo等进行可视化虚拟场景构建,为指挥员提供直观可达的显示界面。然后调用便捷高效的指令下达窗口,供指挥员实时指挥控制虚拟无人机和实体无人机,并采用粒子群算法对无人机攻击决策问题进行优化求解,为指挥员实时输出辅助决策方案。4.设计无人机虚实结合案例。本文首先基于对孪生无人机的精度考察,设计不同虚拟场景的巡航案例和实际场景的虚实结合案例。然后在确保系统可靠与可行的基础上,编辑无人机攻击决策想定,设计无人机在想定背景下的投弹案例。通过仿真数据分析和对比,验证了无人机攻击决策虚拟孪生系统的基础运行功能和辅助决策性能,案例运行结果表明无人机攻击决策毁伤率超过80%,能够有效实现精准攻击的目的。
面向工业互联的制造资源数字化封装技术研究
这是一篇关于网络协同制造,资源建模,数字化封装,云边交互,虚实交互的论文, 主要内容为随着互联网、AI技术的高速发展和国内工业形势的内在需求,传统制造业正在迈向具有工业互联特点并融合了大数据分析、故障诊断、可视化监控、智能优化等技术的“智能制造”、“网络协同制造”方向发展。信息物理系统高度融合,工业数据成为现代制造的一项核心要素,云边数据交互呈现跨系统跨平台的特点。对海量异构的制造资源实体进行数据监测并对接云端,成为网络协同制造的关键一环。传统工业模式下的数据采集方式已经难以满足平台化、协同化的云端数据采集的要求。因此,如何对包括人、机、料、法、环在内的制造资源做出合理的描述和数字化封装,从而进一步进行云端数据采集和实现制造资源的虚实交互过程,成为一个重要研究方向。主要研究内容为:(1)对种类多、数量大的制造资源进行分类归纳与描述,根据网络协同制造资源自身特性进行了属性划分,形成了制造资源元数据;提出基于OWL的网络协同制造模式下制造资源数字化描述与建模方法,构建了制造资源本体模型示例,该模型体现了对制造资源的数字化描述,为网络协同制造的协同交互和数据交换过程提供了有效参考。(2)针对工业数据云端采集的需要,研究主要的数据封装技术和网络通信手段,提出了基于RESTful Web Services的云边数据交换方法。该方法以制造资源的建模与描述为基础,通过云平台发布Web开放接口,边缘侧调用接口的方式实现数据交互过程。采用Spring Boot框架,通过构建云、边的数据交换模块,对方法做出了系统实现,完成了制造资源静态数据和动态数据上云过程。(3)面向制造资源云端三维可视化虚实交互的需要,研究可靠的实时通信方法、三维仿真软件和系统实现方法。提出了基于OPC UA的制造资源云端三维可视化虚实联动方案。该方法通过构建OPC UA服务器进行数据接入,将Visual Components仿真软件作为OPC UA客户端进行可视化呈现。采用交换机和主机模拟云边跨网络环境,以6轴机械臂为例完成了系统方案的实现。
面向工业互联的制造资源数字化封装技术研究
这是一篇关于网络协同制造,资源建模,数字化封装,云边交互,虚实交互的论文, 主要内容为随着互联网、AI技术的高速发展和国内工业形势的内在需求,传统制造业正在迈向具有工业互联特点并融合了大数据分析、故障诊断、可视化监控、智能优化等技术的“智能制造”、“网络协同制造”方向发展。信息物理系统高度融合,工业数据成为现代制造的一项核心要素,云边数据交互呈现跨系统跨平台的特点。对海量异构的制造资源实体进行数据监测并对接云端,成为网络协同制造的关键一环。传统工业模式下的数据采集方式已经难以满足平台化、协同化的云端数据采集的要求。因此,如何对包括人、机、料、法、环在内的制造资源做出合理的描述和数字化封装,从而进一步进行云端数据采集和实现制造资源的虚实交互过程,成为一个重要研究方向。主要研究内容为:(1)对种类多、数量大的制造资源进行分类归纳与描述,根据网络协同制造资源自身特性进行了属性划分,形成了制造资源元数据;提出基于OWL的网络协同制造模式下制造资源数字化描述与建模方法,构建了制造资源本体模型示例,该模型体现了对制造资源的数字化描述,为网络协同制造的协同交互和数据交换过程提供了有效参考。(2)针对工业数据云端采集的需要,研究主要的数据封装技术和网络通信手段,提出了基于RESTful Web Services的云边数据交换方法。该方法以制造资源的建模与描述为基础,通过云平台发布Web开放接口,边缘侧调用接口的方式实现数据交互过程。采用Spring Boot框架,通过构建云、边的数据交换模块,对方法做出了系统实现,完成了制造资源静态数据和动态数据上云过程。(3)面向制造资源云端三维可视化虚实交互的需要,研究可靠的实时通信方法、三维仿真软件和系统实现方法。提出了基于OPC UA的制造资源云端三维可视化虚实联动方案。该方法通过构建OPC UA服务器进行数据接入,将Visual Components仿真软件作为OPC UA客户端进行可视化呈现。采用交换机和主机模拟云边跨网络环境,以6轴机械臂为例完成了系统方案的实现。
面向工业互联的制造资源数字化封装技术研究
这是一篇关于网络协同制造,资源建模,数字化封装,云边交互,虚实交互的论文, 主要内容为随着互联网、AI技术的高速发展和国内工业形势的内在需求,传统制造业正在迈向具有工业互联特点并融合了大数据分析、故障诊断、可视化监控、智能优化等技术的“智能制造”、“网络协同制造”方向发展。信息物理系统高度融合,工业数据成为现代制造的一项核心要素,云边数据交互呈现跨系统跨平台的特点。对海量异构的制造资源实体进行数据监测并对接云端,成为网络协同制造的关键一环。传统工业模式下的数据采集方式已经难以满足平台化、协同化的云端数据采集的要求。因此,如何对包括人、机、料、法、环在内的制造资源做出合理的描述和数字化封装,从而进一步进行云端数据采集和实现制造资源的虚实交互过程,成为一个重要研究方向。主要研究内容为:(1)对种类多、数量大的制造资源进行分类归纳与描述,根据网络协同制造资源自身特性进行了属性划分,形成了制造资源元数据;提出基于OWL的网络协同制造模式下制造资源数字化描述与建模方法,构建了制造资源本体模型示例,该模型体现了对制造资源的数字化描述,为网络协同制造的协同交互和数据交换过程提供了有效参考。(2)针对工业数据云端采集的需要,研究主要的数据封装技术和网络通信手段,提出了基于RESTful Web Services的云边数据交换方法。该方法以制造资源的建模与描述为基础,通过云平台发布Web开放接口,边缘侧调用接口的方式实现数据交互过程。采用Spring Boot框架,通过构建云、边的数据交换模块,对方法做出了系统实现,完成了制造资源静态数据和动态数据上云过程。(3)面向制造资源云端三维可视化虚实交互的需要,研究可靠的实时通信方法、三维仿真软件和系统实现方法。提出了基于OPC UA的制造资源云端三维可视化虚实联动方案。该方法通过构建OPC UA服务器进行数据接入,将Visual Components仿真软件作为OPC UA客户端进行可视化呈现。采用交换机和主机模拟云边跨网络环境,以6轴机械臂为例完成了系统方案的实现。
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