基于微力感知的ICF关键零件精密装配方法及实验研究

这是一篇关于微装配,柔性,力传感器,力感知,力反馈的论文, 主要内容为核聚变试验无论在能源安全层面还是在国防安全层面都有着重要的意义,微靶零件作为激光约束核聚变物理试验中的关键部件,它的装配精度直接影响着核聚变点火实验的成败。微靶零件通常由多个微小零件精密组装而成,这些微小零件往往有着跨尺度、不规则、易变形的特点,并且对于装配精度也有着较高的要求。传统的微靶装配依赖专业技术人员手工装配,装配效率和成功率较低,无法满足不断发展的微靶试验的研究。因此针对微靶零件装配方法的研究对于微靶试验具有重要意义。本文涉及的实验室聚变研究领域的微靶器件主要是惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)关键零件,此类零件形状不规则且在装配时的工作空间狭小,由于景深小、视野小和图像遮挡等原因,使得显微视觉实时获取零件装配状态变得困难。为了保证ICF关键零件的高效高精度装配需求,需要通过微力感知实现对狭小复杂装配环境中的零件装配状态的获取。本文在分析国内外微力感知方法和精密装配研究现状的基础上,针对ICF关键零件的基本特性以及对其装配工艺的分析,设计了一种具有显微视觉和微力感知的柔性微装配系统,并进行了相关实验研究。本文的主要研究内容包括以下几点:(1)完成了柔性微装配系统硬件部分的设计。根据ICF关键零件的装配要求确定了微装配系统的硬件总体构成,并设计了微装配平台的主体结构,针对靶丸高精度检测指标设计并制备了复合量程微力传感器。(2)完成了柔性微装配系统控制部分的设计。基于微装配系统硬件部分设计确定了控制系统的总体构成,分析了微装配平台的运动学模型并对其进行运动学分析和工作空间计算,根据微装配系统设计了上位机操作软件,完成了微装配系统伺服控制算法的设计。(3)建立了微装配对象及其操作器的力学模型,并分析了装配受力接触状态;在力学分析的基础上,结合微装配系统设计了 ICF零件的装配策略,包含套筒组件-金腔装配的装配策略和半腔组件-诊断环-靶丸的装配策略,通过不同视角的状态简图详细阐述了装配的视觉引导以及力控制的具体流程,为后文微装配实验的进行提供了良好的策略支持。(4)开展了微装配系统的实验研究。完成了对柔性支承平台的标定和性能测试,制定了复合量程微力传感器的分辨率测试实验,并对传感器进行了标定,最后基于微力感知开展了 ICF零件的装配验证实验,最终实验结果验证了微装配系统的有效性和装配控制策略的可行性。实验结果显示,针对靶丸可以实现几十微牛至几毫牛的力检测范围,针对套筒组件-金腔以及半腔组件-诊断环可以实现毫牛级力检测精度,能够满足零件的装配需求。

遥操作机器人虚拟环境建模及实验研究

这是一篇关于空间机器人遥操作,时延,虚拟环境建模,力反馈的论文, 主要内容为面对恶劣的太空环境和精细的太空作业,空间机器人可以代替人类进行很多重要的作业任务,是开展深空探测的主要手段,具有广阔的应用前景。然而,操作者与机器人之间因为空间位置上的分离,二者之间的信号传输存在较大的时延,极大地影响了作业质量,降低了操作者的作业效率。而基于虚拟环境建模技术的交互式遥操作机器人系统能够削弱时延的影响,提高作业的稳定性和可操作性。虚拟环境建模技术与环境模型的精确度密切相关,当虚拟环境与真实环境不一致时,还会导致操作者做出错误判断。为了真实还原远端真实环境,实现“身临其境”的作业感受,本文对虚拟环境建模技术、虚拟环境模型在线修正、通讯时延等关键技术展开深入研究。?将虚拟环境划分成已知的机械臂模型和复杂未知的作业场景两部分,分别采用模型导入和摄像头信息提取的方法,将摄像头采集的环境点云信息经过坐标系变换叠加到机械臂模型上,完成虚拟环境的几何学建模。?根据物体颜色、形状等特点,通过HSL色彩特征提取、滤除离群点以及RANSAC算法获取障碍物和目标物体的位置信息,同时以机械臂与物体接触时产生的力信号作为环境物体的精确位置,用于虚拟环境的几何模型修正;?针对七自由度机械臂的构型特点,进行D-H参数建模,完成机械臂正向、逆向运动学分析,保障机械臂运动的连贯性和稳定性;?针对机械臂的动力学建模问题,详细介绍了质量-阻尼-弹簧动力学模型,通过接收从端反馈的力和位置信息,利用滑动平均最小二乘法,进行环境动力学参数辨识,计算虚拟接触力,能够真实有效地模拟机械臂末端与环境的交互力。本文在理论分析的同时,设计并搭建了空间机器人遥操作地面实验系统,主要包括六自由度力反馈手控器、主端虚拟环境、UDP网络通信、从端机械臂ROS控制系统、七自由度机械臂等。针对空间机器人遥操作作业需求,设计并完成了一系列不同时延条件下的位置跟踪、交互力跟踪、环境动力学参数辨识等实验,结果表明本文所提出的基于点云的虚拟环境建模方法能有效地降低时延对交互式遥操作机器人系统的影响,在时延010秒内具有良好的力和位置跟踪效果,能够在线辨识虚拟环境的动力学参数,系统具有良好的稳定性和可操作性,操作者具有良好的操作体验,为后续空间遥操作机器人系统的功能验证和性能测试提供了理论依据和实验平台。可以预计,基于虚拟环境建模技术的空间遥操作机器人将被应用于更多更复杂的空间活动,比如进行空间特殊环境下的科学实验、卫星维护和回收、空间站的维护和发展等。

虚拟手术系统的搭建和力反馈算法研究

这是一篇关于虚拟手术,建模,力反馈,稳定性,MOFC算法的论文, 主要内容为虚拟手术系统是虚拟现实的一项重要应用。传统的手术训练使用动物或者尸体为对象,存在伦理约束和真实感差等各种局限,因而引发了虚拟手术系统研发的热潮。虚拟手术系统对医生的手术训练有着重要作用,不仅减少了培训时间,还降低了手术过程的风险。在虚拟手术系统中引入力反馈,使操作者在交互过程中感受到与对象碰撞的力觉,使手术训练更加逼真。论文研究了虚拟手术系统的三维建模、碰撞检测、力反馈、稳定性。其中,建模包括几何建模和物理建模。在几何建模方面,根据医院扫描的CT数据,再基于Mimics软件三维场景建模,使用OpengGL进行纹理贴图。在物理建模方面,用弹簧阻尼模型计算形变。点云数据剖分是碰撞检测的前提条件,采用八叉树剖分算法组织点云数据,叶子结点存放三维坐标、半径、法向量、颜色值等信息,这些信息能够保证真实地再现手术场景和手术过程。碰撞检测采用包围球算法,并根据基于密度的力反馈公式计算出力反馈大小。搭建了真实感较高的虚拟手术系统。稳定性是虚拟手术力反馈模块中的重要环节,然而稳定性和透明性又是一对矛盾体。本文根据无源理论设计了最大输出力控制算法(MOFC),在保证系统稳定性的前提下最大程度保证力反馈的透明性。根据二端口网络结构,把虚拟手术系统分解成四个二端口级联子系统:操作者、力反馈设备、采样保持器和虚拟组织。保证各个子系统稳定,从而使得整个系统稳定。实验表明,不管是在低刚度或者高刚度系数环境下系统都能够稳定,系统透明性都在86%以上。

空间机械臂任务虚拟训练系统研制

这是一篇关于机械臂,虚拟现实,碰撞检测算法,力反馈的论文, 主要内容为在中国空间站建造与运营过程中,为提高在轨操作任务执行效率及安全性,需利用空间机械臂辅助或替代航天员完成在轨操作任务,这使得空间机械臂成为中国空间站建设运营过程中必不可少的关键设备。由于特殊的空间环境、复杂且繁重的在轨操作任务对空间机械臂地面操控人员,即飞控岗位人员,提出了更高的要求,且空间机械臂结构复杂、缺少地面实物训练平台,传统的岗位训练系统和机制难以适应空间机械臂这类复杂系统的培训需求,因此亟需构建符合当前飞控岗位培训的任务需求的空间机械臂任务虚拟训练系统,提高岗位培训效率,降低岗位培训成本,这对中国空间站建设和机械臂任务虚拟培训领域发展具有重要的工程价值及实际意义。本文拟针对空间机械臂任务虚拟训练系统的虚拟岗位培训机制、虚拟场景中机械臂碰撞检测和接触力反馈等问题开展研究工作,具体研究内容如下:首先,开展基于虚拟现实的空间站机械臂任务虚拟训练系统软件架构设计。通过对虚拟训练系统进行功能需求和性能需求分析,确定该训练系统所需功能模块以及对应的性能指标;基于经典MVC系统架构模式,结合训练系统的需求分析结果,设计训练系统的视图层、控制层和模型层,基于封装分层思想降低系统模块间的耦合度,提高系统的灵活度和扩展性;根据虚拟训练系统的需求分析与架构设计划分系统功能模块单元,并设计其工作流程;分析空间机械臂典型在轨任务特点,制定各任务的考核指标和考核流程。其次,进行虚拟场景中机械臂碰撞检测方法研究。基于混合包围盒八叉树研究碰撞检测算法,对空间机械臂模型和空间站舱体模型进行预处理,构建基于模型点云文件的混合包围盒八叉树,以其为基础设计并实现虚拟训练系统碰撞检测算法;针对机械臂单一构型和机械臂连续运动两种情况,分别设计基于深度优先搜索算法和双向广度搜索算法的机械臂单一构型碰撞检测算法以及基于时空相关性的机械臂连续运动碰撞检测算法,提高虚拟训练系统中碰撞检测算法的计算效率。再次,完成基于弹簧-阻尼模型的机械臂力反馈系统研究。针对虚拟训练系统中图形渲染和力渲染的同步问题,对力反馈系统进行总体架构设计、力反馈设备选型和工作流程设计;将碰撞检测算法与弹簧-阻尼模型结合,计算模型接触时的接触力;设计并开展实验验证力反馈系统和力反馈算法的有效性和鲁棒性。最后,为验证虚拟训练系统对岗位训练的有效性,展示本文研制的空间机械臂任务虚拟训练系统在机械臂操作岗位培训领域的应用价值,搭建以天和机械臂系统为对象的虚拟训练系统,并针对本文所设计的虚拟场景中空间机械臂碰撞检测算法和力反馈系统,设计对应的操作任务培训实验,验证算法和训练系统的准确性及有效性。

基于力反馈的口腔临床虚拟教学系统设计与开发

这是一篇关于虚拟手术,QT,碰撞检测,力反馈,软件开发的论文, 主要内容为随着现代医学模式的转变和人们对健康概念的更新,人们也越来越关注口腔健康和口腔美观,如何快速培养合格的年轻外科医生是一项非常紧迫的任务。因此,本文所开发的基于力反馈的口腔临床虚拟教学系统(Oral Clinical Virtual Teaching System,OCVTS)可以缩短口腔医生手术训练周期,有利于缓解现阶段口腔医生短缺的局面,为满足人们对美好生活的需要具备重要的现实意义。本文研究内容如下:1)在软件的架构和流程设计中,本系统基于C/S(客户端/服务器)模式的软件架构,改进通信方式用共享内存和事件代替网络,设计QT进程作为客户端和ICT(ImageCollide-Touch)进程作为服务端的软件,能有效提高系统的实时性。然后分析整个系统的数据流,分别从前台和后台两个方面设计功能模块,同时对前后类间关系进行表示。2)开发系统软件为八个模块,分别是场景构建模块、模型导入模块、方向选择模块、碰撞检测模块、设备管理模块、力触觉渲染模块、信息显示模块与钻削渲染模块。在碰撞检测模块详细阐述了层次包围盒检测算法,本文提出了基于八叉树结构的AABB包围盒算法,八叉树结构相对于传统AABB算法提高了24.1%,相对于二叉树结构提高了11.8%,实现了高实时、高精准的碰撞检测,同时设计了手术工具车针与牙齿间的碰撞检测流程。3)在力触觉渲染模块,首先对力反馈的原理及物理模型进行阐述,对常用的力反馈物理模型求解算法进行比较,选用求解速度快、实时性好的质点-弹簧算法对力反馈物理模型进行求解,力反馈过程使用God-Object方法,反馈力大小计算使用胡克定理。另外,在钻削渲染模块中,通过体素的消除模拟牙齿被钻削的手术实验。对系统进行功能测试和性能测试,测试结果表明,本文设计与开发的系统具有较真实手术训练环境和手术过程,精确、高效的碰撞检测和力反馈,满足虚拟手术系统实时性的要求。

虚拟手术系统的搭建和力反馈算法研究

这是一篇关于虚拟手术,建模,力反馈,稳定性,MOFC算法的论文, 主要内容为虚拟手术系统是虚拟现实的一项重要应用。传统的手术训练使用动物或者尸体为对象,存在伦理约束和真实感差等各种局限,因而引发了虚拟手术系统研发的热潮。虚拟手术系统对医生的手术训练有着重要作用,不仅减少了培训时间,还降低了手术过程的风险。在虚拟手术系统中引入力反馈,使操作者在交互过程中感受到与对象碰撞的力觉,使手术训练更加逼真。论文研究了虚拟手术系统的三维建模、碰撞检测、力反馈、稳定性。其中,建模包括几何建模和物理建模。在几何建模方面,根据医院扫描的CT数据,再基于Mimics软件三维场景建模,使用OpengGL进行纹理贴图。在物理建模方面,用弹簧阻尼模型计算形变。点云数据剖分是碰撞检测的前提条件,采用八叉树剖分算法组织点云数据,叶子结点存放三维坐标、半径、法向量、颜色值等信息,这些信息能够保证真实地再现手术场景和手术过程。碰撞检测采用包围球算法,并根据基于密度的力反馈公式计算出力反馈大小。搭建了真实感较高的虚拟手术系统。稳定性是虚拟手术力反馈模块中的重要环节,然而稳定性和透明性又是一对矛盾体。本文根据无源理论设计了最大输出力控制算法(MOFC),在保证系统稳定性的前提下最大程度保证力反馈的透明性。根据二端口网络结构,把虚拟手术系统分解成四个二端口级联子系统:操作者、力反馈设备、采样保持器和虚拟组织。保证各个子系统稳定,从而使得整个系统稳定。实验表明,不管是在低刚度或者高刚度系数环境下系统都能够稳定,系统透明性都在86%以上。

空间机械臂任务虚拟训练系统研制

这是一篇关于机械臂,虚拟现实,碰撞检测算法,力反馈的论文, 主要内容为在中国空间站建造与运营过程中,为提高在轨操作任务执行效率及安全性,需利用空间机械臂辅助或替代航天员完成在轨操作任务,这使得空间机械臂成为中国空间站建设运营过程中必不可少的关键设备。由于特殊的空间环境、复杂且繁重的在轨操作任务对空间机械臂地面操控人员,即飞控岗位人员,提出了更高的要求,且空间机械臂结构复杂、缺少地面实物训练平台,传统的岗位训练系统和机制难以适应空间机械臂这类复杂系统的培训需求,因此亟需构建符合当前飞控岗位培训的任务需求的空间机械臂任务虚拟训练系统,提高岗位培训效率,降低岗位培训成本,这对中国空间站建设和机械臂任务虚拟培训领域发展具有重要的工程价值及实际意义。本文拟针对空间机械臂任务虚拟训练系统的虚拟岗位培训机制、虚拟场景中机械臂碰撞检测和接触力反馈等问题开展研究工作,具体研究内容如下:首先,开展基于虚拟现实的空间站机械臂任务虚拟训练系统软件架构设计。通过对虚拟训练系统进行功能需求和性能需求分析,确定该训练系统所需功能模块以及对应的性能指标;基于经典MVC系统架构模式,结合训练系统的需求分析结果,设计训练系统的视图层、控制层和模型层,基于封装分层思想降低系统模块间的耦合度,提高系统的灵活度和扩展性;根据虚拟训练系统的需求分析与架构设计划分系统功能模块单元,并设计其工作流程;分析空间机械臂典型在轨任务特点,制定各任务的考核指标和考核流程。其次,进行虚拟场景中机械臂碰撞检测方法研究。基于混合包围盒八叉树研究碰撞检测算法,对空间机械臂模型和空间站舱体模型进行预处理,构建基于模型点云文件的混合包围盒八叉树,以其为基础设计并实现虚拟训练系统碰撞检测算法;针对机械臂单一构型和机械臂连续运动两种情况,分别设计基于深度优先搜索算法和双向广度搜索算法的机械臂单一构型碰撞检测算法以及基于时空相关性的机械臂连续运动碰撞检测算法,提高虚拟训练系统中碰撞检测算法的计算效率。再次,完成基于弹簧-阻尼模型的机械臂力反馈系统研究。针对虚拟训练系统中图形渲染和力渲染的同步问题,对力反馈系统进行总体架构设计、力反馈设备选型和工作流程设计;将碰撞检测算法与弹簧-阻尼模型结合,计算模型接触时的接触力;设计并开展实验验证力反馈系统和力反馈算法的有效性和鲁棒性。最后,为验证虚拟训练系统对岗位训练的有效性,展示本文研制的空间机械臂任务虚拟训练系统在机械臂操作岗位培训领域的应用价值,搭建以天和机械臂系统为对象的虚拟训练系统,并针对本文所设计的虚拟场景中空间机械臂碰撞检测算法和力反馈系统,设计对应的操作任务培训实验,验证算法和训练系统的准确性及有效性。

空间机械臂任务虚拟训练系统研制

这是一篇关于机械臂,虚拟现实,碰撞检测算法,力反馈的论文, 主要内容为在中国空间站建造与运营过程中,为提高在轨操作任务执行效率及安全性,需利用空间机械臂辅助或替代航天员完成在轨操作任务,这使得空间机械臂成为中国空间站建设运营过程中必不可少的关键设备。由于特殊的空间环境、复杂且繁重的在轨操作任务对空间机械臂地面操控人员,即飞控岗位人员,提出了更高的要求,且空间机械臂结构复杂、缺少地面实物训练平台,传统的岗位训练系统和机制难以适应空间机械臂这类复杂系统的培训需求,因此亟需构建符合当前飞控岗位培训的任务需求的空间机械臂任务虚拟训练系统,提高岗位培训效率,降低岗位培训成本,这对中国空间站建设和机械臂任务虚拟培训领域发展具有重要的工程价值及实际意义。本文拟针对空间机械臂任务虚拟训练系统的虚拟岗位培训机制、虚拟场景中机械臂碰撞检测和接触力反馈等问题开展研究工作,具体研究内容如下:首先,开展基于虚拟现实的空间站机械臂任务虚拟训练系统软件架构设计。通过对虚拟训练系统进行功能需求和性能需求分析,确定该训练系统所需功能模块以及对应的性能指标;基于经典MVC系统架构模式,结合训练系统的需求分析结果,设计训练系统的视图层、控制层和模型层,基于封装分层思想降低系统模块间的耦合度,提高系统的灵活度和扩展性;根据虚拟训练系统的需求分析与架构设计划分系统功能模块单元,并设计其工作流程;分析空间机械臂典型在轨任务特点,制定各任务的考核指标和考核流程。其次,进行虚拟场景中机械臂碰撞检测方法研究。基于混合包围盒八叉树研究碰撞检测算法,对空间机械臂模型和空间站舱体模型进行预处理,构建基于模型点云文件的混合包围盒八叉树,以其为基础设计并实现虚拟训练系统碰撞检测算法;针对机械臂单一构型和机械臂连续运动两种情况,分别设计基于深度优先搜索算法和双向广度搜索算法的机械臂单一构型碰撞检测算法以及基于时空相关性的机械臂连续运动碰撞检测算法,提高虚拟训练系统中碰撞检测算法的计算效率。再次,完成基于弹簧-阻尼模型的机械臂力反馈系统研究。针对虚拟训练系统中图形渲染和力渲染的同步问题,对力反馈系统进行总体架构设计、力反馈设备选型和工作流程设计;将碰撞检测算法与弹簧-阻尼模型结合,计算模型接触时的接触力;设计并开展实验验证力反馈系统和力反馈算法的有效性和鲁棒性。最后,为验证虚拟训练系统对岗位训练的有效性,展示本文研制的空间机械臂任务虚拟训练系统在机械臂操作岗位培训领域的应用价值,搭建以天和机械臂系统为对象的虚拟训练系统,并针对本文所设计的虚拟场景中空间机械臂碰撞检测算法和力反馈系统,设计对应的操作任务培训实验,验证算法和训练系统的准确性及有效性。

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。