[发明专利]一种运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互方法及装置

说明书

本发明提供一种运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互方法，包括仿真出初始化质心位置重合的两个三维几何模型，包括静态模型和运动模型；移动运动模型与静态模型发生连续碰撞，并基于局部接触力优化原则，给模型之间每次碰撞及分离赋予预定矢量方向，且进一步结合穿透深度距离计算方法，计算出模型之间每次碰撞再分离时基于预定矢量方向上的最小距离；构建弹性刚度、阻尼常量与最小距离相关联的动力学控制模型，并将最小距离代入动力学控制模型中，得到每次施加给运动模型的力的大小。实施本发明，通过引入不同几何模型的可变虚拟刚度非线性优化算法，实现稳定的刚体模型触觉力反馈仿真交互操作。

技术领域

本发明涉及计算机图形处理技术领域，尤其涉及一种运动刚度优化的触觉力反馈仿真交互方法及装置。

背景技术

虚拟现实(VR,Virtual Reality)技术作为计算机图形学领域的重要研究分支,其独有的视觉呈现与虚拟仿真交互方式，使用户能够真实地置身于虚拟构造的三维场景中，感受高度沉浸的视觉漫游体验。通过引入虚实融合的多模态视觉、听觉、触觉、嗅觉等感知技术，实现与虚拟场景物体的动态交互，感受虚拟世界所带来的知识学习与视觉震撼，能够有效的应用于医学仿真、教育培训、游戏娱乐、军事模拟、装配制造、工业智能机器人等多个领域，为人类的生产生活提供广泛的智能化数字交互的便利，成为研究人员所关注的研究热点和计算机前沿科技。

在医疗培训仿真领域，引入虚拟现实技术能够有效提高实习医生的临床的理论知识学习与临床模拟手术的业务操作技能，避免了真实手术中技能不熟练所导致的医疗风险，缩短了培训的周期，感受虚拟手术仿真所带来的可试错的优势。借助触觉渲染的触觉感知技术，用户能够感受与虚拟物体交互的接触力觉，通过精确度量操作力输出来模拟实际操作环境，以此达到高度沉浸的手术仿真体验。

然而，由于目前触觉力反馈设备的硬件刷新率要求与复杂几何模型间碰撞检测的计算效率问题，触觉交互过程中所带来的振动、穿透等不稳定性因素影响，导致基于反馈力的虚拟交互并未大范围的适用于实际生活，从而造成设计触觉力反馈交互系统并确保其具备稳定交互的特性，是一项非常困难的任务。例如，虚拟环境下非被动离散时间几何模型的交互通常会存在大量的非线性问题。又如，基于触觉交互设备的弹性刚度、惯性阻尼、材质密度、运动冲量等问题在虚拟环境下都会带来触觉设备的震动和稳定性差等混乱的行为无序问题。因此，基于输出数据的优化和控制器信号的延迟响应对于触觉力反馈渲染系统的设计，具有非常重要的应用价值。

目前，研究人员主要还是关注触觉力反馈渲染系统有关输出信号控制和实际问题的数据优化等方面，从而提高触觉动态交互的稳定性和准确度。例如，Miller等人探索了虚拟环境下如何通过非线性的质量/弹性刚度/阻尼的控制与设计来确保触觉交互过程中震动的降低，以及在人机接口控制系统下其他的信号无序等行为，尤其是关注了有关局部弹性系统对于延迟响应所获得的非直觉性结果的计算。又如，对于触觉输出数据的控制，KLee等人研究了一种自适应输出限制器的方法来确保触觉渲染的稳定性，其方法对于探索虚拟环境下柔性力可变形模型的触觉交互提供了可能，通过基于时间域被动理论探索了变形模型累积阻抗的快速计算实现交互反射力输出。又如，近期提出的触觉交互控制系统的许多解决方案，具体有Rose等人提出了实验室环境下，主动经验对于改进触觉机械构件的反射动力系统理论；Yasuda等人提出了一种基于触觉的生物反馈(Biofeedback,BF)系统用户中风患者的平衡康复训练。对于多触觉设备的协同交互系统，Gil等人基于系统建模和稳定性分析，考虑了有关特征刚性模型、震动模式、关节设备等多种情况用于研究稳定关节模型触觉交互的可能性。

总的来说，触觉力反馈渲染系统的稳定性和鲁棒性对于虚拟现实环境下高度真实感的触觉响应非常重要，它直接关系着触觉渲染结果的用户体验。

然而，目前的触觉力反馈渲染系统对于处理高复杂度、多自由度触觉渲染的应用中，不可避免的会遇到效率过低、内存占用过多、控制复杂、体验不稳定性等问题。

因此，有必要通过引入具备动力学控制优化学习理论的触觉力反馈渲染系统，充分地提高系统刷新率，改进并增强触觉交互设备的稳定性。