基于反馈力的触觉渲染虚拟装配系统的研究与实现

【摘要】在传统的机械设计及工艺规划中，一个产品从图纸到实体零件，再到组装完毕的成品是一个繁琐而又漫长的过程，中间任何一个环节出现差错都有可能造成产品返工、报废，甚至导致整个研发过程失败而推到重来。在现实的生产过程中错误是难以避免的，因此缩短整个机械设计的流程，尽可能地降低出错成本显得尤为重要。随着对机械装配效率的逐步重视，虚拟装配等新技术已经广泛地运用于生产实践的各个环节，并且已经取得了非常好的效果，但是也存在着专业性强、学习困难等缺点，因此降低虚拟装配的复杂度成为一个十分迫切的需求。随着触觉渲染技术（利用反馈力向用户传递触觉信息）的兴起，为虚拟装配注入了新的“血液”，这种最自然的人机交互方式使得虚拟装配的效率又上了一个新台阶，在虚拟装配领域具有广阔的前景。本文围绕如何搭建一套触觉渲染虚拟装配系统展开研究：首先根据触觉渲染超高刷新率的特点，设计了程序的整体框架。接着，分析了现有触觉渲染引擎在虚拟装配应用上的缺陷，并设计了一套适用于虚拟装配的“体-体”触觉渲染系统。最后，使用真实的虚拟装配实例对本系统的实用性进行验证。主要工作如下：（1）从整体上设计了触觉渲染虚拟装配系统的框架，通过模块化设计保证了系统在执行较为复杂的图形算法的同时又能以较高的频率刷新力反馈设备。设计了用于组织虚拟装配场景的数据结构，使场景数据便于在图形渲染模块和触觉渲染模块之间共享。将对触觉渲染效果至关重要的碰撞检测算法从整体框架解耦，使得系统的扩展性大大提升。（2）分析了现有的“点-体”式触觉渲染引擎在虚拟装配应用上的缺点，设计了一套适用于虚拟装配的“体-体”式触觉渲染系统，针对“体-体”式触觉渲染的特点，改进了反馈力生成过程中所涉及的关键技术：God-Object算法、ForceShading算法、动态场景触觉渲染等。对于“体-体”式触觉渲染需要面对的新问题，比如动态碰撞检测，提出了改进方案。（3）最后，用一个常见的虚拟装配场景（将一个齿轮安装到夹具上）验证了该系统的有效性。实验表明，将力反馈技术运用于虚拟装配之后，能够大大提升装配仿真的效率。
【作者】沈佳中；
【导师】王毅刚；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，计算机应用技术，2014，硕士
【关键词】力反馈；虚拟装配；碰撞检测；触觉渲染；

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