面向精细操作模拟的六自由度力觉合成方法

触力觉交互是提高虚拟现实系统真实感的重要手段。在外科手术等精细操作任务中，手术工具和人体组织会出现多点多区域接触，所产生的接触力随着工具的运动呈现出灵敏变化的特点。如何模拟力/力矩的灵敏变化，逼真再现人体组织的细节特征对力觉感受的影响，并保证500~1KHz计算频率，成为制约精细操作触力觉感受的瓶颈问题。.为解决狭小空间下力觉感受对计算误差敏感的问题，拟直接对手术工具的六维位姿变量建立约束优化模型，以消除目前经典碰撞响应算法的数值积分误差。为反映触摸细节特征时的力觉感受，定义"基本接触约束对"来描述物体表面的点/棱/尖角等凹凸并存的细节特征，避免前人的虚拟匹配算法对细节特征力觉感受的损失，并能够保证稳定性。最后通过牙科手术模拟实例来验证力觉合成效果。.课题成果对于精细操作的虚拟手术培训（牙科/眼科/微小创伤手术等）提供技术基础，对于航空航天等精密产品的虚拟装配和维修也具有应用价值。

力触觉生成是构建虚拟现实系统的核心技术之一。现有的力触觉生成方法不能很好地解决模拟复杂形状物体产生多点多区域接触时的1kHz力觉生成这一难题，这种现状严重制约了力触觉交互在虚拟现实系统中的应用。.本项目提出了一种新型的基于广义位姿优化的六自由度力觉合成计算框架和系列化模拟算法，能够模拟凹凸几何特征并存的复杂形状物体之间的多物理属性交互（刚体接触力生成、摩擦力生成、弹性体交互、细节特征感知），保证了多点多区域接触和保持细节特征的六自由度力觉生成精度、稳定性和实时性（>1kHz）。该算法尤其适用于狭小紧致空间下的物理约束更新频繁的精细操作任务模拟，例如外科和微创手术操作、机械零部件装配等。.为评估所研究力觉生成算法的逼真性，我们在本项目中提出了基于实测数据的力觉交互真实感评价方法，研制了基于穿戴式力传感装置的操作力测量装置，以及基于空心测量装置的力位联合测量装置。基于这些装置所测得的数据可以建立力觉交互过程中运动和力的基准信号，为力觉生成算法的评价提供金标准。.基于本项目的理论研究成果，研制了视听触融合虚拟现实牙科手术模拟器（iDental），模拟了口腔狭小空间内的精细操作任务，包括牙周袋深度探诊、龈上牙石洁治和龈下牙石刮治等操作，并验证了本项目所提出的力触觉生成方法能够稳定实时地模拟出手术器械和牙齿、牙龈、舌头等不同软硬组织之间的多点多区域接触交互行为。这将能为医生手术操作的精细动作提供训练及其力觉体验效果。该模拟器已经被华西口腔医学院和北京大学口腔医学院采用，作为一个主要发明点获2013年教育部技术发明一等奖。.本项目累计发表学术论文21篇，其中IEEE Transactions论文7篇，国际触觉领域顶级会议IEEE World Haptics Conference等会议论文9篇。论文被多位ACM Fellow和IEEE Fellow等国际知名学者引用。在Springer出版英文专著，在国际上首次提出精细操作的概念和力觉合成计算架构，系统化总结了本项目提出的基于直接位姿约束优化的六自由度力觉合成的研究成果。国际著名学者Ming C. Lin为专著作序，出版1年多下载量超过1100次。.课题的成果不仅为模拟复杂形体多点多区域接触时的高频力觉生成提供了实时性更好的新算法及其评价标准，而且为构建复杂场景和精细操作的虚拟现实系统提供了核心技术。