机器人学仿真课题设计

基于omega.7的上肢功能测试虚拟场景的设计

一．背景

随着人口老龄化的加剧，脑卒中患者越来越多。对于脑卒中后患者的康复训练方法各不相同。如何判断康复训练的效果，是训练医生面临的一个很重要的问题。拿上肢康复训练来说，目前的上肢和手部功能的测量方法，例如：Fugl-Meyer运动功能评量表、盒子和阻碍物测试等具有一些缺点：1）采用打分制，不同的人或者同一人在不同时间，其对于同一种情况的打分情况不一定相同，缺少定量的评价。2）管理管理时间花费大。3）其测量数据无法直接用于临床医学。4）需要病人进行大量测试。

为了解决这问题，我们需要一些目的性更强、更可靠的、定量的评估方法。虚拟现实技术和力反馈装置的结合使用能够克服这些不足，达到较好的评估效果。

虚拟现实技术可模拟出与真实世界相同的虚拟世界，利用各种交互传感设备，通过视觉听觉和力觉等直观而又实时的感知，使人沉浸在虚拟环境中，产生身临其境的临场感用户可根据自身的感觉，通过输入设备对虚拟世界中的物体进行操作，参与其中的事件长期以来，由于计算机技术，传感技术等的限制，人们的研究重点都集中在视觉和听觉等较易突破的方面，而较少关注力觉这一重要的感官形态研究表明，与传统的视觉和听觉再现人机交互相比，力觉再现能更好的提高虚拟现实系统的真实感，并在一定程度上提高事件的执行效率和成功率

力反馈( ) 是在人机交互过程中，计算机对操作者的行为做出反应，并通过力反馈设备作用于操作者的过程作为虚拟现实系统中操作者和虚拟环境的交互接口，力反馈设备将操作者的行为( 包括位置动作和速度等) 通过传感器实时监测，把数据输入到计算机，然后将虚拟环境生成的力感反馈给操作者，使操作者获得和触摸真实物体相同的力感［］力反馈设备是实现人机交互的关键设备，借助于它，人们可以按照自然方式进行人机互动和信息交流。力觉交互作为虚拟现实交互中最需要完善和最重要的交互途径，有着不可替代的优越性，而力反馈器的性能直接决定了力觉交互的效果

二．力反馈设备Omega.7

Omega.7是由瑞士Force Dimension公司研发的固定式力反馈装置,采用独特的并联运动结构，将轻巧的铝制金属杆与牢固的传动装置结合在一起，具有超高的性能，极大的减小了惯性效应。此外，Omega.x系列产品采用平行的机械设计，有效的保证了装置的整体硬度和坚固性，从而使其牢固可靠，坚实耐用。

其共有7个自由度，包括3个平移自由度，3个旋转自由度和1个抓取功能。其中平移关节和抓取关节都具有力反馈。同时，卓越的机械刚度与实时USB2.0控制器相结合,并能以4千赫率的速率对接触力进行处理,远远大于I000Hz（最高可达8000Hz），在发生碰撞检测是可以获得平滑的效果，保证力触觉交互系统的稳定性"为了确保较高的触觉透明度，设备通过将启动与未启动的部件相结合，保持了在平移和其它方向区域中的重力补偿。每个系统均可单独进行校准，确保可重复的最佳精度和性能。

是当前世界上较先进的台式七自由度触觉设备，它在omega.3的功能基础上，将末端控

制器改为具有夹取功能的力反馈手柄，并包括左右手配置，可以建立双手工作站连接以实现双手控制，从而增加了高精度主动式握抓功能和方向感应功能。其中12N的持续反馈力与

8N的夹取力，足可以满足在虚拟现实技术研究的基本需求。

三．虚拟现实场景

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR，又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

在进行虚拟装配时，零件在空间中运动不可避免的会与其它零件或场景模型发生接触和碰撞，碰撞检测功能可以确保装配零件在不发生干涉的情况下完成装配，并且通过赋予装配零件动态障碍或静态障碍属性的功能,在发生碰撞时可以保证零件相互间不发生渗透或穿越。并且，碰撞检测的速度和精度是操作者获取被装零件信息能否实时和准确的前提条件，碰撞检测功能的成败最终直接决定着一个虚拟装配系统能否对产品的设计与装配起到关键的指导作用。

3.1 openGl实现3D环境渲染

OpenGL全称“开放式图形库”,它是一个方便的和快速的三维图形和模型库.它的算法是由美国SGI(SilicomGraphics,Inc.)公司开发及优化的.1997年SGI和微软公司一起将OpenGL放Windows2000中,VC++集成了OpenGL图形标准,使得OpenGL在三维图形设计领域得到广泛应用.目前OpenGL在图形开发领域已经成为工业标准,如何利用VC+ +和OpenGL构建三维图形开发环境,是利用OpenGL开发三维图形软件的前提和关键.OpenGL基本理解及工作流程OpenGL是一个与硬件图形发生器的软件接口,它包括了100多个图形操作函数,程序设计者可以利用这些函数来构造景物模型、进行三维图形交互软件的开发.OpenGL也是一个高性能的图形开发软件包.OpenGL支持网络,在网络系统中用户可以在不同的图形终端上运行程序显示图形.OpenGL作为一个与硬件独立的图形接口,它不提供与硬件密切相关的设备操作函数,用户必须从点、线、面等最基本的图形单元开始构造自己的三维模型.因此OpenGL的图形操作函数十分灵活.

几何顶点数据包括模型的顶点集、线集、多边形集,这些数据经过流程图的上部,包括运算器、逐个顶点操作等;图像数据包括像素集、影像集、位图集等,图像像素数据的处理方式与几何顶点数据的处理方式是不同的,但它们都经过光栅化、逐个片元(Fragment)处理直至把最后的光栅数据写入帧缓冲器.在OpenGL中的所有数据包括几何顶点数据和像素数据都可以被存储在显示列表中或者立即可以得到处理.OpenGL中,显示列表技术是一项重要的技术.

OpenGL要求把所有的几何图形单元都用顶点来描述,这样运算器和逐个顶点计算操作都可以针对每个顶点进行计算和操作,然后进行光栅化形成图形碎片;对于像素数据,像素操作结果被存储在纹理组装用的内存中,再像几何顶点操作一样光栅化形成图形片元.整个流程操作的最后,图形片元都要进行一系列的逐个片元操作,这样最后的像素值BZ送入帧缓冲器实现图形的显示.整个OpenGL的基本工作流程如图所示.