题目：虚拟手变形仿真及在康复系统中的力觉渲染

虚拟训练系统能够有效的解决运动康复过程中重复、反馈和动机三个关键性问题，逐渐得到研究者的普遍重视。iHandRehab结合机器人技术与虚拟现实技术对手部损伤患者进行运动康复训练，不仅能够提高康复过程中的趣味性，还可以降低人力成本。iHandRehab由机械系统、控制系统与虚拟环境三个子系统构成，本文主要研究虚拟环境中虚拟手与物体交互过程中的变形计算和力反馈问题。首先简单介绍了虚拟环境在整个系统中的作用和性能要求。根据实际人手生理结构建立了虚拟手的运动学模型，列出了能够同时提供力反馈和图形渲染的双线程仿真框架。接着详细介绍了如何解决虚拟手抓持刚性物体时的姿态控制、变形仿真和反馈力矩的计算。虚拟手的显示姿态需要结合手指的运动学模型和前后指节间的约束关系共同确定，局部变形量根据碰撞检测获取的嵌入信息来计算。利用虚拟手的显示姿态和实际姿态之差计算各个关节需要提供的反馈力矩。实验结果表明反馈力的更新频率约为300HZ，能够满足系统稳定性的需求。然后结合弹簧-质点模型与几何方法计算可变形物体与虚拟手多区域接触状态下的变形量，并且实现了变形计算环节在GPU设备上的加速计算。此处利用嵌入深度计算各个指节所受的反馈力，并根据机器人静力学计算康复机器人各个关节需要提供的外部转矩。实验结果表明力反馈的更新频率约300HZ，加速后变形计算更新频率约为100HZ。最后针对虚拟康复训练项目的具体需求，设计了能够同时提供声音、视觉和力反馈的钢琴游戏和拍球游戏用于训练患者手指的灵活性和协调性。