题目：虚拟环境中的力觉交互若干关键技术研究

虚拟现实技术由于具有交互性、沉浸感、想象性三个突出特征，已在建模与仿真、机器人遥操作、医学、教育与培训等领域得到了广泛应用，而力觉交互技术能大大增强虚拟环境的沉浸感和真实感，提高任务完成的效率和准确度。故本文对虚拟环境中的力觉交互若干关键技术进行了研究，以构建和维护一个高保真的虚拟环境，从而给操作者提供实时、准确的参考信息。 本文首先针对使用单点力反馈设备与虚拟环境中物体多点接触的情况，提出了一种凸多面体间多点接触的虚拟力计算和再现方法，即首先通过计算凸多面体的离散曲率来提取特征点并检测物体之间的多点接触、边面接触和面面接触，然后根据物体接触情况计算虚拟力和摩擦力，最后输出到力觉交互设备。最后通过实验证明了其力觉的真实性。 然后本文针对力觉交互环境中的可变形物体，提出了一种基于粒子的碰撞检测方法。首先将物体的表面划分成几个小区域，然后在每个区域中分别选择一个顶点作为检测粒子。粒子在虚拟吸引力的作用下沿表面移动。在找到两物体上靠得最近的粒子对后，为了得到精确的碰撞位置坐标，进一步计算靠得最近的顶点的相关三角面片之间的最短距离。若此距离小于某个给定的阈值，则可认为两物体在最近点处发生了碰撞。仿真实验验证了该算法的实时性和准确性。 接着研究了可变形物体在碰撞受力后的变形仿真。虚拟环境中存在的最多的是杆件、薄板或电缆、绳索类等可变形物体，故本文主要对这类物体的变形仿真进行研究。对于弹性杆件、薄板类物体的变形，采用材料力学中的弹性杆件位移分析理论进行力/变形建模。对于电缆、绳索类等物体，采用弹簧-质点模型对其进行变形建模。 本文最后将虚拟力引入到冗余度机器人的自主避障中。在冗余度机器人作业的过程中，首先利用碰撞检测算法检测出机器人与障碍物之间的距离，当距离小于某个给定的阈值时，则可认为机器人与障碍物将会发生碰撞，此时障碍物对机器人产生虚拟力。最后根据多体正向动力学算法计算出机器人在虚拟外力的作用下各关节的运动，从而实现冗余度机器人的自主避障。最后本文实现了PA10冗余度机器人在碰到障碍物后的自主避障，验证了本算法的准确性和高效性。