机器人辅助正骨手术系统虚拟环境精确建模方法

结合已经研制的机器人辅助正骨手术系统,研究在应用虚拟现实进行手术时,虚拟手术环境建模的实现.采用基于计算机图形和医学图像的混合建模方法对手术环境中复杂的机器人模型和患者、腿骨进行精确建模.利用建模工具Java3D和VTK开发机器人辅助正骨手术系统的三维虚拟环境模型及虚拟手术仿真系统.虚拟手术环境的精确建模,为在此基础上进行的手术培训、手术规划、手术预演和远程外科手术奠定了基础.     

三维人体建模综述

在参阅和分析大量有关文献的基础上,对现有的各种三维人体建模方法进行了总结,特别是对当前广泛使用的线框模型、实体模型和曲面模型,从理论到具体的实现等各个方面都作了详尽的剖析．并对各种方法的优缺点进行了分析,可为深入研究开发三维人体建模提供有益的参考．     

三维人体建模综述

在参阅和分析大量有关文献的基础上 ,对现有的各种三维人体建模方法进行了总结 ,特别是对当前广泛使用的线框模型、实体模型和曲面模型 ,从理论到具体的实现等各个方面都作了详尽的剖析 .并对各种方法的优缺点进行了分析 ,可为深入研究开发三维人体建模提供有益的参考     

高校组织建模方法研究

从高校组织元素的构成与描述方法研究入手,分别建立了高校组织机构视图和高校办学活动过程模型.通过人流、物流、资金流、信息流在组织机构视图与办学活动过程模型之间的交换,建立了各组织元素之间的链接关系,从而构建出了整体性、系统性的高校组织模型.引入学科专业作为建模构件,通过基于进程的办学活动过程分析,反映了高校组织的特点,基本满足了高校组织建模的复杂性、特异性要求.     

基于虚拟建模的无人机维修训练系统研究

针对某型无人机维修教学和训练的实际困难,充分运用SolidWorks软件和第三方训练系统联合构建无人机虚拟场景,提出并开发了一套基于虚拟建模的无人机维修培训系统.经测试,基于无人机虚拟建模的维修训练仿真动画可以向受训者展示无人机结构和原理演示、安装拆卸、维修训练等仿真功能,实现了无人机维修的可重复性、无风险,不受气候条件和场地空间限制的特点,满足了部队操作、维修训练和院校教学的需要.     

基于IDEF和UML的虚拟装配系统建模

为了解决复杂虚拟装配系统的系统建模问题,在分析IDEF和UML建模方法优缺点的基础之上,提出了一种两者相结合的系统建模方法.首先利用IDEF建立系统的功能模型、信息模型和过程模型,再根据IDEF和UML模型之间的映射机制,将IDEF模型转换为UML模型,从而完成系统从需求分析、功能设计、对象设计直至软件实现的整个过程.该方法能有效弥补单纯采用IDEF方法建模或UML方法建模的缺陷,实践证明在虚拟装配系统建模中具有重要的应用价值.     

虚拟战场建模技术的研究

首先给出了虚拟战场环境的基本组成,然后就战场中动态实体和特殊效果的建模技术进行了重点论述.考虑到兵力实体的运动规律和运动特征,对兵力实体结构进行了精确分析,并采用放样造型方法和组合建模方法对其几何建模过程进行了论述;针对战火、硝烟等战场场景建模要求,对火焰、烟雾等特殊效果的不规则运动进行了深入的了解和分析,实现了基于粒子系统原理的战场特效动态建模.给出的部分兵力几何建模结果和战场特殊效果仿真结果进一步验证了所提建模方法的可行性和有效性,也为虚拟战场的深入研究奠定了基础.     

基于BP神经网络的虚拟手术实时仿真技术研究

在人体腿部的虚拟仿真研究中，建立有限元模型并进行生物力学特性分析是一种有效的方法．但由于有限元模型数据量大，解算时间长，并且难以与既有系统融合，因此不适合在实时的手术培训和手术预演中应用．为了提高虚拟手术仿真系统进行实际作业的能力，笔者提出了以BP神经网络模型来代替有限元模型，实现实时的生物力学响应．并结合已有的医疗机器人辅助接骨虚拟现实仿真手术系统，构建了系统实验平台．实验结果证明，人体腿部的BP神经网络模型能够完全满足手术仿真所需的实时性要求．     

一种面向制造行业的企业组织建模方法

针对现有的组织建模方法的不足,在分析了我国制造行业企业组织特点的基础上,引入动态团队、基本组织单元及角色等组织构件,将基本组织单元看做企业组织的“原子”,由它构成了企业静态组织和动态组织的基础,并由此提出了一种基于基本组织单元构成的多态企业组织结构的观点,在此基础上提出了一种面向制造行业企业的组织视图建模方法;它实现了对各种企业组织形态的描述,并且在此建模方法的指导下,开发了一套组织视图建模工具,同时也给出了一个实际应用实例,所提出的建模方法可以用于制作行业企业的集成化模型中的组织模型的建立的维护。     

基于CT图像的组织建模与仿真方法

为了满足在虚拟手术中针对专门患者的材料进行手术规划、手术演习等研究的需要,提出了基于患者CT图像进行生物组织建模与仿真的10步建模法,解决了基于CT图像组织建模与仿真研究中涉及的生物组织几何建模问题、物理建模问题、基于应变能函数建立生物组织运动的力学方程问题、利用有限元法解生物力学方程问题,并利用该建模方法对人体股骨及软组织进行了建模与仿真,通过仿真结果同生物材料测试结果的比较,尽管实验误差和模型的简化造成了两组数据之间的不同,但是从整体上看,二者在趋势和数值上还是匹配的很好.特别是在2~8mm这个临床常用牵引范围内,效果可以满足临床仿真需要.证明了该方法和所建立的数学模型在生物组织建模与仿真中的有效性.     

一种改进的虚拟手术中人体软组织形变方法

虚拟手术是将计算机虚拟现实技术应用于现代医学,利用医学图像数据,重构出虚拟人体软组织模型,利用触觉交互设备,在视觉和触觉上为使用者提供手术场景的模拟和仿真。其中,软组织形变的仿真和建模是虚拟手术系统核心的研究内容之一。针对虚拟手术中软组织形变仿真,提出了一种改进的弹簧—质点模型。在正四边形网格拓扑结构表面模型中,增加了结构弹簧、剪切弹簧和弯曲弹簧,使表面模型具有体模型的特征。该模型继承了传统弹簧—质点模型的建模快、原理简单、仿真速度快等优点,同时还具有控制形变区域的能力,从而提高了仿真模型的精确度,满足交互系统的真实性和稳定性需求。实验表明该方法有效增强了形变仿真的体积特征,适合于软组织形变较大时的实时仿真,满足了虚拟手术系统实时性的要求。     

基于神经网络的虚拟手术实时仿真

为了在PC机上实现可用于手术培训和手术规划的虚拟手术环境进行生物组织建模与仿真研究.虚拟手术目前面临的主要难题是建模的准确性和仿真的实时性问题.首先建立了生物组织运动的力学平衡等式并且建立了几种典型模拟生物组织的材料模型,利用有限元分析的方法,对高度非线性的生物力学方程进行求解,为了实现实时仿真的要求,通过神经网络技术学习有限元分析结果再集成到整个系统中.文中给出了该方法在正骨手术仿真中的应用.结果证明,基于该方法建立的仿真系统既体现了生物组织的材料特性又满足了实时仿真的要求.     

虚拟现实建模方法研究

依据虚拟场景建模的要求，针对场景建模的设计与开发，比较了各个建模方法与工具，并对MAYA的MEL语言进行了描述与分析．     

虚拟现实中的建模方法

建模技术是虚拟现实中的关键技术之一，经历了从几何建模、物理建模到行为建模的发展进程，行为建模方法真正体现了虚拟现实的特征。目前，以行为建模方法为代表的新一代建模方法的研究方兴未艾，其应用前景非常可视。     

虚拟现实中数据库建模

为了更好地存储和使用虚拟现实中的场景数据,提出了一种用关系数据库方式对虚拟现实中场景数据进行建模的方法．采用该方法,比其他建模方法更加规则地表示了场景数据;提高了三维数据的重用性;增强了对三维场景的可维护性;大大扩展了对特定三维数据的应用;更加合理地存储了二维控制台与虚拟场景交互的数据．该方法也为三维场景数据的优化和格式转化提供了一种途径．     

齿轮建模与接触应力分析

介绍利用PRO/E对齿轮进行建模的具体方法和有关程序,并尝试将齿轮模型导入到ANSYS中进行有限元分析.将CAD软件的强大的建模功能与CAE软件结合起来,扩大了其应用范围,简化了分析过程,并利用其对齿轮的接触应力进行了计算,介绍了算法原理.     

基于虚拟人的汽车内饰造型草图设计方法研究

基于当前汽车内饰造型草图设计中存在的问题,引入虚拟人技术生成造型草图设计的辅助模板,建立了基于辅助模板的造型草图设计新方法,并将设计方法进行设计实践,用实际效果验证理论,从而为汽车内饰设计师提供了一种快捷而有效的技术支持方案。     

机器人柔性臂动力学有限元建模方法的研究

动力学建模问题一直是困扰机器人柔性臂研究和应用的一个尚未圆满解决的关键问题。针对上前机器人柔性臂动力学建模的研究和发展状况，重点研究了柔性臂动力学的有限元建模问题，力求建模简单方便有效，以便于进行动力学分析和控制问题的研究。     

Modeling of Electromagnetic Wave Propagation and Its Application in Virtual Test

电磁波传输建模及在虚拟试验中的应用

林连雷,苏文圣,姜守达

（哈尔滨工业大学 自动化测试与控制系）

创新点说明：

本文主要针对用于虚拟试验的电磁波传输模型,研究了多类典型天气下的电磁波传输模型,并将构建的模型用于雷达制导导弹虚拟试验中,通过试验验证了该模型的有效性。主要创新点如下：

1）为满足虚拟试验的实时性要求,采用快速计算方法,在满足计算精度的前提下实现了电磁波传输的快速计算;

2）将电磁波传输模型封装为独立的虚拟试验资源,该资源具有良好的通用性,可用于各类涉及电磁波传输的虚拟试验中;

3）通过HIT-TENA体系结构构建了一个虚拟试验系统,通过典型天气下的多个虚拟试验,验证了本文开发的电磁波传输模型的有效性。

研究目的：

虚拟试验技术是近年来一种新兴的试验技术,主要用于对武器装备进行复杂环境条件下的试验验证,评价其在复杂环境下的作战效能等。虚拟试验离不开虚拟环境以及相应的环境效应,本文针对一种常用的环境效应模型——电磁波传输效应模型展开研究。电磁波传输模型常用于雷达类的虚拟试验中。本文针对虚拟试验对模型实时性和通用性的要求,研究了电磁波传输模型的快速计算方法,并将其封装为具有独立功能的试验资源。

研究方法：

1）分析了典型天气下的电磁波传输模型,针对虚拟试验实时性的要求,针对每种模型提出了基于C语言的快速计算步骤;

2）利用UML建模语言,设计了运行于HIT-TENA平台上的具有通用性的电磁波传输资源;

3）利用一个雷达制导导弹攻击目标的虚拟试验验证了本文开发的电磁波传输资源有效性。

结果：

1）通过跟理论模型的传输曲线进行对比,证明了本文开发的电磁波传输模型的计算精度;

2）通过一个虚拟试验验证了本文开发的电磁波传输效应资源在虚拟试验中的应用有效性。

结论：

在本文中,我们针对晴天、雾天、雨天、雪天共4种典型天气下的电磁波传输展开研究,通过快速计算方法构建了满足虚拟试验实时性要求的电磁波传输模型。然后,开发了运行了HIT-TENA虚拟试验平台上的电磁波传输效应组件,该组件不但能计算不同天气条件下的电磁波能量衰减,而且在HIT-TENA平台下实现在其他试验系统中的重用。

关键词：电磁波传输,建模与仿真,虚拟试验