仿真系統機械工程論文范文第1篇
【摘要】 頻譜資源緊缺已成為限制無線通信技術發展的瓶頸，軌道角動量作為一種新型復用維度，由于其能夠實現在同一頻率同時傳輸多路信號，可以有效的提高系統的容量。本文通過對軌道角動量通信系統的誤碼率進行分析，并在此基礎上引入信道編譯碼，建立了基于軌道角動量的通信系統編譯碼模型。實驗結果表明，高斯噪聲環境下，不同調制方式下軌道角動量通信系統誤碼率與標準通信信道結果相近，相比較2FSK、2PSK而言， 軌道角動量通信系統中QAM調制具有更穩定、更優秀的性能。同時，模型中信道編譯碼的引入為今后軌道角動量通信系統在提高通信系統容量、解決系統模式串擾等方面建立了研究基礎。
【關鍵詞】 軌道角動量 RS碼 模式串擾 模型 誤碼率
隨著通信技術的不斷發展與更新，頻譜資源需求也隨之上升，如何能夠更有效的利用頻譜資源已經成為了人們研究的熱點。軌道角動量作（orbital angular momentum ，OAM）為一種與相位、幅度、極化完全不同的新型維度被引入到無線通信中。關于OAM的編碼[1]問題，主要有兩個方向，一種是對OAM本身進行編碼，將不同的模態對應成不同的碼字進行傳輸；另外一種就是將OAM渦旋波作為載體進行信息傳輸。理論上OAM渦旋波在同一頻率的各模態之間是正交的，互不干擾。但是，實際無線通信系統信號在傳輸過程中，由于渦旋電磁波產生方法存在的一些缺陷，會引起信號的失真、模式串擾等問題[2]，信道編譯碼技術此時就顯得尤為重要。里所（Reed-Solomon，RS）碼其糾錯能力強、構造方便算法相對簡單等優點，逐步成為一種最有效、應用最廣泛的信道編碼。
本文提出一種基于RS碼的多模態OAM通信系統信道編譯碼的實現方法。首先通過對OAM通信系統的研究，建立相應的模型。然后在此模型中引入RS編譯碼模塊來實現多模態OAM通信系統信道編譯碼，為解決OAM各個模態串擾、信號失真等建立研究基礎。
一、軌道角動量的信道編譯碼原理
在這一部分，我們提出如何通過在軌道角動量通信系統引入信道編譯碼來解決系統出現信號的失真、模式串擾等問題。
其中E，B分別為電場強度和磁感應強度， ε0為真空中的介電常數，r為場點的矢徑。
SAM只有水平極化、垂直極化和圓極化三種狀態，而OAM在理論上是具有無限多個狀態的，而這無限多個狀態又是相互正交的。
對具有OAM的通信系統進行信道編譯碼，實現多路信息的同頻傳輸，有利于提高系統性能。圖1為OAM通信系統編譯碼框圖，通過在多模態OAM通信系統引入傳統的RS碼，將RS碼與OAM很好的結合在一起，能夠有效的降低系統誤碼率。
RS碼的譯碼是從計算接收碼字的伴隨式入手。首先通過接收多項式r（x）求得N-K個伴隨式。然后通過求解錯誤位置多項式來求解錯誤位置，根據錯誤位置找出錯誤值，得到實際錯誤符號個數，確定錯誤多項式。最后，將錯誤多項式與接收多項式對應位置相加，完成糾錯。
二、通信系統建立
由于渦旋電磁波受相位影響較大，所以假設本文的OAM通信系統的發送端與接收端是視線傳播。
本文所討論的OAM通信系統是采用均勻圓形陣列天線（uniform circular arrays，UCA）產生攜帶OAM的電磁波?；赨CA的OAM通信系統模型如圖2所示。OAM通信系統在發送端和接收端分別采用陣列天線，在發送端，可以通過改變陣元間饋電相位的關系來獲得不同模態的OAM波。規則排列的圓形陣列多天線系統，利用電磁波的干涉和疊加原理，控制各個陣元之間饋電的相位差，獲得渦旋電磁波的不同模態值。在接收端，系統通過UCA接收渦旋信號，實現渦旋信號的解調后，信息得以恢復。
系統中數字調制與解調主要采用三種方式： FSK，PSK， QAM。仿真系統的構建主要在于兩個部分，發送端的螺旋調制器和接收端的螺旋解調器[6]。系統中采用緩存器對數據進行緩存，以此得到一個完整周期的數據。發送端螺旋調制器的功能就是將要傳輸的信號進行復制和移動相位l？？ false，相當于將一列串聯信號轉換成并聯信號進行發送。其中，φ表示相移的大小。各個相移信號對應一個天線，各個天線的信號相同且獨立。要產生l個模態值，需要2l+1個天線。接收端螺旋解調器就是螺旋調制器的反向處理過程。螺旋解調器的作用就是將接收到的渦旋電磁波信號進行相移，使他們具有相同的相位并且疊加，如同并聯信號到串聯信號的轉換。
三、實驗結果
本文對所建立的OAM通信系統進行研究，分別對不同調制方式下未引入信道編譯碼的OAM通信系統與引入信道編譯碼的OAM通信系統進行了仿真分析。
3.1 不同調制方式下OAM通信系統的誤碼率
2FSK調制方式下基帶系統的誤碼率曲線與理論的非相干檢測誤碼率曲線相近。本文分別取本征值為l=2、l=3、l=4，對系統進行了誤碼率曲線的繪制，結果如圖3（a）所示。2PSK調制方式下系統的誤碼率曲線如圖3（b）所示，與2PSK調制下的誤碼率理論值相比較，當具有高的信噪比的時候OAM通信系統誤碼率更高，主要是因為OAM通信系統是通過相移操作來達到我們要的效果，所以對相移比較敏感。相比較2FSK、2PSK，無線通信中QAM調制具有更穩定、更優秀的性能。QAM調制比2PSK的具有更高的比特率，比2FSK有更低的錯誤概率。當QAM調制方式引入到OAM通信系統中，系統的誤碼率也比傳統的QAM調制的誤碼率理論值更低，如圖3（c）所示。仿真中所采用的QAM星座映射方式是最簡單的星座映射方式環狀8-QAM。
3.2 基于RS碼信道編譯碼的實現
為了解決因電磁渦旋波產生方法存在的一些缺陷，如渦旋電磁波在發送接收時天線不能對準、信道失真等情況引起的模式串擾等問題，需要在系統中加入信道編譯碼。
本文采用了多進制編碼RS（7，3）碼，調制方法采用8-QAM調制，以此來分析基于RS碼的OAM通信系統的信道編譯碼實現。仿真結果如圖4所示：
圖4中QAM調制方式下，OAM通信系統的性能比理論上的QAM調制下更好。為獲得同一誤碼率，OAM通信系統需要更低的信噪比。同時，在同一信噪比的條件下，OAM通信系統比傳統的通信系統具有更低的誤碼率。
五、結束語
在本文中，我們研究了將OAM作為無線通信中一種調制方式應用RS編譯碼的一種通信系統。采用門特卡羅仿真來驗證OAM應用在無線通信中的可行性，通過分析可以看出實現多路信息在同一頻率的傳輸，可以提高頻譜利用率，最終解決頻譜資源有限的問題。所以，基于OAM系統的無線通信系統在下一代無線通信技術中具有很大的應用價值。我們可以采用多種方式來解決OAM在無線通信中的模式串擾問題 ，如：均衡技術、OAM時分編碼、自適應調制和信道編碼等。本文通過在OAM通信系統引入RS碼，為今后研究OAM通信系統信道編譯碼提供了研究基礎。RS碼是一種特殊的多進制碼，它可以解決生成多項式糾錯能力的關系問題。并且由于RS碼具有糾正多個錯誤的能力、編碼效率高等特點，很適合用作OAM通信系統信道編譯碼的前期研究，并且可以為后期對OAM通信系統信道編譯碼的研究建立一定的研究基礎。
參 考 文 獻
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仿真系統機械工程論文范文第2篇
1 井架起升液壓系統模型的建立和仿真
1.1 井架起升液壓系統工作原理簡介
圖1為A型井架示意圖, 1為伸縮缸即推力液壓缸, 內外兩側各有一個, 推動整個井架上升或下降。圖2為井架起升液壓系統原理圖, 其中比例換向閥可以控制液壓缸的運動方向和快慢;液壓缸停止運動時, 依靠平衡閥的單向密封性, 能鎖緊運動部件, 防止自行滑落;同時平衡閥還可以起到控制活塞下行速度的作用, 以防止液壓缸下行速度過快時產生沖擊及振蕩。
1.2 AMESim中仿真模型的建立和仿真
在AMESim軟件中建立井架起升液壓系統模型草圖, 并連接各元件如圖3所示。然后選擇子模型, 設置模型參數。其中部分參數設置如下:泵轉速1000rev/min, 排量100cc/rev;增益K200;位移信號為0.1m;液壓缸最大行程0.3m。在運行模式下設置仿真運行時間, 最小采樣時間等參數, 最后運行仿真。若在運行過程中出現提示或錯誤可適當修改部分模型或更改參數大小。
2 仿真結果分析
當兩路推力液壓缸所加負載F=F=1000N時, 它們的運行位移和速度曲線分別如圖4、圖5所示。由位移和速度變化曲線可知, 兩推力液壓缸的運動完全是同步的。
當兩路推力液壓缸所加負載不相同即F=1000N不變, F分別為500N和100N時, 它們的位移和速度對比曲線如圖6所示?？芍? 兩推力液壓缸的運動也具有很高的同步性。
3 結語
根據以上仿真結果分析可得到以下結論。
(1) 當兩路推力液壓缸所加負載相同時, 兩液壓缸的位移和速度有很好的同步性。
(2) 當兩路推力液壓缸所加負載不相同時, 兩液壓缸的位移和速度也有很好的同步性。
(3) 給定一個輸入位移, 通過閉環反饋比例控制, 最后能實現對液壓缸位移的較精確控制。
因此, 通過在AMESim軟件中建模仿真證實了井架起升液壓系統完全可以滿足實際需要, 有良好的同步性, 從而保證兩路液壓缸等速平穩推動井架上升或下降。
摘要：為了驗證井架起升液壓系統的實際可行性, 并了解兩路液壓缸同步等速平穩推動井架上升或下降的實際效果, 在液壓仿真軟件AMESim中建立井架起升液壓系統模型、設置參數、進行仿真, 最后得到一系列變化曲線。通過分析兩液壓缸的速度和位移變化曲線可以知道, 該系統具有很好的同步性, 可以充分滿足實際要求。
關鍵詞：井架起升,AMESim,同步控制,仿真
參考文獻
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仿真系統機械工程論文范文第3篇
1 現有仿真軟件
隨著計算機技術的發展, 仿真已成為混合動力汽車重要的分析手段, 推出了多種混合動力力仿真軟件。
目前有代表性的軟件有德國d Space公司開發的ASM (Automotive Simulation Models) 仿真模型庫、美國國家再生能源實驗室 (National Renewable Energy Laboratory, 簡稱NREL) 開發的ADVISOR (Advanced Vehicle Simulator, 先進汽車模擬程序) 、奧地利AVL公司研究開發的CRUISE仿真分析軟件、基于MAT-LAB電力系統分析工具包PSAT穩態仿真軟件、奧地利AVL公司研究開發的CRUISE仿真分析軟件等。
但上述已有的混合動力仿真軟件或實時性差、或與控制邏輯對接能力差、或開放性差, 尤其是發動機模型, 不能滿足本研究的要求, 需要自主開發。
2 仿真方法
根據仿真方法信息流向的不同, 混合動力系統仿真方法可以分為前向仿真和逆向仿真兩種。
(1) 前向仿真, 以駕駛員的意圖為輸入, 計算在駕駛循環操作下仿真系統運行狀態, 所以數據流向與實車操作過程中的能量流方向相同, 計算過程與汽車行駛時各部件的實際工作過程相一致。在前向仿真中, 駕駛員模型是數據流的輸入, 整車控制器從駕駛員模型得到油門開度和制動踏板開度, 然后由整車控制器根據控制策略進行轉矩需求和能量分配, 將轉矩需求和狀態參數發送給各個子系統。
由于前向仿真以駕駛員的意圖體現路況需求, 而駕駛員的意圖直接作為控制系統駕駛循環的輸入, 它對控制邏輯的調用過程和實車在路上的狀態一致, 所以前向仿真對系統控制邏輯開發更有利, 更直接。
(2) 逆向仿真, 以系統的需求對象為輸入條件, 即將假定的駕駛循環路況特征為系統輸入, 根據工況需求仿真得到系統工作需求和各子系統的狀態需求。逆向仿真更著重于系統性能的體現。在仿真過程中, 以系統需求為輸入, 根據各子系統的性能參數和工況特性, 如驅動系統各部件必須具備和可以得到的轉矩、轉速、功率等信息, 得到各子系統所需的能量消耗, 進而得到整車系統在設定的行駛循環工況下的燃油消耗和電池電量消耗。
逆向仿真模型結構簡單, 模型運行時間短, 能較好地反映系統性能特征, 當在特征路況下進行系統設計、性能匹配等工作時, 逆向仿真可以提供有效支持。
3 建模方法
仿真系統從使用的建模方法又可以分為實驗數據法、理論機理法以及兩種模式結合的復合仿真。在混合動力系統中發動機模型構造復雜, 很難線形化, 所以混合動力系統中發動機采用的仿真建模方法通常直接決定了系統的建模方法。
(1) 實驗數據仿真法, 根據大量的臺架實驗數據, 以經驗MAP或者數據擬合公式的方式確定某一款發動機輸入輸出特性。該方法建立的模型主要由實驗得來的經驗MAP和數據參數構成。
(2) 理論機理仿真法, 依托動力學原理、流體力學知識、燃燒理論和熱傳導理論等, 分析發動機的工作過程, 將發動機的物理實物公式化, 建立運動機構的動力學方程。
(3) 復合仿真法, 結合試驗數據和理論公式。一方面, 利用試驗數據得出簡化的特性數據, 完成難以公式歸納和有大量閉環迭代的仿真部分, 滿足理論公式邊界條件要求;另一方面, 需要將理論公式與試驗數據接合, 用離散化方法消除其可能存在的迭代收斂影響, 將復雜的數學問題簡化成可執行的仿真邏輯構架。該仿真方式偶爾在復雜的電控系統控制邏輯中見到, 其仿真模型通常用于計算目標設定值和估算值。
實驗數據法, 仿真模型簡單, 僅依靠一個或幾個經驗數據函數就可以完成混合動力發動機的仿真模型, 其優越性在混合動力整車性能分析過程中得到體現。但難以描述發動機的實時特性, 無法與控制邏輯連接, 也體現不出發動機控制系統參數變化引起的系統性能變化。理論仿真模型計算時間長, 需要大量的外邊界條件, 迭代計算過程與真實電控制系統控制過程不同, 造成仿真與實際控制輸入信號無法兼容。
僅單獨使用試驗數據法、理論機理法, 或者兩種方法建立的模塊簡單拼接都不滿足系統實時性以及與和真實控制邏輯連接的需求。而使用復合仿真模式搭建動態發動機模型, 雖然理論理解能力要求高——需要對多處收斂公式進行解環處理, 工作量大——大量的數據分析和邊界條件規劃, 但卻是建立實時性發動機瞬態特性數據仿真模型, 并與真實控制策略對接的唯一手段。
4 結語
通過分析已有的仿真軟件、仿真方法和建模方法, 本文建立自主開發的混合動力柴油機瞬態仿真模型, 并在此基礎上通過前向仿真方式完成混合動力系統模型及數據分析處理軟件。
摘要：通過對混合動力柴油機仿真軟件、仿真方法和建模方法的分析, 發現現有仿真軟件的不足, 需要通過前向仿真方式自主開發混合動力系統模型及數據分析處理軟件。
關鍵詞：混合動力柴油機,仿真,建模
參考文獻
仿真系統機械工程論文范文第4篇
1 新的教學理念和教學手段
采用通過實踐以學習的教學理念, 激發學生探索創造的積極性, 真正提高學生的動手能力和綜合能力。從學生角度, 通信系統仿真課程不再是單純的概念和思想的傳授, 而是自己主動性地介入到通信系統仿真的理解當中;從教師角度, 通信系統仿真課程不再是經典的教學結論, 而是不斷探索并與學生同成長的過程;從教學手段上來說, 改變傳統教學方法, 形成以項目來驅動, 以案例為導向的教學方法。同時, 針對不同專業方向, 不同接受能力的同學, 因材施教, 采用不同級別的案例教學。
2 構建體系化的通信系統仿真課程系列
通信系統仿真課程涵蓋的知識面很寬, 涉及的課程較多, 學院以通信系統仿真課程為基礎的課程體系, 起到“承前啟后”的作用, 即除了本學科體系外, 也包括相關的課程體系, 如《EDA及VHDL語言》《DSP》《ADS》《射頻仿真設計軟件—以Agilent EEsof EDA為例》《Matlab語言/Simulink圖形化仿真》《System View》《通信網絡仿真》等課程體系, 這些課程體系將加速通信系統從概念、仿真到實現的優化設計過程。通過課程體系的研究及梳理, 如果這些課程得到系統開展, 將可以極大的提升學生學習的科學性、系統性以及實用性。同時, 各相關課程也通過通信系統仿真課程實現了理論與實踐的結合。
3 創新的實驗手段
原來教學活動中主要采用Math Works公司開發的Matlab語言作為仿真工具[2], 但其存在著可讀性、可重用性和可擴展性差, 人機界面不友好, 維護困難等缺點, 即便通信工程師在Simulink仿真環境下搭建仿真模塊實現通信系統的分析和仿真, 也多數是針對具體問題搭建若干具體的仿真模塊。學生使用這一仿真平臺時, 編寫通信仿真程序時必須考慮代碼方面的問題, 再加上如果對專業課程理解不深刻, 就會感覺吃力。從而影響到對專業課程的學習興趣以及對內容的理解, 因此, 為提高課程設計的教學效果, 將Systemview[3]等軟件引入到通信系統仿真課程設計中, 有效的解決以上問題。
4 教學方式和內容改革
通信系統仿真研究生課程是通信學院2000年開設, 初期課程過多、偏重于理論的教學, 并且仿真實驗內容大部分為驗證實驗, 學生創新的環節很少, 而且由于條件限制, 都要求學生在堂下自己進行。將課程理論與實踐完美, 需要從教學方式和內容上有所改進。2010年根據研究生創新教育的培養模式轉變改為結合理論和實驗, 以實驗為主的研究生專業課程, 將通信系統仿真課程從理論課教學改為實驗室課程。
通信系統仿真課程教學分為三個階段, 即:理論教學+典型仿真實踐+案例設計, 其中, 理論環節是基礎, 典型仿真實踐是過渡, 案例設計達到目標。理論教學階段, 通過講解通信系統仿真理論使學生掌握通信系統仿真的知識體系架構、各個關鍵子系統及大系統的建模與仿真的基本原理和設計方法;典型仿真實驗階段, 學生可以通過完成軟件包提供的實驗加深對典型通信系統仿真的了解, 提高動手能力和學習初步的開發技能和技巧;案例仿真設計階段為提高階段, 由學生自主設計實驗案例, 組成包括仿真預處理、仿真引擎、仿真后處理等模塊的較完整仿真案例, 然后在大的通信系統仿真試驗中使用自己的模塊完成不同研究方向的開放性課題的實際功能驗證, 提高學生的創新能力。
在實驗內容的篩選上, 將典型通信系統與當前復雜的通信新技術融合起來, 實現實驗內容傳統性和時效性的緊密結合?；就ㄐ爬碚摲抡骖}目主要包含各種調制與解調方法、信道編碼、PCM編碼與傳輸等內容。教師給出課題要完成的各項指標, 要求學生自行設計、實施、調試及仿真時序波形, 分析、總結課題中的問題, 既體現了設計的靈活性, 也給學生留下了創新機會, 使學生初步掌握現代數字通信系統的基礎理論以及仿真方法。典型通信系統綜合性實驗綜合了各通信模塊單元的實驗內容, 將模擬信號數字化、編碼解碼、時分復用、各種調制解調 (如QPSK, QAM) 、濾波等多個環節結合在一起, 培養學生綜合運用所學知識的能力。融合了通信系統原理、數字通信原理、信號與系統、數字信號處理等課程, 在復雜性實驗環節中, 我們結合目前現代通信理論和新技術, 圍繞數字視頻廣播DVB、基于無線局域網技術的OFDM、藍牙等技術展開研究和實驗, 學生自由選取實驗內容, 通過查閱文獻設計通信系統, 計算實驗參數, 最終完成總體設計。使得學生在已有知識的基礎上, 擴展知識結構、跟蹤科技前沿, 充分了解和掌握現代通信技術。在新技術實驗環節方面, 圍繞寬帶CDMA/MIMO-OFDM通信的上行鏈路、下行鏈路以及各種信道特性進行仿真。深刻理解3G/B3G技術內涵, 把握通信新技術的發展方向。經過兩年的建設, 通信系統仿真課程設計建立了如圖1所示:通信基本理論實驗→典型通信系統設計→復雜通信系統設計→新技術應用→創新實踐等多層次實踐體系。體現了基本途徑與綜合途徑相結合, 課內與課外相結合, 知識學習與經驗積累相結合的立體化體系特點。
5 結束語
針對研究生創新型通信系統仿真課程教學的特點, 制定合理的教學內容, 采用科學的教學方法, 提供先進的教學條件, 在培養創新型研究生上進行了有益的探索, 從而最終取得良好的教學效果。所培養研究生先后在挑戰杯賽中獲得全國二等獎、研究生電子設計競賽中獲得西南賽區二等獎等。
摘要：對本?！巴ㄐ畔到y仿真”課程進行創新性改革。采用新的教學理念和教學手段, 構建體系化的通信系統課程系列, 形成了多層次實驗內容和仿真實驗手段。通過理論教學階段、典型通信系統模塊及仿真階段、案例仿真設計階段三個階段的銜接, 培養學生創新性開發設計的意識和能力。實踐表明, 教學改革取得了顯著的效果。
關鍵詞：通信系統仿真,創新性改革,仿真實驗
參考文獻
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仿真系統機械工程論文范文第5篇
1.1 醫學數據處理
主要包括數據存取數據預處理。對于醫學仿真系統來說, 醫學數據存取I/O模塊是進一步數據處理的基礎。I/O模塊需要對常見的醫學圖像種類提供存取和顯示功能。在I/O模塊存取醫學圖像之后需要對原始圖像中感興趣的部分進行提取和數據預處理, 然后才能進行下一步的三維重建和可視化處理。這里需要一些預處理技術, 比如圖像增強、邊界提取、分割和配準等等。Insight Segmentation and Registration Toolkit (ITK) [2], 是一個開源軟件系統, 廣泛的用于醫學圖像數據集的分割和配準。
1.2 三維重建
經過數據預處理階段以后, 需要進行進行三維體數據可視化。最常用的繪制技術包括面繪制和體繪制。面繪制根據采樣值的分布變化確定物體的邊界, 然后用適當的數學方法描述物體表面, 進而表現器官和軟組織表面特征。體繪制在不構造物體表面幾何描述的情況下, 直接對體數據進行顯示, 可以不同的程度表現物體的細微結構變化[3,4]。面繪制通常比體繪制速度要快, 但需要避免出現一些繪制錯誤的發生。常用的算法是移動立方體Marching Cubes[5]及其變形。Visualization Toolkit (VTK) [6]是一個常用的三維數據可視化顯示的開源工具庫。
1.3 變形模型
仿真的真實感很大程度上取決于仿真的準確性和變形模型下的計算效率。變形模型應該能夠準確的模擬器官和軟組織被刺戳、拉伸、切割時引起的形變, 并在繪制的時候保持必要的實時性。物理模型能夠體現物理的材料特性。在手術仿真中, 質點彈簧模型和有限元模型是最經常使用的兩種三算法。離散的質點彈簧模型計算復雜度低且易于實現。有限元模型對連續特征進行嚴格的數學分析來進行機械建模, 從而得到了較好的仿真精度, 但是會產生較大的計算量。
1.4 碰撞檢測
在手術仿真過程中, 虛擬手術器械和虛擬器官之間的碰撞檢測至關重要。層次包圍盒方法經常用于碰撞檢測, 包括沿坐標軸的包圍盒 (AABB) 、包圍球 (SBB) 、方向包圍盒 (OBB) 等。為了保證碰撞檢測的實時性和精確性, 在此可以考慮采用混合模型算法, 將OBB和AABB結合起來發揮各自不同的優點。AABB首先用來初步檢測碰撞是否發生, 如果發生了碰撞再用OBB進行精確檢測。否則, 在采用OBB算法之前碰撞檢測結束。
1.5 虛擬切割
在仿真手術過程中, 對虛擬手術刀、超聲波刀這些虛擬手術器械的使用無疑將會對醫科學生或者新醫師在今后實際手術操作中起到極大的幫助作用。通常虛擬切割分為累進切割和非累進切割兩種。非累進切割在手術刀切割并離開傷口后才將傷口割開, 而在從開始切割到手術刀離開之前的過程中不顯示傷口被且隔開的效果。所以在手術刀運動位置和切割效果之間產生了一個較為明顯的延遲。累進切割解決了這個延遲的產生, 它在切割過程中實時的顯示出傷口切開的效果。但是也隨之增加了時間復雜度和對臨時分割的存儲管理的復雜度。將累進切割和非累進切割結合起來發揮它們各自的優勢, 將會成為設計虛擬切割算法的一個不錯的選擇。
1.6 觸覺反饋
同任意物體的觸覺交互是手術仿真的一個不可或缺的基本功能。通過觸覺反饋界面, 訓練者可以在手術仿真過程中感覺到接觸或者力反饋的效果。這樣, 訓練者就會在一個由計算機和專業設備搭建的虛擬手術環境中體會到了同真實手術一樣的觸覺效果。目前, 觸覺反饋設備已經用來進行更真實和實時的模擬操作。VR系統中常用的觸覺反饋設備有Sensable公司的PHAN-TOM和3Dimmersion公司的CyberForce等等。通常, 采用PHANTOM設備, 和其提供的GHOST API來產生對三維可變形器官和軟組織的切割產生的觸覺反饋效果, 這樣的設備能提供1kHz的觸覺反饋更新輸出。
1.7 仿真內核
在手術仿真過程中, 各種任務將協同工作, 仿真內核在其中起到了一個控制中心的作用。仿真內核的主要作用包括任務調度、協調交互操作、模塊之間的交流信息分發以及資源配置管理等等。這些需要建立執行順序、各個模塊之間的同步和連接并且需要明確制定出模塊間的接口。
2 總結和展望
準確性和實時性是虛擬手術系統至關重要的性能指標, 良好的系統架構和功能模塊的設計將為此提供必要的保障。最后設計的測試計劃, 將從系統的可用性和效果進行評價。進一步的系統開發是我們接下來的工作, 我們相信虛擬手術必將會為外科手術訓練和制定術前計劃提供積極的幫助作用。
摘要：虛擬手術仿真系統由于其顯而易見的重要性得到了醫學界的廣泛重視, 本文對虛擬手術系統的關鍵技術進行了深入研究, 對其系統架構、主要功能模塊進行了論述。相信該研究工作將能夠為搭建虛擬手術系統平臺提供重要的技術支持。
關鍵詞：研究,虛擬手術,仿真
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仿真系統機械工程論文范文第6篇
1.1 研究目的
機器人手是結構與功能上模仿人手臂的一種機械手, 具有一定的靈活性, 它可以通過對空間位置的把握、手臂與目標形狀的匹配、手臂間的協調控制, 完成一些精細的操作。因此機器人手臂被廣泛應用于各種場合。
在近些年, 迅速發展的仿真技術為機器人手臂系統提供了新的研究平臺。人們開始用仿真平臺研究動態擬實操作過程的“物理模型”, 以便了解對剛體和變形體操作時的動態特性。
機器人手臂的一個重要特點是手臂的靈活性, 主要表現在機器人手臂運動的靈活性和功能的靈活性, 如實現抓取, 抬舉等類似人手的基本功能。將關節機器人的手臂等效為多質量彈性扭轉系統, 研究其運動傳遞規律, 并利用MATLAB進行仿真, 通過MATLAB仿真可得到機器人大小臂在一個運動周期內的角度、角速度和角加速度變化曲線。從而, 為實現其控制, 提高其運動精度和速度提供理論支持。最后, 達到控制機器人手臂并提高其靈活性的目的。
1.2 研究意義
機器人手臂系統的仿真實現對機器人手臂系統的發展有很大的意義。目前, 在機器人手臂研究中, 現實中的手臂系統硬件容易毀壞, 多次試驗也將影響試驗的精度和要求, 從而影響研究的進展。機器人手臂系統仿真的研究有助于解決上述問題, 因為在虛擬環境下, 對機器人手臂系統的研究可以完全獨立于硬件環境, 很方便地改變機器人手臂系統的材料、結構、尺寸等, 并能方便、直觀的對其運動學動力學特性進行分析, 這將大大節省機器人手臂系統開發的時間和資源代價。
2 機器人手臂與多質量彈性扭轉系統
本文建立的機器人手臂系統的模型并完成仿真, 將關節機器人的手臂等效為多質量彈性扭轉系統, 保證機器人手臂系統運動更接近真實情況, 對研究機器人手臂系統的各種性能有相當大的作用。機器人的手臂動作主要包括了伸手、移動、提舉、放下、推、拉等動作。其手臂鏈構成為:肩部-上臂-前臂-手掌, 通過圓筒坐標關節式搬運機器人手臂的結構及運動學分析, 對圓筒坐標關節式搬運機器人手臂結構進行簡化, 等效為多質量彈性扭轉系統。首先對多質量彈性扭轉系統的各個零件添加約束:系統的底座要求固定, 所以在底座和試驗臺之間采用固定副;機器人大臂與肩之間采用固定副;機器人的關節采用旋轉關節, 小臂和大臂之間采用旋轉副, 然后對大臂添加驅動。給大臂一個轉速可得小臂在穩定之前的角度、角速度和角加速度變化曲線。得到大小臂關節在各段的角度、角速度和角加速度變化曲線。根據大臂關節的角度、角速度和角加速度的連續變化, 得到小臂關節的角度、角速度和角加速度的變化, 并且對角度、角速度和角加速度的變化以線性描述。如果該機械手的位移曲線平滑, 速度和加速度曲線連續說明在此工作過程中機械手的運行比較平穩, 整個結構不會產生較大振動。從而提高機器人手臂在動作過程中的精度和準確性。
仿人機器人現在是國內外的研究熱點。其研發的最終目標是服務于人類, 機械臂目標操作作業的實現可以幫助仿人機器人更好地服務于人類。因此手臂機構設計是機器人研發的關鍵技術。機器人可以端起茶杯遞給顧客, 機器人可以打開冰箱取食物。這些作業任務對機械臂重量、剛度方面的要求不高。但對于一些復雜運動的執行, 如高速運動目標的抓取等, 手臂的性能就顯得十分關鍵。今天我們所看到的工業機器人多數有機械臂和末端執行器組成。機械臂和末端執行器的分工有些類似人的臂與手的分工, 前者主要提供大范圍的運動與定位, 后者與環境和對象作用, 執行預期的任務。工業機器人的末端執行器種類繁多, 依用途而已。機械臂自然的作業姿態是機器人的重要指標之一。7自由度機械臂可以較容易地避開障礙物, 具有較大的工作空間, 且動作可以更加自然。但其末端位姿僅占用6維空間, 所以這種冗余結構機械臂的逆運動學不能單純由解析方法直接得到。通過幾何分析, 得到空間中具有物理意義的7個獨立變量。這種方法便于求解, 且解是精確的;但所解物理量不是各關節角度, 不能直接應用于機械臂的控制。采用示教方法來實現對機械臂規劃位姿的再現。該方法只是對已規劃數據的重復, 機械臂的運動范圍極其有限。為擴大機器人手臂作業空間, 增強機器人手臂作業能力, 提高機器人作業舒適度, 可以采用動力學仿真、有限元分析與實驗測試相結合的方法并根據人體手臂結構設計出機器人輕型高剛度7自由度機械臂。同時, 結合查詢數據庫和逆運動學求解的方法, 通過模仿人類手臂姿態進行手臂規劃, 解決冗余自由度帶來的逆運動學多解的問題。利用所設計的7自由度機械臂平臺進行實驗, 該方法不僅可以實時得到各關節角度的精確解, 而且可以使機械臂作業姿態達到自然和類人的效果。
3 研究展望
國內對機器人展開了一定的研究, 但對圓筒坐標關節式搬運機器人及其部件的結構及制造工藝等進行的研究不夠深入, 本文把機器人手臂等效為多質量彈性扭轉系統并深入進行系統研究。
對圓筒坐標關節式搬運機器人的研究主要集中在提高其負載能力和工作速度, 其核心是控制系統的控制算法和驅動系統。把機器人手臂等效為多質量彈性扭轉系統并進行研究, 可以為設計驅動系統和優化控制系統的控制算法提供理論指導, 是機器人研究的方向之一。
摘要：機器人的手臂動作主要包括了伸手、移動、提舉、放下、推、拉等動作。其手臂鏈構成為:肩部-上臂-前臂-手掌, 通過圓筒坐標關節式搬運機器人手臂的結構及運動學分析, 對圓筒坐標關節式搬運機器人手臂結構進行簡化, 等效為多質量彈性扭轉系統。