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tactile/undergraduate/README.md

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tactile/undergraduate/content/chapter1.tex

@@ -4,9 +4,9 @@ \chapter{绪论}
 
 \section{研究背景与意义}
 
-虚拟现实、机器人控制、远程医疗、虚拟培训等领域中，可变形物体（如软组织、柔性材料、布料、器官等）的交互仿真的技术越来越成为关键技术依赖的对象，刚体物体的建模和交互技术比较成熟，但是可变形物体受到力的作用时会表现出非线性力学特性，产生较大的变形，其参数随时间变化，接触状态也较为复杂，因此要实现高精度、高时效性的建模与交互仍然存在很大困难，柔性体的力触觉建模复杂度远高于刚体模型，传统建模方式难以适配动态形变的交互需求，无法满足精细仿真作业要求。\textsuperscript{[32]}仅仅依靠视觉信息很难支持精细的操作，因为操作人员缺乏力觉和触觉的感受，无法准确判断接触力、变形程度和表面纹路，导致操作不稳、任务完成率低，严重制约了远程手术、精密装配、康复训练等场景的实际应用\textsuperscript{[31]}。
+虚拟现实、机器人控制、远程医疗、虚拟培训等领域中，可变形物体（如软组织、柔性材料、布料、器官等）的交互仿真的技术越来越成为关键技术依赖的对象，刚体物体的建模和交互技术比较成熟，但是可变形物体受到力的作用时会表现出非线性力学特性，产生较大的变形，其参数随时间变化，接触状态也较为复杂，因此要实现高精度、高时效性的建模与交互仍然存在很大困难，柔性体的力触觉建模复杂度远高于刚体模型，传统建模方式难以适配动态形变的交互需求，无法满足精细仿真作业要求。\cite{ref32}仅仅依靠视觉信息很难支持精细的操作，因为操作人员缺乏力觉和触觉的感受，无法准确判断接触力、变形程度和表面纹路，导致操作不稳、任务完成率低，严重制约了远程手术、精密装配、康复训练等场景的实际应用\cite{ref31}。
 
-在此背景下，将依靠物理引擎的实时仿真与触觉反馈技术相结合，这是冲破前面瓶颈的关键途径，MuJoCo凭借高效多体动力学求解能力、优秀的柔性体仿真性能，在可变形物体建模、接触计算、实时性保障方面具有明显优势，能有效适配柔性交互场景的动态仿真需求，目前已广泛应用于机器人柔顺交互、精密操作仿真等相关研究领域\textsuperscript{[33]}。WEART触觉手套可以给指尖提供压力、纹理、温度等多模态的触觉反馈，它们互相配合就形成了一个视觉、物理仿真、触觉反馈的闭环系统。
+在此背景下，将依靠物理引擎的实时仿真与触觉反馈技术相结合，这是冲破前面瓶颈的关键途径，MuJoCo凭借高效多体动力学求解能力、优秀的柔性体仿真性能，在可变形物体建模、接触计算、实时性保障方面具有明显优势，能有效适配柔性交互场景的动态仿真需求，目前已广泛应用于机器人柔顺交互、精密操作仿真等相关研究领域\cite{ref33}。WEART触觉手套可以给指尖提供压力、纹理、温度等多模态的触觉反馈，它们互相配合就形成了一个视觉、物理仿真、触觉反馈的闭环系统。
 
 本课题以MuJoCo可变形物体实时触摸建模与仿真系统为研究对象，围绕可变形物体触摸交互中实时形变建模、接触力精确计算、触觉信号映射、视触同步、量化评价等主要问题展开研究，试图构建出一个高刷新率、低时延且可以进行定量评定的视触融合仿真平台，从而为可变形物体交互原理的研究、算法验证和应用系统开发提供标准化、可重现的实验环境，具有重要的理论价值和工程意义。
 
@@ -16,13 +16,13 @@ \subsection{国内研究现状}
 
 国内学者对于可变形物体建模、触觉渲染、XR交互、医疗机器人、生物力学、复合材料仿真等各个方面已经形成了比较系统全面的研究架构，包含理论方法、硬件设计到系统实现的一整套技术。
 
-胡子阳等人提出了一种结合CBAM注意力机制的人体软组织多物理场快速同步建模方法，该方法将深度学习和有限元结合起来，在保留一定的精度的同时实现了效率的极大提高，为虚拟手术模拟提供了一种高效的建模方法\textsuperscript{[1]}。刘代清从手法淋巴引流的角度创建了皮肤软组织力学模型，并用有限元做了淋巴动力学的分析，拓展了生物力学建模在康复和医疗方面的应用范围\textsuperscript{[2]}，张天明对人类运动进行肌骨系统生物力学建模和仿真研究，给运动分析、康复工程提供力学依据\textsuperscript{[3]}。吕晓庆等人对人体生物力学仿真和可视化相关研究做了全面的梳理，总结出多体建模、有限元、肌骨仿真等主要的技术路线，为人体交互仿真的方法提供参考\textsuperscript{[4]}，陈卓利用OpenSim平台概述了人体肌骨仿真建模的发展历程，使仿真工具在体育科学、康复工程领域向着标准化的方向发展\textsuperscript{[5]}。
+胡子阳等人提出了一种结合CBAM注意力机制的人体软组织多物理场快速同步建模方法，该方法将深度学习和有限元结合起来，在保留一定的精度的同时实现了效率的极大提高，为虚拟手术模拟提供了一种高效的建模方法\cite{ref1}。刘代清从手法淋巴引流的角度创建了皮肤软组织力学模型，并用有限元做了淋巴动力学的分析，拓展了生物力学建模在康复和医疗方面的应用范围\cite{ref2}，张天明对人类运动进行肌骨系统生物力学建模和仿真研究，给运动分析、康复工程提供力学依据\cite{ref3}。吕晓庆等人对人体生物力学仿真和可视化相关研究做了全面的梳理，总结出多体建模、有限元、肌骨仿真等主要的技术路线，为人体交互仿真的方法提供参考\cite{ref4}，陈卓利用OpenSim平台概述了人体肌骨仿真建模的发展历程，使仿真工具在体育科学、康复工程领域向着标准化的方向发展\cite{ref5}。
 
-潘言心设计并制作出分布式三维力触觉传感器，解决了分布式接触力精确采集的问题，给高分辨率触觉交互提供硬件支持\textsuperscript{[6]}。陈大鹏等人提出依靠数据的纹理摩擦建模和触觉渲染方法，通过采集真实物体表面摩擦特性来提高触觉渲染的真实性、材质区分度\textsuperscript{[7]}，陈庚对虚拟纹理全面属性建模和力触觉重现展开研究，将触觉反馈从单一的力值扩展为粗糙度、摩擦、纹理等全面特征，再次提升了虚拟交互的沉浸感\textsuperscript{[8]}，王宏润关注XR自然手势交互，创建起触觉加强系统，探寻手势识别和触觉反馈融合的方法，改进沉浸式交互的自然程度\textsuperscript{[9]}。
+潘言心设计并制作出分布式三维力触觉传感器，解决了分布式接触力精确采集的问题，给高分辨率触觉交互提供硬件支持\cite{ref6}。陈大鹏等人提出依靠数据的纹理摩擦建模和触觉渲染方法，通过采集真实物体表面摩擦特性来提高触觉渲染的真实性、材质区分度\cite{ref7}，陈庚对虚拟纹理全面属性建模和力触觉重现展开研究，将触觉反馈从单一的力值扩展为粗糙度、摩擦、纹理等全面特征，再次提升了虚拟交互的沉浸感\cite{ref8}，王宏润关注XR自然手势交互，创建起触觉加强系统，探寻手势识别和触觉反馈融合的方法，改进沉浸式交互的自然程度\cite{ref9}。
 
-刘浩城针对针灸机器人软组织安全交互难点，提出柔性末端控制方法并重视力觉约束和安全策略，给医疗场景下柔性人机交互提供安全范例\textsuperscript{[10]}，梅欣根据物体力触觉属性识别，对机器人自适应抓取进行研究，用触觉感知提高复杂物体操作的稳定性、鲁棒性\textsuperscript{[11]}。
+刘浩城针对针灸机器人软组织安全交互难点，提出柔性末端控制方法并重视力觉约束和安全策略，给医疗场景下柔性人机交互提供安全范例\cite{ref10}，梅欣根据物体力触觉属性识别，对机器人自适应抓取进行研究，用触觉感知提高复杂物体操作的稳定性、鲁棒性\cite{ref11}。
 
-马雨前把RPIM无网格法应用到虚拟手术软组织形变仿真中，改进了碰撞检测算法，既保证了仿真精度又保证了实时性\textsuperscript{[12]}，冯上涛从虚拟手术缝合过程出发，加强了软组织形变仿真和碰撞检测的真实性、实时性，更符合临床手术操作的要求\textsuperscript{[13]}，吕双祺等对气凝胶复合材料做细观力学建模和变形行为仿真，扩大了可变形物体建模在先进功能材料领域中的应用范围\textsuperscript{[14]}，李浩达对多体系统非理想运动副进行接触力学建模与仿真分析，完善了复杂约束下动力学求解的方法\textsuperscript{[15]}，赵飞对重载履带式爬壁机器人进行力学建模与仿真，为大型装备柔性接触操作提供动力学支持\textsuperscript{[16]}。
+马雨前把RPIM无网格法应用到虚拟手术软组织形变仿真中，改进了碰撞检测算法，既保证了仿真精度又保证了实时性\cite{ref12}，冯上涛从虚拟手术缝合过程出发，加强了软组织形变仿真和碰撞检测的真实性、实时性，更符合临床手术操作的要求\cite{ref13}，吕双祺等对气凝胶复合材料做细观力学建模和变形行为仿真，扩大了可变形物体建模在先进功能材料领域中的应用范围\cite{ref14}，李浩达对多体系统非理想运动副进行接触力学建模与仿真分析，完善了复杂约束下动力学求解的方法\cite{ref15}，赵飞对重载履带式爬壁机器人进行力学建模与仿真，为大型装备柔性接触操作提供动力学支持\cite{ref16}。
 
 国内的研究在力学建模的改良、触觉渲染维度的拓展、医疗和机器人场景的应用、硬件传感器的设计等各方面都取得了很多成果，但是系统级视触同步、多线程实时架构、跨设备标准化融合、全流程定量评价体系以及完整的``建模-交互-评价''循环平台创建还存在很大的改进空间。
 
@@ -31,24 +31,24 @@ \subsection{国外研究现状}
 国外对于可变形物体触觉交互、实时仿真、数字孪生、柔性机器人、多模态交互等已经有了较早的研究，已经形成了一套包含基础理论、算法框架、系统整合和量化评定的技术体系，非常重视实时性、鲁棒性和工程应用能力。
 
 Tzimos
-N等对虚拟现实触觉接口和多模态交互进行研究，探究VR环境下3D物体的触觉接口多模态交互机制，证明触觉反馈可以明显提高交互的可靠性和准确性，也可以提高用户沉浸感\textsuperscript{[17]}。Taghizad
-H等人的实时仿真理论及框架综述了多速率实时仿真技术、模型、框架以及主要难点，为高保真、高实时性交互系统规划提供理论依据\textsuperscript{[18]}。
+N等对虚拟现实触觉接口和多模态交互进行研究，探究VR环境下3D物体的触觉接口多模态交互机制，证明触觉反馈可以明显提高交互的可靠性和准确性，也可以提高用户沉浸感\cite{ref17}。Taghizad
+H等人的实时仿真理论及框架综述了多速率实时仿真技术、模型、框架以及主要难点，为高保真、高实时性交互系统规划提供理论依据\cite{ref18}。
 
 Laukaitis
-A等人把Webots与MuJoCo结合使用生成式AI来改善仿真的机器人学习和智能控制的实用价值，给多引擎仿真协同开拓了新途径\textsuperscript{[19]}，Islam
+A等人把Webots与MuJoCo结合使用生成式AI来改善仿真的机器人学习和智能控制的实用价值，给多引擎仿真协同开拓了新途径\cite{ref19}，Islam
 U N M
-等人把人体姿态稳定和神经控制结合起来，用键合图模型提高姿态稳定性预测精度\textsuperscript{[20]}。
+等人把人体姿态稳定和神经控制结合起来，用键合图模型提高姿态稳定性预测精度\cite{ref20}。
 
 航天和极端环境仿真中，Han Z Z
-等人用变分积分器建立小行星探测器的轨道动力学模型并进行仿真，从而提高长时间仿真的数值稳定性\textsuperscript{[21]}。Mao
-Z等人站在系统动力学的角度研究教师数字素养和革新的影响机理，给复杂的社会系统仿真建模提供理论上的借鉴\textsuperscript{[22]}，针对复杂的群体运动仿真，Zhang
-B等人给出滑雪场景下行人动力学建模及仿真的框架，给复杂的运动交互提供可扩展的方法\textsuperscript{[23]}。
+等人用变分积分器建立小行星探测器的轨道动力学模型并进行仿真，从而提高长时间仿真的数值稳定性\cite{ref21}。Mao
+Z等人站在系统动力学的角度研究教师数字素养和革新的影响机理，给复杂的社会系统仿真建模提供理论上的借鉴\cite{ref22}，针对复杂的群体运动仿真，Zhang
+B等人给出滑雪场景下行人动力学建模及仿真的框架，给复杂的运动交互提供可扩展的方法\cite{ref23}。
 
 柔性机器人建模与控制研究中，柔体外翻式生长机器人动态建模、物理分析及仿真实验验证由Kalibala
-A等人完成，使软体机器人可以得到准确的控制\textsuperscript{[24]}。为了解决精密设备在振动环境下产生抖振等问题而建立的空间磁悬浮隔振控制系统进行动力学建模和仿真研究，Ye
-M等人提出了一种新的提高精密设备稳定性的方法\textsuperscript{[25]}。对于可变形物体的形状控制，Zueco
+A等人完成，使软体机器人可以得到准确的控制\cite{ref24}。为了解决精密设备在振动环境下产生抖振等问题而建立的空间磁悬浮隔振控制系统进行动力学建模和仿真研究，Ye
+M等人提出了一种新的提高精密设备稳定性的方法\cite{ref25}。对于可变形物体的形状控制，Zueco
 C
-I等人给出了一个多尺度弹性轮廓映射的方法，可以实现对复杂可变形物体高精度的形状调整和跟踪\textsuperscript{[26]}。
+I等人给出了一个多尺度弹性轮廓映射的方法，可以实现对复杂可变形物体高精度的形状调整和跟踪\cite{ref26}。
 
 国外研究大多集中在高实时性保障、多速率同步机制、严格量化评价体系、跨平台硬件融合等几个方面，许多工作直接采用``物理引擎+触觉设备+VR''循环结构，表现出当下可变形物体触觉交互仿真领域的主要技术走向。