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机电产品的虚拟设计与仿真(PPT 90张)

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大型机电产品的模拟仿真与虚拟设计

大型机电产品的模拟仿真与虚拟设计
图1-1 虚拟现实技术3I特性
1.2虚拟设计技术的发展史
20世纪60年代，美国麻省理工学院林肯实验室的I.E.Sutheriand发表了“Sketchpod:一个人机通信的图形系统”的博士论文。这是公认的“交互式的计算机图形学”的开端，它的出现为CAD技术向“虚拟设计”飞跃提供了技术上的可能。20世纪70年代，微电子工业飞速发展，计算机的处理速度和存储能力以每年40%的比率上升，而体积价格却以同样的比率下降，使得商品化CAD/CAM系统的普及成为可能。20世纪80年代，CAD软硬件向标准化、集成化和智能化发展，人工智能和专家系统在CAD系统中的应用，使CAD向虚拟化又接近了一步。上世纪90年代以来，计算机技术出现了许多新成果，RISC微处理器广泛应用于工作站，图形的并行处理技术，多媒体技术的崛起都赋予CAD技术以新的内容。同时也为CAD技术项“虚拟设计”飞跃提供了坚实的社会和技术基础。
2.4 VRML造型
（1）VRML基本造型
VRML文件中的长方体(Box)、圆柱体(Cylinder)、圆锥体(Cone)、球体 (Sphere) 4种最基本的空间造型是由相应的专门节点直接创建，而其他复杂的空间造型则由其他高级的造型方法来创建。但是这些造型方法定义的只是空间造型的外形尺寸，造型的外观是由专门的节点控制，也就是说，空间造型是由几何尺寸和外观来一同决定的，将这两方面结合起来的节点就是Shape节点。Shape节点包括了外观和几何结构两个域，通常用Appearance节点作为外观域的域值;各种方法造型的造型节点作为几何结构域的域值。用Shape节点就可以创建出虚拟世界中单个的几何造型，再加上使用Group节点就可以将各个单个的造型节点结合在一起。用Group结合造型也称为对造型进行编组，编组后的节点可以作为一个整体来进行操作，最终创建出整个的虚拟三维世界。

机电系统仿真课案PPT课件

机电系统仿真课案PPT课件
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第4页/共46页
一. 仿真技术概论
2. 仿真的必要性
希望能在较短的时间内观察到系统发展的全 过程，以估计某些参数对系统行为的影响．
难以在实际环境中进行实验和观察时，计算 机仿真是唯一可行的方法， 例如太空飞行的 研究．
需要对系统或过程进行长期运行比较，从大 量方案中寻找最优方案．
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一. 仿真技术概论
5. 系统仿真
（4）系统仿真的一般步骤：
①建立系统的数学模型；
②转换成仿真模型；
③编写仿真程序；
④对仿真模型进行修改校验，看 与实际系统是否一致，确认模型 的正确性。
⑤运行仿真程序，在不同的初始 15/48 条件和参数下，对系统进行第反15页复/共46页
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一. 仿真技术概论
2. 仿真的必要性
难以用数学公式表示的系统，或者没有建立 和求解数学模型的有效方法．虽然可以用解 析的方法解决问题，但数学的分析与计算过 于复杂，这时计算机仿真可能提供简单可行 的求解方法
对于随机性系统，可以通过大量的重复试验， 获得其平均意义上的特性指标
具有刚性、阻力及惯性这些性能，在输入力作用下，
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系统能产生一定相应输出，如位移输出。
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二 . 机电系统建模
2. 机械系统的数学模型
（1）机械移动系统
m
k
c
机械平移系统基本元件
(a)质量；(b)弹簧；(c)阻尼
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二 . 机电系统建模
2. 机械系统的数学模型
d 2 x2 dt 2
?
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虚拟仪器设计与仿真(XXXX)-专业PPT文档

虚拟仪器设计与仿真(XXXX)-专业PPT文档
2．实验原理说明
利用LabVIEW的运算控件、基本波形发生器、任意波形发生 器和波形图控件，设计虚拟信号发生器。并能够实现实际信号发 生器的主要功能。要求：运行时使用界面简单、易于操作。
3、实验要求
1）实现功能：
要有正弦波、方波、三角波、锯齿波、噪声以及任意波 形的发生，并能任意切换产生信号类型。
LabVIEW类似于C和BASIC开发环境，它与其他计算机语言的显 著区别是：它使用的是图形化编辑语言编写程序。
图形化的程序语言，又称为“G”语言。用这种语言编程时，基本 上不写程序代码，而是流程图，产生的程序是框图的形式。
LabVIEW编程又称为“数据流编程”。特别对于熟悉仪器结构和 硬件电路的硬件技术人员，编程就像设计电路图一样；在很短的时间 内就能够学会并应用LabVIEW。
（参考，可设计其它的仪器）
1．实验目的 根据实验题目，学习簇结构的使用，掌握虚拟仪器前面板整体布局设计； 学习LabVIEW的高级控件的运用和复杂功能实现； 设计键盘控制面板并实现其功能。 学习外部程序接口及LabVIEW与其他软件的混合编程。
2．实验原理说明 原理框图：
键盘控制面板设计，程序创建能实现虚拟键盘的录入功能，按 Caps Lock钮可切换大小写，程序要配合鼠标使用，输入能显示。
数据采集信号处理结果表达与仪器控制 Nhomakorabea硬件
程序 算法 显示器与虚拟控件
（电子线路）
仪器概念的转变
虚拟仪器的出现是测量仪器领域的一个突破，改变了传统的仪器观， 带来一个全新的仪器观念。虚拟仪器代表着测量仪器发展的最新方向和潮 流，是仪器产业发展的一大趋势。
ROMM礟ath DICSAPONLNDATYROLPROCE礟SSMOERMBOU48SR8YPORT

机电一体化系统的建模与仿真

机电一体化系统的建模与仿真

机电一体化系统的建模与仿真机电一体化系统是近年来工业自动化发展的一个重要方向，它将机械、电气、电子、计算机等多个学科有机结合，实现了产品的智能化和高效化。

在机电一体化系统的设计和开发过程中，建模与仿真是非常关键的一环。

本文将探讨机电一体化系统的建模与仿真的重要性、方法和应用。

一、机电一体化系统建模的重要性1. 减少开发成本和时间：通过建模与仿真，可以在产品实际制造之前发现问题和缺陷，减少开发过程中的试错成本和时间。

同时，可以在虚拟环境中对系统进行优化，提高产品的性能和质量。

2. 提高系统可靠性：通过建模与仿真，可以深入分析系统的运行过程，预测出潜在的故障和问题，并进行针对性的优化。

这样可以提高系统的可靠性和稳定性，减少故障率和维修成本。

3. 优化系统性能：建模与仿真可以帮助工程师在设计阶段进行多种方案的比较和评估，找出最优解决方案。

通过对系统进行仿真和测试，可以预测系统在不同工况下的性能，并进行优化调整，以实现更好的工作效果。

二、机电一体化系统建模与仿真的方法1. 建模方法（1）物理模型：通过对机电一体化系统的结构、元件和工作原理进行建模，可以快速构建一个具有物理实际意义的模型。

采用物理模型可以更好地反映系统的实际情况，但是建模过程相对较复杂。

（2）数据驱动模型：通过收集和分析大量的实验数据，利用统计学和机器学习等方法建立数学模型。

数据驱动模型可以根据实际数据自动调整和更新，适用于一些复杂的非线性系统。

2. 仿真方法（1）数学仿真：利用计算机进行大规模的数值计算，对系统进行仿真模拟。

数学仿真可以基于系统的物理模型和数学模型，通过输入不同的参数和条件，模拟系统在不同工况下的运行状态，预测系统的性能指标。

（2）软件仿真：通过专门的软件工具，如MATLAB、Simulink等进行系统建模和仿真。

这些软件提供了丰富的模型库和仿真环境，可以方便地进行建模和仿真分析。

同时，软件仿真还可以与物理实验相结合，进行混合仿真，提高仿真的准确性。

机电产品虚拟设计与仿真

机电产品虚拟设计与仿真
–SRI研究中心建立了“视觉感知计划”，研究现有VR 技术的进一步发展。1991年后，SRI进行了利用VR技 术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究，试图通过仿 真来减少飞行事故。此外，SRI还利用遥控技术进行 外科手术仿真的研究。
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机电产品虚拟设计与仿真
虚拟现实的国内外研究现状
–华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术 实验室(HIT Lab)在新概念的研究中起着领 先作用，同时也在进行感知、知觉、认知和 运动控制能力的研究。 HIT将VR研究引人了 教育、设计、娱乐和制造领域。例如，波音 公司的V22运输机就是先在实验室中造出虚 拟机后再投人生产的。
传感技术，将大量的光纤安装在一个紧身 衣服上，它能测量肢体的位置，然后用计 算机重建出图像。目前，数据衣还不是真 正的商品，还在进一步研究之中。
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机电产品虚拟设计与仿真
虚拟设计技术结构体系
• （6）触觉和力反馈的装置
•
为了产生虚拟的触摸感觉，研究人员开发了
触觉和力反馈装置。虽然它们的样式和大小各不
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机电产品虚拟设计与仿真
1.1 虚拟现实技术概述
• 定义和特征 • 虚拟设计的结构体系及支撑技术 • 虚拟现实的发展历程 • 虚拟现实的国内外研究现状 • 虚拟现实的主要应用领域
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机电产品虚拟设计与仿真
定义和特征
• 概念
“虚拟现实”（virtual reality，简称vr）是用计算 机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅 觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用 自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进 行浏览和交互考察。。
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机电产品虚拟设计与仿真

机电系统与仿真概述解读课件

机电系统与仿真概述解读课件

预测性：通过模拟不同 情况下的系统行为，可 以对未来可能发生的情 况进行预测和预防。
仿真技术在机电系统中的应用
机电系统设计阶段
在机电系统的设计阶段，仿真技术可以用来验证设计的可行性和合理性。通过建立机电系统的模型，可以检查各部分 之间的协调性和性能，从而提前发现和解决问题。
机电系统优化
仿真技术可以通过调整机电系统的参数，找到最优的运行参数和配置。这有助于提高机电系统的效率和性能，降低运 行成本。
机电系统与仿真 概述解读课件
• 机电系统概述 • 机电系统仿真技术概述 • 机电系统建模方法与流程 • 机电系统仿真实验设计与分析 • 机电系统仿真技术案例展示
01
CATALOGUE
机电系统概述
机电系统的定义与特点
• 机电系统定义：机电系统是由机械、电子、计算 机等学科相互渗透而形成的综合性系统，它实现 了机械、电子、计算机等技术的有机结合，成为 现代工业生产中不可或缺的一部分。
案例三：机器人行走路径规划仿真
总结词
通过使用仿真技术，实现对机器人行走路径 的规划和验证，提高机器人的运动效率和安 全性。
详细描述
机器人行走路径规划仿真是通过对机器人的 行走路径进行建模和仿真，来预测和验证机 器人的实际行走轨迹和性能。通过仿真技术， 可以快速地对机器人的行走路径进行规划和 验证，提高机器人的运动效率和安全性，为 机器人在救援、服务等领域的应用提供了重
案例二：电机控制系统仿真
总结词
通过使用仿真技术，实现对电机控制系统的 设计和验证，提高电机的运行效率和稳定性。
详细描述
电机控制系统仿真是通过对电机的控制系统 进行建模和仿真，来预测和验证电机的实际 运行状态和性能。通过仿真技术，可以快速 地对电机的控制系统进行设计和验证，提高 电机的运行效率和稳定性，为电机在工业、 能源等领域的应用提供了重要的技术支持。

机电系统建模与仿真PPT课件精品文档


<一>从功率键合图推导状态方程 1、确定状态变量和输入变量
功率键合图中，C元、I元有导数或积分关系，故取C 元的流变量f，I元的力变量e作为状态变量。
C作用元：
f

1 c

vdt
p

1 c

qdt
u

1 c

idt
1 X 位移 c
1 V 体积
c
1
Q c
电荷
I作用元：
v

1 I

Fdt
q

1 I

1.电系统建模与仿真概述1-1
● 机电系统三大问题：
①已知输入（激励）和系统特性（动态特 性或数学模型）求响应预测问题→仿真；
②已知输入和输出，求系统特性，此为系 统识别问题；
③已知输出和系统特性，求输入，此为载 荷识别问题；
建模与仿真专题讲座 功率键合图
一、作用
二、构成与符号
三、建模与仿真
第一步： 画出功率键合图 功率键合图
第二步：写出功率键合图中储能元件上原来的因 变量之间的关系
V12

1 I阀
P12
F11

1 C弹
x12
P2

1 C管
v2
第三步：应用键合图的规则及其变量间的逻辑关系，将 各状态变量的一阶导数（相当于原来的自变量） 推导成储能元功率键上的因变量及输入变量的代 数或函数关系。
p1
p3
q1
△p=p2
p2 q2
p1 1 p3
q1
q3
p1=p2+p3
用1结点表示带有液阻的管路
q1=q2=q3=q

虚拟仿真3D辅助设计系统方案实用PPT(30张)


A地区
云服务器
B地区
云端共享场景
03系统应用
three • 虚拟仿真\ 工业设计\
应用场景
工具的升级，效率的提升
需求方
方案交付及反馈
提 出
运用创新手段，满足需求。
需
求
智力
工程师
物力
沉浸仿真 系统
解决方案
常见应 用场景
可视化
交互性
真实性
技术评审
研发-生产地点
验证流程
管理-工程部门 （跨域评审）
结果演示
示，或在隐藏零件和显示零件之间切换。 ➢ 添加标注：在虚拟环境中添加指向位置的数字索引。 ➢ 自由行走：以虚拟方式参观建筑物或模型内部，可以模拟上下
楼梯动作。
VR应用案例
VR头盔
光学动作捕捉相机
AR应用案例
THANK YOU
•
1.有学者认为，这些水是地球本身固 有的。 在地球 形成之 初，地 球水就 以蒸气 的形式 存在于 炽热的 地心中 ，或者 以结构 水、结 晶水等 形式存 于地下 岩石中 。那时 ，地表 的温度 较高， 大气层 中以气 体形式 存在的 水分也 较多。
CAVE系统
AR系统
沉浸式VR系统
虚拟仿真种类
01.实物仿真
实物仿真是用实物模型采用机械 式的方法模拟另一个实物系统原理、 结构、操作等。如楼花、沙盘、微 缩机械模型等。
实物虚拟仿真模型
02.半实物仿真
半实物仿真是既有实际物体又有 虚拟影像来模拟另一物体特征，半 实物仿真多用来模拟宏大场景，如 模拟飞行，驾驶等。
目前主流应用的3D 手势识别、数据手套，已经符合人体的自然动作，让人们以最舒适的方式获取信息。

机电系统与仿真概述解读课件

云仿真与分布式仿真
利用云计算和分布式计算技术 ，实现大规模仿真的高效计算
与资源共享。
03
机电系统仿真技术
机电系统仿真技术的基本原理
机电系统仿真技术的基本原理是通过建立数学模型来模拟实际系统的动态行为。这个数学模 型通常由一组微分方程、差分方程、代数方程等组成，描述了系统的物理、化学、生物等过 程。
详细描述
机电系统在汽车领域中应用广泛，如发动机控制、底盘 控制、车身控制等。在航空航天领域，机电系统用于控 制飞机的起降、姿态控制、导航等。在能源领域，机电 系统用于风力发电、水力发电、火力发电等领域，实现 能源的转换和传输。在医疗领域，机电系统用于医疗设 备、医疗器械等领域，如手术机器人、诊断设备等。在 智能制造领域，机电系统用于自动化生产线、工业机器 人等领域，提高生产效率和产品质量。
02
仿真技术概述
仿真技术的定义与特点
01
02
仿真技术的定义 逼真性
03 可重复性
04 低成本
05 可扩展性
仿真技术是一种通过建立 模型来模拟真实系统运行 的技术。它通过模拟系统 的动态行为和性能，帮助 人们更好地理解系统的本 质，预测系统的行为，并 优化系统的设计。
仿真技术能够模拟真实系 统的运行环境，提供高度 逼真的实验条件。
护。
02
模型精度要求高
为了满足实际应用需求，机电系统与仿真需要构建高精度的模型。解决
方案包括采用先进的建模方法和优化算法，以提高模型精度和预测能力
。
03
跨学科交叉融合难度大
机电系统与仿真涉及到多个学科领域，交叉融合难度大。解决方案包括
建立跨学科的交流平台和合作机制，促进不同领域之间的合作和知识共
享。

机电系统与仿真概述46页PPT


26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
46
Байду номын сангаас
机电系统与仿真概述
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
▪
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虚拟设计技术结构体系
• （6）触觉和力反馈的装置 • 为了产生虚拟的触摸感觉，研究人员开发了 触觉和力反馈装置。虽然它们的样式和大小各不 相同，但它们大致上做相同的事情：推我们的手 臂，并把机械或动力信号记录下来。力反馈的装 置相对于触觉要容易，国际上已有一些机械的力 反馈装置。 • （7）立体显示设备 • 头盔式显示器HMD；特殊的头部显示器 BOOM（双目全方位监视器）；立体眼镜（用户 戴在眼睛上能从显示器上看到立体的图像）；立 体投影显示；3D显示器。
头盔式显示器HMD
虚拟设计技术结构体系
• （8）3D声音生成器 “3D声音”不是立体声的概念，它是 指由计算机生成的、能由人工设定声源在 空间中三维位置的一种声音。3D声音生成 器是利用人类定位声音的特点生成出3D声 音的一套软硬件系统。 人类进行声音的定位依据两个要素： 两耳时间差和两耳强度差
其他硬件
• 双筒全方位显示器(Binocular OmniOrientation Monitor—BOOM） • 立体投影显示 • 立体眼镜 • 等等
1.3 虚拟现实的发展历程与现状
• 发展历程
1965年 Sutherland提出 1966年 开始HDM的研究 1968年 研制出第一台HMD
20世纪90年代以来 VR应用到众多领域
1975年 Myron Krueger 提出AR的思想
1990年 Siggraph会议确定 VR技术的发展方向
1986年 VIEW系统研制成功
1985年 研制出数据手套
虚拟现实的国内外研究现状
• 国外虚拟现实技术的研究现状
–美国宇航局(NASA) • 美国宇航局 (NASA) 的 Ames 实验室完善了 HMD ，并 将 VPL 的数据手套工程化，使其成为可用性较高 的产品。 • NASA 完成的一项著名的工作是对哈勃太空望远 镜的仿真。 • 现在NASA已经建立了航空、卫星维护VR训练系统、 空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使 用的VR教育系统。 • ASA 的 Ames 现在正在致力于一个叫“虚拟行星探 索(VPE)”的实验计划，这一项目能使“虚拟探索 者 (Virtual Explorer)” 利用虚拟环境来考察遥 远的行星，他们的第一个目标是火星。
• • • • • 定义和特征 虚拟设计的结构体系及支撑技术 虚拟现实的发展历程 虚拟现实的国内外研究现状 虚拟现实的主要应用领域
定义和特征
• 概念
“虚拟现实”（virtual reality，简称vr）是用计算 机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅 觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用 自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进 行浏览和交互考察。。
• 4)通用的商用工具软件包：如：WTK，VRML等。
虚拟设计技术结构体系
•虚拟现实硬件基础
• （1）概论 • 虚拟现实常用的主要硬件设备包括：高性能计算机； 广角（宽视野）的立体显示设备；观察者（头、眼）的跟 踪设备；人体姿势的跟踪设备；立体声；触觉、力学反馈； 语音输入输出等硬件设备。 • （2）3D位置跟踪器 • 在3D空间中移动对象共有三个平移参数和三个旋转 参数。这些参数可组成一个6维的数据集。在早期，人们 主要采用机械方式测量上述参数；当今，非接触3D跟踪 技术已经取代了机械测量。3D非接触跟踪技术包括磁场、 超声波、雷达和摄象机等。 • （3）传感手套 数据手套可以帮助计算机测试人手的位置与指向，从 而可以实时的生成手与物体接近和远离的图像。但迄今为 止，商品化的数据手套都不提供触觉反馈作用。
机电产品的虚拟设计与仿真
姚进ห้องสมุดไป่ตู้
教授
本次课的内容 1 虚拟现实技术概述 2 虚拟样机技术 3 课程教学与考试
1 虚拟技术（ (Virtual Reality) ）
1.1虚拟现实技术概述 1.2虚拟现实体系结构 1.3虚拟现实的发展历程 1.4虚拟现实技术的应用 1.5虚拟现实技术未来发展展望
1.1 虚拟现实技术概述
虚拟现实的国内外研究现状
–北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR研究最早 最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、 外科手术仿真、建筑仿真等。在显示技术上 UNC开 发了一个帮助用户在复杂视景中建立实时动态显示 的并行处理系统．叫做像素飞机(Pixel Planes)。 –麻省理工学院(MIT)是一个一直走在最新技术前沿的 科学研究机构。1985年M1T成立了媒体实验室，进行 虚拟环境的正规研究。此外，M1T还在进行“路径规 划”与“运动计划”等研究。 –SRI研究中心建立了“视觉感知计划”，研究现有VR 技术的进一步发展。1991年后，SRI进行了利用VR技 术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究，试图通过仿 真来减少飞行事故。此外，SRI还利用遥控技术进行 外科手术仿真的研究。
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1.2 虚拟设计技术结构体系
• 虚拟设计系统结构
虚拟设计技术结构体系
•虚拟设计软件技术
• 虚拟环境中采用的软件有四类：
• 1)语言类： 如C++、VBML等； • 2)建模软件类：如AuoCAD、SolidWorks、Pro／ E、CATIA等。 • 3)应用软件类：指用户自己的各种需求，选择或 者开发的自用软件。
•增强现实性的虚拟现实
增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来 模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参 与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或 不方便的感受。
•分布式虚拟现实
如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参 加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，那虚拟现实则提 升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。
虚拟现实类别：
•桌面虚拟现实 •沉浸的虚拟现实 •增强现实性的虚拟 现实 •分布式虚拟现实
•桌面虚拟现实
桌面虚 拟现实利用 个人计算机 和低级工作 站进行仿真， 将计算机的 屏幕作为用 户观察虚拟 境界的一个 窗口。
•沉浸的虚拟现实
高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验， 使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。
常见的数据手套
虚拟设计技术结构体系
（4）三维鼠标
普通的鼠标只能感受在平面的运动，而立 体鼠标能够感受用户在六个自由度的运动。
虚拟设计技术结构体系
• （5）数据衣 数据衣采用与数据手套相同的光纤弯曲 传感技术，将大量的光纤安装在一个紧身 衣服上，它能测量肢体的位置，然后用计 算机重建出图像。目前，数据衣还不是真 正的商品，还在进一步研究之中。