專利名稱：支持力觸覺反饋的虛擬柔性體變形手術仿真系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種支持力觸覺反饋的虛擬柔性體手術仿真系統(tǒng)，屬于虛擬現(xiàn)實人機 交互領域。
背景技術：
隨著力觸覺人機交互技術的飛速發(fā)展，越來越多的研究人員將力觸覺交互設備應 用到虛擬手術中，使醫(yī)生在手術仿真過程中不僅能夠看到而且能夠通過和手臂的運動與虛 擬柔性體進行交互，從而形成對虛擬手術環(huán)境的一個完整認識，而且能像操作真實物體一 樣，真實地感受到與虛擬對象實時交互時產(chǎn)生的力觸覺信息，這無疑可使手術訓練更加逼
真、準確、可靠。人體的器官或組織多為柔性體，而人體的柔性體具有血流豐富、血管分布密集、結(jié) 構(gòu)特殊復雜、手術難度高的特點，而傳統(tǒng)的影像學檢查所提供的多為二維平面圖像，無法利 用手術器械預先進行外科手術仿真，更無法提前感受實時的力觸覺反饋，這對于一些復雜 的外科手術具有一定的盲目性和不可靠性。為了有效降低訓練成本，提高手術成功率，本文 設計并實現(xiàn)了一種支持力觸覺反饋的虛擬柔性體變形仿真系統(tǒng)，其可模擬虛擬代理對柔性 體的按壓變形進行仿真。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種支持力觸覺反饋的虛擬柔性體手術仿真系統(tǒng)，并將其用于虛擬現(xiàn) 實人機交互的柔性體變形仿真。該系統(tǒng)力觸覺感覺平穩(wěn)、模擬效果逼真、能夠滿足虛擬現(xiàn)實 系統(tǒng)對精細作業(yè)和實時性的要求。本發(fā)明采用如下技術方案一種虛擬柔性體的力觸覺反饋仿真系統(tǒng)，包括計算機主機和力觸覺交互設備，在 計算機主機上連接有顯示器，所述計算機主機至少包括硬盤和1394卡，其特征在于，所述 硬盤至少包括用于檢測虛擬代理位置的位置檢測模塊、用于檢測虛擬代理與虛擬柔性體 是否發(fā)生碰撞的碰撞檢測模塊、力觸覺計算變形模塊、根據(jù)力觸覺計算變形模塊發(fā)出的最 新力觸覺變形信息的圖形刷新模塊及力觸覺信息反饋模塊，所述硬盤通過1394卡及1394 連接線與力觸覺交互設備連接，用于將力觸覺計算變形模塊產(chǎn)生的柔性體表面的變形信息 傳輸至力觸覺交互設備，所述力觸覺計算變形模塊243用于在虛擬代理與虛擬柔性體以給定的虛擬接觸 力F發(fā)生碰撞時，在碰撞點下懸掛第一個等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧，形成第一層，所述第一層 等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為Cl1、大圈半徑為Rli2、小圈半徑為Ru、節(jié)距為、、大 圈半徑側(cè)支承圈數(shù)I^s2取值為0. 5、小圈半徑側(cè)支承圈數(shù)ni,sl取值為0. 25、有效圈數(shù)Ii1取 值為2 ；在第一層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛第二個等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧，形成第 二層，所述第二層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為diq、大圈半徑為R1,2q、小圈半徑 為Ryq、節(jié)距為tiq、大圈半徑側(cè)支承圈數(shù)n2, s2取值為0. 5、小圈半徑側(cè)支承圈數(shù)n2, sl取值為0. 25、有效圈數(shù)Ii2取值為2 ；在第二層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛第三個等節(jié)距圓 錐形螺旋彈簧，形成第三層，所述第三層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為diq2、大圈 半徑為R1,2q2、小圈半徑為Ruq2、節(jié)距為tiq2、大圈半徑側(cè)支承圈數(shù)％s2取值為0. 5、小圈半 徑側(cè)支承圈數(shù)n3,sl取值為0. 25、有效圈數(shù)Ii3取值為2 ；依次類推，在第i_l層的等節(jié)距圓錐 形螺旋彈簧下，懸掛第i個等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧，形成第i層，所述第i層等節(jié)距圓錐形 螺旋彈簧的彈簧絲直徑為dZ1、大圈半徑為Rut1、小圈半徑為Rut1、節(jié)距為、廣1、大圈 半徑側(cè)支承圈數(shù)Iii,s2取值為0. 5、小圈半徑側(cè)支承圈數(shù)ni,sl取值為0. 25、有效圈數(shù)Iii取值 為2，形成第i層，i = 1,2,3,......，N，N為自然數(shù)； 假定虛擬接觸力F的作用線和螺旋彈簧中心線一致，且在虛擬接觸力F作用下，等 節(jié)距圓錐形螺旋彈簧只產(chǎn)生開始接觸時的線性變形，若柔性體中共有M層產(chǎn)生變形，則第M 層稱為變形截止層，其中前M-I層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧均被壓縮到彈簧開始接觸時變 形的最大線性長度，第M層的彈簧被壓縮的長度不大于彈簧開始接觸時變形的最大線性長 度；
對于第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧，因其滿足
Rw-RiaS Iii .Cli(1)故第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力Fi,z表示為
I=載(2) 其中，tpd' i分別為第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的節(jié)距、彈簧壓并時圈間中 心高度，其大小滿足
‘I
,U’l、2
ο)
nt -Q1前M-I層中任意第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時的線性變形Xi, z為 其中，I^Fi,z、Ri,2、氏,Pdi分別為第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的有效圈數(shù)且取 值^ = 2、彈簧開始接觸時消耗的外力、大圈半徑、小圈半徑、彈簧絲直徑，G為切變模量，與 柔性體的材質(zhì)有關，這里假定每層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的柔性體材質(zhì)相同；
變形截止層第M層的變形為
M-I
m
I=I
其中，P' M為第M層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧剛度，其大小滿足
Xm,=^^^⑶
M — 16”m(R2m，2 +R2m)(Rm,2 + Rm)其中dM、nM、Rm,2、Rm,！分別為變形截至層第M層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲 直徑、有效圈數(shù)、大圈半徑、小圈半徑；假定第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧大、小端支承圈數(shù)、有效圈數(shù)分別為ni,s2、ni,
6sl、ni，且任意一層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧大、小端支承圈數(shù)、有效圈數(shù)均相同，即 ^ = η2 = η3 =…=叫=2 (9)使虛擬接觸力作用于柔性體碰撞點，第i層對應的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始被 壓縮，如果前i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力Fi, z之和小于給定的虛 擬接觸力F，且第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形總計需要的時延時間滿足刷 新頻率1000Hz以上的要求，設共計經(jīng)過時延Li后，第i層的彈簧被壓縮，相應的等節(jié)距圓錐 形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形，只有當?shù)趇層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧被壓縮到最大線性變形 長度后，第i+Ι層對應的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧才開始被壓縮，依此類推，直到前M層所有 的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力之和不小于給定的虛擬接觸力，或第M層 的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形總計需要的時延時間不滿足刷新頻率的要求；用IpLi分別表示第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形需要的時延時間、 前i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形需要的時延時間，且令層間的時延時間滿足 以第一層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形需要的時延時間I1為首項，以q為公比的 等比數(shù)列Ii = Qi-1I1 (10)從虛擬代理碰撞接觸到虛擬柔性體表面算起，假定第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈 簧產(chǎn)生線性變形總計需要的時延時間為Li,且其須滿足Li <L，其中 =—L為力觸覺再現(xiàn)刷新頻率的倒數(shù)；等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法中每層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧變形量 之和的疊加對外等效為柔性體表面的變形， 其中，Xi,z為前M-I層中任意第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的最大線性變形，XM,z 為變形截止層第M層的線性變形，X為前M層所有等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的線性變形之和；力觸覺交互設備采用PHANTOM OMNI力觸覺交互設備，所述ΡΗΑΝΤ0Μ0ΜΝΙ力觸覺交 互設備通過APS開關電源供電，通過APS開關電源之后，將供電電源220V的交流電轉(zhuǎn)化為 18V，2. 22A所需的電壓，顯示卡、1394卡、硬盤均通過總線實現(xiàn)雙向傳輸，顯示器通過VGA連 接線與顯示卡連接。本發(fā)明的優(yōu)點(1)和以往常用的虛擬手術仿真系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)以3DS Max 9. 0、VC++6. 0和 OpenGL軟件編程為基礎，模型的獲取和修改方便，通過使用力觸覺交互設備PHANTOM OMNI 即能反饋給操作者逼真的力觸覺信息。(2)該系統(tǒng)在交互過程中，操作者可以實時、真實地感知到仿真變形過程中虛擬代理與柔性體之間的力/觸覺信息，利用該仿真系統(tǒng)可使操作者更快、更有效、無風險地掌握 復雜的手術操作技巧和流程，滿足虛擬手術仿真系統(tǒng)的需要。(3)和以往常用的基于物理意義的柔性體變形仿真力觸覺建模方法相比，該系統(tǒng) 采用的建模方法以機械設計中等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧力與變形之間的變換關系為理論基 礎，在變形計算過程中假定任意層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧只產(chǎn)生開始接觸時的線性變 形，從而保證了每層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力與開始接觸時的變形 成線性關系，與等比例層狀并聯(lián)力觸覺建模方法相比，該建模方法由于每層只包含一個等 節(jié)距圓錐形螺旋彈簧，簡化了計算，且前M-I層的任意第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧均達 到相應的最大線性變形，從而使等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的利用率提高，變形計算速度加快。(4)等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法根據(jù)不同柔性體設置不同的彈簧絲直 徑、大圈半徑、小圈半徑、節(jié)距、大圈半徑側(cè)支承圈數(shù)、小圈半徑側(cè)支承圈數(shù)、有效圈數(shù)、彈簧 剛度及切變模量，以實現(xiàn)不同柔性體在按壓下的變形效果。(5)這種支持力觸覺反饋的仿真系統(tǒng)可用于其它虛擬外科手術仿真、遠程醫(yī)療、深 空探索等領域。


圖1是系統(tǒng)框圖2是系統(tǒng)電路原理圖；圖3是軟件控制算法流程圖；圖4是虛擬代理與柔性體交互過程中的增強力觸覺建模方法流程圖；圖5是增強力觸覺建模方法中，外力、變形層數(shù)與時延時間關系示意圖；圖6是等節(jié)距圓錐形螺旋力觸覺計算建模方法示意圖，(a)是原始狀態(tài)，(b)是壓 縮后的狀態(tài)(c)為該建模方法各層與虛擬柔性體表面的對應關系及各層對應邊界點的受 力等效圖。
具體實施例方式實施例1 一種虛擬柔性體的力觸覺反饋仿真系統(tǒng)，包括計算機主機2和力觸覺交互設備 3，在計算機主機2上連接有顯示器1，所述計算機主機2至少包括硬盤24和1394卡23，其 特征在于，所述硬盤24至少包括用于檢測虛擬代理位置的位置檢測模塊241、用于檢測虛 擬代理與虛擬柔性體是否發(fā)生碰撞的碰撞檢測模塊242、力觸覺計算變形模塊243、根據(jù)力 觸覺計算變形模塊243發(fā)出的最新力觸覺變形的信息刷新圖形的圖形刷新模塊244及力觸 覺信息反饋模塊245，所述硬盤24通過1394卡23及1394連接線與力觸覺交互設備3連 接，用于將力觸覺計算變形模塊243產(chǎn)生的柔性體表面的變形信息傳輸至力觸覺交互設備 3，所述力觸覺計算變形模塊243用于在虛擬代理與虛擬柔性體以給定的虛擬接觸 力F發(fā)生碰撞時，在碰撞點下懸掛第一個等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧，形成第一層，所述第一層 等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為Cl1、大圈半徑為Rli2、小圈半徑為Ru、節(jié)距為、、大 圈半徑側(cè)支承圈數(shù)I^s2取值為0. 5、小圈半徑側(cè)支承圈數(shù)ni,sl取值為0. 25、有效圈數(shù)Ii1取值為2 ；在第一層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛第二個等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧，形成第 二層，所述第二層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為diq、大圈半徑為R1,2q、小圈半徑 為Ryq、節(jié)距為tiq、大圈半徑側(cè)支承圈數(shù)n2, s2取值為0. 5、小圈半徑側(cè)支承圈數(shù)n2, sl取值 為0. 25、有效圈數(shù)Ii2取值為2 ；在第二層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛第三個等節(jié)距圓 錐形螺旋彈簧，形成第三層，所述第三層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為diq2、大圈 半徑為RW2、小圈半徑為Rd2、節(jié)距為tiq2、大圈半徑側(cè)支承圈數(shù)n3,s2取值為0.5、小圈半 徑側(cè)支承圈數(shù)n3,sl取值為0. 25、有效圈數(shù)Ii3取值為2 ；依次類推，在第i_l層的等節(jié)距圓錐 形螺旋彈簧下，懸掛第i個等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧，形成第i層，所述第i層等節(jié)距圓錐形 螺旋彈簧的彈簧絲直徑為dZ1、大圈半徑為Rut1、小圈半徑為Rut1、節(jié)距為、廣1、大圈 半徑側(cè)支承圈數(shù)Iii,s2取值為0. 5、小圈半徑側(cè)支承圈數(shù)ni,sl取值為0. 25、有效圈數(shù)Iii取值 為2，形成第i層，i = 1,2,3,......，N，N為自然數(shù)；假定虛擬接觸力F的作用線和螺旋彈簧中心線一致，且在虛擬接觸力F作用下，等 節(jié)距圓錐形螺旋彈簧只產(chǎn)生開始接觸時的線性變形，若柔性體中共有M層產(chǎn)生變形，則第M 層稱為變形截止層，其中前M-I層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧均被壓縮到彈簧開始接觸時變 形的最大線性長度，第M層的彈簧被壓縮的長度不大于彈簧開始接觸時變形的最大線性長 度；對于第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧，因其滿足
(1)故第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力Fi,z表示為 Γ Gd: 其中，
i分別為第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的節(jié)距、彈簧壓并時圈間中(2)
心高度，其大小滿足 前M-I層中任意第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時的線性變形Xi,z為⑷ 其中，I^Fi,z、Ri,2、氏,Pdi分別為第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的有效圈數(shù)且取 值^ = 2、彈簧開始接觸時消耗的外力、大圈半徑、小圈半徑、彈簧絲直徑，G為切變模量， 與柔性體的材質(zhì)有關，這里假定每層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的柔性體材質(zhì)相同；
變形截止層第M層的變形為 其中，P' M為第M層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧剛度，其大小滿足P'M=___5^--(6)
l6nM(RM,2+RAi,lXRM’2 +RM,l)
其中dM、nM、Rm,2、Rm,！分別為變形截至層第M層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲 直徑、有效圈數(shù)、大圈半徑、小圈半徑；假定第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧大、小端支承圈數(shù)、有效圈數(shù)分別為ni,s2、ni, sl、ni，且任意一層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧大、小端支承圈數(shù)、有效圈數(shù)均相同，即 使虛擬接觸力作用于柔性體碰撞點，第i層對應的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始被 壓縮，如果前i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力Fi, z之和小于給定的虛 擬接觸力F，且第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形總計需要的時延時間滿足刷 新頻率1000Hz以上的要求，設共計經(jīng)過時延Li后，第i層的彈簧被壓縮，相應的等節(jié)距圓錐 形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形，只有當?shù)趇層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧被壓縮到最大線性變形 長度后，第i+Ι層對應的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧才開始被壓縮，依此類推，直到前M層所有 的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力之和不小于給定的虛擬接觸力，或第M層 的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形總計需要的時延時間不滿足刷新頻率的要求；用1” Li分別表示第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形需要的時延時 間、前i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形需要的時延時間，且令層間的時延時間 滿足以第一層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形需要的時延時間I1為首項，以q為公 比的等比數(shù)列Ii = Qi-1I1 (10)從虛擬代理碰撞接觸到虛擬柔性體表面算起，假定第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈 簧產(chǎn)生線性變形總計需要的時延時間為Li,且其須滿足Li <L，其中Li =I1 +I2 +Z3 +··· + /^1 +11
l-q' 7(H)="--A
I-^rL為力觸覺再現(xiàn)刷新頻率的倒數(shù)；等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法中每層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧變形量 之和的疊加對外等效為柔性體表面的變形，
M-IX = Y^X^ Xm ^z(12)
(=1其中，Xi,z為前M-I層中任意第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的最大線性變形，XM,z 為變形截止層第M層的線性變形，X為前M層所有等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的線性變形之和；
力觸覺交互設備3采用PHANTOM OMNI力觸覺交互設備3，所述PHANTOM OMNI力觸 覺交互設備3通過APS開關電源4供電，通過APS開關電源之后，將供電電源220V的交流 電轉(zhuǎn)化為18V，2. 22A所需的電壓，顯示卡21、1394卡23、硬盤24均通過總線22實現(xiàn)雙向傳 輸，顯示器1通過VGA連接線與顯示卡21連接。 實施例2
10
一種虛擬柔性體的力觸覺反饋仿真系統(tǒng)，包括計算機主機2和力觸覺交互設備 3，在計算機主機2上連接有顯示器1，所述計算機主機2至少包括硬盤24和1394卡23，其 特征在于，所述硬盤24至少包括用于檢測虛擬代理位置的位置檢測模塊241、用于檢測虛 擬代理與虛擬柔性體是否發(fā)生碰撞的碰撞檢測模塊242、力觸覺計算變形模塊243、根據(jù) 力觸覺計算變形模塊243發(fā)出的最新力觸覺變形的信息刷新圖形的圖形刷新模塊244及力 觸覺信息反饋模塊245，所述硬盤24通過1394卡23及1394連接線與力觸覺交互設備3連 接，用于將力觸覺計算變形模塊243產(chǎn)生的柔性體表面的變形信息傳輸至力觸覺交互設備 3，構(gòu)建虛擬膽囊模型和虛擬醫(yī)用彎鉗模型，實現(xiàn)虛擬場景的初始化。本實例中所有虛擬膽囊和虛擬醫(yī)用彎鉗模型都直接采用從3DS MAX 9. 0軟件中導 出的OBJ格式，以1057個質(zhì)點，2110個三角網(wǎng)格構(gòu)成的虛擬膽囊和461個質(zhì)點，921個三 角網(wǎng)格構(gòu)成的虛擬醫(yī)用彎鉗為例來進行變形仿真，模型獲取和修改非常方便；運行平臺為 Windows 2000,以3DS MAX 9. 0、OpenGL圖形庫為基礎，在VC++6. 0軟件開發(fā)平臺上進行了 仿真。當檢測到虛擬醫(yī)用彎鉗碰撞到虛擬膽囊表面上任何一點時，在給定虛擬接觸力F =2. 4N作用下，虛擬醫(yī)用彎鉗與虛擬膽囊交互的局部區(qū)域內(nèi)部填充每層均為等節(jié)距圓錐 形螺旋彈簧力觸覺虛擬模型，在交互過程中，輸出反饋為采用等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧力觸 覺虛擬模型計算出來的反應在外力作用下虛擬膽囊實時變形仿真的力觸覺信息的信號。假定第一層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑、大圈半徑、小圈半徑、節(jié)距分別 為=Cl1 = 1mm、Rlj2 = 5mm、Rljl = 4mm、、= 2mm ；第i層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直 徑、大圈半徑、小圈半徑、節(jié)距，它們均組成以第一層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的對應量為首 項，以q = 1. 2為公比的等比數(shù)列；有效圈數(shù)Ii1 = 2 ；任一層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的材 質(zhì)均相同，即取G = 4X IO9Pa ；計算的最后數(shù)據(jù)按四舍五入法保留小數(shù)點后3位。若在給定虛擬接觸力F作用下，第一層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧只產(chǎn)生開始接觸 時的線性變形，對于第一層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧，因其滿足 其中，第一層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧壓并時圈間中心高度為 故第一層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力Fu為 I=卷("') 第一層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力F1, z = 0. 567N < F = 2. 4N ；第一層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時的線性變形X1>z為 = 1.674mm
假定第一層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧變形需要的時間為I1 = ΙΟ—、；
假定力觸覺再現(xiàn)刷新頻率為1200Hz，則力觸覺再現(xiàn)刷新頻率的倒數(shù)Z = J^h第一層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧變形需要的時間Z1 =Z1 =10—\<丄=二5;因此，第一層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力Fu = 0. 567N <F = 2. 4N，且第一層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧變形總計需要的時延時間滿足刷新頻率 IOOOHz以上的要求。故在給定虛擬接觸力F作用下，第二層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧有可能也只產(chǎn)生 開始接觸時的線性變形，第二層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑、大圈半徑、小圈半 徑、節(jié)距，因它們均組成以第一層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的對應量為首項，以q = 1. 2為公 比的等比數(shù)列，故 d2 = Cl1 · q = 1. 2mm、R2,2 = R1,2 · q = 6mm, R2jl = Ria · q = 4. 8mm、t2 = 、· q = 2. 4mm ；有效圈數(shù) n2 = Ii1 = 2 ；對于第二層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧，因其滿足R2j2-R2j1 = 1. 2mm < n2 · d2 = 2 X 1. 2 = 2. 4mm (5)其中，第二層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧壓并時圈間中心高度為 故第二層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力F2,z為
q 2、=哉，-幻 C3 3 L
64 · R12 q
一
(7)
=H
Ι,ζ=0.8廳第一、二層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力之和為=UF2iz = 0. 567+0. 816 = 1. 383N < F = 2. 4N第二層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時的線性變形X2,z為
12 因?qū)娱g的時延時間滿足以第一層的彈簧產(chǎn)生線性變形需要的時間I1為首項，以q 為公比的等比數(shù)列，
，這里L為力觸覺再現(xiàn)刷新頻率的倒數(shù)，因此，前兩層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力之和小于給定的 虛擬接觸力，且前兩層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧變形總計需要的時延時間滿足刷新頻率 IOOOHz以上的要求。故在給定虛擬接觸力F作用下，第三層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧有可能也只產(chǎn)生 開始接觸時的線性變形，第三層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑、大圈半徑、小圈半 徑、節(jié)距，因它們均組成以第一層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的對應量為首項，以q = 1. 2為公 比的等比數(shù)列，故 d3 = Cl1 .q2 = 1. 44mm,R3j2 = R1,2 · q2 = 7. 2mm,R3jl = Ria · q2 = 5· 76mm、 t3 = ti · q2 = 2. 88讓；有效圈數(shù) n3 = n2 = Ii1 = 2 ；對于第三層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧，因其滿足 其中，第三層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧壓并時圈間中心高度為 故第三層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力F3,z為 第一、二、層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力之和為=UF2 由于前三層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力之和不小于給定的 虛擬接觸力，則第三層為變形截止層，不需要再判斷是否滿足刷新頻率的要求，此時前二層 的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧產(chǎn)生開始接觸時的線性變形，第三層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧對 應的彈簧剛度為P' 3，其大小為故在給定虛擬接觸力F = 2. 4N作用下，等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法中 前三層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧變形量之和的疊加對外等效為虛擬膽囊表面的變形，總變形 量為 注意在采用等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法來計算在外力作用下柔性體 實時變形仿真的過程中，若屯、禮,2、R11,、、G這些參數(shù)選取的過大，則等節(jié)距圓錐形螺旋彈 簧力觸覺建模方法中變形的層數(shù)就少，計算量小，實時性好，但變形仿真效果不佳；如果屯、 Idpt1UG這些參數(shù)選取的過小，則等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法中變形的層 數(shù)就越多，計算量大，實時性不佳，但變形仿真效果較好；另外在設置I1和Ii之間的比例關 系時，要考慮到程序運行時計算機本身的硬件配置，故在調(diào)試整個程序的過程中，要折中選 擇這些參數(shù)，不斷反復調(diào)試，從而使變形效果更加逼真。
為驗證本發(fā)明的實施效果，操作者通過PHANTOM OMNI手控器端部的手柄來觸摸、 感知和控制虛擬醫(yī)用彎鉗對虛擬膽囊進行按壓的變形仿真，并將交互過程中產(chǎn)生的力觸覺 信息實時反饋給操作者。在自然交互過程中，操作者可以實時、真實地感知到變形仿真過程 中虛擬醫(yī)用彎鉗與虛擬膽囊之間的力觸覺信息，實驗結(jié)果表明該建模方法是非常有效的， 能夠讓操作者體驗到比較真實的力/觸覺感知，得到比較滿意的感知效果。
力觸覺交互設備3采用PHANTOM OMNI力觸覺交互設備3，所述PHANTOM OMNI力觸 覺交互設備3通過APS開關電源4供電，通過APS開關電源之后，將供電電源220V的交流 電轉(zhuǎn)化為18V，2. 22A所需的電壓，顯示卡21、1394卡23、硬盤24均通過總線22實現(xiàn)雙向傳 輸，顯示器1通過VGA連接線與顯示卡21連接。
權利要求
一種虛擬柔性體的力觸覺反饋仿真系統(tǒng)，包括計算機主機(2)和力觸覺交互設備(3)，在計算機主機(2)上連接有顯示器(1)，所述計算機主機(2)至少包括硬盤(24)和1394卡(23)，其特征在于，所述硬盤(24)至少包括用于檢測虛擬代理位置的位置檢測模塊(241)、用于檢測虛擬代理與虛擬柔性體是否發(fā)生碰撞的碰撞檢測模塊(242)、力觸覺計算變形模塊(243)、根據(jù)力觸覺計算變形模塊(243)發(fā)出的最新力觸覺變形信息的圖形刷新模塊(244)及力觸覺信息反饋模塊(245)，所述硬盤(24)通過1394卡(23)及1394連接線與力觸覺交互設備(3)連接，用于將力觸覺計算變形模塊(243)產(chǎn)生的柔性體表面的變形信息傳輸至力觸覺交互設備(3)，所述力觸覺計算變形模塊(243)用于在虛擬代理與虛擬柔性體以給定的虛擬接觸力F發(fā)生碰撞時，在碰撞點下懸掛第一個等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧，形成第一層，所述第一層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為d1、大圈半徑為R1，2、小圈半徑為R1，1、節(jié)距為t1、大圈半徑側(cè)支承圈數(shù)n1，s2取值為0.5、小圈半徑側(cè)支承圈數(shù)n1，s1取值為0.25、有效圈數(shù)n1取值為2；在第一層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛第二個等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧，形成第二層，所述第二層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為d1q、大圈半徑為R1，2q、小圈半徑為R1，1q、節(jié)距為t1q、大圈半徑側(cè)支承圈數(shù)n2，s2取值為0.5、小圈半徑側(cè)支承圈數(shù)n2，s1取值為0.25、有效圈數(shù)n2取值為2；在第二層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛第三個等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧，形成第三層，所述第三層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為d1q2、大圈半徑為R1，2q2、小圈半徑為R1，1q2、節(jié)距為t1q2、大圈半徑側(cè)支承圈數(shù)n3，s2取值為0.5、小圈半徑側(cè)支承圈數(shù)n3，s1取值為0.25、有效圈數(shù)n3取值為2；依次類推，在第i 1層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧下，懸掛第i個等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧，形成第i層，所述第i層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑為d1qi 1、大圈半徑為R1，2qi 1、小圈半徑為R1，1qi 1、節(jié)距為t1qi 1、大圈半徑側(cè)支承圈數(shù)ni，s2取值為0.5、小圈半徑側(cè)支承圈數(shù)ni，s1取值為0.25、有效圈數(shù)ni取值為2，形成第i層，i＝1，2，3，......，N，N為自然數(shù)；假定虛擬接觸力F的作用線和螺旋彈簧中心線一致，且在虛擬接觸力F作用下，等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧只產(chǎn)生開始接觸時的線性變形，若柔性體中共有M層產(chǎn)生變形，則第M層稱為變形截止層，其中前M 1層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧均被壓縮到彈簧開始接觸時變形的最大線性長度，第M層的彈簧被壓縮的長度不大于彈簧開始接觸時變形的最大線性長度；對于第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧，因其滿足Ri，2 Ri，1＜ni·di(1)故第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力Fi，z表示為 <mrow><msub> <mi>F</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>z</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><mfrac> <msubsup><mi>Gd</mi><mi>i</mi><mn>4</mn> </msubsup> <mrow><mn>64</mn><msubsup> <mi>R</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mn>2</mn> </mrow> <mn>3</mn></msubsup> </mrow></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>t</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msubsup><mi>d</mi><mi>i</mi><mo>&prime;</mo> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，ti、d′i分別為第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的節(jié)距、彈簧壓并時圈間中心高度，其大小滿足 <mrow><msubsup> <mi>d</mi> <mi>i</mi> <mo>&prime;</mo></msubsup><mo>=</mo><msub> <mi>d</mi> <mi>i</mi></msub><msqrt> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <msub><mi>R</mi><mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mn>2</mn></mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>R</mi><mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mn>1</mn></mrow> </msub></mrow><mrow> <msub><mi>n</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <msub><mi>d</mi><mi>i</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup></msqrt><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>前M 1層中任意第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時的線性變形Xi，z為 <mrow><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>z</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>n</mi><mi>i</mi> </msub> <mrow><msub> <mi>R</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mn>2</mn> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>R</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mn>1</mn> </mrow></msub> </mrow></mfrac><mo>{</mo><mfrac> <msub><mrow> <mn>16</mn> <mi>F</mi></mrow><mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>z</mi></mrow> </msub> <msubsup><mi>Gd</mi><mi>i</mi><mn>4</mn> </msubsup></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msubsup><mi>R</mi><mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mn>2</mn></mrow><mn>4</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup><mi>R</mi><mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mn>1</mn></mrow><mn>4</mn> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><mo>}</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，ni、Fi，z、Ri，2、Ri，1、di分別為第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的有效圈數(shù)且取值ni＝2、彈簧開始接觸時消耗的外力、大圈半徑、小圈半徑、彈簧絲直徑，G為切變模量；變形截止層第M層的變形為 <mrow><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>M</mi><mo>,</mo><mi>z</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>F</mi><mo>-</mo><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>M</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><msub> <mi>F</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>z</mi> </mrow></msub> </mrow> <msubsup><mi>P</mi><mi>M</mi><mo>&prime;</mo> </msubsup></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，P′M為第M層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧剛度，其大小滿足 <mrow><msubsup> <mi>P</mi> <mi>M</mi> <mo>&prime;</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac> <msubsup><mi>Gd</mi><mi>M</mi><mn>4</mn> </msubsup> <mrow><mn>16</mn><msub> <mi>n</mi> <mi>M</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msubsup><mi>R</mi><mrow> <mi>M</mi> <mo>,</mo> <mn>2</mn></mrow><mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup><mi>R</mi><mrow> <mi>M</mi> <mo>,</mo> <mn>1</mn></mrow><mn>2</mn> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>R</mi><mrow> <mi>M</mi> <mo>,</mo> <mn>2</mn></mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>R</mi><mrow> <mi>M</mi> <mo>,</mo> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中dM、nM、RM，2、RM，1分別為變形截至層第M層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的彈簧絲直徑、有效圈數(shù)、大圈半徑、小圈半徑；使虛擬接觸力作用于柔性體碰撞點，第i層對應的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始被壓縮，如果前i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力Fi，z之和小于給定的虛擬接觸力F，且第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形總計需要的時延時間滿足刷新頻率1000Hz以上的要求，設共計經(jīng)過時延Li后，第i層的彈簧被壓縮，相應的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形，只有當?shù)趇層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧被壓縮到最大線性變形長度后，第i+1層對應的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧才開始被壓縮，依此類推，直到前M層所有的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力之和不小于給定的虛擬接觸力，或第M層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形總計需要的時延時間不滿足刷新頻率的要求；用li、Li分別表示第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形需要的時延時間、前i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形需要的時延時間，且令層間的時延時間滿足以第一層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形需要的時延時間l1為首項，以q為公比的等比數(shù)列l(wèi)i＝qi 1l1(7)從虛擬代理碰撞接觸到虛擬柔性體表面算起，假定第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧產(chǎn)生線性變形總計需要的時延時間為Li，且其須滿足Li＜L，其中 <mrow><msub> <mi>L</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>l</mi> <mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub> <mi>l</mi> <mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub> <mi>l</mi> <mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>+</mo><msub> <mi>l</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>l</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow> <mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <mi>q</mi> <mi>i</mi></msup> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>q</mi> </mrow></mfrac><mo>&CenterDot;</mo><msub> <mi>l</mi> <mn>1</mn></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>L為力觸覺再現(xiàn)刷新頻率的倒數(shù)；等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法中每層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧變形量之和的疊加對外等效為柔性體表面的變形， <mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>M</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>z</mi> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>M</mi><mo>,</mo><mi>z</mi> </mrow></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>9</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，Xi，z為前M 1層中任意第i層的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的最大線性變形，XM，z為變形截止層第M層的線性變形，X為前M層所有等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧的線性變形之和。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種支持力觸覺反饋的虛擬柔性體手術仿真系統(tǒng)，其特征是采用一種新穎的基于物理意義的等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法，該建模方法中每層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧變形量之和的疊加對外等效為柔性體表面的變形，與之相連的每層等節(jié)距圓錐形螺旋彈簧開始接觸時消耗的外力之和等效為給定的柔性體表面給定的虛擬接觸力，建模方法簡單，變形計算過程簡便，能夠保證變形仿真具有較高精度；該系統(tǒng)能較好地模擬虛擬代理對柔性體進行按壓的虛擬變形仿真，在交互過程中，可使操作者實時、真實地感知到仿真過程中的力觸覺信息。
文檔編號G06F3/01GK101901565SQ20101017356
公開日2010年12月1日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權日2010年5月14日
發(fā)明者孫偉, 宋愛國, 張小瑞, 李佳璐, 王楠, 程盈盈, 胡小科 申請人:東南大學