CN106650237A - 一种支持力触觉反馈的虚拟柔性体手术仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持力触觉反馈的虚拟柔性体手术仿真系统，其位置检测模块检测虚拟代理的位置；碰撞检测模块检测虚拟代理与虚拟柔性体是否发生碰撞；力触觉计算变形模块当虚拟代理与虚拟柔性体以给定虚拟接触压力F发生碰撞时计算虚拟柔性体的局部区域变形量；图形刷新模块根据力触觉计算变形模块计算出的局部区域变形量不断反馈输出视觉信息到显示设备；力触觉信息反馈模块通过力触觉交互设备不断反馈输出力触觉信息给操作者。本发明通过计算机主机、力触觉交互设备、电源模块、显示设备的设置及整合，有利于提高仿真系统智能化程度，降低能耗，提高运算速度，降低维护成本，延长使用寿命。

Description

一种支持力触觉反馈的虚拟柔性体手术仿真系统

技术领域

本发明属于虚拟现实人机交互领域，具体涉及一种支持力触觉反馈的虚拟柔性体手术仿真系统。

背景技术

对人类获取信息能力的研究表明，力触觉是除视觉和听觉外最重要的感觉，是人类认识外界环境并与环境进行交互的重要手段。同样在一些虚拟操作中，力触觉交互也非常重要。力触觉在虚拟现实环境中有其突出优越性,力触觉使得虚拟现实环境变得真实,是唯一的既可接受周围环境输入又可以对周围环境输出的感知通道,可极大增强可视化表达的效果。虚拟现实的力触觉交互技术包括力触觉再现技术和虚拟环境的力触觉建模。

目前，常用的基于物理意义的力触觉模型中，有限元模型较为准确，但计算繁复，实时交互性差。在其基础上提出的线弹性模型，虽然在实时性方面有了很大的改善，但只满足变形量较小的情况，且表现出的生物软组织的力学特性较少。弹簧-质点模型结构简单、计算速度快，但稳定性有限。长单元模型刷新速度快，但模型抽象度较高，计算精度较低。张量质点模型，能方便实现切割或撕裂等操作，但稳定性问题依然存在。边界元模型计算简单，但在稳定性方面却存在一定的困难。形状保持链模型具有实时性较好的优点，但链元素是基于刚性体为假设的，精度不高。因此，在保证力触觉变形模型准确性的同时，简化算法，提高仿真速度和实时性是当前虚拟力触觉再现系统需要解决的首要问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种支持力触觉反馈的虚拟柔性体手术仿真系统，将其用于虚拟现实人机交互的柔性体变形仿真，该系统力触觉感觉平稳、模拟效果逼真、能够满足虚拟现实系统对精细作业和实时性的要求。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种支持力触觉反馈的虚拟柔性体手术仿真系统，包括计算机主机、分别与计算机主机相连的显示设备和力触觉交互设备、用于供电的电源模块，所述计算机主机包括硬盘和IEEE1394卡，其特征在于：所述硬盘包括位置检测模块、碰撞检测模块、力触觉计算变形模块、图形刷新模块和力触觉信息反馈模块,所述硬盘通过IEEE1394卡及IEEE1394连接线与力触觉交互设备连接，用于将力触觉计算变形模块产生的柔性体表面的变形信息传输至力触觉交互设备；

位置检测模块，用于检测虚拟代理的位置；

碰撞检测模块，用于检测虚拟代理与虚拟柔性体是否发生碰撞；

力触觉计算变形模块，用于当虚拟代理与虚拟柔性体以给定虚拟接触压力F发生碰撞时计算虚拟柔性体的局部区域变形量；

图形刷新模块，用于根据力触觉计算变形模块计算出的局部区域变形量，不断反馈输出视觉信息到显示设备；

力触觉信息反馈模块，用于通过力触觉交互设备不断反馈输出力触觉信息给操作者。

所述力触觉计算变形模块计算当虚拟代理与虚拟柔性体以给定虚拟接触压力F发生碰撞时虚拟柔性体的局部区域变形量的过程为：

在给定虚拟接触压力F作用下，当虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上的任意点时，在碰撞点处悬挂复合碟形弹簧，复合碟形弹簧各层均由两组两层叠合碟形弹簧对合而成，各单片碟形弹簧的外径D、内径d、厚度t、自由高度H₀、被压平时的最大变形量h₀、弹簧刚度k均相同。

假定所述给定虚拟接触压力F的作用线和复合碟形弹簧中心线一致，且在虚拟接触压力F作用下，若柔性体中的复合碟形弹簧共有M层产生变形，则第M层称为变形截止层；

当给定虚拟接触压力F能使复合碟形弹簧第一层被压缩时产生的变形量f₁达到复合碟形弹簧第一层被压平时的最大变形量v₁，假定复合碟形弹簧前M-1层被压缩时产生的变形量均与复合碟形弹簧第一层被压平时的最大变形量v₁相同，复合碟形弹簧变形截止层第M层被压缩时产生的变形量小于或者等于复合碟形弹簧第一层被压平时的最大变形量v₁，最大变形量v₁可表示为：

v₁＝2h₀

单片碟形弹簧被压平时的最大变形量h₀为：

h₀＝H₀-t

因复合碟形弹簧各层均由两组两层叠合碟形弹簧对合而成，而叠合碟形弹簧中单片碟形弹簧承受载荷是总载荷的一半，所以复合碟形弹簧第一层消耗的压力F₁为：

复合碟形弹簧中单片碟形弹簧的弹簧刚度k为：

其中，E、μ、α分别为单片碟形弹簧的弹性模量、泊松比、计算系数，弹性模量、泊松比的具体数值与柔性体材质有关；

其中，计算系数α满足：

其中，C表示复合碟形弹簧中的单片碟形弹簧的外径和内径之比：

除第一层和变形截止层第M层外，复合碟形弹簧其余各层消耗的压力F_j为：

F_j＝2kh₀

j的取值范围为[2,M-1]，

变形截止层第M层的变形量为：

使虚拟接触压力F作用于虚拟柔性体碰撞点，复合碟形弹簧第i层被压缩，如果复合碟形弹簧前i层所消耗的压力F_i之和小于给定虚拟接触压力F，且复合碟形弹簧前i层所产生压缩变形总计需要的时延时间满足刷新频率1000Hz以上的要求，设共计经过时延T_i后，复合碟形弹簧第i层被压缩到被压平时最大变形量v₁，只有当复合碟形弹簧第i层被压缩到被压平时的最大变形量v₁后，复合碟形弹簧第i+1层才开始被压缩，依此类推，直到复合碟形弹簧前M层所消耗的压力之和不小于给定虚拟接触压力，或复合碟形弹簧前M层所产生压缩变形总计需要的时延时间不满足刷新频率的要求；

用T_i、L_i分别表示复合碟形弹簧第i层产生压缩变形需要的时延时间、复合碟形弹簧前i层所产生压缩变形总计需要的时延时间，且令层间的时延时间满足以复合碟形弹簧第一层产生压缩变形需要的时延时间T₁为系数、以i²为变量的递增数列为：

T_i＝i²T₁

从虚拟代理碰撞接触到虚拟柔性体表面算起，假定复合碟形弹簧前i层所产生压缩变形总计需要的时延时间L_i满足L_i＜L，其中：

其中，L为设定的力触觉再现刷新频率的倒数；

所述虚拟柔性体表面的变形量，也即复合碟形弹簧前M层被压缩时产生的变形量之和h为：

其中，(M-1)ν₁为复合碟形弹簧前M-1层被压平时的最大变形量。

电源模块为力触觉交互设备提供18V，2.22A的电压，显卡HD7990、IEEE1394卡、硬盘均通过总线实现双向传输，显示设备通过VGA连接线与显卡进行连接。

本发明的有益效果：

(1)通过计算机主机、力触觉交互设备、电源模块、显示设备的设置及整合，有利于提高仿真系统智能化程度，进一步降低能耗，提高运算速度，进而降低维护成本，延长使用寿命。

(2)该仿真系统在力触觉交互过程中，能够将虚拟代理与柔性体之间的力触觉信息实时稳定地反馈给操作者，利用该仿真系统可使操作者更快、更有效、无风险地掌握复杂的手术操作技巧和流程，同时利于制定合理的手术方案，满足虚拟手术仿真系统的需要。

(3)和以往常用的基于物理意义的柔性体变形仿真力触觉建模方法相比，该建模方法中，复合碟形弹簧各层结构相同，且各层中的单片碟形弹簧的外径、内径、厚度、被压平时的最大变形量、自由高度均相同，从而简化了计算量，加快了变形计算的速度。

(4)可将其应用于环保、教育、远程医疗、虚拟外科手术仿真、航空航天、深空探索等领域。

附图说明

图1是本发明一种实施例的仿真系统结构图；

图2是本发明一种实施例的复合碟形弹簧虚拟模型的建模方法流程图；

图3是本发明一种实施例的复合碟形弹簧虚拟模型的建模方法中压力、变形层数与时延时间关系示意图；

图4是复合碟形弹簧虚拟模型的建模方法示意图，(a)是原始状态，(b)是压缩下的状态。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

一种虚拟柔性体的力触觉反馈仿真系统，包括计算机主机、分别与计算机主机相连的显示设备和力触觉交互设备、用于供电的电源模块，所述计算机主机包括硬盘和IEEE1394卡，其特征在于：所述硬盘包括位置检测模块、碰撞检测模块、力触觉计算变形模块、图形刷新模块和力触觉信息反馈模块，所述硬盘通过IEEE1394卡及IEEE1394连接线与力触觉交互设备连接，用于将力触觉计算变形模块产生的柔性体表面的变形信息传输至力触觉交互设备；

位置检测模块，用于检测虚拟代理的位置；

碰撞检测模块，用于检测虚拟代理与虚拟柔性体是否发生碰撞；

力触觉计算变形模块，用于当虚拟代理与虚拟柔性体以给定虚拟接触压力F发生碰撞时计算虚拟柔性体的局部区域变形量；

图形刷新模块，用于根据力触觉计算变形模块计算出的局部区域变形量，不断反馈输出视觉信息到显示设备；

力触觉信息反馈模块，用于通过力触觉交互设备不断反馈输出力触觉信息给操作者。

所述力触觉计算变形模块计算当虚拟代理与虚拟柔性体以给定虚拟接触压力F发生碰撞时虚拟柔性体的局部区域变形量的过程为：

在给定虚拟接触压力F作用下，当虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上的任意点时，在碰撞点处悬挂复合碟形弹簧，复合碟形弹簧各层均由两组两层叠合碟形弹簧对合而成，各单片碟形弹簧的外径D、内径d、厚度t、自由高度H₀、被压平时的最大变形量h₀、弹簧刚度k均相同。具体为：

在碰撞点处悬挂一外径为D、内径为d、厚度为t、自由高度为H₀、被压平时的最大变形量为h₀、弹簧刚度为k的单片碟形弹簧1，在单片碟形弹簧1下，叠合设置一同规格的单片碟形弹簧2，在单片碟形弹簧2下，对合设置一同规格的单片碟形弹簧3，在单片碟形弹簧3下，叠合设置一同规格的单片碟形弹簧4，单片碟形弹簧1、单片碟形弹簧2、单片碟形弹簧3和单片碟形弹簧4形成复合碟形弹簧第一层；在复合碟形弹簧第一层下，对合悬挂一同规格的单片碟形弹簧5，在单片碟形弹簧5下，叠合设置一同规格的单片碟形弹簧6，在单片碟形弹簧6下，对合设置一同规格的单片碟形弹簧7，在单片碟形弹簧7下，叠合设置一同规格的单片碟形弹簧8，单片碟形弹簧5、单片碟形弹簧6、单片碟形弹簧7和单片碟形弹簧8形成复合碟形弹簧第二层；在复合碟形弹簧第二层下，对合悬挂一同规格的单片碟形弹簧9，在单片碟形弹簧9下，叠合设置一同规格的单片碟形弹簧10，在单片碟形弹簧10下，对合设置一同规格的单片碟形弹簧11，在单片碟形弹簧11下，叠合设置一同规格的单片碟形弹簧12，单片碟形弹簧9、单片碟形弹簧10、单片碟形弹簧11和单片碟形弹簧12形成复合碟形弹簧第三层；依此类推，在复合碟形弹簧第i层下，对合悬挂一同规格的单片碟形弹簧4i+1，在单片碟形弹簧4i+1下，叠合设置一同规格的单片碟形弹簧4i+2，在单片碟形弹簧4i+2下，对合设置一同规格的单片碟形弹簧4i+3，在单片碟形弹簧4i+3下，叠合设置一同规格的单片碟形弹簧4i+4，单片碟形弹簧4i+1、单片碟形弹簧4i+2、单片碟形弹簧4i+3和单片碟形弹簧4i+4形成复合碟形弹簧第i+1层；即各层均由两组两层叠合碟形弹簧对合而成，其中i＝1,2,3,...,N，N为自然数，复合碟形弹簧各层中的单片碟形弹簧的外径、内径、厚度、自由高度、被压平时的最大变形量、弹簧刚度均相同。

假定所述给定虚拟接触压力F的作用线和复合碟形弹簧中心线一致，且在虚拟接触压力F作用下，若柔性体中的复合碟形弹簧共有M层产生变形，则第M层称为变形截止层；

当给定虚拟接触压力F能使复合碟形弹簧第一层被压缩时产生的变形量f₁达到复合碟形弹簧第一层被压平时的最大变形量v₁，假定复合碟形弹簧前M-1层被压缩时产生的变形量均与复合碟形弹簧第一层被压平时的最大变形量v₁相同，复合碟形弹簧变形截止层第M层被压缩时产生的变形量小于或者等于复合碟形弹簧第一层被压平时的最大变形量v₁，最大变形量v₁可表示为：

v₁＝2h₀ (1)

单片碟形弹簧被压平时的最大变形量h₀为：

h₀＝H₀-t (2)

因复合碟形弹簧各层均由两组两层叠合碟形弹簧对合而成，而叠合碟形弹簧中单片碟形弹簧承受载荷是总载荷的一半，所以复合碟形弹簧第一层消耗的压力F₁为：

复合碟形弹簧中的单片碟形弹簧的弹簧刚度k为：

其中，E、μ、α分别为单片碟形弹簧的弹性模量、泊松比、计算系数，弹性模量、泊松比的具体数值与柔性体材质有关；

其中，计算系数α满足：

其中，C表示复合碟形弹簧中单片碟形弹簧的外径和内径之比：

除第一层和变形截止层第M层外，复合碟形弹簧其余各层消耗的压力F_j为：

F_j＝2kh₀ (7)

j的取值范围为[2,M-1]，

变形截止层第M层的变形量为：

使虚拟接触压力F作用于虚拟柔性体碰撞点，复合碟形弹簧第i层被压缩，如果复合碟形弹簧前i层所消耗的压力F_i之和小于给定虚拟接触压力F，且复合碟形弹簧前i层所产生压缩变形总计需要的时延时间满足刷新频率1000Hz以上的要求，设共计经过时延T_i后，复合碟形弹簧第i层被压缩到被压平时最大变形量v₁，只有当复合碟形弹簧第i层被压缩到被压平时的最大变形量v₁后，复合碟形弹簧第i+1层才开始被压缩，依此类推，直到复合碟形弹簧前M层所消耗的压力之和不小于给定虚拟接触压力，或复合碟形弹簧前M层所产生压缩变形总计需要的时延时间不满足刷新频率的要求；

用T_i、L_i分别表示复合碟形弹簧第i层产生压缩变形需要的时延时间、复合碟形弹簧前i层所产生压缩变形总计需要的时延时间，且令层间的时延时间满足以复合碟形弹簧第一层产生压缩变形需要的时延时间T₁为系数、以i²为变量的递增数列为：

T_i＝i²T₁ (9)

从虚拟代理碰撞接触到虚拟柔性体表面算起，假定复合碟形弹簧前i层所产生压缩变形总计需要的时延时间L_i满足L_i＜L，其中：

其中，L为设定的力触觉再现刷新频率的倒数；

所述虚拟柔性体表面的变形量，也即复合碟形弹簧前M层被压缩时产生的变形量之和h为：

其中，(M-1)ν₁为复合碟形弹簧前M-1层被压平时的最大变形量。

电源模块为力触觉交互设备提供18V，2.22A的电压，显卡HD7990、IEEE1394卡、硬盘均通过总线实现双向传输，显示设备通过VGA连接线与显卡进行连接。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种支持力触觉反馈的虚拟柔性体手术仿真系统，包括计算机主机、分别与计算机主机相连的显示设备和力触觉交互设备、用于供电的电源模块，所述计算机主机包括硬盘和IEEE1394卡，其特征在于：所述硬盘包括位置检测模块、碰撞检测模块、力触觉计算变形模块、图形刷新模块和力触觉信息反馈模块，所述硬盘通过IEEE1394卡及IEEE1394连接线与力触觉交互设备连接，用于将力触觉计算变形模块产生的柔性体表面的变形信息传输至力触觉交互设备；

位置检测模块，用于检测虚拟代理的位置；

碰撞检测模块，用于检测虚拟代理与虚拟柔性体是否发生碰撞；

力触觉计算变形模块，用于当虚拟代理与虚拟柔性体以给定虚拟接触压力F发生碰撞时计算虚拟柔性体的局部区域变形量；

图形刷新模块，用于根据力触觉计算变形模块计算出的局部区域变形量，不断反馈输出视觉信息到显示设备；

力触觉信息反馈模块，用于通过力触觉交互设备不断反馈输出力触觉信息给操作者。

2.根据权利要求1所述的一种支持力触觉反馈的虚拟柔性体手术仿真系统，其特征在于：所述力触觉计算变形模块计算当虚拟代理与虚拟柔性体以给定虚拟接触压力F发生碰撞时虚拟柔性体的局部区域变形量的过程为：

在给定虚拟接触压力F作用下，当虚拟代理碰撞到虚拟柔性体表面上的任意点时，在碰撞点处悬挂复合碟形弹簧，复合碟形弹簧各层均由两组两层叠合碟形弹簧对合而成，各单片碟形弹簧的外径D、内径d、厚度t、自由高度H₀、被压平时的最大变形量h₀、弹簧刚度k均相同。

假定所述给定虚拟接触压力F的作用线和复合碟形弹簧中心线一致，且在虚拟接触压力F作用下，若柔性体中的复合碟形弹簧共有M层产生变形，则第M层称为变形截止层；

当给定虚拟接触压力F能使复合碟形弹簧第一层被压缩时产生的变形量f₁达到复合碟形弹簧第一层被压平时的最大变形量v₁，假定复合碟形弹簧前M-1层被压缩时产生的变形量均与复合碟形弹簧第一层被压平时的最大变形量v₁相同，复合碟形弹簧变形截止层第M层被压缩时产生的变形量小于或者等于复合碟形弹簧第一层被压平时的最大变形量v₁，最大变形量v₁可表示为：

v₁＝2h₀

单片碟形弹簧被压平时的最大变形量h₀为：

h₀＝H₀-t

因复合碟形弹簧各层均由两组两层叠合碟形弹簧对合而成，而叠合碟形弹簧中单片碟形弹簧承受载荷是总载荷的一半，所以复合碟形弹簧第一层消耗的压力F₁为：

复合碟形弹簧中单片碟形弹簧的弹簧刚度k为：

$k=\frac{4E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}\frac{t^3}{{\mathrm{\αD}}^2}$

其中，E、μ、α分别为单片碟形弹簧的弹性模量、泊松比、计算系数，弹性模量、泊松比的具体数值与柔性体材质有关；

其中，计算系数α满足：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{\mathrm{\π}}\frac{{\left(\frac{C-1}{C}\right)}^2}{\frac{C+1}{C-1}-\frac{2}{\ln C}}$

其中，C表示复合碟形弹簧中的单片碟形弹簧的外径和内径之比：

$C=\frac{D}{d}$

除第一层和变形截止层第M层外，复合碟形弹簧其余各层消耗的压力F_j为：

F_j＝2kh₀

j的取值范围为[2,M-1]，

变形截止层第M层的变形量为：

$h_M=\frac{F-\underset{i=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i}{k}$

使虚拟接触压力F作用于虚拟柔性体碰撞点，复合碟形弹簧第i层被压缩，如果复合碟形弹簧前i层所消耗的压力F_i之和小于给定虚拟接触压力F，且复合碟形弹簧前i层所产生压缩变形总计需要的时延时间满足刷新频率1000Hz以上的要求，设共计经过时延T_i后，复合碟形弹簧第i层被压缩到被压平时最大变形量v₁，只有当复合碟形弹簧第i层被压缩到被压平时的最大变形量v₁后，复合碟形弹簧第i+1层才开始被压缩，依此类推，直到复合碟形弹簧前M层所消耗的压力之和不小于给定虚拟接触压力，或复合碟形弹簧前M层所产生压缩变形总计需要的时延时间不满足刷新频率的要求；

用T_i、L_i分别表示复合碟形弹簧第i层产生压缩变形需要的时延时间、复合碟形弹簧前i层所产生压缩变形总计需要的时延时间，且令层间的时延时间满足以复合碟形弹簧第一层产生压缩变形需要的时延时间T₁为系数、以i²为变量的递增数列为：

T_i＝i²T₁

从虚拟代理碰撞接触到虚拟柔性体表面算起，假定复合碟形弹簧前i层所产生压缩变形总计需要的时延时间L_i满足L_i＜L，其中：

$L_i=T_1+T_2+T_3+...+T_i=\frac{i(i+1)(2i+1)}{6}{T}_1$

其中，L为设定的力触觉再现刷新频率的倒数；

所述虚拟柔性体表面的变形量，也即复合碟形弹簧前M层被压缩时产生的变形量之和h为：

其中，(M-1)ν₁为复合碟形弹簧前M-1层被压平时的最大变形量。