力觸覺(jué)反饋系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用研究.pdf

1、力觸覺(jué)反饋系統(tǒng)是基于力觸覺(jué)的傳感與再現(xiàn)技術(shù)，使操作者通過(guò)力觸覺(jué)的反饋來(lái)感受虛擬場(chǎng)景中模型的特征、約束和相互交互的狀態(tài)等，引導(dǎo)和約束操作者與虛擬環(huán)境中物體進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。
　　在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用研究中，力觸覺(jué)接口是關(guān)鍵的人機(jī)交互設(shè)備。醫(yī)學(xué)模擬仿真從視覺(jué)仿真逐漸向力觸覺(jué)仿真發(fā)展，其虛擬手術(shù)仿真代表杰出載體為達(dá)芬奇醫(yī)療微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人。當(dāng)醫(yī)生在進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)時(shí)，難以達(dá)到開(kāi)放性手術(shù)所具有豐富的整體視覺(jué)和真實(shí)力觸覺(jué)信息，其感知通道出現(xiàn)了阻塞，在模糊、

2、缺失的信息環(huán)境下，易于出現(xiàn)手術(shù)操作的失誤，可靠性大大降低。因此，力觸覺(jué)反饋系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用將對(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展起到關(guān)鍵作用，可有效提高微創(chuàng)手術(shù)操作的安全可靠性。
　　論文對(duì)力觸覺(jué)反饋系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用進(jìn)行研究，建立了虛擬手術(shù)夾鉗模型和柔性套管模型，進(jìn)行了力觸覺(jué)反饋設(shè)備Omega.7運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，構(gòu)建了虛擬力觸覺(jué)臨場(chǎng)感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景中虛擬手術(shù)夾鉗整體與七自由度Omega.7機(jī)構(gòu)的位置、姿態(tài)和夾取動(dòng)作的匹配，并對(duì)虛擬場(chǎng)景中手

3、術(shù)夾鉗和柔性套管的虛擬力觸覺(jué)交互進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　（1）對(duì)Omega.7設(shè)備進(jìn)行了機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)分析，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解進(jìn)行了分析，然后對(duì)Omega.7的力觸覺(jué)反饋系統(tǒng)的控制原理進(jìn)行了分析介紹。
　?。?）利用SolidWorks三維建模軟件對(duì)虛擬環(huán)境中的手術(shù)夾鉗進(jìn)行幾何建模，將手術(shù)夾鉗導(dǎo)入虛擬場(chǎng)景中，并實(shí)現(xiàn)手術(shù)夾鉗機(jī)構(gòu)與七自由度Omega.7機(jī)構(gòu)的位置、姿態(tài)和夾取動(dòng)作的匹配。
　　（3）構(gòu)建了柔

4、性套管模型，柔性套管骨架采用了彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型，柔性套管的外圍覆蓋層采用3ds Max構(gòu)建的蒙皮模型。手術(shù)夾鉗與柔性套管和間碰撞檢測(cè)主要采用了包圍盒層次樹(shù)法；力觸覺(jué)計(jì)算采用了彈簧阻尼模型，逼真的模擬出力觸覺(jué)臨場(chǎng)感中柔性套管的受力變形和力觸覺(jué)反饋。
　?。?）虛擬力觸覺(jué)臨場(chǎng)感系統(tǒng)主要是通過(guò)力觸覺(jué)反饋設(shè)備 Omega.7及其 SDK、力觸覺(jué)渲染引擎 CHAI3D、以及仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具Visual Studio2010等共同構(gòu)建；在虛擬力