[发明专利]一种支持力触觉反馈的虚拟柔性体手术仿真系统

说明书

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。

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。