[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

摘要

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。

主权项

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；所述局部区域变形量的计算公式为：其中，v₁为复合碟形弹簧第一层被压平时的最大变形量，(M‑1)ν₁为复合碟形弹簧前M‑1层被压平时的最大变形量；F为虚拟接触压力；k为复合碟形弹簧中单片碟形弹簧的弹簧刚度；h_M为变形截止层第M层的变形量；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＝2kh₀j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。