[发明专利]支持力触觉反馈的虚拟柔性体变形手术仿真系统

说明书

技术领域

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

背景技术

随着力触觉人机交互技术的飞速发展，越来越多的研究人员将力触觉交互设备应用到虚拟手术中，使医生在手术仿真过程中不仅能够看到而且能够通过和手臂的运动与虚拟柔性体进行交互，从而形成对虚拟手术环境的一个完整认识，而且能像操作真实物体一样，真实地感受到与虚拟对象实时交互时产生的力触觉信息，这无疑可使手术训练更加逼真、准确、可靠。 

人体的器官或组织多为柔性体，而人体的柔性体具有血流丰富、血管分布密集、结构特殊复杂、手术难度高的特点，而传统的影像学检查所提供的多为二维平面图像，无法利用手术器械预先进行外科手术仿真，更无法提前感受实时的力触觉反馈，这对于一些复杂的外科手术具有一定的盲目性和不可靠性。为了有效降低训练成本，提高手术成功率，本文设计并实现了一种支持力触觉反馈的虚拟柔性体变形仿真系统，其可模拟虚拟代理对柔性体的按压变形进行仿真。 

发明内容

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，并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。 

本发明采用如下技术方案： 

一种虚拟柔性体的力触觉反馈仿真系统，包括：计算机主机和力触觉交互设备，在计算机主机上连接有显示器，所述计算机主机至少包括硬盘和1394卡，其特征在于，所述硬盘至少包括：用于检测虚拟代理位置的位置检测模块、用于 检测虚拟代理与虚拟柔性体是否发生碰撞的碰撞检测模块、力触觉计算变形模块、根据力触觉计算变形模块发出的最新力触觉变形信息的图形刷新模块及力触觉信息反馈模块，所述硬盘通过1394卡及1394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， 

所述力触觉计算变形模块243用于在虚拟代理与虚拟柔性体以给定的虚拟接触力F发生碰撞时，在碰撞点下悬挂第一个等节距圆锥形螺旋弹簧，形成第一层，所述第一层等节距圆锥形螺旋弹簧的弹簧丝直径为d₁、大圈半径为R_1，2、小圈半径为R_1，1、节距为t₁、大圈半径侧支承圈数n_1，s2取值为0.5、小圈半径侧支承圈数n_1，s1取值为0.25、有效圈数n₁取值为2；在第一层的等节距圆锥形螺旋弹簧下，悬挂第二个等节距圆锥形螺旋弹簧，形成第二层，所述第二层等节距圆锥形螺旋弹簧的弹簧丝直径为d₁q、大圈半径为R_1，2q、小圈半径为R_1，1q、节距为t₁q、大圈半径侧支承圈数n_2，s2取值为0.5、小圈半径侧支承圈数n_2，s1取值为0.25、有效圈数n₂取值为2；在第二层的等节距圆锥形螺旋弹簧下，悬挂第三个等节距圆锥形螺旋弹簧，形成第三层，所述第三层等节距圆锥形螺旋弹簧的弹簧丝直径为d₁q²、大圈半径为R_1，2q²、小圈半径为R_1，1q²、节距为t₁q²、大圈半径侧支承圈数n_3，s2取值为0.5、小圈半径侧支承圈数n_3，s1取值为0.25、有效圈数n₃取值为2；依次类推，在第i-1层的等节距圆锥形螺旋弹簧下，悬挂第i个等节距圆锥形螺旋弹簧，形成第i层，所述第i层等节距圆锥形螺旋弹簧的弹簧丝直径为d₁q^i-1、大圈半径为R_1，2q^i-1、小圈半径为R_1，1q^i-1、节距为t₁q^i-1、大圈半径侧支承圈数n_i，s2取值为0.5、小圈半径侧支承圈数n_i，s1取值为0.25、有效圈数n_i取值为2，形成第i层，i＝1，2，3，......，N，N为自然数；