[发明专利]面向虚拟现实牙科操作训练的多点接触力觉反馈系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于虚拟现实牙科操作训练系统，更特别地说，是指一种基于力觉合成技术的碰撞检测阶段中的多点接触力觉反馈系统。

背景技术

在2009年第39卷第1期的《中国科学》杂志中公开了“面向牙科手术培训的力觉合成技术”一文。在此文的图4中介绍了力觉合成技术的计算结构框架。在接触状态确定过程中，要求研究具有高更新率的碰撞检测算法，能够检测用户的随机动作输入下，虚拟环境内的虚拟化身和被操作物体的细节碰撞信息。

力觉合成计算结构框架中的接触状态确定可以分解为两个阶段：碰撞检测和碰撞响应。碰撞检测的内容是判断虚拟化身和被操作物体是否发生碰撞；碰撞响应的内容是计算嵌入深度和方向、接触点准确位置、接触点局部法线方向信息等。由干被操作物体(例如虚拟牙齿)表面大多是具有凹形区域形状复杂的曲面，而且手术工具的形状各不相同，工具的运动轨迹是空间任意轨迹，因此接触状态确定算法必须解决复杂在线计算量和高的更新频率之间的矛盾。

参见图1所示，在虚拟现实牙科操作训练中的虚拟场景10中，手术工具的虚拟化身记为图形工具100，被操作物体的虚拟化身记为虚拟牙列20。虚拟牙列20是由多颗牙齿和牙龈组成。但是，三自由度力觉渲染算法是一种基于点与物体交互的算法，无法模拟这样一种物体与物体，多接触区域交互的场景。换句话说，当力觉工具200与虚拟牙列20中的其它物体发生碰撞并且嵌入(穿透效应)时，而图形工具100显示给训练者的应该是停留在物体表面，而不允许出现任何的嵌套量。此外，目前的三自由度力觉渲染算法不能正确反映力觉工具200的不同运动轨迹对于交互力和力矩计算结果的影响。

发明内容

为了解决虚拟现实牙科操作训练中图形工具100与虚拟牙列20出现视觉穿透现象，以及交互力不真实的缺陷，本发明提出一种多点接触力觉反馈系统，该系统能够准确求解连续碰撞检测时图形工具100与虚拟牙列20表面的接触位置和姿态。该力觉反馈系统通过模拟刚体与刚体之间交互时所产生的力与力矩，采用具有层次关系的球体来表示一个物体，即球状树。这样一种表示方法既能实现快速的进行碰撞检测，同时也方便了单边不可穿越约束(non-penetrated constraints)的建立。

本发明是一种面向虚拟现实牙科操作训练的多点接触力觉反馈系统，该多点接触力觉反馈系统包括有力反馈设备状态读取模块(1)、球状树碰撞检测模块(2)、多点接触碰撞响应模块(3)、力/力矩计算模块(4)、工具模型(41)、多层次牙齿模型(42)、图形显示设备(43)和力反馈设备(44)；

力反馈设备状态读取模块(1)读取力反馈设备(44)的手柄运动轨迹并转化为力觉工具末端位姿输出给工具模型(41)和力/力矩计算模块(4)；

球状树碰撞检测模块(2)采用层次化的递归碰撞检测策略对工具模型(41)输出的动态力觉工具球树和多层次牙齿模型(42)输出的静态牙列球树进行碰撞剔除处理，获得叶节点的所有相交球体对；

多点接触碰撞响应模块(3)采用碰撞响应优化模型对叶节点的所有相交球体对进行处理，得到图形工具的末端位姿；

力/力矩计算模块(4)依据广义弹簧力模型对图形工具末端位姿进行处理得到反馈力/力矩，并将反馈力/力矩输出至力反馈设备(44)。

本发明多点接触六自由度力觉反馈系统的优点在于：

①本发明在力觉工具和牙列的建模中采用基于球状树的几何建模方法，既可以准确地逼近任意复杂形状的物体，又提供了简易的建立单边不可穿越约束方程的方法。

②本发明在球状树碰撞检测模块以基于球状树的层次化的碰撞检测策略进行嵌套判断，满足了力觉仿真1kHz的计算频率，保证了仿真的真实感和稳定性。

③本发明在多点接触碰撞响应模块采用基于图形工具位姿变量的优化模型，能够准确求解多点接触状态下图形工具的位姿，消除了传统方法带来的视觉嵌套误差问题。

附图说明

图1是虚拟现实牙科操作训练中虚拟场景示意图。

图1A是虚拟场景中单个牙齿与多工具配置的示意图。

图2是本发明多点接触力觉反馈系统的结构框图。

图3A是力觉工具的球树分解示意图。

图3B是牙列的球树分解示意图。

图4是本发明多点接触碰撞响应模块中坐标转换关系图。

图4A是图形工具球树与牙列球树在同一层球状树下的碰撞检测简示图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。