本發(fā)明屬于虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互領(lǐng)域，具體涉及一種支持力觸覺反饋的虛擬柔性體手術(shù)仿真系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

對(duì)人類獲取信息能力的研究表明，力觸覺是除視覺和聽覺外最重要的感覺，是人類認(rèn)識(shí)外界環(huán)境并與環(huán)境進(jìn)行交互的重要手段。同樣在一些虛擬操作中，力觸覺交互也非常重要。力觸覺在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中有其突出優(yōu)越性,力觸覺使得虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境變得真實(shí),是唯一的既可接受周圍環(huán)境輸入又可以對(duì)周圍環(huán)境輸出的感知通道,可極大增強(qiáng)可視化表達(dá)的效果。虛擬現(xiàn)實(shí)的力觸覺交互技術(shù)包括力觸覺再現(xiàn)技術(shù)和虛擬環(huán)境的力觸覺建模。

目前，常用的基于物理意義的力觸覺模型中，有限元模型較為準(zhǔn)確，但計(jì)算繁復(fù)，實(shí)時(shí)交互性差。在其基礎(chǔ)上提出的線彈性模型，雖然在實(shí)時(shí)性方面有了很大的改善，但只滿足變形量較小的情況，且表現(xiàn)出的生物軟組織的力學(xué)特性較少。彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型結(jié)構(gòu)簡單、計(jì)算速度快，但穩(wěn)定性有限。長單元模型刷新速度快，但模型抽象度較高，計(jì)算精度較低。張量質(zhì)點(diǎn)模型，能方便實(shí)現(xiàn)切割或撕裂等操作，但穩(wěn)定性問題依然存在。邊界元模型計(jì)算簡單，但在穩(wěn)定性方面卻存在一定的困難。形狀保持鏈模型具有實(shí)時(shí)性較好的優(yōu)點(diǎn)，但鏈元素是基于剛性體為假設(shè)的，精度不高。因此，在保證力觸覺變形模型準(zhǔn)確性的同時(shí)，簡化算法，提高仿真速度和實(shí)時(shí)性是當(dāng)前虛擬力觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)需要解決的首要問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出一種支持力觸覺反饋的虛擬柔性體手術(shù)仿真系統(tǒng)，將其用于虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互的柔性體變形仿真，該系統(tǒng)力觸覺感覺平穩(wěn)、模擬效果逼真、能夠滿足虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)精細(xì)作業(yè)和實(shí)時(shí)性的要求。

實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種支持力觸覺反饋的虛擬柔性體手術(shù)仿真系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)主機(jī)、分別與計(jì)算機(jī)主機(jī)相連的顯示設(shè)備和力觸覺交互設(shè)備、用于供電的電源模塊，所述計(jì)算機(jī)主機(jī)包括硬盤和IEEE1394卡，其特征在于：所述硬盤包括位置檢測模塊、碰撞檢測模塊、力觸覺計(jì)算變形模塊、圖形刷新模塊和力觸覺信息反饋模塊,所述硬盤通過IEEE1394卡及IEEE1394連接線與力觸覺交互設(shè)備連接，用于將力觸覺計(jì)算變形模塊產(chǎn)生的柔性體表面的變形信息傳輸至力觸覺交互設(shè)備；

位置檢測模塊，用于檢測虛擬代理的位置；

碰撞檢測模塊，用于檢測虛擬代理與虛擬柔性體是否發(fā)生碰撞；

力觸覺計(jì)算變形模塊，用于當(dāng)虛擬代理與虛擬柔性體以給定虛擬接觸壓力F發(fā)生碰撞時(shí)計(jì)算虛擬柔性體的局部區(qū)域變形量；

圖形刷新模塊，用于根據(jù)力觸覺計(jì)算變形模塊計(jì)算出的局部區(qū)域變形量，不斷反饋輸出視覺信息到顯示設(shè)備；

力觸覺信息反饋模塊，用于通過力觸覺交互設(shè)備不斷反饋輸出力觸覺信息給操作者。

所述力觸覺計(jì)算變形模塊計(jì)算當(dāng)虛擬代理與虛擬柔性體以給定虛擬接觸壓力F發(fā)生碰撞時(shí)虛擬柔性體的局部區(qū)域變形量的過程為：

在給定虛擬接觸壓力F作用下，當(dāng)虛擬代理碰撞到虛擬柔性體表面上的任意點(diǎn)時(shí)，在碰撞點(diǎn)處懸掛復(fù)合碟形彈簧，復(fù)合碟形彈簧各層均由兩組兩層疊合碟形彈簧對(duì)合而成，各單片碟形彈簧的外徑D、內(nèi)徑d、厚度t、自由高度H₀、被壓平時(shí)的最大變形量h₀、彈簧剛度k均相同。

假定所述給定虛擬接觸壓力F的作用線和復(fù)合碟形彈簧中心線一致，且在虛擬接觸壓力F作用下，若柔性體中的復(fù)合碟形彈簧共有M層產(chǎn)生變形，則第M層稱為變形截止層；

當(dāng)給定虛擬接觸壓力F能使復(fù)合碟形彈簧第一層被壓縮時(shí)產(chǎn)生的變形量f₁達(dá)到復(fù)合碟形彈簧第一層被壓平時(shí)的最大變形量v₁，假定復(fù)合碟形彈簧前M-1層被壓縮時(shí)產(chǎn)生的變形量均與復(fù)合碟形彈簧第一層被壓平時(shí)的最大變形量v₁相同，復(fù)合碟形彈簧變形截止層第M層被壓縮時(shí)產(chǎn)生的變形量小于或者等于復(fù)合碟形彈簧第一層被壓平時(shí)的最大變形量v₁，最大變形量v₁可表示為：

v₁＝2h₀

單片碟形彈簧被壓平時(shí)的最大變形量h₀為：

h₀＝H₀-t

因復(fù)合碟形彈簧各層均由兩組兩層疊合碟形彈簧對(duì)合而成，而疊合碟形彈簧中單片碟形彈簧承受載荷是總載荷的一半，所以復(fù)合碟形彈簧第一層消耗的壓力F₁為：

復(fù)合碟形彈簧中單片碟形彈簧的彈簧剛度k為：

其中，E、μ、α分別為單片碟形彈簧的彈性模量、泊松比、計(jì)算系數(shù)，彈性模量、泊松比的具體數(shù)值與柔性體材質(zhì)有關(guān)；

其中，計(jì)算系數(shù)α滿足：

其中，C表示復(fù)合碟形彈簧中的單片碟形彈簧的外徑和內(nèi)徑之比：

除第一層和變形截止層第M層外，復(fù)合碟形彈簧其余各層消耗的壓力F_j為：

F_j＝2kh₀

j的取值范圍為[2,M-1]，

變形截止層第M層的變形量為：

使虛擬接觸壓力F作用于虛擬柔性體碰撞點(diǎn)，復(fù)合碟形彈簧第i層被壓縮，如果復(fù)合碟形彈簧前i層所消耗的壓力F_i之和小于給定虛擬接觸壓力F，且復(fù)合碟形彈簧前i層所產(chǎn)生壓縮變形總計(jì)需要的時(shí)延時(shí)間滿足刷新頻率1000Hz以上的要求，設(shè)共計(jì)經(jīng)過時(shí)延T_i后，復(fù)合碟形彈簧第i層被壓縮到被壓平時(shí)最大變形量v₁，只有當(dāng)復(fù)合碟形彈簧第i層被壓縮到被壓平時(shí)的最大變形量v₁后，復(fù)合碟形彈簧第i+1層才開始被壓縮，依此類推，直到復(fù)合碟形彈簧前M層所消耗的壓力之和不小于給定虛擬接觸壓力，或復(fù)合碟形彈簧前M層所產(chǎn)生壓縮變形總計(jì)需要的時(shí)延時(shí)間不滿足刷新頻率的要求；

用T_i、L_i分別表示復(fù)合碟形彈簧第i層產(chǎn)生壓縮變形需要的時(shí)延時(shí)間、復(fù)合碟形彈簧前i層所產(chǎn)生壓縮變形總計(jì)需要的時(shí)延時(shí)間，且令層間的時(shí)延時(shí)間滿足以復(fù)合碟形彈簧第一層產(chǎn)生壓縮變形需要的時(shí)延時(shí)間T₁為系數(shù)、以i²為變量的遞增數(shù)列為：

T_i＝i²T₁

從虛擬代理碰撞接觸到虛擬柔性體表面算起，假定復(fù)合碟形彈簧前i層所產(chǎn)生壓縮變形總計(jì)需要的時(shí)延時(shí)間L_i滿足L_i＜L，其中：

其中，L為設(shè)定的力觸覺再現(xiàn)刷新頻率的倒數(shù)；

所述虛擬柔性體表面的變形量，也即復(fù)合碟形彈簧前M層被壓縮時(shí)產(chǎn)生的變形量之和h為：

其中，(M-1)ν₁為復(fù)合碟形彈簧前M-1層被壓平時(shí)的最大變形量。

電源模塊為力觸覺交互設(shè)備提供18V，2.22A的電壓，顯卡HD7990、IEEE1394卡、硬盤均通過總線實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，顯示設(shè)備通過VGA連接線與顯卡進(jìn)行連接。

本發(fā)明的有益效果：

(1)通過計(jì)算機(jī)主機(jī)、力觸覺交互設(shè)備、電源模塊、顯示設(shè)備的設(shè)置及整合，有利于提高仿真系統(tǒng)智能化程度，進(jìn)一步降低能耗，提高運(yùn)算速度，進(jìn)而降低維護(hù)成本，延長使用壽命。

(2)該仿真系統(tǒng)在力觸覺交互過程中，能夠?qū)⑻摂M代理與柔性體之間的力觸覺信息實(shí)時(shí)穩(wěn)定地反饋給操作者，利用該仿真系統(tǒng)可使操作者更快、更有效、無風(fēng)險(xiǎn)地掌握復(fù)雜的手術(shù)操作技巧和流程，同時(shí)利于制定合理的手術(shù)方案，滿足虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)的需要。

(3)和以往常用的基于物理意義的柔性體變形仿真力觸覺建模方法相比，該建模方法中，復(fù)合碟形彈簧各層結(jié)構(gòu)相同，且各層中的單片碟形彈簧的外徑、內(nèi)徑、厚度、被壓平時(shí)的最大變形量、自由高度均相同，從而簡化了計(jì)算量，加快了變形計(jì)算的速度。

(4)可將其應(yīng)用于環(huán)保、教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、虛擬外科手術(shù)仿真、航空航天、深空探索等領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種實(shí)施例的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明一種實(shí)施例的復(fù)合碟形彈簧虛擬模型的建模方法流程圖；

圖3是本發(fā)明一種實(shí)施例的復(fù)合碟形彈簧虛擬模型的建模方法中壓力、變形層數(shù)與時(shí)延時(shí)間關(guān)系示意圖；

圖4是復(fù)合碟形彈簧虛擬模型的建模方法示意圖，(a)是原始狀態(tài)，(b)是壓縮下的狀態(tài)。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

一種虛擬柔性體的力觸覺反饋仿真系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)主機(jī)、分別與計(jì)算機(jī)主機(jī)相連的顯示設(shè)備和力觸覺交互設(shè)備、用于供電的電源模塊，所述計(jì)算機(jī)主機(jī)包括硬盤和IEEE1394卡，其特征在于：所述硬盤包括位置檢測模塊、碰撞檢測模塊、力觸覺計(jì)算變形模塊、圖形刷新模塊和力觸覺信息反饋模塊，所述硬盤通過IEEE1394卡及IEEE1394連接線與力觸覺交互設(shè)備連接，用于將力觸覺計(jì)算變形模塊產(chǎn)生的柔性體表面的變形信息傳輸至力觸覺交互設(shè)備；

位置檢測模塊，用于檢測虛擬代理的位置；

碰撞檢測模塊，用于檢測虛擬代理與虛擬柔性體是否發(fā)生碰撞；

力觸覺計(jì)算變形模塊，用于當(dāng)虛擬代理與虛擬柔性體以給定虛擬接觸壓力F發(fā)生碰撞時(shí)計(jì)算虛擬柔性體的局部區(qū)域變形量；

圖形刷新模塊，用于根據(jù)力觸覺計(jì)算變形模塊計(jì)算出的局部區(qū)域變形量，不斷反饋輸出視覺信息到顯示設(shè)備；

力觸覺信息反饋模塊，用于通過力觸覺交互設(shè)備不斷反饋輸出力觸覺信息給操作者。

所述力觸覺計(jì)算變形模塊計(jì)算當(dāng)虛擬代理與虛擬柔性體以給定虛擬接觸壓力F發(fā)生碰撞時(shí)虛擬柔性體的局部區(qū)域變形量的過程為：

在給定虛擬接觸壓力F作用下，當(dāng)虛擬代理碰撞到虛擬柔性體表面上的任意點(diǎn)時(shí)，在碰撞點(diǎn)處懸掛復(fù)合碟形彈簧，復(fù)合碟形彈簧各層均由兩組兩層疊合碟形彈簧對(duì)合而成，各單片碟形彈簧的外徑D、內(nèi)徑d、厚度t、自由高度H₀、被壓平時(shí)的最大變形量h₀、彈簧剛度k均相同。具體為：

在碰撞點(diǎn)處懸掛一外徑為D、內(nèi)徑為d、厚度為t、自由高度為H₀、被壓平時(shí)的最大變形量為h₀、彈簧剛度為k的單片碟形彈簧1，在單片碟形彈簧1下，疊合設(shè)置一同規(guī)格的單片碟形彈簧2，在單片碟形彈簧2下，對(duì)合設(shè)置一同規(guī)格的單片碟形彈簧3，在單片碟形彈簧3下，疊合設(shè)置一同規(guī)格的單片碟形彈簧4，單片碟形彈簧1、單片碟形彈簧2、單片碟形彈簧3和單片碟形彈簧4形成復(fù)合碟形彈簧第一層；在復(fù)合碟形彈簧第一層下，對(duì)合懸掛一同規(guī)格的單片碟形彈簧5，在單片碟形彈簧5下，疊合設(shè)置一同規(guī)格的單片碟形彈簧6，在單片碟形彈簧6下，對(duì)合設(shè)置一同規(guī)格的單片碟形彈簧7，在單片碟形彈簧7下，疊合設(shè)置一同規(guī)格的單片碟形彈簧8，單片碟形彈簧5、單片碟形彈簧6、單片碟形彈簧7和單片碟形彈簧8形成復(fù)合碟形彈簧第二層；在復(fù)合碟形彈簧第二層下，對(duì)合懸掛一同規(guī)格的單片碟形彈簧9，在單片碟形彈簧9下，疊合設(shè)置一同規(guī)格的單片碟形彈簧10，在單片碟形彈簧10下，對(duì)合設(shè)置一同規(guī)格的單片碟形彈簧11，在單片碟形彈簧11下，疊合設(shè)置一同規(guī)格的單片碟形彈簧12，單片碟形彈簧9、單片碟形彈簧10、單片碟形彈簧11和單片碟形彈簧12形成復(fù)合碟形彈簧第三層；依此類推，在復(fù)合碟形彈簧第i層下，對(duì)合懸掛一同規(guī)格的單片碟形彈簧4i+1，在單片碟形彈簧4i+1下，疊合設(shè)置一同規(guī)格的單片碟形彈簧4i+2，在單片碟形彈簧4i+2下，對(duì)合設(shè)置一同規(guī)格的單片碟形彈簧4i+3，在單片碟形彈簧4i+3下，疊合設(shè)置一同規(guī)格的單片碟形彈簧4i+4，單片碟形彈簧4i+1、單片碟形彈簧4i+2、單片碟形彈簧4i+3和單片碟形彈簧4i+4形成復(fù)合碟形彈簧第i+1層；即各層均由兩組兩層疊合碟形彈簧對(duì)合而成，其中i＝1,2,3,...,N，N為自然數(shù)，復(fù)合碟形彈簧各層中的單片碟形彈簧的外徑、內(nèi)徑、厚度、自由高度、被壓平時(shí)的最大變形量、彈簧剛度均相同。

假定所述給定虛擬接觸壓力F的作用線和復(fù)合碟形彈簧中心線一致，且在虛擬接觸壓力F作用下，若柔性體中的復(fù)合碟形彈簧共有M層產(chǎn)生變形，則第M層稱為變形截止層；

當(dāng)給定虛擬接觸壓力F能使復(fù)合碟形彈簧第一層被壓縮時(shí)產(chǎn)生的變形量f₁達(dá)到復(fù)合碟形彈簧第一層被壓平時(shí)的最大變形量v₁，假定復(fù)合碟形彈簧前M-1層被壓縮時(shí)產(chǎn)生的變形量均與復(fù)合碟形彈簧第一層被壓平時(shí)的最大變形量v₁相同，復(fù)合碟形彈簧變形截止層第M層被壓縮時(shí)產(chǎn)生的變形量小于或者等于復(fù)合碟形彈簧第一層被壓平時(shí)的最大變形量v₁，最大變形量v₁可表示為：

v₁＝2h₀ (1)

單片碟形彈簧被壓平時(shí)的最大變形量h₀為：

h₀＝H₀-t (2)

因復(fù)合碟形彈簧各層均由兩組兩層疊合碟形彈簧對(duì)合而成，而疊合碟形彈簧中單片碟形彈簧承受載荷是總載荷的一半，所以復(fù)合碟形彈簧第一層消耗的壓力F₁為：

復(fù)合碟形彈簧中的單片碟形彈簧的彈簧剛度k為：

其中，E、μ、α分別為單片碟形彈簧的彈性模量、泊松比、計(jì)算系數(shù)，彈性模量、泊松比的具體數(shù)值與柔性體材質(zhì)有關(guān)；

其中，計(jì)算系數(shù)α滿足：

其中，C表示復(fù)合碟形彈簧中單片碟形彈簧的外徑和內(nèi)徑之比：

除第一層和變形截止層第M層外，復(fù)合碟形彈簧其余各層消耗的壓力F_j為：

F_j＝2kh₀ (7)

j的取值范圍為[2,M-1]，

變形截止層第M層的變形量為：

使虛擬接觸壓力F作用于虛擬柔性體碰撞點(diǎn)，復(fù)合碟形彈簧第i層被壓縮，如果復(fù)合碟形彈簧前i層所消耗的壓力F_i之和小于給定虛擬接觸壓力F，且復(fù)合碟形彈簧前i層所產(chǎn)生壓縮變形總計(jì)需要的時(shí)延時(shí)間滿足刷新頻率1000Hz以上的要求，設(shè)共計(jì)經(jīng)過時(shí)延T_i后，復(fù)合碟形彈簧第i層被壓縮到被壓平時(shí)最大變形量v₁，只有當(dāng)復(fù)合碟形彈簧第i層被壓縮到被壓平時(shí)的最大變形量v₁后，復(fù)合碟形彈簧第i+1層才開始被壓縮，依此類推，直到復(fù)合碟形彈簧前M層所消耗的壓力之和不小于給定虛擬接觸壓力，或復(fù)合碟形彈簧前M層所產(chǎn)生壓縮變形總計(jì)需要的時(shí)延時(shí)間不滿足刷新頻率的要求；

用T_i、L_i分別表示復(fù)合碟形彈簧第i層產(chǎn)生壓縮變形需要的時(shí)延時(shí)間、復(fù)合碟形彈簧前i層所產(chǎn)生壓縮變形總計(jì)需要的時(shí)延時(shí)間，且令層間的時(shí)延時(shí)間滿足以復(fù)合碟形彈簧第一層產(chǎn)生壓縮變形需要的時(shí)延時(shí)間T₁為系數(shù)、以i²為變量的遞增數(shù)列為：

T_i＝i²T₁ (9)

從虛擬代理碰撞接觸到虛擬柔性體表面算起，假定復(fù)合碟形彈簧前i層所產(chǎn)生壓縮變形總計(jì)需要的時(shí)延時(shí)間L_i滿足L_i＜L，其中：

其中，L為設(shè)定的力觸覺再現(xiàn)刷新頻率的倒數(shù)；

所述虛擬柔性體表面的變形量，也即復(fù)合碟形彈簧前M層被壓縮時(shí)產(chǎn)生的變形量之和h為：

其中，(M-1)ν₁為復(fù)合碟形彈簧前M-1層被壓平時(shí)的最大變形量。

電源模塊為力觸覺交互設(shè)備提供18V，2.22A的電壓，顯卡HD7990、IEEE1394卡、硬盤均通過總線實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，顯示設(shè)備通過VGA連接線與顯卡進(jìn)行連接。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。