力觸覺反饋系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實應用研究.pdf

1、力觸覺反饋系統(tǒng)是基于力觸覺的傳感與再現(xiàn)技術，使操作者通過力觸覺的反饋來感受虛擬場景中模型的特征、約束和相互交互的狀態(tài)等，引導和約束操作者與虛擬環(huán)境中物體進行實時交互。
　　在虛擬現(xiàn)實應用研究中，力觸覺接口是關鍵的人機交互設備。醫(yī)學模擬仿真從視覺仿真逐漸向力觸覺仿真發(fā)展，其虛擬手術仿真代表杰出載體為達芬奇醫(yī)療微創(chuàng)手術機器人。當醫(yī)生在進行微創(chuàng)手術時，難以達到開放性手術所具有豐富的整體視覺和真實力觸覺信息，其感知通道出現(xiàn)了阻塞，在模糊、

2、缺失的信息環(huán)境下，易于出現(xiàn)手術操作的失誤，可靠性大大降低。因此，力觸覺反饋系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實應用將對微創(chuàng)手術機器人的發(fā)展起到關鍵作用，可有效提高微創(chuàng)手術操作的安全可靠性。
　　論文對力觸覺反饋系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實應用進行研究，建立了虛擬手術夾鉗模型和柔性套管模型，進行了力觸覺反饋設備Omega.7運動學分析，構建了虛擬力觸覺臨場感系統(tǒng)，實現(xiàn)了虛擬場景中虛擬手術夾鉗整體與七自由度Omega.7機構的位置、姿態(tài)和夾取動作的匹配，并對虛擬場景中手

3、術夾鉗和柔性套管的虛擬力觸覺交互進行了實驗模擬仿真。主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）對Omega.7設備進行了機構結構學分析，并對其運動學正逆解進行了分析，然后對Omega.7的力觸覺反饋系統(tǒng)的控制原理進行了分析介紹。
　?。?）利用SolidWorks三維建模軟件對虛擬環(huán)境中的手術夾鉗進行幾何建模，將手術夾鉗導入虛擬場景中，并實現(xiàn)手術夾鉗機構與七自由度Omega.7機構的位置、姿態(tài)和夾取動作的匹配。
　?。?）構建了柔

4、性套管模型，柔性套管骨架采用了彈簧-質點模型，柔性套管的外圍覆蓋層采用3ds Max構建的蒙皮模型。手術夾鉗與柔性套管和間碰撞檢測主要采用了包圍盒層次樹法；力觸覺計算采用了彈簧阻尼模型，逼真的模擬出力觸覺臨場感中柔性套管的受力變形和力觸覺反饋。
　?。?）虛擬力觸覺臨場感系統(tǒng)主要是通過力觸覺反饋設備 Omega.7及其 SDK、力觸覺渲染引擎 CHAI3D、以及仿真系統(tǒng)開發(fā)工具Visual Studio2010等共同構建；在虛擬力