[發(fā)明專利]一種支持力觸覺反饋的虛擬柔性體手術(shù)仿真系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611025195.0
• 申請日: 2016-11-16
• 公開（公告）號: CN106650237B
• 公開（公告）日: 2019-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張小瑞;呂查德;孫偉;劉佳;夏薇薇;朱利豐;宋愛國;牛建偉;王澎湃
• 申請（專利權(quán)）人: 南京信息工程大學(xué)
• 主分類號: G16H50/50
• 分類號: G16H50/50;G06F3/01;G06T19/00
• 代理公司: 南京縱橫知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

1.一種支持力觸覺反饋的虛擬柔性體手術(shù)仿真系統(tǒng)，包括計算機(jī)主機(jī)、分別與計算機(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)生碰撞時計算虛擬柔性體的局部區(qū)域變形量；所述局部區(qū)域變形量的計算公式為：

其中，v₁為復(fù)合碟形彈簧第一層被壓平時的最大變形量，(M-1)ν₁為復(fù)合碟形彈簧前M-1層被壓平時的最大變形量；F為虛擬接觸壓力；k為復(fù)合碟形彈簧中單片碟形彈簧的彈簧剛度；h_M為變形截止層第M層的變形量；

圖形刷新模塊，用于根據(jù)力觸覺計算變形模塊計算出的局部區(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；

所述力觸覺計算變形模塊計算當(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時，在碰撞點處懸掛復(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的最大變形量v₁，假定復(fù)合碟形彈簧前M-1層被壓縮時產(chǎn)生的變形量均與復(fù)合碟形彈簧第一層被壓平時的最大變形量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，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)生壓縮變形總計需要的時延時間滿足刷新頻率1000Hz以上的要求，設(shè)共計經(jīng)過時延T_i后，復(fù)合碟形彈簧第i層被壓縮到被壓平時最大變形量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)生壓縮變形總計需要的時延時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延時間、復(fù)合碟形彈簧前i層所產(chǎn)生壓縮變形總計需要的時延時間，且令層間的時延時間滿足以復(fù)合碟形彈簧第一層產(chǎn)生壓縮變形需要的時延時間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)生壓縮變形總計需要的時延時間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層被壓平時的最大變形量。