虚拟手术力反馈机交互控制系统研究.pdf

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A Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University for the Degree of Master RESEARCH ON INTERACTIVE FORCE FEEDBACK CONTROL SYSTEM FOR VIRTUAL SURGERY University: Shanghai Jiao Tong University Department: Department of Instrument Science & Engineering Major: Measuring and Testing Technology & Instruments Name: Wang Lijuan Advisor: Prof. Cai Ping Class: B0703592 Student ID: 10座机电话号码 Department of Instrument Science and Engineering Shanghai Jiao Tong University January, 2010 虚拟手术力反馈人机交互控制系统研究 摘 要 虚拟手术系统是虚拟现实技术在医学领域的一项重要应用。虚拟手 术对手术规划和医生培训具有重要作用。但目前的虚拟现实技术和应用 大都集中在视觉和听觉反馈方面，在力觉交互的实现方面同实际需求还 有很大差距。在应用中往往存在电机抖动，算法冗余，控制精度不够，， 真实感欠佳等诸多问题，有待进一步研究和解决。 本课题以模仿内窥镜下心脏外科手术为切入点，对虚拟手术力反馈 交互系统的工作原理和实现方法进行深入研究；建立了系统各个环节， 包括操作者、力反馈装置和不同属性虚拟环境的基本模型，通过实际测 量和计算获得实际系统参数，并针对分析系统性能的不同研究对象建立 系统模型；分析系统基本性能，如稳定性、快速性及平稳性等，并详细 讨论不同虚拟环境、力反馈装置参数以及不同操作者行为方式对系统各 项性能的影响，提出优化系统设计以及提高系统性能的基本方法；分析 了力反馈控制的基本方法，采用基于 PI 参数自整定与阻抗控制相结合的 控制策略对系统进行力反馈控制；结合WTK 软件平台，在Virtual Studio 开发环境下，进行力反馈装置控制、手术虚拟环境、人机交互界面等功 能的软件设计。仿真与实

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