虚拟手术中力觉临场感增强技术研究

发布时间：2017-10-22 19:06

  本文关键词：虚拟手术中力觉临场感增强技术研究

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【摘要】：虚拟手术作为虚拟现实技术在现实医学领域的应用,以其突出的无损伤性和可重复性等优点而备受瞩目,其力触觉模型及再现技术研究更是当前国内外研究的前沿和热点。由于人体组织柔性体受力与形变的复杂关系,如何建立稳定的物理模型,准确快速的描述柔性体形变及力反馈从而提高系统力觉临场感,仍是现阶段研究的难点。针对柔性体力触觉模型中物体形变和力的描述与计算效率难以平衡的问题,提出一种基于球面调和函数表达(Spherical Harmonic,SPHARM)的柔性体力触觉建模方法。首先,建立基于SPHARM表达的力触觉模型,利用主成分分析方法实现柔性体在不同作用力下的形变比较,由简化后的波动方程获取对应力反馈,量化柔性体的受力-形变计算,实现了柔性体受力-形变的准确描述。然后,基于径向基函数神经网络(Radial Basis Function neural network,RBF-NN)实现柔性体在给定力作用下的形变-力反馈估计预测,使柔性体形变的视觉刷新频率与柔性体力触觉的刷新频率描述接近同步,解决了柔性体形变准确描述与力反馈实时计算难以平衡的复杂关系。最后,利用虚拟现实渲染软件结合力反馈设备搭建交互实验平台,验证本文提出的力触觉控制算法。实验结果表明基于SPHARM的柔性体力触觉建模方法能够在满足力触觉交互的稳定性、准确性的同时提高交互实时性,实现增强力觉临场感的目的。
【关键词】：虚拟现实 球面调和函数 力触觉反馈 径向基函数神经网络
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R319;TP391.9
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-14
• 1.1 研究背景及意义8-10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.2.1 力触觉虚拟手术研究现状10-11
• 1.2.2 力触觉交互设备研究现状11-12
• 1.3 论文主要研究内容与组织结构12-14
• 1.3.1 主要研究内容12-13
• 1.3.2 论文组织结构13-14
• 2 柔性体力触觉模型建立14-38
• 2.1 柔性体几何模型建立14-17
• 2.2 SPHARM分析17-21
• 2.2.1 SPHARM定义与变换17-19
• 2.2.2 SPHARM在柔性体力触觉中的应用可行性分析19-21
• 2.3 基于SPHARM的柔性体几何建模21-27
• 2.3.1 球面参数化21-25
• 2.3.2 SPHARM展开和物体重构25-27
• 2.4 SPHARM的柔性体力触觉模型建立27-36
• 2.4.1 共同参照系统建立27-29
• 2.4.2 SPHARM模型群组分析29-31
• 2.4.3 同源物体形变力反馈计算31-36
• 2.5 基于SPHARM的柔性体力触觉模型分析36-37
• 2.6 本章小结37-38
• 3 柔性体力触觉控制算法实现38-49
• 3.1 径向基函数神经网络38-41
• 3.1.1 RBF-NN的网络结构38-39
• 3.1.2 RBF-NN的优点分析39-41
• 3.2 RBF-NN模型建立41-47
• 3.2.1 RBF-NN训练算法44-45
• 3.2.2 仿真分析45-47
• 3.3 方法结论47-48
• 3.4 本章小结48-49
• 4 柔性体力触觉系统交互平台49-59
• 4.1 硬件系统49-52
• 4.2 软件系统52-58
• 4.3 本章小结58-59
• 5 系统仿真与实验分析59-66
• 5.1 柔性体实物验证与分析59-64
• 5.1.1 柔性体实物验证59-62
• 5.1.2 实验数据分析62-64
• 5.2 实验结论64-65
• 5.3 本章小结65-66
• 总结与展望66-68
• 本文工作总结66-67
• 未来工作展望67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果73

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本文编号：1079669