虚拟手术中的接触力计算及力反馈装置设计

发布时间：2023-02-24 10:05

　　虚拟手术是将计算机图形学、生物力学、临床医学、计算数学、机器人技术等多个学科融合在一起的虚拟现实技术研究方向。虚拟手术最重要的一个应用就是进行手术训练,而在虚拟手术训练系统中,力觉感知至关重要。接触碰撞是虚拟手术训练中最基本的交互形式,如何模拟出真实手术中的接触力,对虚拟手术训练的真实感具有决定作用。在虚拟手术接触力的计算中,需要考虑碰撞对象、接触力的类型。本文以虚拟膝关节镜手术训练为对象,对游离体摘除手术过程中的接触力进行研究,计算出较高精度的接触力。设计加工了具有六自由度的,带力反馈的膝关节镜手术训练硬件装置进行实验。主要研究内容包括:(1)建立虚拟手术中的力学模型。通过相关的物理引擎知识,分析虚拟手术中的力;使用粒子系统表示虚拟手术中的刚体和变形体,能够适用于物理定律的数值计算;拉格朗日动力学能为图元对象添加正确的物理本构规律和动力学约束;并使用有限元方法使图元对象发生变形。基于此,建立虚拟手术中对模型对象施加力,产生力的交互。(2)带摩擦的接触力的计算。通过建立计算机图形学物理仿真中最为常用的粒子系统,能近似虚拟手术中的变形体和刚体对象。建立力觉模型后,通过碰撞检测分析,找出潜...

【文章页数】：94 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
        1.1.1 虚拟手术及力反馈技术
        1.1.2 微创手术力反馈装置
    1.2 国内外现状及发展趋势
        1.2.1 虚拟手术国内外现状
        1.2.2 微创手术力反馈装置国内外现状
    1.3 本文的主要研究内容
    1.4 本文的组织结构
第二章 虚拟手术中的力学分析
    2.1 刚体与变形体的接触力分析
        2.1.1 刚体与变形体的粒子表示
        2.1.2 接触碰撞的受力分析
        2.1.3 变形体总的受力分析
    2.2 变形体内力与有限元方法
        2.2.1 格林应变张量
        2.2.2 形函数
        2.2.3 变形体的势能
    2.3 拉格朗日动力学
        2.3.1 约束理论与虚功原理
        2.3.2 耗散函数的拉格朗日方程
    2.4 线性互补问题
        2.4.1 二次规划方法
        2.4.2 高斯-赛德尔方法
    2.5 本章小结
第三章 带摩擦的接触力计算
    3.1 接触力计算实现环境
    3.2 接触力计算实现方法
        3.2.1 碰撞检测
        3.2.2 插值
        3.2.3 构建线性互补问题
        3.2.4 建立摩擦约束
        3.2.5 总约束方程的建立
        3.2.6 总约束方程的求解
        3.2.7 实验方法
        3.2.8 统计学分析
    3.3 接触力计算测试结果
    3.4 带摩擦接触力计算讨论
    3.5 结论
    3.6 本章小结
第四章 六自由度虚拟手术力反馈装置的设计
    4.1 虚拟手术力反馈装置的设计思想
    4.2 运动学分析
        4.2.1 运动学正解
        4.2.2 运动学反解
        4.2.3 电机反馈力矩的计算
    4.3 装置参数选取及校验
    4.4 本章小结
第五章 软件硬件连接与测试
    5.1 力反馈装置的测试
        5.1.1 力反馈装置实物
        5.1.2 闭环控制系统
        5.1.3 装置力反馈测试材料和方法
        5.1.4 装置力反馈测试结果
        5.1.5 力反馈测试讨论
    5.2 软硬件之间的异步传输机制
    5.3 虚拟膝关节镜游离体摘除手术的实现
    5.4 本章小结
总结与展望
    全文总结
    设想与展望
参考文献
作者在攻读硕士学位期间发表的论文
致谢



本文编号：3748679