实时多组织虚拟手术的反馈力模拟

为了在虚拟下颌整形手术系统中提供实时和真实的触觉交互,分别构建了基于虚拟中介平面的推操作触觉模型、基于粘附力的拉操作触觉模型和基于非线性粘弹性的针刺触觉模型,以模拟皮肤拉钩、整形镊和针的典型手术操作;同时通过相邻组织间的动态触觉约束建立了多组织联合形变模型,以避免表面弹簧-质点模型形变过程中可能出现的表面间相互穿透的异常现象;并进一步将触觉交互模型和多组织形变模型集成于虚拟下颌手术系统,从而为医生提供一个手术训练的虚拟平台.触觉感知和交互效率的实验结果表明,通过触觉交互识别皮肤、肌肉和骨骼能够获得较高的识别正确率,并能提供实时的触觉和视觉交互体验.     

手术仿真中基于导纳控制的力触觉形变模型

为了在虚拟手术仿真中获得快速、准确的力触觉形变效果,提出一种基于导纳控制的力触觉形变模型.基于该模型,采用PHANTOM OMNI力触觉交互设备,以3DS MAX 2013,Microsoft Visual C++2012,Open GL函数库为基础搭建了实时柔性体力触觉再现系统,实现了虚拟双手对心脏双点的拉拽交互操作.感知实验和交互效率的结果表明,所提出的模型简单有效,形变效果逼真、视觉反馈流畅、力触觉反馈平稳,操作者对虚拟环境的感知和交互准确可靠,能够满足虚拟手术仿真系统的要求.     

虚拟骨科手术中触觉交互建模方法综述

虚拟骨科手术可以让骨科医生使用多种虚拟骨科手术器械在三维重建的骨性解剖结构模型上进行骨科手术操作和 训练。力触觉交互在骨科手术中起着不容忽视的作用,如何在骨科手术模拟中实现真实快速的触觉交互,已成为近年来 虚拟骨科手术研究的热点。文章主要对现有的骨科手术模拟系统中用到的触觉交互模型进行了研究、分类和总结,分析 了现有的一些模型的特点和不足,并展望了骨科手术系统中未来力触觉交互的发展。     

一种新型机器人三维力柔性触觉传感器的设计

基于柔性力敏导电橡胶材料,设计了一种能测量三维力的新型机器人柔性触觉传感器。研究了力敏导电橡胶材料的压阻效应,阐述了触觉传感器的设计思想,分别进行了触觉传感器单元设计和阵列结构设计和研究。获得了计算三维力的数学模型,并通过实验进行了三维力的验证。结果表明,设计的机器人三维力柔性触觉传感器具有设计简单,造价低廉,柔顺性好等优点,而且布置成阵列结构可用于医疗、体育、机器人等领域中检测三维力信息。     

气动力反馈数据手套设计与验证

针对目前面向大型复杂机电产品的虚拟装配环境中力反馈装置所能提供的触觉力偏小的问题,提出一种基于微型低摩擦气缸的内置式力反馈数据手套.首先介绍了手套结构及其工作原理;然后搭建了实验系统,基于牛顿迭代法进行运动学方程组求解,验证了手套的角度测量和力反馈功能;最后开发了手套的人机交互控制系统,采用D-H理论来描述虚拟手的空间位置,基于虚拟墙的弹簧-质点模型计算虚拟力.实验结果表明,所设计的数据手套可实现大触觉力的反馈,满足虚拟装配系统虚拟抓取的需求.     

一种柔性三维力触觉传感器阵列的实现方法

介绍了一种可安装在曲面上,对三维力进行检测的柔性三维力触觉传感器阵列的实现方法.首先采用MEMS技术制备三维力触觉传感器阵列,再将多个三维力触觉传感器单元分别通过倒装焊技术集成在已加工好的柔性电路板基底上,实现了传感器与信号处理电路的互连和传感器阵列(4×4)的柔性化.采用信号选通的多路信号采集方法简化了传感器阵列的信号处理电路.测试结果表明,柔性触觉传感器阵列可弯曲变形90°以上,检测三维力的分辨率达到0.1 N.     

基于位移控制的线圈自动绕线系统研究

在电磁式力触觉再现系统中,电磁铁线圈绕制质量的好坏直接决定了力触觉再现的真实感和沉浸感。该系统基于手摇绕线机、步进电机、电缸平移台、张力控制器、STM32单片机等模块,设计开发了大尺寸电磁铁线圈自动绕制系统。研究了以STM32为核心的精准排线控制算法,实现了大尺寸空盘片骨架自动绕线排线工作。以实际绕制的线圈为研究对象,通过与人工绕制线圈的效果对比,验证了排线算法的可靠性和稳定性;通过测量线圈的电阻值与理想值的对比,证明了线圈绕制质量的可行性。该系统为大尺寸线圈绕制提供了有效的解决方案,对促进力触觉的发展具有重要的研究意义。     

柔性涡流阵列传感器的磁场计算分析

设计了一种由6个阵列单元（螺旋线圈）所组成的柔性涡流阵列传感器,基于电磁场理论建立柔性涡流阵列单元的电磁场模型,推导出柔性阵列单元线圈径向和轴向的磁场强度计算公式,仿真分析阵列单元线圈磁场强度与电流、线圈间隙、内外径等参数的关系,对柔性涡流阵列传感器的发展具有一定参考价值。     

面向上颌骨骨折复位手术的虚拟系统设计

基于3D计算机触觉视觉交互(CHAI3D)和开放图形库(Open GL)等开源软件,设计了针对上颌骨复位手术的仿真系统。使用真实病例的CT图像搭建虚拟场景,通过Geomagic力反馈设备对虚拟模型进行三维操作并输出触觉反馈。在原有单点碰撞算法的基础上,提出了使用多个中介代理的多点碰撞算法,避免了虚拟手术工具的手柄插入虚拟器官的不实仿真;通过力反馈设备对头颅骨模型进行选择、移动和旋转,模拟手术中对头颅骨的移动和放置。系统可用于训练医学院学生,也可用于复杂手术的术前规划。     

用于软组织变形仿真的层状菱形链连接模型

为提高软组织变形仿真的精度与实时性,提出一种新颖的、基于物理意义的层状菱形链连接模型.该模型中每层各个链结构单元相对位移的叠加对外等效为物体表面的变形,与之相连的弹簧弹性力的合力等效为物体表面接触力.利用6-DOFDelta手控器构建了力触觉交互实验系统,使用虚拟软组织模型进行按压、拉拽等交互操作,并通过反馈力产生触觉感.实验结果表明,该模型不仅计算简单,而且能够保证触觉接触力和变形计算具有较高精度;同时在交互过程中,力触觉感觉平稳、模拟效果逼真、满足虚拟现实系统对精细作业和实时性的要求.