虛擬手術是將計算機圖形學、生物力學、臨床醫(yī)學、計算數(shù)學、機器人技術等多個學科融合在一起的虛擬現(xiàn)實技術研究方向。虛擬手術最重要的一個應用就是進行手術訓練,而在虛擬手術訓練系統(tǒng)中,力覺感知至關重要。接觸碰撞是虛擬手術訓練中最基本的交互形式,如何模擬出真實手術中的接觸力,對虛擬手術訓練的真實感具有決定作用。在虛擬手術接觸力的計算中,需要考慮碰撞對象、接觸力的類型。本文以虛擬膝關節(jié)鏡手術訓練為對象,對游離體摘除手術過程中的接觸力進行研究,計算出較高精度的接觸力。設計加工了具有六自由度的,帶力反饋的膝關節(jié)鏡手術訓練硬件裝置進行實驗。主要研究內容包括:(1)建立虛擬手術中的力學模型。通過相關的物理引擎知識,分析虛擬手術中的力;使用粒子系統(tǒng)表示虛擬手術中的剛體和變形體,能夠適用于物理定律的數(shù)值計算;拉格朗日動力學能為圖元對象添加正確的物理本構規(guī)律和動力學約束;并使用有限元方法使圖元對象發(fā)生變形�；诖�,建立虛擬手術中對模型對象施加力,產生力的交互。(2)帶摩擦的接觸力的計算。通過建立計算機圖形學物理仿真中最為常用的粒子系統(tǒng),能近似虛擬手術中的變形體和剛體對象。建立力覺模型后,通過碰撞檢測分析,找出潛...

【文章頁數(shù)】：94 頁

【學位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 研究背景及意義
        1.1.1 虛擬手術及力反饋技術
        1.1.2 微創(chuàng)手術力反饋裝置
    1.2 國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
        1.2.1 虛擬手術國內外現(xiàn)狀
        1.2.2 微創(chuàng)手術力反饋裝置國內外現(xiàn)狀
    1.3 本文的主要研究內容
    1.4 本文的組織結構
第二章 虛擬手術中的力學分析
    2.1 剛體與變形體的接觸力分析
        2.1.1 剛體與變形體的粒子表示
        2.1.2 接觸碰撞的受力分析
        2.1.3 變形體總的受力分析
    2.2 變形體內力與有限元方法
        2.2.1 格林應變張量
        2.2.2 形函數(shù)
        2.2.3 變形體的勢能
    2.3 拉格朗日動力學
        2.3.1 約束理論與虛功原理
        2.3.2 耗散函數(shù)的拉格朗日方程
    2.4 線性互補問題
        2.4.1 二次規(guī)劃方法
        2.4.2 高斯-賽德爾方法
    2.5 本章小結
第三章 帶摩擦的接觸力計算
    3.1 接觸力計算實現(xiàn)環(huán)境
    3.2 接觸力計算實現(xiàn)方法
        3.2.1 碰撞檢測
        3.2.2 插值
        3.2.3 構建線性互補問題
        3.2.4 建立摩擦約束
        3.2.5 總約束方程的建立
        3.2.6 總約束方程的求解
        3.2.7 實驗方法
        3.2.8 統(tǒng)計學分析
    3.3 接觸力計算測試結果
    3.4 帶摩擦接觸力計算討論
    3.5 結論
    3.6 本章小結
第四章 六自由度虛擬手術力反饋裝置的設計
    4.1 虛擬手術力反饋裝置的設計思想
    4.2 運動學分析
        4.2.1 運動學正解
        4.2.2 運動學反解
        4.2.3 電機反饋力矩的計算
    4.3 裝置參數(shù)選取及校驗
    4.4 本章小結
第五章 軟件硬件連接與測試
    5.1 力反饋裝置的測試
        5.1.1 力反饋裝置實物
        5.1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)
        5.1.3 裝置力反饋測試材料和方法
        5.1.4 裝置力反饋測試結果
        5.1.5 力反饋測試討論
    5.2 軟硬件之間的異步傳輸機制
    5.3 虛擬膝關節(jié)鏡游離體摘除手術的實現(xiàn)
    5.4 本章小結
總結與展望
    全文總結
    設想與展望
參考文獻
作者在攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文
致謝



本文編號：3748679