基于虛擬現(xiàn)實的觸覺交互系統(tǒng)穩(wěn)定性研究.pdf

1、虛擬手術(shù)訓(xùn)練是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個重要應(yīng)用，對改進醫(yī)學(xué)教育和訓(xùn)練模式具有深遠意義。目前基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互手段大都集中在視覺和聽覺方式上。力觸覺反饋的引入，能夠使醫(yī)務(wù)者不僅看到手術(shù)中的器官和組織，而且還能感覺到手術(shù)刀與人體組織器官交互中的力反饋，感受不同肌肉和組織的軟硬程度，大大提高了用戶的臨場感。
　　論文以腦外科虛擬手術(shù)為切入點，對觸覺交互系統(tǒng)的工作原理、數(shù)學(xué)模型和力反饋控制算法進行深入研究。首先，建立包括操作者、力

2、反饋設(shè)備和虛擬環(huán)境在內(nèi)的系統(tǒng)模型。其中人體腦組織幾何模型是以病人真實的磁共振和CT數(shù)據(jù)為依據(jù)，再利用OpenGL三維圖形標(biāo)準(zhǔn)工具繪制渲染而成。物理建模則采用的是彈簧-阻尼模型，該模型對于形變和力反饋的計算相對簡單，能夠很好地滿足交互實時性的要求。根據(jù)所建立的模型論文分析了導(dǎo)致觸覺交互系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因，主要因素包括力反饋設(shè)備本身的摩擦力和虛擬環(huán)境的阻抗等，并量化討論了虛擬環(huán)境阻抗對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
　　對觸覺交互系統(tǒng)設(shè)計控制算法是

3、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效方法。論文首先從目前研究的主流方向無源理論出發(fā)，設(shè)計PO/PC控制算法來實現(xiàn)觸覺交互的穩(wěn)定。該算法首先設(shè)計無源觀測器計算系統(tǒng)各部分的二端口能量，從而得到整個系統(tǒng)的能量耗散情況；再設(shè)計無源控制器對有源的時刻進行控制，通過消耗系統(tǒng)中存在的過能量，從而達到保證系統(tǒng)穩(wěn)定的目的。實驗結(jié)果表明，采用該算法能有效抑制有源現(xiàn)象的發(fā)生，保證了整個交互過程的穩(wěn)定，并且達到課題“腦外科虛擬手術(shù)仿真與訓(xùn)練系統(tǒng)”對穩(wěn)定性的要求。其次，針對虛擬