虚拟手术力反馈人机交互控制系统研究

摘要

虚拟手术系统是虚拟现实技术在医学领域的一项重要应用。虚拟手术对手术规划和医生培训具有重要作用。但目前的虚拟现实技术和应用大都集中在视觉和听觉反馈方面,在力觉交互的实现方面同实际需求还有很大差距。在应用中往往存在电机抖动,算法冗余,控制精度不够,真实感欠佳等诸多问题,有待进一步研究和解决。本课题以模仿内窥镜下心脏外科手术为切入点,对虚拟手术力反馈交互系统的工作原理和实现方法进行深入研究;建立了系统各个环节,包括操作者、力反馈装置和不同属性虚拟环境的基本模型,通过实际测量和计算获得实际系统参数,并针对分析系统性能的不同研究对象建立系统模型;分析系统基本性能,如稳定性、快速性及平稳性等,并详细讨论不同虚拟环境、力反馈装置参数以及不同操作者行为方式对系统各项性能的影响,提出优化系统设计以及提高系统性能的基本方法;分析了力反馈控制的基本方法,采用基于PI参数自整定与阻抗控制相结合的控制策略对系统进行力反馈控制;结合WTK软件平台,在Virtual Studio开发环境下,进行力反馈装置控制、手术虚拟环境、人机交互界面等功能的软件设计。仿真与实验结果验证了系统性能分析以及控制算法的有效性。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪 论

1.1 虚拟现实及力反馈概述

1.1.1 虚拟现实技术

1.1.2 力反馈概述

1.2 虚拟手术力反馈系统

1.2.1 虚拟手术力反馈系统的研究意义

1.2.2 虚拟手术力反馈系统的构成

1.2.3 虚拟手术力反馈系统的研究内容

1.3 研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 研究内容与论文结构

第二章 虚拟手术力反馈系统建模

2.1 引言

2.2 虚拟手术力反馈系统

2.2.1 虚拟手术力反馈系统构成

2.2.2 力反馈装置的基本结构和设计思路

2.3 虚拟手术力反馈系统建模

2.3.1 操作者模型

2.3.2 力反馈装置模型

2.3.3 虚拟环境模型

2.3.4 系统总体模型

2.4 本章小结

第三章 虚拟手术力反馈系统性能分析

3.1 引言

3.2 稳定性分析

3.2.1 虚拟环境参数对系统稳定性的影响

3.2.2 力反馈装置对系统稳定性的影响

3.2.3 不同操作方式对系统稳定性的影响

3.3 动态响应分析

3.3.1 系统动态响应模型

3.3.2 系统动态特性分析

3.4 本章小结

第四章 虚拟手术系统的力反馈控制策略

4.1 引言

4.2 基本控制策略

4.2.1 系统控制策略

4.2.2 力控制策略

4.3 力反馈系统控制策略

4.3.1 参数自整定 PI 控制

4.3.2 阻抗控制

4.4 力反馈控制实验结果

4.5 本章小结

第五章 软件实现与系统集成

5.1 引言

5.2 开发环境与工具

5.3 软件实现

5.3.1 软件系统框架

5.3.2 力反馈控制程序设计

5.4 虚拟手术系统平台的建立

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 对未来研究工作的展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与课题、发表学术论文及专利