具有力反馈的虚拟手术设备的研究与实现

摘要

虚拟手术是虚拟现实技术在医学领域的重要应用，医生借助虚拟手术系统与虚拟环境进行交互，可以进行手术规划、手术培训和远程手术。虚拟手术系统中的力反馈设备是其重要组成部分，也是制约当前虚拟手术发展的瓶颈问题之一。力反馈技术可以使医生获得与虚拟对象交互产生的力觉，如同进行真实手术操作一样，可以使训练更真实、准确、可靠。虚拟手术系统的开发和利用可以节约培训医务人员的成本和时间。 本文深入研究了虚拟手术系统中力反馈设备的工作原理和关键技术。针对虚拟手术技术在介入手术培训中的应用，研制了一套虚拟介入手术设备。对该设备的研制包括设备整体设计方案的确定、驱动执行元件和传感器的选择、机械结构的设计与制造、设备整体装配与调试。介绍了软件系统的整体架构，并编写了电机的控制驱动程序和用户界面。本文在对五维力反馈设备进行调试后，针对调试中发现的问题，对设备进行了优化设计，主要包括线传动装置的优化设计、设备快速响应性的优化（主要包括减速比的优化设计和运动零件的结构优化）和设备机械结构的优化设计。最后对优化后的设备进行了装配调试。