远程诊疗机器人力触觉再现系统

摘要

力触觉再现技术被认为是未来能够改变人类生活的十大技术之一，具有广阔的应用前景和市场需求。现有的医疗机器人尤其是远程诊疗机器人大多缺乏触觉反馈，或者说反馈力计算不足。力触觉再现技术是解决医疗机器人触觉临场感不足、提高医疗机器人实用性的有效方法。本文从力触觉再现系统的关键技术入手，对软组织模型、触觉渲染、力触觉再现系统的构建等几个方面进行了研究。 一、目前软组织建模研究现状中普遍存在着实时性与准确性之间的矛盾，本文考虑了软组织的粘弹性、非线性等特殊的生物力学特性，将有限元方法与质点-弹簧模型结合，忽略阻尼系数，用有限元方法去估计质点-弹簧模型的参数，得到了弹性系数与杨氏模量、泊松比等的关系。然后，根据文献中软组织真实测量的数据和真实测量得到的应力-应变曲线确定了各个参数的取值，在一定程度上避免了弹簧参数选取的随意性和经验性，在保证系统实时性的情况下提高了模型的精度。 二、碰撞检测是力触觉再现系统进行触觉渲染和形变渲染的前提，一般是仅将外力施加在碰撞点上。本文优化了外力施加方式，在碰撞检测后将外力施加到碰撞点及其周围的一圈质点上。其次，将参数估计时忽略的阻尼系数重新引入，改进了数值积分方法。形变渲染更逼真平滑，平衡了计算效率和计算开销。 三、基于Geomagic Touch触觉设备完成了力触觉再现系统的构建。用OpenGL绘制了软组织表面模型，3Ds Max绘制了人手模型，实现了人手触诊软组织模型的触觉再现和视觉反馈，并对反馈的质量进行了评估，触觉再现稳定逼真、视觉反馈流畅。 四、模型准确性和系统的实时性验证。在交互过程中，采集了软组织模型的力-位移、应力松弛、蠕变等数据分别与真实软组织在体测量、离体测量和经验值质点-弹簧模型的数据进行了对比。本文模型的数据基本在实际测量值的变化范围之内，模型具有一定的准确性和有效性，优于经验值质点-弹簧模型。同时计算和记录了交互过程中的帧速率，本文帧速率远高于实时性要求的帧速率，验证了系统的实时性。

目录

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 力触觉再现系统的关键技术

1.3 国内外研究现状

1.3.1 力触觉再现系统研究现状

1.3.2 软组织建模研究现状

1.4 本文的主要工作和结构安排

1.4.1 本文的主要工作

1.4.2 本文的章节安排

第二章 改进的软组织建模方法

2.1 软组织的生物力学特性

2.2 基于有限元的质点-弹簧软组织建模方法

2.2.1 质点-弹簧模型动力学方程

2.2.2 有限元方法的本构关系

2.2.3 基于有限元的质点-弹簧参数估算

2.2.4 基于有限元的质点-弹簧参数确定

2.3 软组织模型的拓扑结构

2.4 本章小结

第三章 软组织形变渲染和触觉渲染

3.1 触觉设备与软组织模型的碰撞检测

3.1.1 碰撞检测方法

3.1.2 优化的外力施加方式

3.2 软组织模型形变渲染

3.2.1 形变渲染流程

3.2.2 数值积分求解

3.2.3 形变约束与形变恢复

3.3 软组织模型触觉渲染

3.4 结果与分析

3.4.1 力-位移实验

3.4.2 应力松弛实验

3.4.3 蠕变实验

3.4.4 力卸载实验

3.4.5 实时性验证

3.5 本章小结

第四章 基于Geomagic Touch触觉设备的力触觉再现系统

4.1 Geomagic Touch触觉设备

4.2 基于Geomagic Touch的力触觉再现系统构建

4.2.1 系统的硬件条件

4.2.2 系统的软件条件

4.3 力触觉再现系统的模型绘制

4.3.1 基于OpenGL的软组织模型绘制

4.3.2 基于3Ds Max的人手模型绘制

4.4 基于Geomagic Touch的力触觉再现系统实现

4.4.1 人手触诊实验

4.4.2 触觉再现质量评估

4.4.3 外力施加方式对比实验

4.4.4 实时性影响因素分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果