本發明屬于虛擬現實人機交互領域，具體涉及一種支持力觸覺反饋的虛擬柔性體手術仿真系統。

背景技術：

對人類獲取信息能力的研究表明，力觸覺是除視覺和聽覺外最重要的感覺，是人類認識外界環境并與環境進行交互的重要手段。同樣在一些虛擬操作中，力觸覺交互也非常重要。力觸覺在虛擬現實環境中有其突出優越性,力觸覺使得虛擬現實環境變得真實,是唯一的既可接受周圍環境輸入又可以對周圍環境輸出的感知通道,可極大增強可視化表達的效果。虛擬現實的力觸覺交互技術包括力觸覺再現技術和虛擬環境的力觸覺建模。

目前，常用的基于物理意義的力觸覺模型中，有限元模型較為準確，但計算繁復，實時交互性差。在其基礎上提出的線彈性模型，雖然在實時性方面有了很大的改善，但只滿足變形量較小的情況，且表現出的生物軟組織的力學特性較少。彈簧-質點模型結構簡單、計算速度快，但穩定性有限。長單元模型刷新速度快，但模型抽象度較高，計算精度較低。張量質點模型，能方便實現切割或撕裂等操作，但穩定性問題依然存在。邊界元模型計算簡單，但在穩定性方面卻存在一定的困難。形狀保持鏈模型具有實時性較好的優點，但鏈元素是基于剛性體為假設的，精度不高。因此，在保證力觸覺變形模型準確性的同時，簡化算法，提高仿真速度和實時性是當前虛擬力觸覺再現系統需要解決的首要問題。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明提出一種支持力觸覺反饋的虛擬柔性體手術仿真系統，將其用于虛擬現實人機交互的柔性體變形仿真，該系統力觸覺感覺平穩、模擬效果逼真、能夠滿足虛擬現實系統對精細作業和實時性的要求。

實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現：

一種支持力觸覺反饋的虛擬柔性體手術仿真系統，包括計算機主機、分別與計算機主機相連的顯示設備和力觸覺交互設備、用于供電的電源模塊，所述計算機主機包括硬盤和IEEE1394卡，其特征在于：所述硬盤包括位置檢測模塊、碰撞檢測模塊、力觸覺計算變形模塊、圖形刷新模塊和力觸覺信息反饋模塊,所述硬盤通過IEEE1394卡及IEEE1394連接線與力觸覺交互設備連接，用于將力觸覺計算變形模塊產生的柔性體表面的變形信息傳輸至力觸覺交互設備；

位置檢測模塊，用于檢測虛擬代理的位置；

碰撞檢測模塊，用于檢測虛擬代理與虛擬柔性體是否發生碰撞；

力觸覺計算變形模塊，用于當虛擬代理與虛擬柔性體以給定虛擬接觸壓力F發生碰撞時計算虛擬柔性體的局部區域變形量；

圖形刷新模塊，用于根據力觸覺計算變形模塊計算出的局部區域變形量，不斷反饋輸出視覺信息到顯示設備；

力觸覺信息反饋模塊，用于通過力觸覺交互設備不斷反饋輸出力觸覺信息給操作者。

所述力觸覺計算變形模塊計算當虛擬代理與虛擬柔性體以給定虛擬接觸壓力F發生碰撞時虛擬柔性體的局部區域變形量的過程為：

在給定虛擬接觸壓力F作用下，當虛擬代理碰撞到虛擬柔性體表面上的任意點時，在碰撞點處懸掛復合碟形彈簧，復合碟形彈簧各層均由兩組兩層疊合碟形彈簧對合而成，各單片碟形彈簧的外徑D、內徑d、厚度t、自由高度H₀、被壓平時的最大變形量h₀、彈簧剛度k均相同。

假定所述給定虛擬接觸壓力F的作用線和復合碟形彈簧中心線一致，且在虛擬接觸壓力F作用下，若柔性體中的復合碟形彈簧共有M層產生變形，則第M層稱為變形截止層；

當給定虛擬接觸壓力F能使復合碟形彈簧第一層被壓縮時產生的變形量f₁達到復合碟形彈簧第一層被壓平時的最大變形量v₁，假定復合碟形彈簧前M-1層被壓縮時產生的變形量均與復合碟形彈簧第一層被壓平時的最大變形量v₁相同，復合碟形彈簧變形截止層第M層被壓縮時產生的變形量小于或者等于復合碟形彈簧第一層被壓平時的最大變形量v₁，最大變形量v₁可表示為：

v₁＝2h₀

單片碟形彈簧被壓平時的最大變形量h₀為：

h₀＝H₀-t

因復合碟形彈簧各層均由兩組兩層疊合碟形彈簧對合而成，而疊合碟形彈簧中單片碟形彈簧承受載荷是總載荷的一半，所以復合碟形彈簧第一層消耗的壓力F₁為：

復合碟形彈簧中單片碟形彈簧的彈簧剛度k為：

其中，E、μ、α分別為單片碟形彈簧的彈性模量、泊松比、計算系數，彈性模量、泊松比的具體數值與柔性體材質有關；

其中，計算系數α滿足：

其中，C表示復合碟形彈簧中的單片碟形彈簧的外徑和內徑之比：

除第一層和變形截止層第M層外，復合碟形彈簧其余各層消耗的壓力F_j為：

F_j＝2kh₀

j的取值范圍為[2,M-1]，

變形截止層第M層的變形量為：

使虛擬接觸壓力F作用于虛擬柔性體碰撞點，復合碟形彈簧第i層被壓縮，如果復合碟形彈簧前i層所消耗的壓力F_i之和小于給定虛擬接觸壓力F，且復合碟形彈簧前i層所產生壓縮變形總計需要的時延時間滿足刷新頻率1000Hz以上的要求，設共計經過時延T_i后，復合碟形彈簧第i層被壓縮到被壓平時最大變形量v₁，只有當復合碟形彈簧第i層被壓縮到被壓平時的最大變形量v₁后，復合碟形彈簧第i+1層才開始被壓縮，依此類推，直到復合碟形彈簧前M層所消耗的壓力之和不小于給定虛擬接觸壓力，或復合碟形彈簧前M層所產生壓縮變形總計需要的時延時間不滿足刷新頻率的要求；

用T_i、L_i分別表示復合碟形彈簧第i層產生壓縮變形需要的時延時間、復合碟形彈簧前i層所產生壓縮變形總計需要的時延時間，且令層間的時延時間滿足以復合碟形彈簧第一層產生壓縮變形需要的時延時間T₁為系數、以i²為變量的遞增數列為：

T_i＝i²T₁

從虛擬代理碰撞接觸到虛擬柔性體表面算起，假定復合碟形彈簧前i層所產生壓縮變形總計需要的時延時間L_i滿足L_i＜L，其中：

其中，L為設定的力觸覺再現刷新頻率的倒數；

所述虛擬柔性體表面的變形量，也即復合碟形彈簧前M層被壓縮時產生的變形量之和h為：

其中，(M-1)ν₁為復合碟形彈簧前M-1層被壓平時的最大變形量。

電源模塊為力觸覺交互設備提供18V，2.22A的電壓，顯卡HD7990、IEEE1394卡、硬盤均通過總線實現雙向傳輸，顯示設備通過VGA連接線與顯卡進行連接。

本發明的有益效果：

(1)通過計算機主機、力觸覺交互設備、電源模塊、顯示設備的設置及整合，有利于提高仿真系統智能化程度，進一步降低能耗，提高運算速度，進而降低維護成本，延長使用壽命。

(2)該仿真系統在力觸覺交互過程中，能夠將虛擬代理與柔性體之間的力觸覺信息實時穩定地反饋給操作者，利用該仿真系統可使操作者更快、更有效、無風險地掌握復雜的手術操作技巧和流程，同時利于制定合理的手術方案，滿足虛擬手術仿真系統的需要。

(3)和以往常用的基于物理意義的柔性體變形仿真力觸覺建模方法相比，該建模方法中，復合碟形彈簧各層結構相同，且各層中的單片碟形彈簧的外徑、內徑、厚度、被壓平時的最大變形量、自由高度均相同，從而簡化了計算量，加快了變形計算的速度。

(4)可將其應用于環保、教育、遠程醫療、虛擬外科手術仿真、航空航天、深空探索等領域。

附圖說明

圖1是本發明一種實施例的仿真系統結構圖；

圖2是本發明一種實施例的復合碟形彈簧虛擬模型的建模方法流程圖；

圖3是本發明一種實施例的復合碟形彈簧虛擬模型的建模方法中壓力、變形層數與時延時間關系示意圖；

圖4是復合碟形彈簧虛擬模型的建模方法示意圖，(a)是原始狀態，(b)是壓縮下的狀態。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。

一種虛擬柔性體的力觸覺反饋仿真系統，包括計算機主機、分別與計算機主機相連的顯示設備和力觸覺交互設備、用于供電的電源模塊，所述計算機主機包括硬盤和IEEE1394卡，其特征在于：所述硬盤包括位置檢測模塊、碰撞檢測模塊、力觸覺計算變形模塊、圖形刷新模塊和力觸覺信息反饋模塊，所述硬盤通過IEEE1394卡及IEEE1394連接線與力觸覺交互設備連接，用于將力觸覺計算變形模塊產生的柔性體表面的變形信息傳輸至力觸覺交互設備；

位置檢測模塊，用于檢測虛擬代理的位置；

碰撞檢測模塊，用于檢測虛擬代理與虛擬柔性體是否發生碰撞；

力觸覺計算變形模塊，用于當虛擬代理與虛擬柔性體以給定虛擬接觸壓力F發生碰撞時計算虛擬柔性體的局部區域變形量；

圖形刷新模塊，用于根據力觸覺計算變形模塊計算出的局部區域變形量，不斷反饋輸出視覺信息到顯示設備；

力觸覺信息反饋模塊，用于通過力觸覺交互設備不斷反饋輸出力觸覺信息給操作者。

所述力觸覺計算變形模塊計算當虛擬代理與虛擬柔性體以給定虛擬接觸壓力F發生碰撞時虛擬柔性體的局部區域變形量的過程為：

在給定虛擬接觸壓力F作用下，當虛擬代理碰撞到虛擬柔性體表面上的任意點時，在碰撞點處懸掛復合碟形彈簧，復合碟形彈簧各層均由兩組兩層疊合碟形彈簧對合而成，各單片碟形彈簧的外徑D、內徑d、厚度t、自由高度H₀、被壓平時的最大變形量h₀、彈簧剛度k均相同。具體為：

在碰撞點處懸掛一外徑為D、內徑為d、厚度為t、自由高度為H₀、被壓平時的最大變形量為h₀、彈簧剛度為k的單片碟形彈簧1，在單片碟形彈簧1下，疊合設置一同規格的單片碟形彈簧2，在單片碟形彈簧2下，對合設置一同規格的單片碟形彈簧3，在單片碟形彈簧3下，疊合設置一同規格的單片碟形彈簧4，單片碟形彈簧1、單片碟形彈簧2、單片碟形彈簧3和單片碟形彈簧4形成復合碟形彈簧第一層；在復合碟形彈簧第一層下，對合懸掛一同規格的單片碟形彈簧5，在單片碟形彈簧5下，疊合設置一同規格的單片碟形彈簧6，在單片碟形彈簧6下，對合設置一同規格的單片碟形彈簧7，在單片碟形彈簧7下，疊合設置一同規格的單片碟形彈簧8，單片碟形彈簧5、單片碟形彈簧6、單片碟形彈簧7和單片碟形彈簧8形成復合碟形彈簧第二層；在復合碟形彈簧第二層下，對合懸掛一同規格的單片碟形彈簧9，在單片碟形彈簧9下，疊合設置一同規格的單片碟形彈簧10，在單片碟形彈簧10下，對合設置一同規格的單片碟形彈簧11，在單片碟形彈簧11下，疊合設置一同規格的單片碟形彈簧12，單片碟形彈簧9、單片碟形彈簧10、單片碟形彈簧11和單片碟形彈簧12形成復合碟形彈簧第三層；依此類推，在復合碟形彈簧第i層下，對合懸掛一同規格的單片碟形彈簧4i+1，在單片碟形彈簧4i+1下，疊合設置一同規格的單片碟形彈簧4i+2，在單片碟形彈簧4i+2下，對合設置一同規格的單片碟形彈簧4i+3，在單片碟形彈簧4i+3下，疊合設置一同規格的單片碟形彈簧4i+4，單片碟形彈簧4i+1、單片碟形彈簧4i+2、單片碟形彈簧4i+3和單片碟形彈簧4i+4形成復合碟形彈簧第i+1層；即各層均由兩組兩層疊合碟形彈簧對合而成，其中i＝1,2,3,...,N，N為自然數，復合碟形彈簧各層中的單片碟形彈簧的外徑、內徑、厚度、自由高度、被壓平時的最大變形量、彈簧剛度均相同。

假定所述給定虛擬接觸壓力F的作用線和復合碟形彈簧中心線一致，且在虛擬接觸壓力F作用下，若柔性體中的復合碟形彈簧共有M層產生變形，則第M層稱為變形截止層；

當給定虛擬接觸壓力F能使復合碟形彈簧第一層被壓縮時產生的變形量f₁達到復合碟形彈簧第一層被壓平時的最大變形量v₁，假定復合碟形彈簧前M-1層被壓縮時產生的變形量均與復合碟形彈簧第一層被壓平時的最大變形量v₁相同，復合碟形彈簧變形截止層第M層被壓縮時產生的變形量小于或者等于復合碟形彈簧第一層被壓平時的最大變形量v₁，最大變形量v₁可表示為：

v₁＝2h₀ (1)

單片碟形彈簧被壓平時的最大變形量h₀為：

h₀＝H₀-t (2)

因復合碟形彈簧各層均由兩組兩層疊合碟形彈簧對合而成，而疊合碟形彈簧中單片碟形彈簧承受載荷是總載荷的一半，所以復合碟形彈簧第一層消耗的壓力F₁為：

復合碟形彈簧中的單片碟形彈簧的彈簧剛度k為：

其中，E、μ、α分別為單片碟形彈簧的彈性模量、泊松比、計算系數，彈性模量、泊松比的具體數值與柔性體材質有關；

其中，計算系數α滿足：

其中，C表示復合碟形彈簧中單片碟形彈簧的外徑和內徑之比：

除第一層和變形截止層第M層外，復合碟形彈簧其余各層消耗的壓力F_j為：

F_j＝2kh₀ (7)

j的取值范圍為[2,M-1]，

變形截止層第M層的變形量為：

使虛擬接觸壓力F作用于虛擬柔性體碰撞點，復合碟形彈簧第i層被壓縮，如果復合碟形彈簧前i層所消耗的壓力F_i之和小于給定虛擬接觸壓力F，且復合碟形彈簧前i層所產生壓縮變形總計需要的時延時間滿足刷新頻率1000Hz以上的要求，設共計經過時延T_i后，復合碟形彈簧第i層被壓縮到被壓平時最大變形量v₁，只有當復合碟形彈簧第i層被壓縮到被壓平時的最大變形量v₁后，復合碟形彈簧第i+1層才開始被壓縮，依此類推，直到復合碟形彈簧前M層所消耗的壓力之和不小于給定虛擬接觸壓力，或復合碟形彈簧前M層所產生壓縮變形總計需要的時延時間不滿足刷新頻率的要求；

用T_i、L_i分別表示復合碟形彈簧第i層產生壓縮變形需要的時延時間、復合碟形彈簧前i層所產生壓縮變形總計需要的時延時間，且令層間的時延時間滿足以復合碟形彈簧第一層產生壓縮變形需要的時延時間T₁為系數、以i²為變量的遞增數列為：

T_i＝i²T₁ (9)

從虛擬代理碰撞接觸到虛擬柔性體表面算起，假定復合碟形彈簧前i層所產生壓縮變形總計需要的時延時間L_i滿足L_i＜L，其中：

其中，L為設定的力觸覺再現刷新頻率的倒數；

所述虛擬柔性體表面的變形量，也即復合碟形彈簧前M層被壓縮時產生的變形量之和h為：

其中，(M-1)ν₁為復合碟形彈簧前M-1層被壓平時的最大變形量。

電源模塊為力觸覺交互設備提供18V，2.22A的電壓，顯卡HD7990、IEEE1394卡、硬盤均通過總線實現雙向傳輸，顯示設備通過VGA連接線與顯卡進行連接。

以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。