基于力反馈的虚拟手术器械的设计与研究

虚拟外科手术是虚拟现实技术在医学领域中的重要应用,医生通过专门的虚拟手术装置与虚拟显示环境交互,可以进行手术计划、操作和训练。虚拟手术系统中,人机接触交互技术起着非常重要的作用。虚拟手术器械是虚拟手术系统的人机接触交互接口,是其重要组成部分。虚拟手术的力反馈,可以使医生通过操作虚拟手术器械运动,与虚拟环境和虚拟模型进行交互,获得与虚拟对象交互产生的力觉,如同操作真实物体一样,这无疑可以使训练更真实、准确、可靠。大大节约医务人员的培训成本和时间,从而达到迅速提高学习者的手术技能的目的。 本文深入研究了虚拟外科手术中的力觉交互技术,对虚拟手术器械的力反馈工作原理和关键技术,进行了探讨和研究。 虚拟手术器械的设计包括硬件设计和软件设计2大部分。硬件设计主要指装置外部结构的设计,“搭建”起虚拟外科手术系统,软件设计完成最终的功能集成,它决定了硬件所提供的环境内所能完成的各种事件。 本文对虚拟手术装置的整体结构进行了研究;设计了一种二维虚拟力反馈手术器械的结构;研究了虚拟手术器械的力反馈技术,选取了力反馈执行元件,对控制驱动装置功能进行了设计,并选择了控制驱动装置;设计了软件系统的整体架构,并编程实现了电机的控制驱动程序和用户界面,与虚拟现实软件平台WTK进行了程序连接。 在一维力反馈实验装置上进行了实验研究,完成了3个基本的力反馈模型实验。从理论和实验角度详细分析了力反馈装置设计的合理性及实用性。对5维力反馈装置进行了初步的系统实验,验证了力反馈接口的有效性。 另外对力检测装置进行了设计,包括力传感器的选择,力检测装置的制作,编写了力检测装置驱动程序,并进行了分析和实验研究。