虚拟手术力反馈人机交互控制系统研究

论文摘要

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。

论文目录

• 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