基于力反馈的虚拟手术器械的设计与研究

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1、上海交通大学硕士学位论文摘要基于力反馈的虚拟手术器械的设计与研究摘要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。

2、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I上海交通大学硕士学位论文摘要置；设计了软件系统的整体架构，并编程实现了电机的控制驱

3、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。关键字：虚拟现实，虚拟手术，力反馈，力觉交互II上海交通大学硕士学位论文摘要THERESEARCHANDDEVELOPMENTOFVIRTUALSURGERYDEVICEWITHFORCEF

4、EEDBACKABSTRACTVirtualsurgeryisoneofthemostimportantapplicationsofvirtualrealitytechnologyinthemedicinefield.TheMan-machineHapticInteractionTechnologyplaysakeyroleinVirtualSurgerySystem(VSS).VirtualsurgeryinstrumentisanimportantcomponentofVSS,bywhichDoctorcanenterinthevirtualen

5、vironment,operateonthevirtualorgans,soastoplannewsurgeries,dooperationsandtraining.Withtheforcefeedback,virtualsurgeryinstrumentmakesthetrainingmorerealandeffective,thatnotonlycutsdowntheexpenseandthetimeoftrainingaqualifiedsurgeon,butalsoreducesthechanceofsurgeryventure.Inthis

6、paper,theman-machinehapticinteractiontechnologyofVSSispresentedindetailsincludingtheworkingprincipleandrealizationmethodofvirtualsurgeryinstruments.Avirualsurgeryinstrumentusuallyconsistsoftwofunctionalparts:mechnicalstructureandsoftware.TheformerbuildsuptheframeofvirualIII上海交通

7、大学硕士学位论文摘要surgeryststem;thelatteristhe“soul”ofthewholesystem.Inthispaper,amethodofmechanicaldesignandcontrolarchitecturearepresentedwithPC-basedhighperformancecontrollerhardware.Somekeypointsinhapticdevicedesignastheselectionofmotorsandthecontrolprogramwithvisualinterfaceareals

8、opresentedindetailswiththeresultofexperiment.Thebasici