科创中国
一种虚拟仿真系统中力觉反馈的计算方法
成果类型：: 发明专利
发布时间: 2022-10-19 09:09:26
科技成果产业化落地方案
方案提交机构：天津市滨海新区| 门松 | 2022-10-28 14:07:39
本发明公开了一种在虚拟系统中力觉反馈的计算方法，其包括以下步骤：A1、建立虚拟环境，其中包括虚拟空间、虚拟对象和虚拟工具，设置虚拟工具的属性，构建由多个质点组成的、包围虚拟工具的点集模型；A2、将虚拟工具与力反馈设备进行绑定，跟踪所述虚拟工具与虚拟对象在虚拟空间中的运动状态，判断虚拟工具与虚拟对象是否发生碰撞，是则执行A3；A3、对于虚拟工具发生碰撞的各碰撞质点，分别计算其在碰撞前和碰撞后的线速度和运动速度，以及在碰撞过程中受到的冲击力；A4、计算虚拟工具的全部碰撞质点的合力以及合力矩，发送到力反馈设备。本发明充分考虑了虚拟手术器械本身的自转特性，可以应用于虚拟手术中采用的面模型或体模型。
一种在虚拟系统中力觉反馈的计算方法，其包括以下步骤：A1、建立虚拟环境，其中包括虚拟空间、虚拟对象和虚拟工具，设置所述虚拟工具的属性，构建由多个质点组成的、包围所述虚拟工具的点集模型；其中，所述属性包括质量、角速度和运动半径；A2、将所述虚拟工具与力反馈设备进行绑定，跟踪所述虚拟工具与所述虚拟对象在所述虚拟空间中的运动状态，判断所述虚拟工具与所述虚拟对象是否发生碰撞，是则执行A3；A3、对于所述虚拟工具发生碰撞的各碰撞质点，分别计算其在碰撞前和碰撞后的线速度和运动速度，以及将该碰撞质点在碰撞前的线速度和运动速度、及其在碰撞后的线速度和运动速度，合成为该碰撞质点在切平面上的速度、以及垂直于切平面的速度，根据动量定理和库仑定律计算质点在碰撞过程中所受到的冲击力；A4、计算所述虚拟工具的全部碰撞质点的合力以及合力矩，发送到所述力反馈设备。
虚拟仿真技术已经得到了广泛的应用，尤其是在医学领域的应用。例如，虚拟手术 是专门用来模拟在手术过程中可能遇到的各种现象的虚拟现实仿真应用系统。通过虚拟手 术可以使操纵者沉浸于虚拟的手术场景内，通过操纵虚拟手术器械体验和学习如何进行各 种手术。 一方面它能够帮助实习医生学习、掌握人体的解剖结构，进行手术训练，并培养应 付各种突发情况的能力；另一方面还可以让外科医生针对一个真实的病患进行术前规划、 术中模拟、和术后效果预测，使得外科手术更加安全、可靠和精确。
中国科学院深圳先进技术研究院提升了粤港地区及我国先进制造业和现代服务业的自主创新能力，推动我国自主知识产权新工业的建立，成为国际一流的工业研究院。 深圳先进院目前已初步构建了以科研为主的集科研、教育、产业、资本为一体的微型协同创新生态系统，由九个研究平台，国科大深圳先进技术学院，多个特色产业育成基地、多支产业发展基金、多个具有独立法人资质的新型专业科研机构等组成。开展先进技术研究，促进科技发展。信息、电子、通讯技术研究新材料、新能源技术研究高性能计算、自动化、精密机械研究生物医学与医疗仪器研究相关学历教育、博士后培养与学术交流。
跟踪手术器械在虚拟空间中的移动。将虚拟手术器械模型和力反馈设备 绑定，即在虚拟空间中由虚拟手术器械的位置和方向代表了力反馈设备的机械臂所在的位 置和方向。跟踪虚拟手术器械在虚拟空间中的移动，包括位置、旋转角度和运动速度。 碰撞检测。跟踪虚拟手术器械和物体在虚拟空间中的移动，实时检测二者 之间是否有碰撞发生，如果发生碰撞，依次检测出虚拟手术器械上所有与物体模型发生碰 撞的点，并调用以下力觉计算模块。
技术合作
本技术方案设计的力模型计算出的力的分布 主要受到具钻深入深度和高速自转角速度的影响，尤其对骨钻上碰撞点的线速度在磨削骨 骼时受到的摩擦力得到了很好的线性拟合。在实际的手术中，工具的高速自转，是巨大的作 用力产生的一个最主要因素，从而才会导致骨质去除。因此工具的自转速度是影响到工具 所受摩擦力的一个最关键的因素之一，采用本发明，可以真实地再现骨骼磨削术中力反馈。 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
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