虚拟手术仿真系统碰撞检测及其形变的研究

设计了一套用于外科医生手术仿真训练的具有实时力反馈的虚拟手术仿真系统.阐述了反馈设备通过带有力/位置传感器的单自由度的机械手和电机控制电路实现实时模拟手术仿真的位置采集和力反馈功能.通过碰撞检测、非线性力反馈计算和软组织形变计算等算法实现逼真的视觉反馈功能.仿真实验表明该系统提供了实时的视觉反馈,具有很强的真实感.     

基于压力采集和FEM模型的软组织参数测量方法

提出基于压力采集和FEM模型的软组织参数测量方法,搭建基于光学运动跟踪系统和压力采集模块的软组织参数测量平台,对软组织形变过程三维重建,通过带压力传感器的ARM采集板获取压力值,采用BP神经网络对传感器进行精度校正.基于软组织形变集合构建四面体有限元模型计算软组织的初始参数弹性模量与泊松比,并提出一种参数参照模型对初始参数进行修正,通过实验验证参数的准确性.实验结果表明,用所述方法求得的软组织参数计算的软组织形变与真实测量所得软组织形变的平均相对误差为1.03%~1.60%,符合实际工程应用对软组织形变的精度要求.     

基于快速质点-弹簧的软组织穿刺实时仿真方法的研究

软组织穿刺实时仿真一直是计算机图形学研究的重点,本文提出一种基于快速质点弹簧方法的软组织穿刺实时仿真方法。通过质点弹簧系统建立软组织物理模型,通过分析动力学模型快速求解软组织穿刺形变的数值解。在针体和软组织碰撞的碰撞过程使用包围盒碰撞算法,并且在软组织形变过程中加入阻尼和软组织褶皱算法以提高真实感。仿真结果保留了较好的细节效果,实时性可以接受,验证了该方法的有效性。     

基于ABAQUS的柔性针穿刺软组织耦合过程仿真

为了研究介入穿刺手术中针与组织的耦合过程和穿刺对组织形变的影响,通过分析穿刺过程中针杆上力的分布建立了一种柔性针的悬臂梁预测模型,并基于针与组织间的相互作用关系提出了有限元耦合模型的分析方法,结合针的预测模型以及耦合模型在ABAQUS软件中进行了穿刺仿真,对比仿真与实验中组织内设定标志的位移数据,分析穿刺过程对组织形变的影响。结果表明:穿刺过程对组织的形变影响主要是轴向的,针的预测模型结合有限元分析方法在仿真穿刺耦合过程的可行性也通过了验证。该研究结果可以给未来机器人辅助穿刺提供理论参考,也为实际手术提供数据支撑。     

基于回归模型的遥操作工程机器人力反馈控制

为了准确提取负载力,提出一种基于空载驱动力多元非线性回归模型的遥操作工程机器人力反馈控制方法。首先利用机器人空载运行时测得的运动参数数据,建立空载驱动力多元非线性回归模型,然后依此模型在线辨识出空载驱动力以间接提取负载力。通过与常规的力反馈控制方法比较证明,该方法简单有效,可使力反馈相对准确度提高76%,并可提高力反馈的同步程度,对改善遥操作工程机器人的力反馈控制特性有借鉴作用。     

穿刺软组织中针的受力形变仿真和偏差分析

为了提高机器人辅助针穿刺软组织的精度,减小穿刺误差,建立了柔性穿刺针的弹性梁物理模型,提出一种穿刺针受力分析的算法,并通过理论计算和 对模型进行仿真分析,得到了穿刺针元素结点的挠度和偏转角度,并验证了一致性和算法的正确性;通过对针尖施加不同大小的集中载荷进行仿真,仿真结果表明线弹刚性针的形变与施加在同一结点力的大小成线性关系。文中并就穿刺针的穿刺偏差原因,偏差模型进行相应的分析和介绍。     

软组织形变模型的自适应网格细分算法

软组织形变效果的真实性和实时性是评价虚拟手术训练系统优劣的2个重要因素.软组织的三角网格模型作为形变算法的基础,直接影响着形变的整体效果.为提高软组织形变仿真的真实性和实时性,提出了软组织三角网格自适应细分算法,可以针对模型指定区域进行细分处理,避免了为提高形变真实性而无选择性地加密所有三角网模型的弊端,大大减少形变计算的数据量,进而提高形变仿真的速度.同时为达到更好的形变效果,对模型表面进行平滑处理,消除"棱角"现象.仿真实验表明,本文的算法不仅大大提高了软组织形变仿真的速度,而且对形变效果也有很好的提升.     

针穿刺软组织实验与穿刺力力学建模

通过针穿刺软组织实验,得出针穿刺软组织过程中穿刺力随位移变化的数据。在分析穿刺力与位移之间关系的基础上,选取非线性弹簧模型和二阶多项式模型对穿刺力进行最小二乘法拟合,得到穿刺力的力学模型。     

丝传动3-S■R并联机构运动学分析与力反馈控制

并联机构刚性高且动态性能好,用于开发力反馈设备时,在力觉刚性以及位姿分辨率方面优势明显.学界与业界多基于Delta机构开发高性能并联力反馈设备,本文采用3-S■R并联机构设计和开发出一种新型力反馈设备.采用丝传动方式并基于差动原理,提出了一种新型直线动单元作为3-S■R并联力反馈机构驱动副,有效提升了力反馈设备的位姿分辨率与力觉刚性.并联机构的位置正解效率直接影响操控力反馈设备的实时性,本文以动平台中心和球铰链中心距为中间变量,构造出量纲统一的迭代矩阵,实现了该机构位置正解模型的高效求解.相较于传统位置正解的数值方法,求解效率提升近一个数量级,大幅提升了该力反馈机构的位姿反馈实时性.在运动学模型的基础上,基于虚功原理建立了力反馈机构的力映射模型,提出一种含机构重力补偿的反馈力计算方法.基于上述方法开发算法并设计出控制系统,实现了力反馈机构的位姿实时监控及反馈力控制.通过重力补偿实验,验证了上述方法及其控制系统的有效性.     

一种自适应的机器人曲面切削力控制算法

为提高机器人复杂曲面的切削加工质量,对机器人切削状态进行分析,提出了一种自适应的曲面切削力控制方法.首先探讨了机器人刚度和进给速度对切削质量的影响,建立了冲击和稳态切削状态的动力学模型;然后根据切削形变与进给速度的关系,建立了基于模糊PID的力控制模型;最后通过传感器的力反馈计算出切削形变,实时调整进给速度实现切削质量控制.将文中方法与曲面切削开环控制和PID控制方法进行对比,结果显示,与开环控制和PID控制对比,基于模糊PID的曲面切削力控制方法能有效减小切削过程中刚冲击力幅度和稳定切削的力波动,实现有效的曲面切削力控制.     

Virtual brain surgery simulation system based on haptic interaction

To improve the accuracy and interactivity of soft tissue deformation simulation,a new plate spring model based on physics is proposed.The model is parameterized and thus can be adapted to simulate different organs.Different soft tissues are modeled by changing the width,number of pieces,thickness,and length of a single plate spring.In this paper,the structural design,calculation of soft tissue deformation and real-time feedback operations of our system are also introduced.To evaluate the feasibility of the system and validate the model,an experimental system of haptic interaction,in which users can use virtual hands to pull virtual brain tissues,is built using PHANTOM OMNI devices.Experimental results show that the proposed system is stable,accurate and promising for modeling instantaneous soft tissue deformation.     

Force modeling for needle insertion into soft tissue based on mechanical properties and geometric parameters

The force model during needle insertion into soft tissue is important for accurate percutaneous intervention.In this paper,a force model for needle insertion into a tissue-equivalent material is presented and a series of experiments are conducted to acquire data from needle soft-tissue interaction process.In order to build a more accurate insertion force model,the interaction force between a surgical needle and soft tissue is divided into three parts：stiffness force,friction force,and cutting force.The stiffness force is modeled on the basis of contact mechanics model.The friction force model is presented using a modified Winkler＇s foundation model.The cutting force is viewed as a constant depending on a given tissue.The proposed models in the paper are established on the basis of the mechanical properties and geometric parameters of the needle and soft tissue.The experimental results illustrate that the force models are capable of predicting the needle-tissue interaction force.The force models of needle insertion can provide real-time haptic feedback for robot-assisted procedures,thereby improving the accuracy and safety of surgery.     

The torsion model of soft tissue in virtual surgery

In order to solve the problem of real-time soft tissue torsion simulation in virtual surgeries,a torsion model based on coil spring is proposed to actualize real-time interactions and applications in virtual surgeries. The proposed model is composed of several connected coil springs in series. The sum of torsion deformation on every coil is equivalent to the soft tissue surface deformation. The calculation of the model is simple because the method for calculating the torsion deformation for each coil spring is the same. The virtual surgery simulation system is established on PHANTOM OMNI haptic device based on the Open GL 3 D graphic interface and VC + + software,and it is used to simulate the torsion deformation of virtual legs and arms. Experimental results show that the proposed model can effectively simulate the torsion deformation of soft tissue while being of real-time performance and simplicity,which can well meet requirements of virtual operation simulations.     

支持力/触觉反馈的虚拟肝脏手术仿真系统

为提高支持力/触觉反馈的虚拟肝脏手术仿真系统的精度和实时性,提出了一种基于物理意义的平行菱形链连接变形模型.该模型中由于各个链结构单元中菱形的长度等比例变化,计算量小,改变链结构单元中菱形的长度和夹角就可方便地对不同的柔性体进行建模.同时还讨论了系统的结构设计、柔性体形变计算、快速碰撞检测和实时力/触觉反馈操作等.基于6-DOF Delta手控器建立试验平台,并结合力/触觉反馈计算实现了虚拟肝脏手术的拉拽、按压等变形仿真.实验结果表明,该系统力/触觉感觉平稳、模拟效果逼真,能够满足虚拟现实系统对精细作业和实时性的要求.建立简单逼真的物理变形模型和精确快速的碰撞检测算法,有助于提高虚拟肝脏手术仿真系统的性能.     

基于多体理论的虚拟血管缝合分析

针对传统主从式医疗机器人在客观爷件限制的情况下很难实现主从手之间的实时力反馈的问题，提出了通过虚拟现实技术实现虚拟力反馈以替代真实力反馈的方法．以“妙手”系统为研究对象，在建立显微外科手术血管缝合过程中缝合线力学模型的基础上，根据多体系统动力学理论，对由人、互感装置和虚拟环境组成的广义多体系统进行了动力学分析，由凯恩方程建立了该系统的动力学方程．通过主手的仿真数据与从手缝合过程检测数据对比分析可知，主手和从手有相同的运动特性、证明借助虚拟环境的力反馈作用，操作者通过主手可以真实地感受到从手的运动特性．     

新型倒T式防波堤结构长期变形特性预测方法研究

新型倒T式防波堤结构是可供深水环境软土地基选用的一种新型港工结构型式。深水环境中结构所受波浪力、水流力等长期荷载作用显著,但其长期变形特性尚不清楚。为探讨该类结构长期变形特性,本文基于波浪等循环荷载长期作用下软粘土变形与循环次数之间相互关系同静荷载作用下土体蠕变与时间之间相互关系相似的特性,借鉴蠕变理论,采用幂指数函数拟合饱和软粘土循环三轴试验结果,结果显示二者吻合较好,说明基于蠕变理论采用幂指数函数预测饱和软粘土长期变形的方法是可行的。进一步,利用ABAQUS二次开发平台Creep子程序实现了这一方法的有限元计算手段,建立了预测饱和软粘土长期变形的有限元实用简化计算方法,最后,采用该方法探讨了新型倒T式防波堤结构的长期变形特性。     

常规桥梁搭板内力计算方法在SIAB中的适用性

探讨了常规有缝桥梁搭板内力计算方法在半整体式桥台桥梁(SIAB)中的适用性.首先,介绍常规有缝桥梁搭板的内力计算方法,根据SIAB的构造特点,分析搭板近台端受到结构温变变形和收缩徐变引起的水平力、弯矩和剪力的影响;然后,建立SIAB搭板的有限元法(FEM)模型,并分析这些内力对SIAB搭板内力计算的影响程度.分析结果表明:剪力、弯矩的影响很小,可以忽略不计,但水平力的影响很大,搭板在进行内力计算时需加以考虑.最后,提出了简支梁修正法,并与既有有缝桥梁搭板内力计算方法做了对比.结果表明:有缝桥梁搭板内力计算方法不适用于SIAB搭板内力计算的结论.