本发明涉及一种医生术前培训的混合现实模拟系统，特别涉及一种用于颞骨手术术前培训的混合现实模拟系统。
背景技术：
颞骨是人体最复杂的解剖部位之一。它非常接近大脑的外表面，保护和包围几个重要的软组织，如动脉，静脉和面神经。当移除肿瘤和囊肿、修复骨折、恢复听力、校正平衡失调和防止感染等需要对颞骨进行手术操作。医生在进入临床之前，需要进行很好的培训，否则存在可导致永久畸形、听力丧失和潜在死亡等危险。
尸体是传统颞骨外科手术培训的主要教学工具。然而这种方法受尸体数量、成本和疾病传播风险等限制。较新颖的教学方法是使用模拟器，目前主要有物理模型、虚拟现实模拟器和具有力反馈的虚拟现实模拟器用于颞骨手术培训。(1)物理模型：此类模型接近尸体条件，主要用于实际培训。这些模型主要是快速原型模型和塑料模型。如″小矮星彼得塑料颞骨″，被广泛视为尸体培训的替代品。然而此类培训问题之一就是模型不能重复使用，仅仅使用一次且价格较昂贵，不具有成本效益。(2)虚拟现实模拟器：此类模拟器由传统的人机交互接口键盘和鼠标等组成。它们提供模拟物理条件图形解释，然而这种类型的模拟器的主要问题是无法提供真实的振动和接触力。(3)具有力反馈的虚拟现实模拟器：这种类型的模拟器具有虚拟现实模拟器，同时具有接触力反馈的能力。实习医生通过图形界面的虚拟环境进行模拟手术时，此功能使实习医生具有接触力感知能力，但它们不能提供钻过程中的振动感，大大降低了训练效果。因此获取钻过程中的振动感，医生真实的现场临床感对于医生培训操作的效果具有重要意义。
本发明提供一种用于颞骨手术术前培训的混合现实模拟系统，包括现实部分、虚拟部分和系统控制部分。该混合现实模拟系统能够提供真实振动感和接触力感知，为实习医生临床培训提供一种教学工具，研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于颞骨手术术前培训的混合现实模拟系统，具有真实振动感和接触力感知能力，包括能够提供3个位置自由度和2个姿态自由度且能够自身重力补偿的触感装置，结合虚拟环境下的软组织力反馈和实际物理模型实现与真实手术相同的手术情景。
为了达到上述功能目的，本发明所采用的技术方案是：
一种用于颞骨手术术前培训的混合现实模拟系统，它包括：现实部分、虚拟部分和系统控制部分。
所述现实部分包括现实模型骨结构层和触感装置，所述触感装置包括底座、平行四杆机构、大臂机构、小臂机构、手腕机构和操作杆。所述现实模型骨结构层部分是3d打印的简易物理模型，相当于颞骨结构层，为所述操作杆提供一个操作对象。所述平行四杆机构平放，自身保证重力平衡，一端与底座相连，一端与大臂机构相连，大臂机构、小臂机构与手腕机构本身的重力会对人手的力感觉产生影响，故需要对其进行重力补偿，但由于大臂机构、小臂机构与手腕机构本身的重量较轻，采用驱动电机对其进行重力补偿，因而实现了整个触感装置完全重力平衡，所述操作杆为医生手持医疗器械，其中安装有手术钻，操作杆与现实模型骨结构层接触，使医生具有真实振动感和手术临场感。
所述虚拟部分通过扫描颞骨模型并将真实的颞骨各组织、肌肉和软骨等数据导入到unity3d仿真软件中构建虚拟的颞骨模型，并通过显示器显示出来，从视觉上增加手术临场感；采用
所述系统控制部分包括galil多轴运动控制卡、驱动器和计算机。galil多轴运动控制卡通过驱动器控制电机扭矩产生力反馈，结合现实模型部分和虚拟部分实现整个混合现实模拟系统的功能，用d-h方法对所述触感装置进行正逆运动学计算，建立触感装置的雅各比矩阵，为虚拟环境下的手术钻运动提供位/姿数据；应用拉格朗日方程建立计及摩擦力和重力的触感装置动力学模型，并结合实际情况，对动力学模型进行简化处理，主要对重力项和摩擦力项进行分析，对触感装置重力和摩擦力进行补偿控制；采用比例+速度控制器进行运动控制，通过叠加虚拟软组织的接触力和实际的振动力来实现触感装置部分产生手术过程中接触力感知和振动感，达到理想颞骨手术培训的目的。控制系统检测现实环境中触感装置的位/姿，结合虚拟环境数据进行碰撞检测，输出软组织的力和力矩，再加上触感装置重力、摩擦力补偿的力和力矩经过处理转换得到期望力和力矩输出到触感装置中。
本发明具有如下优点：
1.本发明现实部分触感装置为五个自由度，结合现实模型骨结构层，具有真实的振动感，且运动灵活，可以更好地完成复杂的动作，产生更加真实的手术临场感。
2.本发明应用拉格朗日方程建立计及摩擦与重力的触感装置动力学模型，主要对触感装置重力项和摩擦力项进行分析，采用电机控制实现对触感装置重力和摩擦力补偿控制，使得握持操作杆时，基本没有其他力的束缚，手感更加真实。
3.本发明采用unity3d仿真软件构建虚拟的颞骨模型，并通过显示器显示出来，通过结合软组织力学模型和现实模型骨结构层获得真实接触力感知和振动感，从视觉和触觉上实现与真实手术相同的手术情景，更好实现医生颞骨手术术前培训。
4.本发明采用了闭环控制策略，高效的实现了混合现实模拟器的控制系统，在控制的实时性和高精度等方面具备较高水平。
5.本发明只需安装在稳定的平面上，固定方便，本体结构占用空间小，做到了易安装和小型化。
6.本发明能够提供真实振动感和接触力感知，为实习医生术前培训提供一种教学工具，降低了实习医生的培训成本。
附图说明
图1为本发明的混合现实模拟系统实验平台；
图2为本发明的混合现实模拟系统现实部分结构图；
图3为本发明的混合现实模拟系统实验控制原理图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步地阐述。
混合现实模拟系统实验平台如图1所示。该系统主要由现实部分、虚拟部分和系统控制部分。所述现实部分由触感装置、现实模型骨结构层组成。所述触感装置的关节自由度主要由电机、编码器和电位器组成。所述控制系统部分主要由电机驱动器、galil多轴运动控制卡和计算机组成。所述虚拟部分主要由计算机及显示器组成。
本发明的混合现实模拟系统现实部分结构图如图2所示。所述触感装置包括底座、平行四杆机构、大臂机构、小臂机构、手腕机构和操作杆。所述平行四杆机构平放，自身保证重力平衡，一端与底座相连，一端与大臂机构相连，大臂机构、小臂机构与手腕机构本身的重力会对人手的力感觉产生影响，故需要对其进行重力补偿，但由于大臂机构、小臂机构与手腕机构本身的重量较轻，采用驱动电机对其进行重力补偿，因而实现了整个触感装置完全重力平衡，所述操作杆为医生手持医疗器械，其中安装有手术钻。
混合现实模拟系统实验控制原理如图3所示。现实部分触感装置是整个混合现实模拟系统的输入和输出，其中操作杆与现实模型骨结构层接触，使医生具有真实振动感和手术临场感。采集触感装置位/姿，通过触感装置运动学计算出手术钻的位/姿，将其输入到虚拟环境中，在虚拟环境中，通过建立的软组织力学模型，计算出所接触位置的软组织力和力矩信息，通过转换计算得出需要模拟真实软组织的每个关节输出力和力矩，所述触感装置运动学采用d-h法建立，所述虚拟环境中颞骨模型采用unity3d仿真软件构建，所述软组织力学模型采用