华南理工大学学报(自然科学版)

作者：王清辉, 方道鑫, 池梓鹏, 倪建龙, 谢海龙, 李静蓉, 李春海

单位：1.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 5106402.人工智能与数字经济广东省实验室（广州），广东 广州 5103353.华南理工大学 设计学院，广东 广州 5100064.中山大学 孙逸仙纪念医院骨外科，广东 广州 510120

关键词：虚拟手术,力反馈,力觉交互,Tri-dexel模型,切削力

基金：国家重点研发计划项目(2022YFB4500600);广东省自然科学基金项目(2022A1515010100);广东省自然科学基金项目(2024A1515010140)

实时的视觉和精细的力觉融合交互算法是实现虚拟手术训练中精准“手感”的关键。为减少存储空间，提高计算效率，精确计算骨铣削过程中的切削力，平衡视觉和力觉融合的交互效果，该文提出了一种基于Tri-dexel模型的视觉与力觉融合交互算法。首先，采用Tri-dexel模型表示骨与医用铣刀，通过布尔运算、快速表面重建及渲染算法实现虚拟骨铣削操作过程中的实时几何变形计算；接着，结合医用铣刀的几何参数，提出基于微元切削力的骨铣削力觉交互模型，利用骨与医用铣刀Tri-Dexel模型之间布尔运算的结果，快速精确求解瞬时未变形切屑厚度；然后，通过槽切实验完成对切削力系数的辨识，并对该力觉模型进行验证分析，实现虚拟骨铣削操作过程中的力觉渲染；最后，基于上述算法搭建骨科虚拟手术训练系统，通过实验对视觉与力觉融合交互算法进行测试与评估。结果表明：力觉模型的预测结果与实验测量结果吻合较好，力的平均相对误差在7%以下；该算法能够同时满足30 Hz的视觉刷新频率以及1 kHz的力觉刷新频率要求；所搭建的骨科虚拟手术训练系统能够为用户提供高沉浸感的虚拟骨铣削操作训练，可有效提高用户的手眼协调能力。

来源：2025年第9期

《华南理工大学学报(自然科学版)》期刊编辑部

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