一种变阻抗和基于事件的触觉反馈控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种变阻抗和基于事件的触觉反馈控制方法。所述方法包括：建立力反馈设备的动力学模型，并基于所述动力学模型计算得到所述力反馈设备的补偿力/力矩Fc；根据仿真实验中作用双方的实时交互状态，实时调整从作用方的生物力学特性，由此计算主作用方与虚拟环境的交互力FVE；基于仿真实验中的事件信号确定力反馈设备的振动反馈力Fv；基于所述动力学模型，采用变阻抗和基于事件的控制方法对力反馈设备的触觉力输出进行实时控制。本发明实现了力反馈设备在仿真实验中的触感再现，有效地提高了仿真实验中力反馈设备触感的逼真度、透明度，增强了仿真实验的沉浸感。
【专利说明】
-种变阻抗和基于事件的触觉反馈控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及触力觉交互技术、虚拟现实技术、机器人控制技术等领域，尤其是一种 手术仿真中变阻抗和基于事件的触觉反馈控制方法。
【背景技术】
[0002] 利用虚拟现实技术对从业人员的专业技能进行培训已经取得了良好的效果，一个 非常成功的例子就是使用飞行模拟器对飞行员进行培训。随着计算机和虚拟现实技术的发 展，手术仿真逐渐成为医生术前演练W及技能训练的新方式。传统的手术仿真技术主要提 供给用户视觉反馈，用户只能看到手术器械和生理组织的交互，却不能触摸和感觉。因此， 传统虚拟交互操作与真实的手术操作相差很大，特别是医生无法根据自己的手感经验来做 出判断和决策，仿真的效果不能令人满意。虽然目前国外已经有商业化的力反馈设备投入 市场，但是由于手术难度大、手术器械复杂多样等原因，虚拟手术触力觉交互技术仍然面临 挑战。
[0003] 目前的手术仿真技术，主要应用于术前的规划和演练W及切割和缝合技能的训 练。相对来说，依赖手感经验的技能训练还较少。比如神经外科手术中常见的磨削钻，医生 需要使用磨削钻磨掉手术入路的骨质结构，才能对病变结构做处理。特别是医生需要根据 自己积累的手感经验对骨层的厚度做出判断，W调整自己的作用力大小。然而，由于磨削钻 速度高，非常容易对病人造成伤害，年轻医生掌握该技能需要较长时间地学习与积累。
[0004] 对于已有商业化的力反馈设备，往往是多用途的，设备操作手柄与手术器械相差 甚远。除了设备结构需要做修改W适应手术需求外，通用型力反馈设备只能反馈相互间的 作用力，并不能再现磨削钻真正的"手感"。特别是骨质结构磨削后交互力的变化无法真实 的反馈到操作端，医生自然也无法根据相应的反馈力做出判断和决策。
[0005] 针对传统力反馈控制方法的不足，本发明基于模型补偿的开环阻抗控制方法，对 手术仿真中的电钻采用变阻抗和基于事件的触觉反馈控制方法，实现力反馈设备在手术仿 真中的触感再现。
【发明内容】
[0006] 本发明结合基于模型补偿的开环阻抗控制算法，针对手术仿真中的虚拟电钻，提 出变阻抗和基于事件的触觉反馈控制方法，实现了力反馈设备在手术仿真中的触感再现。
[0007] 所述变阻抗和基于事件的触觉反馈控制方法包括W下步骤：
[000引步骤S1:建立力反馈设备的动力学模型，并基于所述动力学模型计算得到所述力 反馈设备的补偿力/力矩Fc;
[0009] 步骤S2:根据仿真实验中作用双方的实时交互状态，实时调整从作用方的生物力 学特性，由此计算主作用方与虚拟环境的交互力Fve;
[0010] 步骤S3:基于仿真实验中的事件信号确定力反馈设备的振动反馈力Fv;
[0011] 步骤S4:基于所述动力学模型，采用变阻抗和基于事件的控制方法对力反馈设备 的触觉力输出进行实时控制。
[0012] 实验证明，本发明所述的控制方法具有很强的实用价值，能够有效的对力反馈设 备的输出力进行控制。与通用的阻抗控制方法相比，所述的控制方法通过调节手术仿真等 仿真实验环境下的阻抗使得触感更加真实，同时，能够响应外部事件信号并产生相应的触 觉反馈。另外，所述的控制方法计算量非常小，不会对复杂虚拟环境下的力擅染算法造成影 响，控制的实时性可W得到保证。
【附图说明】
[0013] 图1是根据本发明一实施例的变阻抗和基于事件的触觉反馈控制方法的原理框 图；
[0014] 图2是根据本发明一实施例的触发振动反馈的事件流程图。
【具体实施方式】
[0015] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，W下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0016] 本发明提出了一种变阻抗和基于事件的触觉反馈控制方法。该方法首先建立力反 馈设备的动力学模型，由此计算力反馈设备的补偿力/力矩;之后根据手术仿真中磨削钻与 骨质结构的实时交互状态，调整该骨质结构的生物力学特性，即阻抗函数的刚度和阻尼，由 此计算虚拟环境中的交互力;最后根据手术仿真中相应的事件信号，确定振动幅值和频率， 根据振动方程计算振动反馈力，在上述控制方法的基础上，对力反馈设备的输出力进行实 时控制。
[0017] 图1是根据本发明一实施例的变阻抗和基于事件的触觉反馈控制方法的原理框 图，如图1所示，所述触觉反馈控制方法包括W下步骤：
[0018] 步骤S1:建立力反馈设备的动力学模型，并基于所述动力学模型计算得到所述力 反馈设备的补偿力/力矩Fc;
[0019] 所述步骤S1进一步包含W下步骤：
[0020] 步骤S11:采用拉格朗日力学或者系统辨识的方法，建立力反馈设备的动力学方 程，如下所示：
[0021] T Μ(0)0 + €{0,β)β + 0{β),
[0022] 其中，τ表示广义的力/力矩，θ表示广义的关节变量，Μ(θ)表示机构的惯性矩阵，备 表示关节变量的加速度，(:'(凤與表示机构阻尼，谷表示关节变量的速度，G(0)表示重力项。
[0023] 由此得到力反馈设备的阻抗模型，即动力学模型，如下所示：
[0024] Zm = mmS^+bmS,
[002引其中，Zm表示力反馈设备的阻抗，S表示复数域的拉普拉斯变量，mm、bm分别为力反 馈设备阻抗模型的惯性参数和阻尼参数。
[0026] 步骤S12:基于力反馈设备的状态输出X和动力学模型计算得到所述力反馈设备的 补偿力/力矩Fc。
[0027] 其中，补偿力/力矩Fc表示为：
[002引 Fc = ZmX。
[0029] 该步骤中，利用实时计算的动态补偿力/力矩F。来补偿力反馈设备本身的阻抗，从 而使虚拟环境擅染的阻抗(期望输出的阻抗)与力反馈设备实际输出的阻抗尽可能的一致， 保证了力反馈的真实和透明。
[0030] 步骤S2:根据仿真实验中作用双方的实时交互状态，实时调整从作用方的生物力 学特性，由此计算主作用方与虚拟环境的交互力Fve;
[0031] 在本发明一实施例中，使用阻抗参数来描述从作用方的生物力学特性，且该阻抗 参数是实时可变的。本实施例W手术仿真中作用双方磨削钻与骨质结构为例对所述步骤S2 进行说明，该实施例中，磨削钻为主作用方，骨质结构为从作用方，在步骤S2中，根据手术仿 真中磨削钻与骨质结构的实时交互状态（即当前骨密度和骨厚度），实时调整骨质结构的生 物力学特性，即其阻抗函数的刚度和阻尼，由此计算磨削钻与虚拟环境的交互力Fve，其中， 所述骨质结构的可变阻抗ZVE表示为：
[0032] ZvE = kvE+bvES,
[003引其中，kvE、bvE分别为骨质结构的刚度系数和阻尼系数。
[0034] 所述磨削钻与虚拟环境的交互力Fve表示如下：
[0035] Fve = ZveX,
[0036] 其中，X表示基于力反馈设备的状态输出。
[0037] -般而言，骨质结构的刚度系数和阻尼系数随着骨密度，骨厚度的变化而变化，其 变化函数可W通过实验测定或者经验估计。已有的通用力反馈控制方法只给虚拟物体固定 不变的刚度和阻尼，使得操作者很难辨别骨质结构和判断骨的厚度，因为它们的"手感"是 始终不变的。本发明变阻抗的控制方法可W实时调整骨质结构的生物力学特性，能够对不 同状态下的骨质结构擅染不同的阻抗特性，从而能够有效地增强操作者的"手感"。
[0038] 步骤S3:基于仿真实验中的事件信号确定力反馈设备的振动反馈力Fv;
[0039] 本实施例依然W手术仿真中作用双方磨削钻与骨质结构为例对所述步骤S3进行 说明，该实施例中，即为基于手术仿真中的事件信号确定力反馈设备的振动反馈力Fv。
[0040] 具体地，本发明采用变幅、变频的正弦信号模拟磨削钻的振动反馈力信号，该振动 反馈力信号由钻头转速V和钻头与骨质结构之间的交互力Fve(即与虚拟环境的交互力）决 定。所述振动反馈力信号表示如下：
[0041 ] Fv=A(v，FvE)sin(2时（v'FveH)，
[0042] 其中，Fv为磨削钻的振动反馈力，4(巾爪6)^(巾术巾6)分别为振动的幅值和频率，且 都为钻速V和交互力Fve的函数。
[0043] 钻头钻速V用来指示磨削钻的开关事件，钻速为零，表示电钻没有开启，因此也没 有振动反馈;反之表示电钻开启，对应得到相应的振动幅值和频率。交互力Fve用来指示钻头 与骨质结构的碰撞事件，交互力为零，表示没有发生碰撞，反之发生碰撞。图2展示了基于事 件信号确定振动幅值和频率的流程图，即触发振动反馈的事件流程图，从图2中可W看出， 所述力反馈设备在手术仿真中的事件是指磨削钻的启动、关闭事件W及钻头与骨质结构的 碰撞接触事件。所述事件共包含Ξ种状态：（1)磨削钻关闭，无振动反馈；（2)磨削钻启动，与 骨质结构无碰撞，有振动反馈(振动参数1); (3)磨削钻启动，与骨质结构有碰撞，有振动反 馈(振动参数2)。
[0044] 另外，手术中使用的磨削钻一般由脚踏板控制，脚踏板信号的大小决定了磨削钻 转速的大小;钻头与骨质结构是否产生碰撞w及相互之间的作用力可由虚拟环境产生的交 互力指示。磨削钻的振动幅值和频率随钻速和作用力的变化函数可由实验测定，也可W由 经验选取合适的模拟函数。需要注意的是，任一时刻电钻的振动都不是某一频率的振动，而 是同时存在某一范围内频率的振动，本控制方法实施例仅选择幅值最高的一个频率作为振 动信号方程中的振动频率。
[0045] 步骤S4:基于所述动力学模型，采用变阻抗和基于事件的控制方法对力反馈设备 的触觉力输出进行实时控制。
[0046] 所述变阻抗是指根据虚拟环境的交互确定当前周期的阻抗;所述事件是指脚踏板 控制的开启、关闭事件和磨削钻与虚拟环境的碰撞事件，由图2所示流程图确定当前周期的 振动幅值和频率。
[0047] 具体地，在该步骤中，在力反馈设备触力觉反馈控制的一个控制周期内，将步骤S1 得到的补偿力/力矩F。、步骤S2得到的主作用方与虚拟环境的交互力Fve和步骤S3得到的振 动反馈力Fv运Ξ项控制力/力矩相加作为力反馈设备控制器的输出。
[0048] 综上，在本发明一实施例中，首先根据所述动力学模型计算补偿力/力矩Fc;而后 根据钻头和骨质结构的交互情况采用变阻抗算法计算交互力Fve,而后根据磨削钻钻头钻速 和作用力大小确定振动幅值和频率并W此计算振动反馈力Fv，最后将运Ξ项控制力/力矩 相加作为控制器的输出，完成触力觉反馈的一个控制周期。
[0049] W上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，W上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
【主权项】
1. 一种变阻抗和基于事件的触觉反馈控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： 步骤S1:建立力反馈设备的动力学模型，并基于所述动力学模型计算得到所述力反馈 设备的补偿力/力矩F。； 步骤S2:根据仿真实验中作用双方的实时交互状态，实时调整从作用方的生物力学特 性，由此计算主作用方与虚拟环境的交互力FVE; 步骤S3:基于仿真实验中的事件信号确定力反馈设备的振动反馈力Fv; 步骤S4:基于所述动力学模型，采用变阻抗和基于事件的控制方法对力反馈设备的触 觉力输出进行实时控制。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包含以下步骤： 步骤S11:建立力反馈设备的动力学方程，由此得到力反馈设备的阻抗模型，即动力学 丰旲型； 步骤S12:基于力反馈设备的状态输出X和动力学模型计算得到所述力反馈设备的补偿 力/力矩Fc。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S11中，采用拉格朗日力学或者系 统辨识的方法，建立力反馈设备的动力学方程。4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述力反馈设备的动力学方程表示为：其中，τ表示广义的力/力矩，Θ表示广义的关节变量，Μ(θ)表示机构的惯性矩阵，#表示 关节变量的加速度，C.X61，釣表示机构阻尼，#表示关节变量的速度，G(9)表示重力项； 所述力反馈设备的阻抗模型表示为： Zm - fflmS +bmS， 其中，Zm表示力反馈设备的阻抗，S表示复数域的拉普拉斯变量，Him、bm分别为力反馈设 备阻抗模型的惯性参数和阻尼参数。5. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述补偿力/力矩F。表示为： Fc = ZmX， 其中，Zm表示力反馈设备的阻抗。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用实时可变的阻抗参数来描述从作用方 的生物力学特性，所述阻抗参数包括从作用方的刚度系数和阻尼系数。7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主作用方与虚拟环境的交互力Fve表示 为： Fve = ZveX? 其中，X表示基于力反馈设备的状态输出，Zve表示从作用方的阻抗参数。8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用变幅、变频的正弦信号 模拟主作用方的振动反馈力信号，振动的幅值和频率由力反馈设备在仿真实验中的事件决 定。9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述力反馈设备在仿真实验中的事件包括 以下中的至少一项:主作用方的启动、关闭事件以及主作用方与从作用方的碰撞接触事件， 所述碰撞接触事件包含三种状态:主作用方关闭，无振动反馈;主作用方启动，与从作用方 无碰撞，有振动反馈;主作用方启动，与从作用方有碰撞，有振动反馈。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，在力反馈设备触力觉反馈 控制的一个控制周期内，将步骤S1得到的补偿力/力矩F。、步骤S2得到的主作用方与虚拟环 境的交互力Fve和步骤S3得到的振动反馈力F v相加作为力反馈设备控制器的输出。
【文档编号】G05B17/02GK105824248SQ201610150621
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月16日
【发明人】谢晓亮, 侯增广, 郝剑龙, 边桂彬, 程龙, 高占杰, 王莉
【申请人】中国科学院自动化研究所