[发明专利]用于触觉表达的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人系统中的表达，更具体地，涉及触觉系统中的表达。

相关申请

本发明为2006年2月21日提交、2006年6月29日公开的序列号为11/357,197的美国专利申请的部分继续申请(申请11/357,197为2003年3月6日提交、2004年2月5日公开的序列号为10/384,072的美国专利申请的部分继续申请)；2003年3月6日提交、2004年2月19日公开的序列号为10/384,077的美国专利申请的部分继续申请；以及2003年3月6日提交、2004年2月19日公开的序列号为10/384,194的美国专利申请的部分继续申请；它们中的每一个要求2002年3月6日提交的美国临时专利申请No.60/362,368的优先权。申请11/357,197还是2003年7月16日提交、2004年6月3日公开的序列号为10/621,119的美国专利申请的部分继续申请，申请10/621,119为2003年3月6日提交、2004年2月19日公开的序列号为10/384,078的美国专利申请的部分继续申请，申请10/384,078要求2002年3月6日提交的美国临时专利申请No.60/362,368的优先权。申请11/357,197还要求2005年2月22日提交的美国临时专利申请No.60/655,642以及2006年1月17日提交的美国临时专利申请No.60/759,186的优先权。以上提到的各个已公开申请在此通过引用全体并入。

背景技术

触觉接口允许用户在虚拟或触觉环境中体验触感。这种接口正在虚拟现实游戏和进行虚拟成像的任务中被接受。使用虚拟图像帮助用户完成任务的一个领域为计算机辅助手术。

在计算机辅助手术中，可利用触觉接口为手术师提供触觉指导。例如，当手术师在实际空间中移动手术器械时，可通过触觉接口向手术师施加限制其操作手术器械的能力的约束。该约束可基于，例如虚拟空间中的虚拟器械与触觉对象之间的理想关系。在手术中，手术师利用触觉接口自动化地操作手术器械。通过触觉接口向手术师提供约束反馈，其向手术师施加一个足以保持虚拟器械与触觉对象之间理想关系的力。

例如，触觉对象可以是用于人体结构的虚拟保护边界。虚拟边界与患者的人体(anatomy)对应(或关联)，而虚拟器械与实际手术器械对应(或关联)。为使手术师能够经由触觉接口与虚拟环境交互，使用触觉表达算法。触觉表达为计算并施加响应于用户与虚拟对象的相互作用的力的处理。利用触觉表达算法，可将触觉接口设置为当虚拟器械靠近虚拟边界时，手术师体验到的力增大。这种增大的力向手术师提供警告，即他接近感兴趣的结构，因此应当谨慎进行以避免对结构不希望的进入以及破坏(例如避免钻头进入骨骼太深)。

本发明针对这种对于改进的触觉表达处理的需求。

发明内容

一方面，本发明涉及一种用于生成触觉障碍(penalty)力的方法。在一个实施例中，方法包括以下步骤：定义初级替身位置；定义次级替身位置；定义HIP位置；当HIP处在距离初级替身位置小于或等于预定值的进入深度时，生成响应初级替身位置与HIP位置的第一力；以及当次级替身位置处在距离初级替身位置大于预定值的进入深度时，生成响应次级替身位置与HIP位置的第二力。在一个实施例中，预定值为理想的触觉偏置。在另一个实施例中，第一力为零。在又一个实施例中，第二力为次级替身位置与HIP位置之间距离的函数。在又一个实施例中，第一力为初级替身位置与HIP位置之间距离的函数。在另一个实施例中，第二替身位置是至少部分地响应HIP与虚拟触觉对象之间的相互作用来决定的。在另一个实施例中，进入深度为初级替身位置与HIP位置之间的距离。

另一方面，本发明涉及一种用于生成触力的装置。在一个实施例中，装置包括：用于定义初级替身位置的初级替身位置定位器；用于定义次级替身位置的次级替身位置定位器；用于定义HIP位置的HIP位置定位器；以及力发生器，用于当HIP处在距离初级替身位置小于或等于预定值的进入深度时，生成响应初级替身位置与HIP位置的第一力，以及当次级替身位置处在距离初级替身位置大于预定值的进入深度时，生成响应次级替身位置与HIP位置的第二力。在另一个实施例中，第二力为次级替身位置与HIP位置之间距离的函数。在又一个实施例中，第一力为初级替身位置与HIP位置之间距离的函数。在再一个实施例中，第二替身位置是至少部分地响应HIP与虚拟触觉对象之间的相互作用来决定的。