[发明专利]用于提供大致上稳定的触觉的系统和方法

说明书

技术领域

本发明通常涉及触觉领域。具体地说，本发明涉及一种用于在使用虚拟工具的系统中提供大致上稳定的触觉的系统和方法。

背景技术

除了别的之外，触觉领域涉及将触感和/或力反馈提供给用户以实现期望的目标的人体互动装置。触感反馈可以包括给用户提供触感知觉（诸如，例如振动）。力反馈可以包括将不同形式的力（诸如针对移动的正向力或阻力）提供给用户。

触觉的常见用途将是给装置的用户提供针对那个装置的操纵的引导或限制。例如，装置可以是具有用于执行指定功能的对象（诸如实体工具）的机器人系统。可以在实体工具的操纵期间通过触觉的使用以将反馈提供给用户来引导或限制用户对实体工具的操纵。

经常，通过使用计算机以创建有效地引导或限制实体工具的操纵的虚拟环境来提供这样的引导。计算机可以在虚拟环境中创建实体工具与虚拟工具（实体工具的虚拟表示）之间的关联性。计算机还可以在虚拟环境内建构触觉对象。触觉对象可以提供用来引导或限制虚拟工具的移动的边界。例如，当虚拟工具与触觉对象的边界互动时，触感或力反馈可以提供给用户。由虚拟工具与触觉对象之间的互动形成的引导或限制为用户对实体工具的操纵有效地提供引导或限制。

可以在计算机辅助外科手术系统中发现使用触觉的这样的机器人系统的特定实例。在这样的系统中，实体工具（诸如切骨工具）可 以与虚拟环境中的虚拟工具关联。外科手术前计划可以用于识别骨头切除的区域，接着所述区域将用于在虚拟环境中创建触觉对象。例如，触觉对象可以表示骨头切除区域的边界。外科医生将在虚拟工具与触觉对象的边界互动时接收触感或力反馈。这个反馈可以根据外科医生的手术前计划辅助其将切骨工具维持于骨头切除区域。

反馈基于虚拟工具与触觉对象的互动产生。经常针对触觉建立的基本关系是线性弹性弹簧，其中由触觉对象施加的接触力可以由弹簧常数K和至触觉对象的位位移△x定义，使得：

为了确定适当的反馈，计算机通常能够确定虚拟工具与触觉对象之间的互动。经常通过识别将表示虚拟工具的位置的单个触觉互动点（HIP）来确定这种互动。例如，只要触觉对象与切除深度偏移达工具半径，HIP就可以被定义为球形切割工具的中心。在这样的情况下，计算机使用HIP与触觉对象之间的关系来确定虚拟工具与触觉对象的互动。

在某些情形下，单个HIP可能无法完全有效地用于确定虚拟工具与触觉对象之间的互动。例如，不规则形状的虚拟工具不能充分由单个HIP表示。由于虚拟工具的不规则形状，单个HIP不能充分说明有关工具切割表面和/或工具旋转的变化。在这种情况下，多个HIP可以沿着虚拟工具的轮廓定义。例如，如图2中所示，三个HIP20（点1、2和3）可以定义于虚拟工具10的外边缘上以提供对虚拟工具与触觉对象之间的互动的更好估计。

甚至多个HIP可能无法完全有效地用于确定虚拟工具与触觉对象之间的互动。例如，因为沿着双侧约束（诸如平面或线）存在对抗力，所以传统的多点触觉力可能是不稳定的。在图2中所示的实例中， 不规则形状的虚拟工具10具有外HIP（点1和3）和内HIP（点2）。外HIP处于对立关系，使得由所述外HIP（点1和3）与触觉对象的边界40的互动决定的触觉力在相反方向上，导致围绕触觉平面的非期望振荡。这种不稳定行为可能归因于测量噪声、离散化误差和接触点之间的对抗力。

鉴于上述内容，存在对为触觉对象提供大致上稳定的触觉的系统和方法的需要，其将校正由诸如测量噪声、离散化误差和互动/接触点之间的对抗力引起的非期望振荡。

发明内容

根据本发明的方面，提供一种用于提供大致上稳定的触觉的系统。所述系统包括至少一个计算机，所述计算机被配置来：识别虚拟工具的触觉互动几何基元的第一子集和第二子集；基于所述第一子集确定第一子空间中的触觉力；且基于所述第二子集确定不同于所述第一子空间的第二子空间中的触觉力。

根据本发明的另一方面，提供一种用于提供大致上稳定的触觉的方法。所述方法包括以下步骤：识别触觉对象的触觉互动几何基元的第一子集和第二子集；通过至少一个计算机基于所述第一子集确定第一子空间的触觉力；且通过至少一个计算机基于所述第二子集确定不同于所述第一子空间的第二子空间中的触觉力。

附图说明

并入本说明书中且构成本说明书的一部分的附图图示本发明的实施方案并且与描述一起用于说明本发明的原理。

图1是根据本发明的用于提供大致上稳定的触觉的系统的方框图。

图2示出了与触觉对象的边界互动的虚拟工具。