[发明专利]用于产生反作用力以实现虚拟边界的机器人系统和方法

权利要求书

1.一种机器人系统，包括：

工具；

操纵器，包括多个连杆并且被配置为移动工具；以及

控制器，耦接到操纵器并被配置为实现虚拟模拟，其中工具被表示为虚拟体积，该虚拟体积适于相对于由多边形元素的网格定义的虚拟边界进行交互，每个多边形元素包括平面和周边，并且其中控制器被配置为：

在虚拟模拟中响应于虚拟体积对多边形元素之一的穿透而计算反作用力，其中反作用力是基于穿透因子计算的，该穿透因子是虚拟体积和多边形元素的平面的之间的平面交互的函数，其中

平面交互由多边形元素的周边界定；

在虚拟模拟中向虚拟体积施加反作用力，以减少虚拟体积对多边形元素的穿透；以及

在虚拟模拟中命令操纵器根据对虚拟体积施加反作用力来移动工具，以约束工具相对于虚拟边界的移动。

2.如权利要求1所述的机器人系统，其中穿透因子在功能上独立于虚拟体积对多边形元素的穿透的线性深度。

3.如权利要求1所述的机器人系统，还包括导航系统，该导航系统被配置为跟踪工具的状态并且被耦接到控制器，并且其中基于工具的跟踪状态来定位虚拟体积。

4.如权利要求3所述的机器人系统，其中工具被配置为与目标部位交互，并且其中导航系统被配置为跟踪目标部位的状态，并且其中虚拟边界与目标部位相关联。

5.如权利要求3所述的机器人系统，其中导航系统被配置为跟踪工具要避开的对象的状态，并且其中虚拟边界与要避开的对象相关联。

6.如权利要求3所述的机器人系统，其中，对于工具的状态的后续改变，控制器还被配置为在虚拟模拟中迭代地计算反作用力、迭代地施加反作用力，并且迭代地命令操纵器根据对虚拟体积施加的反作用力来移动工具。

7.如权利要求1所述的机器人系统，其中多边形元素是三角形。

8.如权利要求1所述的机器人系统，其中虚拟体积包括单面、零个顶点和零条边。

9.如权利要求1所述的机器人系统，其中虚拟体积是球体的。

10.如权利要求1所述的机器人系统，其中反作用力还被定义为脉冲力。

11.如权利要求1所述的机器人系统，其中控制器还被配置为在虚拟模拟中响应于虚拟体积对多个多边形元素的同时穿透而计算多个反作用力，其中每个反作用力基于穿透因子来计算，该穿透因子是虚拟体积和多边形元素的平面的之间的平面交互的函数，其中平面交互由多边形元素的周边界定。

12.如权利要求11所述的机器人系统，其中控制器还被配置为：

在虚拟模拟中同时将所述多个反作用力施加到虚拟体积；以及

在虚拟模拟中根据向虚拟体积施加所述多个反作用力来命令操纵器的定位。

13.如权利要求11所述的机器人系统，其中控制器还被配置为：

组合所述多个反作用力以生成组合的反作用力；

在虚拟模拟中将组合的反作用力施加到虚拟体积；以及

在虚拟模拟中根据向虚拟体积施加组合的反作用力来命令操纵器的定位。

14.如权利要求13所述的机器人系统，其中控制器还被配置为向所述反作用力中的每一个施加加权因子，使得对于虚拟体积对多个多边形元素的任何给定的同时穿透，组合的反作用力是恒定的。

15.如权利要求1所述的机器人系统，还包括力-扭矩传感器，该力-扭矩传感器被配置为感测施加到工具的输入力，并且其中输入力在虚拟模拟中被施加到虚拟体积以引起虚拟体积对所述多边形元素之一的穿透。