[发明专利]一种力反馈装置对人体软组织仿真的控制系统与方法

权利要求书

1.一种力反馈装置对人体软组织仿真的控制系统的控制方法，其特征在于，所述的控制系统包括手柄操作杆、电机驱动器、数据采集模块、电机控制单元、通讯单元、仿真控制单元和CHAI3D虚拟场景；CHAI3D虚拟场景包括虚拟器械和人体软组织模型；数据采集模块包括电机位置编码器和FT传感器；其中，力反馈装置由手柄操作杆、电机驱动器、电机位置编码器、电机和FT传感器组成；

手柄操作杆，用于操作人员使用操作，并会给操作人员提供力输出；

数据采集模块，用于通过电机位置编码器获取当前手柄操作杆的动作与位置信息，并通过FT传感器得到电机当前输出的实际阻力矩；

电机控制单元，包括重力补偿模块和控制器模块，所述重力补偿模块用于手柄操作杆自重的分量补偿；控制器用于将人体软组织模型计算的力作为期望力，并且以电机实际输出阻力矩作为反馈量，应用提出的能量控制算法对力反馈装置实现力、位置闭环控制，然后将命令发送给电机驱动器；

通讯单元，用于在力反馈装置端与CHAI3D端之间通过CAN通讯协议进行数据传输；

仿真控制单元，用于虚拟器械与人体软组织模型的碰撞检测和软组织建模与形变计算；以及在出现按压、夹持及切割行为时，进行实时渲染交互；

CHAI3D虚拟场景：用于建立虚拟器械对人体软组织模型进行的按压、夹持及切割操作的3维仿真界面；

所述控制方法，包括以下步骤：

步骤一，力反馈装置中电机的零点位置、软限位范围初始化，CHAI3D界面中的虚拟器械与人体软组织模型的属性设置及位置初始化；

步骤二，开启定时器，有三类信息需要在定时响应函数处理，第一类为通过电机中的编码器读取手柄操纵杆位置信息；第二类读取力反馈装置返回的阻力与阻力矩信息；第三类是定时刷新虚拟器械与人体软组织模型的位置变化与形态变化；

步骤三，工作模式选择，若常开按钮按下，工作模式设为阻力矩模式时执行步骤四，若常开按钮未按下，工作模式设为速度控制模式时执行步骤五；

步骤四，根据阻力矩与电流的转换关系，通过对电流的控制，调整电机输出的阻力矩的大小；

步骤五，设置速度模式，电机为不使能状态；

步骤六，将步骤二读取的手柄位置信息对应到虚拟器械的位置变化，并作为输入信息显示至CHAI3D界面；

步骤七，首先采用球类包围体方法检测虚拟器械是否与人体软组织模型相交，如相交，进一步检测发生碰撞的部位，然后执行步骤八，否则返回步骤二；

步骤八，得到人体软组织模型的速度向量V与位置向量X，并且K、B和M分别表示人体软组织模型的弹性系数、阻尼系数和质量参数矩阵，基于质点弹簧模型的人体软组织模型计算产生的作用力F_e；

当操作人员是无源的，并且手柄操作杆、电机驱动器、FT传感器、通讯单元也是无源的，则触觉模拟系统是稳定的；因此，当触觉模拟系统满足以下条件，则触觉模拟系统将是无源的：

for t＞0 and for all function F,V (1)

其中，F(τ)是施加给触觉模拟系统中的组件的作用力，V(τ)是施加给触觉模拟系统中组件的速度变化值，e(0)是系统t＝0时的初始能量；上述无源条件意味着触觉模拟系统不产生能量，并且操作人员永远不能从中提取能量；因此，对于稳定的触觉交互，能量流入触觉模拟系统不应该是负的；

当虚拟器械没有与人体软组织模型接触，只考虑人手模型如下：

其中，V_h表示操作人员移动速度，F_h表示受到的作用力，M₀,B₀和K₀是人手模型中的人手质量、阻尼系数和弹性系数，初始位置X_h＝0m和X₀为目标位置；操作人员与力反馈装置的力、移动速度的关系如下：

V_h＝V_d (5)

其中，F_d表示期望力，V_d表示力反馈装置移动速度，M_h和B_h是单自由度手柄装置模型中的手柄装置的质量和阻尼系数；并且操作人员的速度与力反馈装置的速度相等；当仿真器械与人手模型接触，则应该考虑软组织建模；

将人体软组织离散化为多个质点，根据牛顿定律，单个质点的动力学特性为：

其中，x_i是质点i的坐标向量，和分别表示x_i对时间的一阶和二阶导数，M_i为该质点的质量，B_i为弹簧阻尼系数，F_ij为该质点周围相关质点对其作用力的总和；整个系统的运动方程从模型中所有质量点得到，把N个独立质量点的位置向量连接成一个N×3维的位置向量，得到以下公式：

K、B和M分别表示整个人体软组织模型的弹性系数、阻尼系数和质量参数的N×N矩阵，F_e是一个N×3维的向量，表示施加在质量点上的所有外力；上式得到下面的一阶微分方程组，使用如下公式计算；同时开启另一个线程执行步骤十一；

步骤九，对于人体软组织模型计算产生的作用力F_e，虚拟器械使人体软组织模型产生形变，实时调整K、B和M参数，提高仿真的真实感；

步骤十，在基于CHAI3D界面的场景中，进行交互接触界面实时渲染；

步骤十一，将人体软组织模型计算产生的作用力F_e作为期望值，将FT传感器测量的实际输出扭矩作为反馈，并通过电机编码器测得实际位置，进行手柄重力分量计算，进行实时重力补偿，基于能量控制算法，输出稳定的交互力，使得整个系统稳定；

步骤十二，作用力F_e控制命令，转换成对应的电流值；通过执行电机输出对应的力矩。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，上述CHAI3D虚拟场景建立方法如下：针对测试过程中需对虚拟软组织进行的按压、夹持及切割操作，首先设计并导入虚拟操作器械，然后采用3DMax三维建模软件进行虚拟软组织模型的绘制，并将绘制的模型导出格式为.3DS的文件，在搭建虚拟环境的时候读入此文件；

使用FT传感器与电机位置编码器获取当前的阻力矩信息与位置信息；

所述阻力矩信息与位置信息经过电机控制单元处理之后，以特定数据结构通过CAN通讯接口发送PC端，然后结合CHAI3D内部坐标得到虚拟器械与人体软组织模型的姿态信息，通过仿真控制单元控制交互活动；

通过操作控制端的力反馈装置的中心点进行不同方向的移动，得到指定区间的位置信息；

与所述PC端连接的控制板接收来自力反馈装置的输入数据信息，并判断信息类型为平移、旋转还是按钮信息，并将信息传送给触觉交互端，然后对数据信息处理，虚拟场景做出实时渲染变化。