[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

说明书

本发明公开了一种力反馈装置对人体软组织仿真的控制系统与方法，主要应用于微创机器人手术和遥感操作系统中。该方法包括：提取操作者操作的力反馈装置的位置信息，根据安装在电机轴上的FT传感器测量扭转阻力矩信息作为反馈输入量，电机扭矩控制模式与速度控制模式的选择，基于能量控制方法使电机扭矩有稳定输出，CHAI3D场景中虚拟器械与人体软组织模型形变计算及实时渲染。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。本发明闭环的无源网络算法响应速度更高，安全性更好；基于CHAI3D建立人体软组织交互虚拟场景，方便测试所提出基于能量控制算法的稳定性与安全性，且提高交互力的高保真质量。

技术领域

本发明属于力反馈技术领域，提出了一种对力反馈手柄装置的能量控制方法和基于CHAI3D平台的软组织交互控制系统。

背景技术

微创机器人手术作为一种微创手术技术，由于创伤小，术后恢复快和不易感染，得到实践并迅速发展。但机器人手术最大的局限之一就是外科医生缺乏操作的“手感”(即力触觉反馈)，增加了手术的不确定性和风险性，从而限制了手术机器人的进一步发展。由于手术机器人力触觉反馈系统的缺乏，即使是有经验的外科医生也只能通过分析视觉信息，来判断器械对于组织的作用力及其他的组织特性，这就在无形中延长了手术时间，影响了手术的自然进程。因此力触觉反馈的缺失，已经成为制约手术机器人发展的一大挑战。

至目前提出的典型力反馈操纵装置有微软公司PHANTOM(SensAbleTechnologies)开发的6自由度力反馈手柄，为串级结构，对输出力采用PD开环控制，并没有对输出力检测并进行反馈控制。为了测试力反馈装置的控制算法，除了尸体和动物以外没有更好的操作对象。随着虚拟现实技术的发展，将虚拟现实技术引入到触觉模拟系统中，创建一个真实的虚拟场景，结合力反馈装置为操作者提供一个测试和学习的平台。采用本发明公开的触觉模拟系统，方便测试所提出基于能量控制闭环算法的稳定性与安全性，以及提高交互力的高保真质量。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于能量控制方法和CHAI3D平台的力反馈装置对人体软组织仿真的控制系统与方法。

如图1所示，一种力反馈装置对人体软组织仿真的控制系统，也称为触觉模拟系统，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；控制器模块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，如图2所示；

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、夹持及切割等操作的3维仿真界面。

上述力反馈装置对人体软组织仿真的控制方法，包括以下步骤，如图3所示：

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参数设置及位置初始化；