[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

摘要

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。

主权项

1.一种力反馈装置对人体软组织仿真的控制系统，其特征在于，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、夹持及切割等操作的3维仿真界面。