【技术实现步骤摘要】
一种力反馈装置对人体软组织仿真的控制系统与方法
本专利技术属于力反馈
，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。
技术介绍
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...
【技术保护点】
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...
【技术特征摘要】
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。2.权利要求1所述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，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...
【专利技术属性】
技术研发人员：薛昭洋，杨宏亮，杨结生，杨杰夫，翟明，张傲卓，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21
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