用于触觉表达的装置和方法制造方法及图纸

在一个方面，本发明专利技术涉及一种用于生成触觉障碍力的方法，在一个实施例中包括以下步骤：定义初级替身位置；定义次级替身位置；定义ＨＩＰ位置；生成响应初级替身位置与ＨＩＰ位置的第一力以及生成响应次级替身位置与ＨＩＰ位置的第二力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及机器人系统中的表达，更具体地，涉及触觉系统中的表达。相关申请本专利技术为2006年2月21日提交、2006年6月29日公开的序列号为11/357,197的美国专利申请的部分继续申请(申请11/357,197为2003年3月6日提交、2004年2月5日公开的序列号为10/384,072的美国专利申请的部分继续申请)；2003年3月6日提交、2004年2月19日公开的序列号为10/384,077的美国专利申请的部分继续申请；以及2003年3月6日提交、2004年2月19日公开的序列号为10/384,194的美国专利申请的部分继续申请；它们中的每一个要求2002年3月6日提交的美国临时专利申请No.60/362,368的优先权。申请11/357,197还是2003年7月16日提交、2004年6月3日公开的序列号为10/621,119的美国专利申请的部分继续申请，申请10/621,119为2003年3月6日提交、2004年2月19日公开的序列号为10/384,078的美国专利申请的部分继续申请，申请10/384,078要求2002年3月6日提交的美国临时专利申请No.60/362,368的优先权。申请11/357,197还要求2005年2月22日提交的美国临时专利申请No.60/655,642以及2006年1月17日提交的美国临时专利申请No.60/759,186的优先权。以上提到的各个已公开申请在此通过引用全体并入。
技术介绍
触觉接口允许用户在虚拟或触觉环境中体验触感。这种接口正在-->虚拟现实游戏和进行虚拟成像的任务中被接受。使用虚拟图像帮助用户完成任务的一个领域为计算机辅助手术。在计算机辅助手术中，可利用触觉接口为手术师提供触觉指导。例如，当手术师在实际空间中移动手术器械时，可通过触觉接口向手术师施加限制其操作手术器械的能力的约束。该约束可基于，例如虚拟空间中的虚拟器械与触觉对象之间的理想关系。在手术中，手术师利用触觉接口自动化地操作手术器械。通过触觉接口向手术师提供约束反馈，其向手术师施加一个足以保持虚拟器械与触觉对象之间理想关系的力。例如，触觉对象可以是用于人体结构的虚拟保护边界。虚拟边界与患者的人体(anatomy)对应(或关联)，而虚拟器械与实际手术器械对应(或关联)。为使手术师能够经由触觉接口与虚拟环境交互，使用触觉表达算法。触觉表达为计算并施加响应于用户与虚拟对象的相互作用的力的处理。利用触觉表达算法，可将触觉接口设置为当虚拟器械靠近虚拟边界时，手术师体验到的力增大。这种增大的力向手术师提供警告，即他接近感兴趣的结构，因此应当谨慎进行以避免对结构不希望的进入以及破坏(例如避免钻头进入骨骼太深)。本专利技术针对这种对于改进的触觉表达处理的需求。
技术实现思路
一方面，本专利技术涉及一种用于生成触觉障碍(penalty)力的方法。在一个实施例中，方法包括以下步骤：定义初级替身位置；定义次级替身位置；定义HIP位置；当HIP处在距离初级替身位置小于或等于预定值的进入深度时，生成响应初级替身位置与HIP位置的第一力；以及当次级替身位置处在距离初级替身位置大于预定值的进入深度时，生成响应次级替身位置与HIP位置的第二力。在一个实施例中，预定值为理想的触觉偏置。在另一个实施例中，第一力为零。在又一个实施例中，第二力为次级替身位置与HIP位置之间距离的函数。在又一个实施例中，第一力为初级替身位置与HIP位置之间距离-->的函数。在另一个实施例中，第二替身位置是至少部分地响应HIP与虚拟触觉对象之间的相互作用来决定的。在另一个实施例中，进入深度为初级替身位置与HIP位置之间的距离。另一方面，本专利技术涉及一种用于生成触力的装置。在一个实施例中，装置包括：用于定义初级替身位置的初级替身位置定位器；用于定义次级替身位置的次级替身位置定位器；用于定义HIP位置的HIP位置定位器；以及力发生器，用于当HIP处在距离初级替身位置小于或等于预定值的进入深度时，生成响应初级替身位置与HIP位置的第一力，以及当次级替身位置处在距离初级替身位置大于预定值的进入深度时，生成响应次级替身位置与HIP位置的第二力。在另一个实施例中，第二力为次级替身位置与HIP位置之间距离的函数。在又一个实施例中，第一力为初级替身位置与HIP位置之间距离的函数。在再一个实施例中，第二替身位置是至少部分地响应HIP与虚拟触觉对象之间的相互作用来决定的。本专利技术的又一方面为一种用于映射触觉空间中的位置的方法。在一个实施例中，方法包括以下步骤：a)定义包括多个立体像素元素的立体像素空间；b)定义包括多个多边形表达元素的多边形空间；c)生成各个立体像素元素及其各自的多边形表达元素的数据结构；d)定位触觉空间中的点；e)将该点映射到相应的立体像素元素；以及f)在数据结构中选择至少一个多边形表达元素。在一个实施例中，多边形表达元素为三角形。在另一个实施例中，各立体像素元素为轴对齐盒。在又一个实施例中，数据结构为查找表。再一方面，本专利技术涉及一种用于提高具有多个传动机构和多个接点的系统中的触觉稳定性的方法。在一个实施例中，方法包括以下步骤：计算响应于替身位置与HIP位置之间距离的弹力；计算响应于弹力的接点空间弹力矩；计算响应于接点速度的接点空间阻尼力矩；以及将接点空间阻尼力矩与接点空间弹力矩相加。在另一个实施例中，以笛卡尔坐标计算弹力。在又一个实施例中，弹力为替身位置与HIP位置之间的差的函数。在再一个实施例中，由-->弹力的雅可比变换计算接点空间弹力矩。在另一个实施例中，接点空间阻尼力矩为接点速度的函数。在又一个实施例中，接点空间阻尼力矩线性正比于接点速度，并且响应接点空间阻尼增益矩阵的对角元计算比例常数。本专利技术的又一专利技术涉及一种形成单相触觉墙的方法，包括确定HIP从什么位置接近边界，以及允许HIP从第一方向经过边界但不允许从第二方向经过边界的步骤。附图说明在此对附图的参照旨在提供对本专利技术的方法和装置的更好的理解，而不是想要将本专利技术的范围限于具体描述的实施例。附图不一定是按比例的，而是重点在于图示出本专利技术的原理。各图中相似的参考符号通常表示相应的部件。图1为按照本专利技术的手术系统的实施例的立体图；图2为按照本专利技术的触觉表达处理的实施例的框图；图3为按照本专利技术的三维几何触觉对象的实施例的表示；图4为多个叠加的触觉对象的表示；图5为按照本专利技术的基于多边形的触觉表达处理的实施例的流程图；图6为按照本专利技术的多边形表面对象的实施例的表示；图7为按照本专利技术的立体像素映射的实施例的表示；图8为按照本专利技术的立体像素查找表的实施例的表示；图9为按照本专利技术的多边形查找表的实施例的表示；图10示出按照本专利技术的虚拟引导线的实施例的实现；图11为坐标变换的图形说明；图12为虚拟替身(proxy)点位置的说明；图13为虚拟替身点位置的说明；图14为按照本专利技术的触觉表达算法的实施例的流程图；图15为具有HIP投影的多个多边形的图形表示；图15a为活动多边形(active polygon)优先行为的图形表示；-->图16为在上多边形(on-polygon)优先行为的图形表示；图17为连续表面优先行为的图形表示；图18为最小力优先行为的图形表示；图19为增大凹角本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生成触觉障碍力的方法，包括以下步骤：　定义初级替身位置；　定义次级替身位置；　定义ＨＩＰ位置；　当ＨＩＰ处在距离初级替身位置小于或等于预定值的进入深度时，生成响应初级替身位置与ＨＩＰ位置的第一力；以及当次级替身位置处在距离初级替身位置大于预定值的进入深度时，生成响应次级替身位置与ＨＩＰ位置的第二力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-2-21 11/357,197;US 2006-1-17 60/759,1861.一种用于生成触觉障碍力的方法，包括以下步骤：定义初级替身位置；定义次级替身位置；定义HIP位置；当HIP处在距离初级替身位置小于或等于预定值的进入深度时，生成响应初级替身位置与HIP位置的第一力；以及当次级替身位置处在距离初级替身位置大于预定值的进入深度时，生成响应次级替身位置与HIP位置的第二力。2.权利要求1的方法，其中预定值为理想的触觉偏置。3.权利要求1的方法，其中第一力为零。4.权利要求1的方法，其中第二力为次级替身位置与HIP位置之间距离的函数。5.权利要求1的方法，其中第一力是至少部分地响应初级替身位置与HIP位置之间的距离来决定的。6.权利要求1的方法，其中第二替身位置是至少部分地响应HIP与虚拟触觉对象之间的相互作用来决定的。7.权利要求1的方法，其中进入深度为初级替身位置与HIP位置之间的距离。8.一种用于生成触力的装置，包括：用于定义初级替身位置的初级替身位置定位器；用于定义次级替身位置的次级替身位置定位器；用于定义HIP位置的HIP位置定位器；以及力发生器，用于当HIP处在距离初级替身位置小于或等于预定值的进入深度时，生成响应初级替身位置与HIP位置的第一力；以及当次级替身位置处在距离初级替身位置大于预定值的进入深度时，生成响应次级替身位置与HIP位置的第二力。9.权利要求8的装置，其中第二力是至少部分地响应次级替身位置与HIP位置之间的距离来决定的。10.权利要求8的装置，其中第一力是至少部分地响应初级替身位...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜孝植，AE奎德，D摩西，
申请(专利权)人：马科外科公司，
类型：发明
国别省市：US[]