用于控制触觉装置的方法和设备制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于控制触觉装置的方法和设备。在一个实施例中，触觉装置包括：致动器；产生表示致动器速度的致动器信号的致动器传感器；负载；产生表示负载位置的负载输出信号的负载输出传感器；以及与负载输出传感器、致动器传感器和致动器进行电通信的控制器。控制器响应于致动器信号和负载输出信号控制致动器，以提供对用户的触觉响应。在一个实施例中，用于控制触觉装置的致动器的方法包括以下步骤：产生表示致动器的速度的致动器信号；产生表示负载的位置的位置信号；以及响应于致动器信号和负载输出位置信号控制致动器以产生对用户的触觉响应。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及触觉装置领域，更具体地涉及触觉装置控制器领域。
技术介绍
线缆驱动触觉装置包含具有近端(或驱动端)和远端(或负载端)的线缆传动系统。近端包括致动器(如电机等，但不限于电机)，该致动器驱动传动系统由此将负载传递到远端的端点。典型地，触觉装置的端点被布置在实际空间中，并且触觉表达算法产生位于实际空间中的虚拟的触觉面(或触觉对象)。触觉装置使用户能够与虚拟触觉面进行交互，例如，当端点遇到触觉面时，通过控制致动器将负载传递到传动系统的远端而使用户能够与虚拟触觉面进行交互。用户典型地握住触觉装置的远端或者工具或者附着到触觉装置的远端的装置。这样，触觉装置使用户能够“感觉到”触觉面。传统的线缆驱动触觉装置可包括在线缆传动系统(cabletransmission)的近端处安装有致动器的传感器(例如编码器等位置传感器)。来自致动器传感器的数据(例如电机角度)被输入到正向运动学处理(forward kinematics process)以计算端点的位置。尽管该方案使触觉装置具有良好的触觉性能，但是存在以下缺点：由于线缆传动系统中的柔量和滞后引起算出的端点位置、并由此使实际空间中的触觉面可能不与端点的实际位置对应。例如，当用户向触觉装置的远端施力时，线缆传动系统可能弯曲，导致即使控制器保持致动器输出位置但端点也移动。也就是说，即使致动器尝试响应以保持希望的位置，但线缆传动系统的线缆的柔量使得端点发生一些移动。该移动导致实际端点位置相对于控制器基于致动器输出位置算出的端点-->位置之间的误差。对于用户与虚拟环境进行交互的触觉应用，例如，当使用传统的线缆驱动触觉装置来修改虚拟CAD模型时(其中触觉装置使用户能够“感觉到”虚拟CAD模型的表面)，在触觉装置的实际端点位置和算出的端点位置之间的误差并不重要，这是因为不需要在触觉装置的实际工作空间中精确定位触觉面。从而，触觉面可以被初始定位在工作空间内的不影响用户与虚拟环境进行交互的任何方便的地方。为此，传统的线缆驱动触觉装置的端点定位精度甚至被认为是不重要的。此外，这样的触觉装置通常被设计成紧凑的且具有最小的运动质量和惯性，因此，它们典型地没有额外的位置传感器，尤其是在传动系统的负载端没有额外的位置传感器，其中传感器将对触觉性能具有较大的不利影响。然而，一些触觉应用可能需要高级别的端点定位精度。例如，在外科医生使用触觉装置来进行外科切割手术的计算机辅助外科手术中，触觉面为附着到触觉装置上的切割工具定义切割边界，由此必须使该触觉面在患者的实际空间中精确定位。为了提供充分的端点定位精度，可以使用带刚性传动系统(如齿轮传动)的触觉装置。然而，刚性传动系统的一个缺点在于它们可能不能反向驱动和/或不适用于触觉装置。尽管传统的线缆驱动触觉装置可以反向驱动，然而它们存在如上所述的端点定位精度的问题。用于提高端点定位精度的一种可能是从线缆传动系统的近(或驱动)端到远(或负载)端重新布置传感器，例如，从致动器到接合部(joint)重新布置传感器。这使得端点位置的确定更加精确。然而，将传感器重新布置到线缆传动系统的负载端可能导致控制器性能不稳定，这是因为感测和致动不位于同一部位，并且由并非刚性且具有能被控制器激励的动力学特性的传动系统连接。此外，当触觉装置仅在线缆传动系统的一侧具有传感器时，控制器缺少对提高触觉控制的稳定性有用的附加信息，该附加信息可用于提高触觉壁(haptic wall)的刚度。当触觉装置用在计算机辅助外科手术中时，提高触觉壁的刚度很重要，这是因为触觉面必须充分-->地向外科医生传达工具相对于实际组织表面的位置。其它传统的定位装置和工业机器人也可能要求精确的端点定位，但是，与触觉装置不一样，这些装置通常具有刚性传动系统且完全依赖控制用致动器位置传感器。在某些情况下，定位系统使用驱动端位置传感器和负载端位置传感器二者，但是这些系统典型地用于定位，而并不用于用户交互或表达触觉对象。因此，需要一种线缆驱动触觉装置，该装置能够补偿线缆传动系统中的柔量和滞后，使得能够表达在实际空间中精确定位的触觉面，且具有足够的壁刚度以精确并可靠地引导用户的动作。致动器和负载位置传感器二者的使用在两方面提高了触觉壁的刚度。首先，如果没有负载位置传感器，当用户向装置的端部施力时，即使控制器保持致动器输出位置，传动系统也将会弯曲且端点将移动。也就是说，即使致动器尝试响应而保持触觉位置，系统的线缆的柔量也使得能够发生一些移动。这种端点的移动则将导致末端位置相对于控制器基于致动器输出位置算出的末端位置的误差。其次，致动器和负载输出位置二者的使用提供了附加信息，控制器可使用该信息帮助提高触觉控制的稳定性，使得提高触觉壁的刚度。虽然存在很多使用两个输入传感器来计算触觉控制输出的方式，但使用致动器输出位置传感器提供速度信号并使用负载输出位置传感器提供负载输出位置信号来控制算法是一种简单快速的方法，该方法相对于单个传感器的方案提高了装置的稳定性和精度。例如，当触觉装置被用在计算机辅助外科手术中时，因为触觉面必须精确并可靠地向外科医生传达工具相对于实际组织表面的定位，提高触觉壁的刚度非常重要。本专利技术致力于这些需要。
技术实现思路
本专利技术涉及用于控制触觉装置的方法和设备。在一个方面，本专利技术涉及一种触觉装置。在一个实施例中，触觉装置包括：致动器；与致动器联系(in communication with)的致动-->器传感器，该致动器传感器产生表示致动器速度的致动器信号；负载；与负载联系的负载传感器，该负载传感器产生表示负载位置的负载信号；以及与负载传感器、致动器传感器和致动器进行电通信的控制器。该控制器响应于致动器信号和负载信号控制致动器，以提供对用户的触觉响应。在另一实施例中，触觉装置包括与致动器和负载联系的线缆驱动传动系统。在另一实施例中，控制器响应于负载信号确定重力补偿力矩和笛卡尔端点位置。在另一实施例中，控制器通过对致动器信号进行滤波而形成滤波后的致动器速度并使该滤波后的致动器速度与雅可比行列式(Jacobian)相乘而计算端点速度来控制致动器。在另一实施例中，控制器通过从端点速度中减去参考速度而形成端点速度差并使该端点速度差与阻尼增益相乘来计算阻尼力。在另一实施例中，控制器响应于阻尼力计算所希望的触觉力。在另一实施例中，负载传感器选自由光学编码器、电编码器、磁致编码器和电位计构成的组。在一个方面，本专利技术涉及一种用于控制触觉装置的致动器的方法。在一个实施例中，该方法包括以下步骤：产生表示致动器的速度的致动器信号；产生表示负载的位置的负载信号；以及响应于致动器信号和负载信号控制致动器以产生对用户的触觉响应。在另一实施例中，该方法包括响应于负载信号确定重力补偿力矩和笛卡尔端点位置的步骤。在另一实施例中，控制致动器包括通过对致动器信号进行滤波而形成滤波后的致动器速度并使该滤波后的致动器速度与雅可比行列式(Jacobina)相乘而计算端点速度的步骤。在另一实施例中，该方法包括通过从端点速度中减去参考速度而形成端点速度差并使该端点速度差与阻尼增益相乘来计算阻尼力的步骤。在另一实施例中，该方法包括响应于阻尼力计算所希望的触觉力。在另一实施例中，本专利技术是一种触觉装置，其包括：致动器；与致动器联系的致动器传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种触觉装置，其包括：　致动器；　与该致动器联系的致动器传感器，该致动器传感器产生表示致动器速度的致动器信号；　负载；　与该负载联系的负载输出传感器，该负载输出传感器产生表示负载位置的负载输出信号；以及　与该负 载输出传感器、该致动器传感器和该致动器进行电通信的控制器，该控制器响应于该致动器信号和该负载输出信号控制该致动器，以提供对用户的触觉响应。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-5-19 60/801,8501、一种触觉装置，其包括：致动器；与该致动器联系的致动器传感器，该致动器传感器产生表示致动器速度的致动器信号；负载；与该负载联系的负载输出传感器，该负载输出传感器产生表示负载位置的负载输出信号；以及与该负载输出传感器、该致动器传感器和该致动器进行电通信的控制器，该控制器响应于该致动器信号和该负载输出信号控制该致动器，以提供对用户的触觉响应。2、根据权利要求1所述的触觉装置，还包括与致动器和负载联系的线缆驱动传动系统。3、根据权利要求1所述的触觉装置，其中，控制器响应于负载输出信号确定重力补偿力矩和笛卡尔端点位置。4、根据权利要求1所述的触觉装置，其中，控制器通过对致动器信号进行滤波而形成滤波后的致动器速度并使该滤波后的致动器速度与雅可比行列式相乘来计算端点速度从而控制致动器。5、根据权利要求4所述的触觉装置，其中，控制器通过从端点速度中减去参考速度而形成端点速度差并使该端点速度差与阻尼增益相乘来计算阻尼力。6、根据权利要求5所述的触觉装置，其中，控制器响应于阻尼力计算所希望的触觉力。7、根据权利要求1所述的触觉装置，其中，输出传感器选自包括光学编码器、电编码器、磁编码器和电位计的组。8、一种用于控制触觉装置的致动器的方法，其包括以下步骤：产生表示致动器的速度的致动器信号；产生表示负载的位置的负载位置信号；以及...

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