力觉交互系统稳定性研究

在中国国家自然科学基金资助项目《牙科手术模拟力觉交互系统稳定性研究》和《基于双模式力觉交互的灵巧动作技能训练方法研究》,以及中国国家高技术研究发展计划(863计划)项目《面向手眼协调操作的触(力)觉合成和视觉-力觉融合再现技术》的共同支持下,以开发高性能牙科手术模拟训练系统为目标,针对力觉交互设备控制过程中振动或噪声所导致的力觉感受稳定性丧失,围绕探索复杂虚拟环境下的力觉交互系统(HIS)失稳机理,基于力觉交互设备和力觉渲染算法,探索提高力觉交互系统稳定性和逼真度的方法,提出学术报告.通过模拟牙面探查实验,发现用虚拟工具接触牙齿表面时,若接触刚度较大会导致设备振动.通过模拟牙体预备实验,发现用虚拟工具切削牙齿时,大的接触刚度也导致设备振动.大刚度所引发的设备振动,可以通过减小刚度减少或消除,但随之而来的是由于接触力过小,导致系统丧失逼真度.因此,HIS稳定性研究的核心任务是探索在非解析表达复杂虚拟环境下的基于阻抗显示设备的HIS稳定性丧失的物理机理及其稳定合成算法.基于力觉交互系统(HIS)组成结构,假定操作者为系统的被动环节,将HIS稳定性问题分解为力觉交互设备和力觉合成算法等两部分,通过确定各自的验证任务和验证指标,实现问题解耦,方便HIS的设计和调试.在力觉设备稳定性研究方面,讨论了多自由力觉交互设备性能与系统稳定性的关系,建立了HIS控制参量与系统稳定性的关系模型,建立了提高系统稳定性的控制算法.研究发现,通过改变系统的物理参数和控制策略可以有效地提高力觉交互系统的稳定性.采用电流闭环控制策略(CCLC)和多更新率控制策略(MC)等两种方案提高了系统稳定性.CCLC是指在电机回路增加电流传感器,测量电机的实际电流,构成电流反馈；进而计算电机实际输出力矩,得到设备末端的实际输出力.MC是指在不增加上位机更新频率的前提下,在下位机微控制器上实现更高频率的插补运算,包括以更高的频率对设备末端的位置采样,以及对设备末端的输出力进行预估计算.控制器利用当前插补时刻的设备位姿,实时计算虚拟力增量,从而实现在两个连续上位机虚拟力的间隔内的高频率插补.基于自主开发的3自由度(3DOF)力觉交互设备实验平台,开展稳定性测定实验,证明了CCLC和MC的有效性.实验发现交互设备的最大可模拟虚拟刚度不仅与设备末端的位置有关,还与虚拟墙方向——虚拟力方向有关.通过实验测量得到了(3DOF)工作空间内不同点不同方向上可模拟最大刚度的分布.在力觉合成算法稳定性研究方面,基于动态单边约束的概念分析了复杂虚拟环境的力觉交互失稳机理,发现了制约系统稳定性的限制参量——等效接触刚度、动态单边约束的位置坐标变化梯度、动态单边约束的法线向量变化梯度,进而提出基于等效阻抗的稳定性处理算法.针对拥有大量数据的精细模型的力觉交互模拟,提出速度驱动的离散多层级模型力觉合成算法,离线建立物体层次模型,通过用户探查试验确定触发层次切换的速度阈值,并运用表面接触点层级映射改进碰撞检测算法,避免了模型层级切换时力信号的阶跃变化.基于等效阻抗的稳定性处理算法和离散多层级模型力觉合成算法在全口腔大数据量模型探诊中得到了验证.针对两种不同物理属性的组织的交界处交互时力觉交互设备的振动问题,提出适用于模糊边界的灰色区域法,在牙齿横切面的多组织探查和龋坏组织的探查中得到了应用.针对被操作物体拓扑结构的变化的力觉交互任务,采用了体素化建模方法,高效率地实现了材料去除和模型更新,并提出了适合于材料去除操作的虚拟匹配算法(Virtual Coupling Method),保证了拓扑结构变化时力觉模拟的稳定性,在牙体预备手术的牙齿钻削模拟中得到了验证.