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.
在中國國傢自然科學基金資助項目《牙科手術模擬力覺交互繫統穩定性研究》和《基于雙模式力覺交互的靈巧動作技能訓練方法研究》,以及中國國傢高技術研究髮展計劃(863計劃)項目《麵嚮手眼協調操作的觸(力)覺閤成和視覺-力覺融閤再現技術》的共同支持下,以開髮高性能牙科手術模擬訓練繫統為目標,針對力覺交互設備控製過程中振動或譟聲所導緻的力覺感受穩定性喪失,圍繞探索複雜虛擬環境下的力覺交互繫統(HIS)失穩機理,基于力覺交互設備和力覺渲染算法,探索提高力覺交互繫統穩定性和逼真度的方法,提齣學術報告.通過模擬牙麵探查實驗,髮現用虛擬工具接觸牙齒錶麵時,若接觸剛度較大會導緻設備振動.通過模擬牙體預備實驗,髮現用虛擬工具切削牙齒時,大的接觸剛度也導緻設備振動.大剛度所引髮的設備振動,可以通過減小剛度減少或消除,但隨之而來的是由于接觸力過小,導緻繫統喪失逼真度.因此,HIS穩定性研究的覈心任務是探索在非解析錶達複雜虛擬環境下的基于阻抗顯示設備的HIS穩定性喪失的物理機理及其穩定閤成算法.基于力覺交互繫統(HIS)組成結構,假定操作者為繫統的被動環節,將HIS穩定性問題分解為力覺交互設備和力覺閤成算法等兩部分,通過確定各自的驗證任務和驗證指標,實現問題解耦,方便HIS的設計和調試.在力覺設備穩定性研究方麵,討論瞭多自由力覺交互設備性能與繫統穩定性的關繫,建立瞭HIS控製參量與繫統穩定性的關繫模型,建立瞭提高繫統穩定性的控製算法.研究髮現,通過改變繫統的物理參數和控製策略可以有效地提高力覺交互繫統的穩定性.採用電流閉環控製策略(CCLC)和多更新率控製策略(MC)等兩種方案提高瞭繫統穩定性.CCLC是指在電機迴路增加電流傳感器,測量電機的實際電流,構成電流反饋；進而計算電機實際輸齣力矩,得到設備末耑的實際輸齣力.MC是指在不增加上位機更新頻率的前提下,在下位機微控製器上實現更高頻率的插補運算,包括以更高的頻率對設備末耑的位置採樣,以及對設備末耑的輸齣力進行預估計算.控製器利用噹前插補時刻的設備位姿,實時計算虛擬力增量,從而實現在兩箇連續上位機虛擬力的間隔內的高頻率插補.基于自主開髮的3自由度(3DOF)力覺交互設備實驗平檯,開展穩定性測定實驗,證明瞭CCLC和MC的有效性.實驗髮現交互設備的最大可模擬虛擬剛度不僅與設備末耑的位置有關,還與虛擬牆方嚮——虛擬力方嚮有關.通過實驗測量得到瞭(3DOF)工作空間內不同點不同方嚮上可模擬最大剛度的分佈.在力覺閤成算法穩定性研究方麵,基于動態單邊約束的概唸分析瞭複雜虛擬環境的力覺交互失穩機理,髮現瞭製約繫統穩定性的限製參量——等效接觸剛度、動態單邊約束的位置坐標變化梯度、動態單邊約束的法線嚮量變化梯度,進而提齣基于等效阻抗的穩定性處理算法.針對擁有大量數據的精細模型的力覺交互模擬,提齣速度驅動的離散多層級模型力覺閤成算法,離線建立物體層次模型,通過用戶探查試驗確定觸髮層次切換的速度閾值,併運用錶麵接觸點層級映射改進踫撞檢測算法,避免瞭模型層級切換時力信號的階躍變化.基于等效阻抗的穩定性處理算法和離散多層級模型力覺閤成算法在全口腔大數據量模型探診中得到瞭驗證.針對兩種不同物理屬性的組織的交界處交互時力覺交互設備的振動問題,提齣適用于模糊邊界的灰色區域法,在牙齒橫切麵的多組織探查和齲壞組織的探查中得到瞭應用.針對被操作物體拓撲結構的變化的力覺交互任務,採用瞭體素化建模方法,高效率地實現瞭材料去除和模型更新,併提齣瞭適閤于材料去除操作的虛擬匹配算法(Virtual Coupling Method),保證瞭拓撲結構變化時力覺模擬的穩定性,在牙體預備手術的牙齒鑽削模擬中得到瞭驗證.
재중국국가자연과학기금자조항목《아과수술모의력각교호계통은정성연구》화《기우쌍모식력각교호적령교동작기능훈련방법연구》,이급중국국가고기술연구발전계화(863계화)항목《면향수안협조조작적촉(력)각합성화시각-력각융합재현기술》적공동지지하,이개발고성능아과수술모의훈련계통위목표,침대력각교호설비공제과정중진동혹조성소도치적력각감수은정성상실,위요탐색복잡허의배경하적력각교호계통(HIS)실은궤리,기우력각교호설비화력각선염산법,탐색제고력각교호계통은정성화핍진도적방법,제출학술보고.통과모의아면탐사실험,발현용허의공구접촉아치표면시,약접촉강도교대회도치설비진동.통과모의아체예비실험,발현용허의공구절삭아치시,대적접촉강도야도치설비진동.대강도소인발적설비진동,가이통과감소강도감소혹소제,단수지이래적시유우접촉력과소,도치계통상실핍진도.인차,HIS은정성연구적핵심임무시탐색재비해석표체복잡허의배경하적기우조항현시설비적HIS은정성상실적물리궤리급기은정합성산법.기우력각교호계통(HIS)조성결구,가정조작자위계통적피동배절,장HIS은정성문제분해위력각교호설비화력각합성산법등량부분,통과학정각자적험증임무화험증지표,실현문제해우,방편HIS적설계화조시.재력각설비은정성연구방면,토론료다자유력각교호설비성능여계통은정성적관계,건립료HIS공제삼량여계통은정성적관계모형,건립료제고계통은정성적공제산법.연구발현,통과개변계통적물리삼수화공제책략가이유효지제고력각교호계통적은정성.채용전류폐배공제책략(CCLC)화다경신솔공제책략(MC)등량충방안제고료계통은정성.CCLC시지재전궤회로증가전류전감기,측량전궤적실제전류,구성전류반궤；진이계산전궤실제수출력구,득도설비말단적실제수출력.MC시지재불증가상위궤경신빈솔적전제하,재하위궤미공제기상실현경고빈솔적삽보운산,포괄이경고적빈솔대설비말단적위치채양,이급대설비말단적수출력진행예고계산.공제기이용당전삽보시각적설비위자,실시계산허의력증량,종이실현재량개련속상위궤허의력적간격내적고빈솔삽보.기우자주개발적3자유도(3DOF)력각교호설비실험평태,개전은정성측정실험,증명료CCLC화MC적유효성.실험발현교호설비적최대가모의허의강도불부여설비말단적위치유관,환여허의장방향——허의력방향유관.통과실험측량득도료(3DOF)공작공간내불동점불동방향상가모의최대강도적분포.재력각합성산법은정성연구방면,기우동태단변약속적개념분석료복잡허의배경적력각교호실은궤리,발현료제약계통은정성적한제삼량——등효접촉강도、동태단변약속적위치좌표변화제도、동태단변약속적법선향량변화제도,진이제출기우등효조항적은정성처리산법.침대옹유대량수거적정세모형적력각교호모의,제출속도구동적리산다층급모형력각합성산법,리선건립물체층차모형,통과용호탐사시험학정촉발층차절환적속도역치,병운용표면접촉점층급영사개진팽당검측산법,피면료모형층급절환시력신호적계약변화.기우등효조항적은정성처리산법화리산다층급모형력각합성산법재전구강대수거량모형탐진중득도료험증.침대량충불동물리속성적조직적교계처교호시력각교호설비적진동문제,제출괄용우모호변계적회색구역법,재아치횡절면적다조직탐사화우배조직적탐사중득도료응용.침대피조작물체탁복결구적변화적력각교호임무,채용료체소화건모방법,고효솔지실현료재료거제화모형경신,병제출료괄합우재료거제조작적허의필배산법(Virtual Coupling Method),보증료탁복결구변화시력각모의적은정성,재아체예비수술적아치찬삭모의중득도료험증.
