力觉交互系统稳定性研究

Stabilitat des haptischen Interaktionssystems

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）觉合成和视觉一力觉融合再现技术》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j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。

Inhaltsangabe： Gefardert durch das Projekt Naturwissenschaftliche Stiftung＂Stabilitat des haptischen Interaktionssystems ftir zahnarztliche Chirurgie-Simulation＂, ＂Gewandte motorische Trainings-Methode aufgrund von bi-mode haptischer Interaktion ＂ und das Projekt von Nationales High-Tech- Entwicklungsprojekt Chinas（863-Projekt）＂Haptische Wiedergabe und visuelle-haptische Kollokation ftir die Hand-Auge koordinierende Manipulation＂, ftihren wir eine systematische Studie tiber die Stabilitat der haptischen Interaktion durch, einschlieBlich des grundlegenden Mechanismus, der zu einer Instabilitat ftihrt, die Methode for die Verbesserung der Genauigkeit der haptischen Interaktion und gleichzeitig die Aufrechterhaltung der Stabilitat und der Design-Methodik von haptischen Gerate und Haptik-Rendering- Algorithmen. Diese Studien zielen darauf ab, Hochleistung des zahn/irztlichen Trainingssystems zu entwickeln. Durch Experimente yon zahn/irztlicher Untersuchungssimulation, fanden wir heraus, dass die grolee Kontakt-Steifigkeit die Vibration des haptischen Ger/ites fuhrt. Ebenso wird die grobe Eingriffssteifigkeit die Vibration des haptischen Ger/ites ftihren, wenn wir die Operation yon zahn/irztlichen Entgraten und Bohren simulieren. Die oben genannten Vibrationen, die dutch groBe Steifigkeit verursacht sind, kOnnen reduziert oder durch Abnahme der Kontaktsteifigkeit beseitigt werden. Allerdings wird die Genauigkeit der haptischen Interaktion wegen der Gr613e der Anpresskraft reduziert, die sich /indert, wenn eine kleinere Steifigkeit verwendet wird. Daher ist das Hauptproblem far die Losung des Problems der Stabilit/it, den grundlegenden Mechanismus, der zu einer Instabilit/it ftihrt, zu erforschen und eine stabile haptische Steuerung und ein Rendering-Verfahren einzuftihren, und zur gleichen Zeit die Genauigkeit der haptischen Interaktion zu bewahren. Basierend auf der Analyse von Systemkomponenten, nahmen wir den menschliehen Betreiber als eine passive Komponente, und das Problem der Stabilitat war in zwei Komponenten entkoppelt： Stabilit/it des haptischen Get/its und die Stabilitat yon Haptik-Rendering-Algorithmen. Die Aufgabe des Mabstabs und Leistungsmagstab far die einzelnen Komponenten sind vorgegeben, damit das Design und Fehlerbeseitigung yon einem haptischen Interaktionssystems einfach umgesetzt werden kannen. Unter dem Aspekt des haptischen Ger/its diskutieren wir die Beziehung zwischen der Stabilit/it und der Leistung vom multi-degree-of-freedom haptischen Ger/it. Der Einfluss der Steuerparameter auf die Stabilitait wird analysiert, und wit stellen Steueralgorithmen vor, um die Stabilit/it zu verbessern. Aufgrund unserer Studie linden wir heraus, dass die Stabilit/it des haptischen Interaktionssystems durch die Vergnderung der physikalischen Parameter und der Steuerstrategie verbessert werden kbnnte. Wir demonstrieren Current Closed Loop Control und Multi-rate Control, um die Stabilit/it des haptischen Interaktionssystems zu verbessern. Das Prinzip yon Current Closed Loop Control ist es, aktuellen Sensor in den Steuerkreis des Motors hinzuzuftigen. Der Strom wird gemessen und das Feedback an den Motor auch, und damit die Differenz zwischen dem tats/ichlichen Drehmoment, was als Steuersignal zur Steuerung des Motors verwendet werden kann, wie wir erwarteten. Das Prinzip der Multi-Rate-Steuerung ist es, die Ausgangskraft des Motors mit einer hOheren Aktualisierungsrate bei der Steuerung des haptischen Gerats vorauszusagen, ohne dass hohe Aktualisierungsrate zwischen dem Computer und dem Controller gefordert ist. Die inkrementelle Ver/inderung des Feedbacks yon Kraft-Signal wird entsprechend der Position und Orientierungssignal des haptischen Ger/its interpoliert, damit hohe Aktualisierungsrate der Feedback-Kraft erreicht wird. Experimente aufgrund unserem haptischen Gerat （3 DOF） sind durchgefahrt. Ergebnisse der Experimente bestatigen die Wirksamkeit yon Current Closed Loop Control und yon der Methode von Multi- Rate-Control. Wit finden heraus, dass die maximale Steifigkeit yon einem haptischen Gergt nicht nur von der Position der Spitze des haptischen Gerats abh/ingig ist, sondern auch yon der Orientierung der virtuellen Wand, d. h. von der Richtung der virtuellen Feedback-Kraft. Wir messen die r/iumliche Verteilung der maximalen Steifigkeit entlang verschiedenen Richtungen an verschiedenen Standorten im gesamten Arbeitsbereich des haptischen Get/its. Unter dem Aspekt der Haptik-Rendering-Algorithmen entdecken wir den grundlegenden Mechanismus, der zu Instabilitat ftihrt, durch die Einfiihrung des Konzepts der dynamischen einseitigen Einschrgnkung auf das Modell von komplexen virtuellen Umgebungen. Wir entdecken mehrere Parameter, die Stabilitat bestimmen, einschlieBlich der gleichwertiger Kontaktsteifigkeit, der Steigung der Position der dynamischen einseitigen Einschrankung, und der Steigung des Normals der dynamischen einseitigen Einschr/inkung. Aufgrund dieser Ergebnisse stellen wit eine Stabilit/it-Algorithmus basierende/iquivalente Impedanz vor, um die Stabilitat yon Haptik-Rendering zu bewahren. Wir haben einer yon der Geschwindigkeit angetrieben diskreten Level-of-Detail-Haptik-Rendering-Algorithmus far komplexe Szenen vorgeschlagen, die einen Kompromiss zwischen Berechnungseffizienz und Berechnungsstabilitat erreichen kannen. Das hierarchische Modell der Objekte ist off line konstruiert, und die Geschwindigkeitsschwelle ist yon subjektiven Experimenten bestimmt. Ein Zeichnungsverfahren ist eingefahrt, um den Sprung yon der Anlaufstelle der Oberflfiche am Schalter der Objektsebenen zu vermeiden und damit die Vibration des Kraft-Signals zu vermeiden. Die vorgeschlagene biquivalente Impedanz basiert auf dem Stabilitat-Algorithmus und auf dem yon der Geschwindigkeit angetrieben diskreten Level-of-Detail-Haptik-Rendering-Algorithmus, was in unserem zahn/irztlichen Trainingssimulator validiert wurde. Eine graue Region Methode wurde eingeftihrt, um die Kontinuit/it der Kraftsignals zu gew/ihrleisten, wenn die Grenze zwischen verschiedenen Geweben, die unterschiedliche physikalische Eigenschaften besitzen, erkannt ist. Diese Methode ist verwendet worden, um die Erforschung des Querschnitts der Zahne und des Verfallsgewebe zu simulieren. Eine Volumen-basierte Material beseitigende Methode ist eingeftihrt, um die haptische Interaktion, die die Verfinderung der Topologie berticksichtig ist, wie ZahnBohren, zu simulieren. Die hoch effiziente Materialbeseitigung und die Aktualisierung des Modells sind realisiert. Die Stabilitat kann durch den Einbau yon der virtuellen Kupplung wtihrend der EchtzeitSimulation gehalten werden.