用于提供大致上穩(wěn)定的觸覺的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種用于提供大致上穩(wěn)定的觸覺的系統(tǒng)包括至少一個計算機，其被配置來識別虛擬工具的觸覺互動幾何基元的第一子集和第二子集。所述計算機被配置來基于所述第一子集確定第一子空間中的觸覺力。所述計算機還被配置來基于所述第二子集確定不同于所述第一子空間的第二子空間中的觸覺力。
【專利說明】用于提供大致上穩(wěn)定的觸覺的系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明通常涉及觸覺領域。具體地說，本發(fā)明涉及一種用于在使用虛擬工具的系統(tǒng)中提供大致上穩(wěn)定的觸覺的系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002]除了別的之外，觸覺領域涉及將觸感和/或力反饋提供給用戶以實現(xiàn)期望的目標的人體互動裝置。觸感反饋可以包括給用戶提供觸感知覺(諸如，例如振動)。力反饋可以包括將不同形式的力(諸如針對移動的正向力或阻力)提供給用戶。
[0003]觸覺的常見用途將是給裝置的用戶提供針對那個裝置的操縱的引導或限制。例如，裝置可以是具有用于執(zhí)行指定功能的對象(諸如實體工具)的機器人系統(tǒng)?？梢栽趯嶓w工具的操縱期間通過觸覺的使用以將反饋提供給用戶來引導或限制用戶對實體工具的操縱。
[0004]經(jīng)常，通過使用計算機以創(chuàng)建有效地引導或限制實體工具的操縱的虛擬環(huán)境來提供這樣的引導。計算機可以在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建實體工具與虛擬工具(實體工具的虛擬表示)之間的關聯(lián)性。計算機還可以在虛擬環(huán)境內(nèi)建構(gòu)觸覺對象。觸覺對象可以提供用來引導或限制虛擬工具的移動的邊界。例如，當虛擬工具與觸覺對象的邊界互動時，觸感或力反饋可以提供給用戶。由虛擬工具與觸覺對象之間的互動形成的引導或限制為用戶對實體工具的操縱有效地提供引導或限制。
[0005]可以在計算機輔助外科手術系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)使用觸覺的這樣的機器人系統(tǒng)的特定實例。在這樣的系統(tǒng)中，實體工具(諸如切骨工具)可以與虛擬環(huán)境中的虛擬工具關聯(lián)。外科手術前計劃可以用于識別骨頭切除的區(qū)域，接著所述區(qū)域?qū)⒂糜谠谔摂M環(huán)境中創(chuàng)建觸覺對象。例如，觸覺對象可以表示骨頭切除區(qū)域的邊界。外科醫(yī)生將在虛擬工具與觸覺對象的邊界互動時接收觸感或力反饋。這個反饋可以根據(jù)外科醫(yī)生的手術前計劃輔助其將切骨工具維持于骨頭切除區(qū)域。
[0006]反饋基于虛擬工具與觸覺對象的互動產(chǎn)生。經(jīng)常針對觸覺建立的基本關系是線性彈性彈簧，其中由觸覺對象施加的接觸力可以由彈簧常數(shù)K和至觸覺對象的位位移ΛX定義，使得:
[0007]I =鬣凝
[0008]為了確定適當?shù)姆答?，計算機通常能夠確定虛擬工具與觸覺對象之間的互動。經(jīng)常通過識別將表示虛擬工具的位置的單個觸覺互動點(HIP)來確定這種互動。例如，只要觸覺對象與切除深度偏移達工具半徑，HIP就可以被定義為球形切割工具的中心。在這樣的情況下，計算機使用HIP與觸覺對象之間的關系來確定虛擬工具與觸覺對象的互動。
[0009]在某些情形下，單個HIP可能無法完全有效地用于確定虛擬工具與觸覺對象之間的互動。例如，不規(guī)則形狀的虛擬工具不能充分由單個HIP表示。由于虛擬工具的不規(guī)則形狀，單個HIP不能充分說明有關工具切割表面和/或工具旋轉(zhuǎn)的變化。在這種情況下，多個HIP可以沿著虛擬工具的輪廓定義。例如，如圖2中所示，三個HIP20 (點1、2和3)可以定義于虛擬工具10的外邊緣上以提供對虛擬工具與觸覺對象之間的互動的更好估計。
[0010]甚至多個HIP可能無法完全有效地用于確定虛擬工具與觸覺對象之間的互動。例如，因為沿著雙側(cè)約束(諸如平面或線)存在對抗力，所以傳統(tǒng)的多點觸覺力可能是不穩(wěn)定的。在圖2中所示的實例中，不規(guī)則形狀的虛擬工具10具有外HIP (點I和3)和內(nèi)HIP(點2)。外HIP處于對立關系，使得由所述外HIP (點I和3)與觸覺對象的邊界40的互動決定的觸覺力在相反方向上，導致圍繞觸覺平面的非期望振蕩。這種不穩(wěn)定行為可能歸因于測量噪聲、離散化誤差和接觸點之間的對抗力。
[0011]鑒于上述內(nèi)容，存在對為觸覺對象提供大致上穩(wěn)定的觸覺的系統(tǒng)和方法的需要，其將校正由諸如測量噪聲、離散化誤差和互動/接觸點之間的對抗力引起的非期望振蕩。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]根據(jù)本發(fā)明的方面，提供一種用于提供大致上穩(wěn)定的觸覺的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括至少一個計算機，所述計算機被配置來:識別虛擬工具的觸覺互動幾何基元的第一子集和第二子集；基于所述第一子集確定第一子空間中的觸覺力；且基于所述第二子集確定不同于所述第一子空間的第二子空間中的觸覺力。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于提供大致上穩(wěn)定的觸覺的方法。所述方法包括以下步驟:識別觸覺對象的觸覺互動幾何基元的第一子集和第二子集；通過至少一個計算機基于所述第一子集確定第一子空間的觸覺力；且通過至少一個計算機基于所述第二子集確定不同于所述第一子空間的第二子空間中的觸覺力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]并入本說明書中且構(gòu)成本說明書的一部分的附圖圖示本發(fā)明的實施方案并且與描述一起用于說明本發(fā)明的原理。
[0015]圖1是根據(jù)本發(fā)明的用于提供大致上穩(wěn)定的觸覺的系統(tǒng)的方框圖。
[0016]圖2示出了與觸覺對象的邊界互動的虛擬工具。
[0017]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的具有觸覺互動點的子集的虛擬工具。
[0018]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的具有觸覺互動弧段和點的虛擬工具。
[0019]圖5是根據(jù)本發(fā)明的用于提供大致上穩(wěn)定的觸覺的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0020]本發(fā)明的目前優(yōu)選的實施方案圖示于圖中。在全部圖中盡量使用相同或相似參考數(shù)字來指稱相同或相似部分。
[0021]鍵
[0022]本發(fā)明涉及一種用于提供大致上穩(wěn)定的觸覺的系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明，計算機可以用于識別虛擬工具的多個觸覺互動幾何基元(HIGP)。為了克服傳統(tǒng)系統(tǒng)中的一個或多個問題，本發(fā)明識別HIGP的子集并且確定子空間中對應于所述所述子集的觸覺力。接著所述所述觸覺力可以用于確定總觸覺互動力。
[0023]通常，子空間是在加法和標量乘法下封閉的一組向量。例如，在幾何學上，Rn的子空間可是通過原點的平面，即，坐落在η維中的低維(或等維)歐幾里得空間的副本。例如，在三維空間R3中，存在可以視作彼此不同(即使其可能重疊)的子空間類型，所述子空間包括，但不限于:
[0024](a) R3內(nèi)的線，其為R3的一維子空間；
[0025](b) R3內(nèi)的平面，其為R3的二維子空間；和
[0026](C)整個集合R3，其為自身的三維子空間。
[0027]在η維空間Rn中，存在從O至η的每一維的子空間。
[0028]用于提供大致上穩(wěn)定的觸覺的系統(tǒng)的實施方案
[0029]圖1是用于提供大致上穩(wěn)定的觸覺的計算機輔助系統(tǒng)100的實施方案的方框圖。系統(tǒng)包括計算機102，其與輸入單元104和顯示器108通信。
[0030]通常，計算機102可以被配置來基于虛擬工具，且優(yōu)選地，基于虛擬工具與觸覺對象之間的互動確定觸覺力。除了別的之外，計算機104可以被配置來:將實體工具與虛擬工具關聯(lián)；識別虛擬工具的HIGP ;創(chuàng)建觸覺對象；確定虛擬工具與觸覺對象之間的互動；確定要提供給用戶的反饋和/或控制提供給用戶的反饋。
[0031]計算機102可以是任何已知的計算系統(tǒng)，但是優(yōu)選地是可編程、基于處理器的系統(tǒng)。例如，計算機102可以包括微處理器、硬盤驅(qū)動器、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、輸入/輸出(I/O)電路和任何其它眾所周知的計算機組件。計算機102優(yōu)選地被調(diào)適用來搭配不同類型的存儲裝置(持久性和可卸除式)(諸如，例如，便攜式驅(qū)動器、磁存儲器(例如，軟盤)、固態(tài)存儲器 (例如，閃存卡)、光存儲器(例如，光盤或⑶)和/或網(wǎng)絡/因特網(wǎng)存儲器)使用。計算機102可以包括一個或多個計算機,所述計算機包括(例如)在Windows、MS-D0S、UNIX或其它適當?shù)牟僮飨到y(tǒng)下運行且優(yōu)選地包括圖形用戶界面(⑶I)的個人計算機(例如，IBM-PC兼容的計算機)或工作站(例如，SUN或硅谷圖形(“Silicon Graphics”)工作站)。
[0032]輸入單元104可使信息能傳達至包括計算機102的系統(tǒng)100。輸入單元104可以是用于信息(諸如虛擬工具的特征、觸覺對象的特征、實體工具的位置和/或?qū)嶓w工具正在作業(yè)或?qū)⒁鳂I(yè)的工件的位置)的通信的一個或多個裝置。
[0033]輸入單元104連接至計算機102且可以包括可實現(xiàn)至計算機的輸入的任何裝置。作為特定實例，輸入單元104可以包括已知輸入裝置，諸如鍵盤、鼠標、軌跡球、觸摸屏、觸摸板、語音辨識硬件、撥號盤、開關、按鈕、可追蹤探測器、腳踏板、遠程控制裝置、掃描器、相機、麥克風和/或操縱桿。輸入單元104還可以包括將數(shù)據(jù)提供至計算機102的外科手術導航設備。例如，輸入單元104可以包括用于追蹤外科手術工具和病人解剖位置的追蹤系統(tǒng)。追蹤系統(tǒng)可以是(例如)光、電磁、無線電、聲、機械或光纖追蹤系統(tǒng)。
[0034]顯示器108是系統(tǒng)100與用戶之間的視覺界面。顯示器108可使信息能從包括計算機102的系統(tǒng)100傳達給用戶。顯示器108可以是用于信息(諸如虛擬工具的特征、觸覺對象的特征和/或虛擬工具相對于觸覺對象的位置)的通信的一個或多個裝置。在一些實施方案中，顯示器108在虛擬環(huán)境中顯示虛擬工具和觸覺對象的圖形表示。
[0035]顯示器108連接至計算機102且可以是適于顯示文本、圖像、圖形和/或其它視覺輸出的任何裝置。例如，顯示器108可以包括標準顯示屏(例如，^:0、0?1\等離子等等)、觸摸屏、可佩戴顯示器(例如，眼睛佩戴物，諸如眼鏡或護目鏡)、投影顯示器、頭戴式顯示器、全息顯示器和/或任何其它視覺輸出裝置。顯示器108可以安置于計算機102上或其附近(例如，安裝于也包括計算機102的機箱內(nèi))或可以遠離計算機102 (例如，安裝于適于由用戶觀看的手術室的墻壁上或其它位置)。顯示器108可優(yōu)選地被調(diào)整，使得用戶可以在外科手術程序期間根據(jù)需要定位/重新定位顯示器108。例如，顯示器108可以安置于非常適合于便于用戶觀看的可調(diào)整臂(未示出)上或任何其它位置上。顯示器108可以用于顯示對醫(yī)療手術程序有用的任何信息，諸如，例如由使用傳統(tǒng)成像技術獲得的圖像數(shù)據(jù)集產(chǎn)生的解剖圖像、圖形模型(例如，植入物、儀器、解剖等等的CAD模型)、追蹤對象(例如，解剖、工具、植入物等等)的圖形表示、數(shù)字或視頻圖像、注冊信息、校準信息、病人數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、軟件菜單、選擇按鈕、狀態(tài)信息和類似信息。術語模型和表示可以可互換地用于指稱所關注組成物(例如，植入物、骨頭、組織等等)的任何計算機化顯示。
[0036]這個系統(tǒng)100可以用于基于虛擬工具確定觸覺力。優(yōu)選地，系統(tǒng)100基于虛擬工具與觸覺對象之間的互動確定觸覺力。具有基于虛擬工具確定觸覺力的組件的現(xiàn)有系統(tǒng)的特定配置示出于2009年I月8日公開且轉(zhuǎn)讓給MAKO Surgical公司的Quaid等人的美國專利申請公開案第2009/0012532A1號中，其全文以引用的方式并入本文中?，F(xiàn)有系統(tǒng)和其組件可以根據(jù)本發(fā)明進行修改所述使用。但是，本發(fā)明與現(xiàn)有系統(tǒng)的不同至少在于:本發(fā)明以并非現(xiàn)有系統(tǒng)所設想的新穎和有利的方式確定觸覺力。特定來說，本發(fā)明使用虛擬工具的多個HIGPdPJij HIGP的子集且確定子空間中對應于所述子集的觸覺力來確定虛擬工具與觸覺對象之間的互動。接著所述觸覺力可以用于確定總觸覺互動力。在以下實例中提供確定所述觸覺力的過程的更詳細說明。
[0037]具有觸覺互動幾何基元(HIGP)的虛擬工具
[0038]圖3和圖4示出了虛擬工具10的移動的有效區(qū)域的實例。虛擬工具10可以表示虛擬環(huán)境中的對象(例如，外科手術工具)。例如，虛擬工具10可以表示由用戶(例如，外科醫(yī)生)操縱實體工具以對病人執(zhí)行手術程序，諸如切割準備安裝植入物的骨頭的表面。隨著外科醫(yī)生操縱實體工具，虛擬工具10與觸覺對象(未示出)的互動可以通過提供約束實體工具的觸覺(觸感或力)反饋來引導或限制外科醫(yī)生。
[0039]如圖2、圖3和圖4中所示，虛擬工具10可以具有一個或多個觸覺互動幾何基元(HIGP)20。HIGP20可以對應于虛擬工具10上的位置(例如，虛擬工具10的尖端)。幾何基元可以是(例如)點、線、線段、平面、圓、橢圓形、三角形、多邊形或彎曲弧段的任何一個。例如，圖2和圖3示出了虛擬工具10，其中HIGP20是點?；蛘?，圖4示出了虛擬工具10，其中HIGP20是弧段和點。
[0040]計算機102可以確定虛擬環(huán)境中虛擬工具10的HIGP20與(若干)觸覺對象的一個或多個邊界的互動。例如，在圖2和圖4中示出了觸覺對象的邊界40。觸覺對象可以是預定義的邊界或組成部分的表示。例如，在計算機輔助系統(tǒng)100中，外科手術前計劃可以用于產(chǎn)生骨頭切除的區(qū)域，且觸覺對象可以用于約束虛擬工具10停留于對應于骨頭切除區(qū)域的邊界的觸覺對象的邊界40內(nèi)部。因此，產(chǎn)生觸覺合力來根據(jù)外科醫(yī)生的手術前計劃引導他/她。
[0041]如上文所述，當由多個HIGP20確定觸覺力時，對抗力可能引起不穩(wěn)定。如下文進一步詳細描述，對于給定的虛擬工具10，本發(fā)明的系統(tǒng)100被配置來通過識別HIGP的子集及確定子空間中對應于所述子集的觸覺力來提供大致上穩(wěn)定的觸覺。[0042]使用點作為HIGP的實施方案
[0043]參考圖2、圖3和圖5，現(xiàn)在將描述可由系統(tǒng)100執(zhí)行的用于提供大致上穩(wěn)定的觸覺的過程的實施方案。在這個實施方案中，虛擬工具10的HIGP20都是點。點形式的這些HIGP20將在本文中稱作觸覺互動點(HIP)。多個這些HIP20可以(例如)沿著虛擬工具10的外邊緣安置。如圖3中所示，HIP20可以沿著虛擬工具10的頂部邊緣定位。
[0044]在圖5的步驟210中，識別虛擬工具10的HIP20的子集。圖3示出了第一子集A和第二子集B。第一子集A優(yōu)選地包括多個HIP20。第二子集B優(yōu)選地只包括一個HIP20，但是其可以包括更多HIP20，。如圖3中所示，第二子集B的HIP20安置于第一子集A的HIP20之間。
[0045]在步驟220中，基于HIP20的第一子集A與觸覺對象的邊界40的互動確定觸覺力。在省略至少一個維度的第一子空間中確定觸覺力。優(yōu)選地，如圖3中所示，在三維坐標系R3中，在二維{x，y}中定義第一子空間C，其中省略第三維度{z}。來自子集A的HIP20的觸覺力可以映射至特殊歐幾里得群SE(3)的子空間C。可以使用類似于空間濾波器的投影矩陣將作用于子集A的HIP20的每個力映射至子空間C。例如，將三維空間R3中的力[fx，fy, fjτ映射為力[fx，fy, 0]T的投影矩陣可以描述為
【權利要求】
1.一種用于提供大致上穩(wěn)定的觸覺的系統(tǒng)，其包括: 至少一個計算機，其被配置來: 識別虛擬工具的觸覺互動幾何基元的第一子集和第二子集； 基于所述第一子集確定第一子空間中的觸覺力；且 基于所述第二子集確定不同于所述第一子空間的第二子空間中的觸覺力。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一子空間具有比所述第二子空間少至少一個的維度。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一子空間具有只比所述第二子空間少一個的維度。
4.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一子空間是三維空間R3的二維子空間，且所述第二子空間是三維空間R3的三維子空間。
5.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個計算機被配置，使得通過至少對所述第一子空間中的所述觸覺力和所述第二子空間中的所述觸覺力求和來確定總觸覺互動力。
6.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述觸覺互動幾何基元是點、線、線段、平面、圓、橢圓形、三角形、多邊形和彎曲弧段的至少一個。
7.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一子集包括多個觸覺互動點。
8.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述第二子集只包括一個觸覺互動點。
9.根據(jù)權利要求8所述的`系統(tǒng)，其中所述第二子集的所述觸覺互動點安置于所述第一子集的觸覺互動點之間。
10.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一子集構(gòu)成所述虛擬工具的非線性邊界。
11.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述觸覺互動幾何基元沿著所述虛擬工具的外邊緣安置。
12.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個計算機被配置來至少部分基于所述虛擬工具的方位確定力矩。
13.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述虛擬工具表示外科手術工具。
14.一種用于提供大致上穩(wěn)定的觸覺的方法，其包括: 識別虛擬工具的觸覺互動幾何基元的第一子集和第二子集； 通過至少一個計算機基于所述第一子集確定第一子空間中的觸覺力；且 通過至少一個計算機基于所述第二子集確定不同于所述第一子空間的第二子空間中的觸覺力。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述第一子空間具有比所述第二子空間少至少一個的維度。
16.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述第一子空間具有只比所述第二子空間少一個的維度。
17.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述第一子空間是三維空間R3的二維子空間，且所述第二子空間是三維空間R3的三維子空間。
18.根據(jù)權利要求14所述的方法，其進一步包括: 通過至少一個計算機，通過至少對所述第一子空間中的所述觸覺力和所述第二子空間中的所述觸覺力求和來確定總觸覺互動力。
19.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述觸覺互動幾何基元是點、線、線段、平面、圓、橢圓形、三角形、多邊形和彎曲弧段的至少一個。
20.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述第一子集包括多個觸覺互動點。
21.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述第二子集只包括一個觸覺互動點。
22.根據(jù)權利要求21所述的方法，其中所述第二子集的所述觸覺互動點安置于所述第一子集的觸覺互動點之間。
23.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述第一子集構(gòu)成所述虛擬工具的非線性邊界。
24.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述觸覺互動幾何基元沿著所述虛擬工具的外邊緣安置。
25.根據(jù)權利要求14所述的方法，其進一步包括: 至少部分基于所述虛擬工具的方位確定力矩。
26.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述虛擬工具表示外科手術工具。
【文檔編號】G06F3/01GK103620523SQ201180066535
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2011年12月23日 優(yōu)先權日:2010年12月29日
【發(fā)明者】C·A·萊特卡普, H·康 申請人:馬科外科公司