[發明專利]一種主從導絲控制方法

有效

• 申請號: 202010521475.0
• 申請日: 2020-06-10
• 公開（公告）號: CN111797506B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 胡陟;張微;虞磊
• 申請（專利權）人: 上海工程技術大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G16H50/20;A61B34/00;A61B34/10;A61B34/37;G06F119/14
• 代理公司: 上海統攝知識產權代理事務所(普通合伙) 31303
• 代理人: 杜亞

1.一種主從導絲控制方法，為基于虛擬現實力觸覺渲染的主從導絲控制，通過力觸覺渲染在主手端進行力觸覺再現，操作者通過力觸覺信息控制從手端導絲運動，其特征是：力觸覺渲染模型為采用一維弧長坐標確定任意拉格朗日歐拉ALE導絲單元中接觸檢測點位置的基于任意拉格朗日歐拉ALE導絲-血管壁高效接觸檢測算法；

采用一維弧長坐標確定任意拉格朗日歐拉ALE導絲單元中接觸檢測點位置具體為：

a、建立一維弧長坐標：

所述一維弧長坐標是指沿血管管道方向建立的坐標，具體是：將血管的中心線作為弧長坐標軸，通過沿血管的中心線布置ALE網格節點并約束其在相應的截面內運動，將導絲在血管管道中的運動設為在網格節點在截面內的運動，沿血管管道方向建立的坐標即一維弧長坐標；

根據弧長坐標s來確定檢測點位于哪個管段內，滿足的條件為：

s₁≤s≤s₂；

其中s、s₁、s₂分別為接觸點以及兩個相鄰管道節點的弧長坐標；

b、計算接觸檢測點在血管軸線上投影點：

導絲網格節點P₁、P₂分別位于管道截面S₁、S₂內，其在血管中心線上的投影點是A₁、A₂；檢測點C₁位于單元P₁P₂內部，其在血管中心線對應的投影點為B₁；由于B₁和C₁連線與管道中軸線垂直，B₁的弧長坐標s滿足：

(R-r(s))·r′(s)＝0；

其中R為檢測點C₁的位置，r(s)為投影點B₁的位置，r'(s)為投影點B₁的切向量；

c、使用Newton-Raphson方法迭代求解：

設x、v分別為導絲的位置與速度，v∈R ³ⁿ，代表三維空間坐標系，F是導管的受力，上標k與k+1是時間刻度，則：

其中，x^k與v^k分別第k時刻的位置和速度，通過式(1)計算第k+1時刻導管的位置與速度x^k+1和v^k+1，β、γ為常數，且0≤β≤1,0≤γ≤1，△t為兩次迭代的時間差，a^k和a^k+1分別為第k時刻和第k+1時刻的加速度，a為加速度，由以下公式求解：

F(x^k+1,v^k+1)＝Ma^k+1 (2)；

式中，F(·)為碰撞力跟位置和速度的關系函數，M為導絲單元質量；

根據Newton-Raphson公式，可得：

將式(1)代入式(3)中，得到a^k+1、x^k+1和v^k+1的值，確定導絲位置，當其與血管中心線距離等于或超過血管半徑時即認為發生碰撞，進行接觸點檢測。

2.根據權利要求1所述的一種主從導絲控制方法，其特征在于，所述Newton-Raphson方法迭代求解時的s的初始值s₀通過插值得到，s₀＝(1-λ)s₁+λs₂，其中λ為點C₁在單元P₁P₂內的局部坐標。

3.根據權利要求1所述的一種主從導絲控制方法，其特征在于，所述基于任意拉格朗日歐拉ALE導絲-血管壁高效接觸檢測算法的導絲與血管的法向接觸力和滑動摩擦力的計算，基于非線性等效彈簧阻尼模型和庫倫摩擦模型；非線性等效彈簧阻尼模型方程為：

其中，F_N為法向接觸力，為導絲的微段法向接觸力，是彈簧接觸力，是邏輯函數，是非線性彈簧阻尼力，是侵徹深度，K為剛度系數，n為導絲微段，c_i是阻尼系數，為導絲穿透血管深度；

庫倫摩擦模型方程為：

其中，為導絲與血管之間每一個接觸節點上的滑動摩擦力，μ為摩擦系數；根據從端力觸覺測量數據，使用最小二乘法進行系統辨識，實時更新以上參數，進行力觸覺渲染模型參數修正。