克里斯·格鲁jon (Chris Grujon)， TenAsys Corp.，俄勒冈州比弗顿
实时操作系统软件有助于为医疗机器人应用提供触觉
无论涉及多少个运动轴，无论运动是快还是慢，高端机器人应用程序都需要确定性。控制机器人的系统需要在任何时候都保持对机器的精确跟踪，同时向机器操作员提供准确的反馈。在医院的手术室里尤其如此，机器人现在开始处理复杂的危及生命的动作功能，比如插入导管。
这是一个双手触觉界面的例子，用于普通外科应用。礼貌的力量维度。
显示器屏幕上的视觉反馈有时不足以可靠地指导医疗机器人系统。一些新型外科机器人的一个特殊特性是，它们还为外科医生提供触觉反馈，以帮助协调动作。例如，加州山景城汉森医疗公司(Hansen Medical)提供的Sensei®机器人导管系统。Sensei系统使用一种触觉设备来精确控制导管尖端。
触觉设备是一种输入输出设备，它可以跟踪用户的物理操作，并提供逼真的触摸感觉。这有助于指导用户操作机器人运动系统。有了触觉技术提供的感官反馈，你就有能力触摸、感觉和操纵三维物体，或者在三维空间中“感觉”你的方式，防止运动进入可能造成伤害的区域——这使它适合于机器人手术应用。
它需要结合先进的技术，为人类操作员提供真实的体验。具体来说，触觉学涉及到三种技术:手动执行器和电机的机械布置，与电机连接的电子设备和响应反馈并驱动系统的软件。控制系统必须更新直流电机的位置，以每秒1000次的速度向操作人员提供反馈。如果电机位置更新得更慢，用户可能会感到轻微的振动，这不是控制系统的本意。瑞士尼昂的Force Dimension公司生产的触觉设备使用的是美国宇航局火星探测器使用的直流电动机。它们产生的运动非常平稳，惯性越小越好。
与触觉装置一起工作的应用软件会跟踪末端执行器的位置，并计算必须传回给用户的力，每毫秒完成一次计算。根据应用程序，触觉设备可以防止运动进入危险区域，或者它可以通过轻微振动模拟特征，提供纹理错觉。
在这个医疗机器人系统中，应用程序的实时和人为指导部分驻留在同一个计算平台上的不同操作系统上。这里，一个Quanser触觉设备模拟手术刀。
高级处理可以区分哪些力应该被过滤掉，哪些力应该通过触觉界面传递给操作员。例如，导管放置系统使用先进的处理方法，可以忽略机器人末端执行器上的一些不影响插入过程的摩擦阻力。
软件确保决定论
为了确保系统能够每毫秒可靠地更新触觉界面，它需要使用实时操作系统(RTOS)来管理关闭电机控制回路的软件。如果没有实时操作系统，头寸更新就无法在指定的时间内按期完成。例如，如果Windows操作系统控制触觉马达的位置更新，而当更新到期时，Windows将控制权交给非关键任务，那么运动中可能会出现故障。
力维提供了一个软件开发工具包，支持不同的计算机平台。其中一款是TenAsys Corp.推出的INtime for Windows RTOS系统，它可以与微软的Windows系统一起运行。
有了INtime，应用程序开发人员可以使用标准的Windows工具，这些工具与开发机器的图形用户界面和其他通用功能的工具是一样的，还有Force Dimension的触觉界面软件库，来构建他们的机器人控制系统。
模拟帮助发展
其他公司正在从学术角度进行先进的研究和开发。例如，安大略省马卡姆的Quanser公司。为教授机电一体化的实验室提供工程设备，并为oem的机器人研究提供先进的平台。为了开发新一代的机器人手术工具，Quanser与人体的3D虚拟模型进行交互，包括器官、腺体和组织细胞。当设计还停留在图形和概念层面时，模拟机器人应用程序的能力可以节省设计时间，并通过允许在机器人实际建造之前将不稳定条件从设计中排除，提高操作的安全性。一旦与图形模型交互的运动软件完善，就可以迅速转换为实际的软件代码来驱动机器人。
在Quanser的产品中，有一个叫做QUARC的控制软件包，这是一种设计工具，可用于快速转换机器人控制系统的数学模型，由MathWorks的Simulink实现，实时可执行控制程序。为了支持具有绝对确定性的触觉应用程序的实时执行，Quanser的QUARC控制环境也以TenAsys的INtime for Windows实时操作系统为核心。
结合Windows和实时控制
INtime允许在同一个计算平台上划分不同类型的应用软件，包括确定性的和非确定性的。该软件利用英特尔处理器内建的硬件支持来隔离Windows任务，这样它们就不会影响系统对实时事件的响应。与一些试图将实时功能作为设备驱动程序添加到Windows(通常是一个不可靠的进程)的软件不同，INtime是一个独立的软件环境，它有自己的任务调度程序，确保对时间关键任务的处理是可预测的准确。
许多不同类型的触觉设备是可用的。这一个，来自力维的Omega 3模型，可以在6个不同的轴上移动由人类操作员(x, y, z，加上俯仰，偏航，滚)。
在触觉控制机器人系统中，INtime控制系统中响应时间关键的I/O设备，同时允许Windows控制非实时关键的I/O。通过使实时和Windows应用程序在同一个平台上运行，INtime节省了系统成本和复杂性，而机器人系统则使用多个独立的计算平台，并将它们联网在一起，以确保人机界面处理不会影响实时事件的确定性处理。
当系统的实时环境需要将信息传递给Windows环境时，它是通过受保护的共享内存位置来实现的，多核处理器平台的用户可以通过配置软件在他们自己的核心上运行实时进程，而不是在运行Windows的核心上运行，从而获得性能提升。
触觉技术有望给包括精确运动控制在内的许多领域带来革命性的变化，而不仅仅是医疗电子产品。关键是要用一个可靠的实时操作系统来控制系统，既能满足应用程序的性能目标，又能与系统的其他人为指导的软件很好地配合。
TenAsys集团。
www.tenasys.com
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