医疗机器人及其控制方法技术

本发明专利技术提供一种医疗机器人及其控制方法，其通过操作者操作力与机器人操作力共同确定机器人末端的运动速度，在操作者操作机器人末端偏离了期望运动轨迹或是进入了危险程度高的区域时，机器人操作力便会产生以使机器人末端始终位于正确的轨迹及区域，该医疗机器人及其控制方法改变了现有技术中单纯的操作者‑机器人主从模式控制，让操作者与机器人有了信息交互，大大提高了医疗机器人操作的安全性与精确性。

【技术实现步骤摘要】
医疗机器人及其控制方法
本专利技术涉及医疗设备设计领域，尤其涉及一种医疗机器人及其控制方法。
技术介绍
脊柱外科是以手术为主要方式处理脊柱脊髓疾患的临床学科，其核心操作包括置钉和切削两大操作，置钉强调进钉点和角度。传统徒手置钉方式需要术者通过手术经验选择进钉点，依赖于空间感觉和术中透视判断进钉角度；切削包括截骨和对软组织的切除，操作时对神经的不当刺激或损伤极易引起术后神经功能的不可逆损伤。传统切削方式常使用骨凿、磨钻或咬骨钳，在过程中需在狭小的空间内严格控制操作范围，操作的安全依赖于术者的空间感觉、灵敏的手感和精细操作能力。据统计，由医师徒手置钉导致的神经损伤的发生率约为3-55％；在切削过程中损伤神经的发生率为3.2-12.8％。如何利用新技术提高手术的精度，减少徒手操作的限制或人为失误造成的损失，是目前精准医疗环境下脊柱外科研究的发展方向。为解决定位置钉操作的精度问题，以色列研发了SpineAssist系统，该系统是目前国际唯一通过FDA和CFDA认证的脊柱定位置钉机器人，其核心控制技术为并联机械臂的精确位置指令控制，安全策略为术中透视与术前CT配准的导航技术。该系统能在减少透视次数的同时显著提高置钉操作的效率和安全性，误差在1mm以内。韩国汉阳大学开发的SPINEBOT系统同样针对定位置钉操作，在控制模式上采用串联机械臂的位置指令控制，安全策略为红外线光学定位与术前CT配准的导航技术，其误差在1-2mm。同样采用红外线导航和采用串联机械臂的位置指令控制的脊柱置钉机器人还有瑞士的Neuroglide系统和积水潭医院的TiRobot系统。目前上市的脊柱手术机器人的手术目标为定位置钉操作，主要采用机器人关节的直接位置指令控制或采用主从遥操作控制方式。尽管这些机器人在位置信息层面都可以达到较高的精确度，但使用场景十分局限，无法满足临床切削操作对于机器人辅助的需求。切削操作中术者需要实时感知操作位置和力的变化，根据情况随时调整动作。单纯的指令位置控制与主从控制模式机器人虽可以达到较高位置精度，但在实际使用中直接丧失了手术操作力的信息交互，完全依赖于操作者操作的精确度。而手术系统受到配准误差，特别是解剖结构非完全固定造成运动的影响，难以满足切磨操作的安全性与精确性的要求。公开号为CN104470456A的中国专利公开了一种手术机器人系统，包括：手术工具，用于在被分隔成多个施术区域的手术部位中对每个施术区域实施手术；机械臂，安装有所述手术工具；驱动部，根据设定于所述手术工具所处的施术区域的风险级别，来调整所述机械臂的动作速度，并使所述机械臂进行动作；以及变更部，在对所述施术区域自动实施手术的自动模式和与施术者合作对所述施术区域实施手术的协作模式之间变更手术模式，其中，所述驱动部包括：驱动机构，当所述手术模式处于自动模式时，调整用于使所述机械臂动作的驱动速度；以及负载机构，当所述手术模式处于协作模式时，调整施术者在操作所述机械臂的过程中所承受的负载。该手术机器人系统通过对施术区域进行风险级别划分，利用驱动机构和负载机构来调整手术工具在不同风险级别区域中的速度大小，以降低出现医疗事故的风险。然而，在主从控制模式，即该专利所述的协作模式下，手术工具依然是完全根据施术者的操作来运动，只是针对不同风险级别区域设置了不同的负载大小，以改变手术工具响应于施术者操作的灵敏度，而无法改变或抵抗施术者的任何操作。因而，当施术者出现误操作时，该手术机器人系统只能从一定程度上减轻由该误操作引起的损伤，而无法从根本上避免此类误操作的发生。因此，需要一种尤其在主从控制模式下能对施术者的操作进行修正的医疗机器人。
技术实现思路
本专利技术提供一种医疗机器人及其控制方法，以提高医疗机器人操作的安全性与精确性。为了达到上述目的，本专利技术提供一种医疗机器人，其包括：操作者操作力获取单元，其用于得到操作者操作力；机器人操作力获取单元，其用于根据机器人末端所在区域的危险程度得到机器人操作力；控制模块，其用于通过所述操作者操作力和所述机器人操作力共同确定所述机器人末端的期望运动速度，并将所述运动速度的信息转换为控制指令；驱动模块；以及机器人末端；其中，所述驱动模块根据接收到的所述控制指令，驱动所述机器人末端运动。可选的，所述操作者操作力获取单元包括：多维力传感器，用于采集操作者的输入力；与所述力传感器通信连接的操作者操作力计算模块，用于依据机器人力映射模型将力传感器采集到的所述输入力转换为笛卡尔空间中的所述操作者操作力。可选的，所述操作者操作力获取单元包括：机器人关节力矩检测模块，用以检测所述机器人的关节力矩；与所述机器人关节力矩检测模块通信连接的操作者操作力计算模块，所述操作者操作力计算模块通过动力学解耦所述机器人的关节力矩，得到所述操作者操作力。进一步的，所述医疗机器人还包括滤波模块，其用于对所述操作者操作力进行滤波，以滤除操作者操作时的抖动。进一步的，所述机器人操作力获取单元包括：医疗对象模型生成模块，用以建立医疗对象模型，在所述医疗对象模型中按照危险程度划分不同区域；坐标匹配模块，获取所述机器人末端的坐标，将所述医疗对象模型与所述机器人末端的坐标相匹配，判断所述机器人末端所在的区域，区域约束策略模块，采用安全限制算法，根据所述机器人末端所在的区域的不同危险程度产生不同的约束策略，机器人操作力计算模块，结合坐标匹配模块和区域约束策略模块，得到对应的机器人操作力。可选的，所述医疗对象模型中按照危险程度的不同划分的区域包括：推荐运动区域、安全运动区域和禁止运动区域；所述约束策略包括：在所述推荐运动区域不产生机器人操作力；在所述安全运动区域产生与所述操作者操作力方向相反的阻尼力，降低机器人末端的运动速度；在所述禁止运动区域产生远离所述禁止运动区域的机器人操作力。可选的，所述医疗对象模型中按照危险程度的不同划分的区域包括危险区域和非危险区域；所述约束策略包括根据机器人末端与危险区域边界的距离，设置不同的力反馈比例参数。进一步的，所述控制模块根据所述操作者操作力和所述机器人操作力得到机器人末端在笛卡尔空间中的期望运动速度；将所述机器人末端在笛卡尔空间的期望运动速度通过雅克比变换得到机器人关节空间的期望运动速度；利用机器人线性化解耦控制对所述机器人关节空间的期望运动速度进行解耦，得到机器人关节的控制力矩，以完成对机器人的速度控制。进一步的，所述控制模块根据所述操作者操作力和所述机器人操作力得到所述机器人末端在笛卡尔空间中的期望运动速度公式为：其中，为操作者操作力，为机器人操作力，KV为机器人末端在笛卡尔空间中力和速度的比例变换系数，为机器人末端在笛卡尔空间中的期望运动速度，λ为由于超出限位产生的机器人操作力的缩放系数。进一步的，所述控制模块根据所述机器人末端在笛卡尔空间中的期望运动速度得到机器人关节空间的期望运动速度的公式为：其中，是当前构型下的逆雅克比，是机器人关节空间的期望运动速度。进一步的，所述控制模块利用机器人线性化解耦控制律对所述机器人关节空间的期望运动速度进行解耦，得到机器人关节的控制力矩，以完成对机器人的速度控制包括：建立完整的机器人控制模型；将所述机器人控制模型分为基于模型的控制部分和伺服偏差控制部分；将基于模型的控制部分产生的力矩与伺服偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种医疗机器人，其特征在于，包括：操作者操作力获取单元，其用于得到操作者操作力；机器人操作力获取单元，其用于根据机器人末端所在区域的危险程度得到机器人操作力；控制模块，其用于通过所述操作者操作力和所述机器人操作力共同确定所述机器人末端的期望运动速度，并将所述运动速度的信息转换为控制指令；驱动模块；以及机器人末端；其中，所述驱动模块根据接收到的所述控制指令，驱动所述机器人末端运动。

【技术特征摘要】
2017.06.09 CN 201710432983X1.一种医疗机器人，其特征在于，包括：操作者操作力获取单元，其用于得到操作者操作力；机器人操作力获取单元，其用于根据机器人末端所在区域的危险程度得到机器人操作力；控制模块，其用于通过所述操作者操作力和所述机器人操作力共同确定所述机器人末端的期望运动速度，并将所述运动速度的信息转换为控制指令；驱动模块；以及机器人末端；其中，所述驱动模块根据接收到的所述控制指令，驱动所述机器人末端运动。2.根据权利要求1所述的医疗机器人，其特征在于，所述操作者操作力获取单元包括：多维力传感器，用于采集操作者的输入力；与所述力传感器通信连接的操作者操作力计算模块，用于依据机器人力映射模型将力传感器采集到的所述输入力转换为笛卡尔空间中的所述操作者操作力。3.根据权利要求1所述的医疗机器人，其特征在于，所述操作者操作力获取单元包括：机器人关节力矩检测模块，用以检测所述机器人的关节力矩；与所述机器人关节力矩检测模块通信连接的操作者操作力计算模块，所述操作者操作力计算模块通过动力学解耦所述机器人的关节力矩，得到所述操作者操作力。4.根据权利要求1-3任一项所述的医疗机器人，其特征在于，还包括滤波模块，其用于对所述操作者操作力进行滤波，以滤除操作者操作时的抖动。5.根据权利要求1所述的医疗机器人，其特征在于，所述机器人操作力获取单元包括：医疗对象模型生成模块，用以建立医疗对象模型，在所述医疗对象模型中按照危险程度划分不同区域；坐标匹配模块，获取所述机器人末端的坐标，将所述医疗对象模型与所述机器人末端的坐标相匹配，判断所述机器人末端所在的区域，区域约束策略模块，采用安全限制算法，根据所述机器人末端所在的区域的不同危险程度产生不同的约束策略，机器人操作力计算模块，结合坐标匹配模块和区域约束策略模块，得到对应的机器人操作力。6.根据权利要求5所述的医疗机器人，其特征在于，所述医疗对象模型中按照危险程度的不同划分的区域包括：推荐运动区域、安全运动区域和禁止运动区域；所述约束策略包括：在所述推荐运动区域不产生机器人操作力；在所述安全运动区域产生与所述操作者操作力方向相反的阻尼力，降低机器人末端的运动速度；在所述禁止运动区域产生远离所述禁止运动区域的机器人操作力。7.根据权利要求5所述的医疗机器人，其特征在于，所述医疗对象模型中按照危险程度的不同划分的区域包括危险区域和非危险区域；所述约束策略包括根据机器人末端与危险区域边界的距离，设置不同的力反馈比例参数。8.根据权利要求1至7任一项所述的医疗机器人，其特征在于，所述控制模块根据所述操作者操作力和所述机器人操作力得到机器人末端在笛卡尔空间中的期望运动速度；将所述机器人末端在笛卡尔空间的期望运动速度通过雅克比变换得到机器人关节空间的期望运动速度；利用机器人线性化解耦控制律对所述机器人关节空间的期望运动速度进行解耦，得到机器人关节的控制力矩，以完成对机器人的速度控制。9.根据权利要求8所述的医疗机器人，其特征在于，所述控制模块根据所述操作者操作力和所述机器人操作力得到所述机器人末端在笛卡尔空间中的期望运动速度的公式为：其中，为操作者操作力，为机器人操作力，KV为机器人末端在笛卡尔空间中力和速度的...

【专利技术属性】
技术研发人员：师云雷，何超，王家寅，朱祥，袁帅，姜逸之，
申请(专利权)人：微创上海医疗机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31