手术机器人系统以及机械臂的运动控制方法技术方案

本发明专利技术提供一种手术机器人系统以及机械臂的运动控制方法。所述手术机器人系统包括控制模块，具有至少五个自由度的机械臂，以及设于机械臂末端的手术器械，所述机械臂至少包括五个关节，三个关节用于控制手术器械末端的位置，另两个关节用于控制手术器械通过主动不动点；所述控制模块用于根据预设的期望位置和主动不动点的位置获得手术器械的期望姿态，并根据机械臂逆运动学模型计算得到机械臂各个关节的期望绝对状态参数，进而用于根据机械臂各个关节的期望绝对状态参数，控制机械臂驱动手术器械通过主动不动点，并且手术器械末端运动至期望位置。以此从算法上实现了机械臂末端的不动点约束，简化了机械臂的结构，提高了机械臂各关节的配合能力。

Operation robot system and the motion control method of manipulator

【技术实现步骤摘要】
手术机器人系统以及机械臂的运动控制方法
本专利技术涉及医疗器械
，特别涉及一种手术机器人系统以及机械臂的运动控制方法。
技术介绍
手术机器人凭借优越的性能、高精度的控制、直观的手术图像和良好的术后恢复等优势，越来越受到人们的关注，其使用范围也越来越大，关节手术机器人便是其中一种。在关节手术中(包括膝关节和髋关节的修复或置换手术)，需要对关节骨骼进行研磨和钻孔等操作，需要对手术器械进行精确控制，保证对关节骨骼修整的准确性，因此对手术执行者要求较高。以MAKOplasty为代表的关节手术机器人，以其准确的控制和定位精度、边界保护等功能，大大提高了关节手术操作精度、手术效率和术后恢复效果。然而，专利技术人发现，当前关节机器人主要为辅助操作模式，在手术过程中末端器械的位置和姿态主要由医生控制，机器人辅助保证精度和安全，即，在此模式下，由操作者直接用手控制手术器械，同时由机器人提供辅助协调控制，实现末端器械的精确定位，并对相应组织进行修整。因此，有必要开发一种能够实现全自动操作的手术机器人系统，其能够在有限的操作空间下，自动精确地确定末端器械的期望位置和姿态。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种手术机器人系统以及机械臂的运动控制方法，用于通过控制模块确定末端器械的期望姿态，以此降低硬件配置和机械构件的成本，同时提高手术操作的灵活性，并还可方便地调整主动不动点的位置，以此使手术机器人适应不同的手术需要，扩展机械臂的工作能力。因此，根据本专利技术的一个方面，提出一种手术机器人系统，其包括控制模块，具有至少五个自由度的机械臂，以及挂载于机械臂末端的手术器械，所述机械臂至少包括五个关节；其中：所述机械臂用于驱动所述手术器械围绕一主动不动点运动，所述机械臂的三个关节用于控制手术器械末端的位置，所述机械臂的另外两个关节用于控制所述手术器械通过所述主动不动点；所述控制模块用于根据预设的期望位置和所述主动不动点的位置获得所述手术器械的期望姿态，并根据机械臂逆运动学模型计算得到机械臂各个关节的期望绝对状态参数；进而所述控制模块用于根据机械臂各个关节的期望绝对状态参数，控制所述机械臂驱动所述手术器械通过所述主动不动点，并且手术器械末端运动至期望位置。此外，根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种机械臂的运动控制方法，该机械臂至少具有五个自由度并至少包括五个关节，所述机械臂的三个关节用于控制手术器械末端的位置，所述机械臂的另外两个关节用于控制所述手术器械通过所述主动不动点，所述运动控制方法包括：将一手术器械挂载于所述机械臂的末端；一控制模块根据预设的期望位置和一主动不动点的位置获得所述手术器械的期望姿态，并根据机械臂逆运动学模型计算得到机械臂各个关节的期望绝对状态参数；所述控制模块根据机械臂各个关节的期望绝对状态参数，控制机械臂驱动所述手术器械通过所述主动不动点，并且手术器械末端运动至期望位置。进一步地，所述手术器械的期望姿态包括手术器械之期望坐标系的Z轴的期望姿态；所述手术器械之期望坐标系的Z轴的期望姿态的计算如下：其中：nte为手术器械的期望坐标系的Z轴的期望姿态在机械臂基坐标系下的表示；Pto为手术器械末端的期望位置在机械臂基坐标系下的表示；Pfo为主动不动点的位置在机械臂基坐标系下的表示。进一步地，所述手术器械的期望姿态还包括任取的一手术器械之期望坐标系的Y轴的期望姿态，以及手术器械之期望坐标系的X轴的期望姿态，所述手术器械之期望坐标系的X轴的期望姿态根据右手定则、Y轴的期望姿态以及Z轴的期望姿态获得；或者，所述手术器械的期望姿态还包括手术器械之期望坐标系的Y轴的期望姿态，以及任取的一手术器械之期望坐标系的X轴的期望姿态，所述手术器械之期望坐标系的Y轴的期望姿态根据右手定则、X轴的期望姿态以及Z轴的期望姿态获得。进一步地，所述手术器械之期望坐标系的Y轴的期望姿态为：pte＝nte×rtc所述手术器械之期望坐标系的X轴的期望姿态为:rte＝pte×nte其中：pte为手术器械之期望坐标系的Y轴的期望姿态在机械臂基坐标系下的表示；rtc为手术器械的坐标系的X轴的当前姿态在机械臂基坐标系下的表示；rte为手术器械之期望坐标系的X轴的期望姿态在机械臂基坐标系下的表示。进一步地，所述机械臂还包括用于测量关节绝对状态参数的位置传感器，所述位置传感器与所述控制模块通信连接；所述机械臂末端和/或手术器械上设有至少一不动点标志位；当所述不动点标志位与所述主动不动点重合时，所述控制模块通过所述位置传感器获取机械臂各个关节的绝对状态参数，进而根据机械臂正运动学模型计算得到所述主动不动点的位置。进一步地，所述主动不动点的位置在机械臂基坐标系下的表示如下：Pf＝bT1×1T2×2T3×…×n-1Tn×nPf其中:Pf为主动不动点的位置在机械臂基坐标系下的表示；n-1Tn为关节n-1坐标系到关节n坐标系的转换矩阵；n为关节数量；nPf为主动不动点的位置在关节n坐标系下的表示；bT1为关节1坐标系到机械臂基坐标系的转换矩阵。进一步地，所述手术机器人系统还包括规划模块，与所述控制模块通信连接；所述规划模块用于提供由多个位置点组成的手术路径，所述控制模块用于控制所述手术器械末端沿所述手术路径运动至期望位置。进一步地，所述控制模块先判断所述手术器械末端的当前位置点与期望位置点之间的距离是否超过预设的距离限值；若超过，则所述控制模块在所述手术器械末端的当前位置点与期望位置点之间设置多个中间轨迹点，所述中间轨迹点之间的距离不大于预设的距离限值，然后，所述控制模块控制所述手术器械末端依次经过多个所述中间轨迹点，到达期望位置点；若未超过，则所述控制模块直接控制所述手术器械末端运动至期望位置点。进一步地，所述控制模块根据手术器械末端的当前位置点与期望位置点通过插值获得所述中间轨迹点的位置。进一步地，所述中间轨迹点的位置的计算如下：Ptk＝Ptc+k(Pte-Ptc)/m其中：Ptk为中间轨迹点的位置；Ptc为手术器械末端的当前位置；Pte为手术器械末端的期望位置；m为中间轨迹点的个数，k＝1,2，…，m-1。进一步地，所述控制模块根据手术器械末端的期望的笛卡尔速度，通过雅可比矩阵的逆矩阵，获得所述机械臂各个关节的期望速度；进而所述控制模块根据机械臂各个关节的期望绝对状态参数和期望速度，控制机械臂驱动所述手术器械通过所述主动不动点，并且手术器械末端运动至期望位置。进一步地，所述期望绝对状态参数为转动关节的绝对转动角度，或移动关节的绝对位移。进一步地，所述手术机器人系统还包括模式选择模块，用于选择性地使手术机器人系统处于多种工作模式中的一种，且多种工作模式中至少包括自动控制模式，在所述自动控制模式下，所述机械臂驱动手术器械受到主动不动点约束或其他姿态条件约束。本专利技术提供的手术机器人系统以及机械臂的运动控制方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种手术机器人系统，包括控制模块，具有至少五个自由度的机械臂，以及挂载于机械臂末端的手术器械，所述机械臂至少包括五个关节；其中，/n所述机械臂用于驱动所述手术器械围绕一主动不动点运动，所述机械臂的三个关节用于控制手术器械末端的位置，所述机械臂的另外两个关节用于控制所述手术器械通过所述主动不动点；/n所述控制模块用于根据预设的期望位置和所述主动不动点的位置获得所述手术器械的期望姿态，并根据机械臂逆运动学模型计算得到机械臂各个关节的期望绝对状态参数；进而所述控制模块用于根据机械臂各个关节的期望绝对状态参数，控制所述机械臂驱动所述手术器械通过所述主动不动点，并且手术器械末端运动至期望位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种手术机器人系统，包括控制模块，具有至少五个自由度的机械臂，以及挂载于机械臂末端的手术器械，所述机械臂至少包括五个关节；其中，
所述机械臂用于驱动所述手术器械围绕一主动不动点运动，所述机械臂的三个关节用于控制手术器械末端的位置，所述机械臂的另外两个关节用于控制所述手术器械通过所述主动不动点；
所述控制模块用于根据预设的期望位置和所述主动不动点的位置获得所述手术器械的期望姿态，并根据机械臂逆运动学模型计算得到机械臂各个关节的期望绝对状态参数；进而所述控制模块用于根据机械臂各个关节的期望绝对状态参数，控制所述机械臂驱动所述手术器械通过所述主动不动点，并且手术器械末端运动至期望位置。


2.根据权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，所述手术器械的期望姿态包括手术器械之期望坐标系的Z轴的期望姿态；所述手术器械之期望坐标系的Z轴的期望姿态的计算如下：



其中：nte为手术器械的期望坐标系的Z轴的期望姿态在机械臂基坐标系下的表示；Pto为手术器械末端的期望位置在机械臂基坐标系下的表示；Pfo为主动不动点的位置在机械臂基坐标系下的表示。


3.根据权利要求2所述的手术机器人系统，其特征在于，所述手术器械的期望姿态还包括任取的一手术器械之期望坐标系的Y轴的期望姿态，以及手术器械之期望坐标系的X轴的期望姿态，所述手术器械之期望坐标系的X轴的期望姿态根据右手定则、Y轴的期望姿态以及Z轴的期望姿态获得；或者，
所述手术器械的期望姿态还包括手术器械之期望坐标系的Y轴的期望姿态，以及任取的一手术器械之期望坐标系的X轴的期望姿态，所述手术器械之期望坐标系的Y轴的期望姿态根据右手定则、X轴的期望姿态以及Z轴的期望姿态获得。


4.根据权利要求3所述的手术机器人系统，其特征在于，所述手术器械之期望坐标系的Y轴的期望姿态为：
pte＝nte×rtc
所述手术器械之期望坐标系的X轴的期望姿态为:
rte＝pte×nte
其中：pte为手术器械之期望坐标系的Y轴的期望姿态在机械臂基坐标系下的表示；rtc为手术器械的坐标系的X轴的当前姿态在机械臂基坐标系下的表示；rte为手术器械之期望坐标系的X轴的期望姿态在机械臂基坐标系下的表示。


5.根据权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，所述机械臂还包括用于测量关节绝对状态参数的位置传感器，所述位置传感器与所述控制模块通信连接；
所述机械臂末端和/或手术器械上设有至少一不动点标志位；
当所述不动点标志位与所述主动不动点重合时，所述控制模块通过所述位置传感器获取机械臂各个关节的绝对状态参数，进而根据机械臂正运动学模型计算得到所述主动不动点的位置。


6.根据权利要求5所述的手术机器人系统，其特征在于，所述主动不动点的位置在机械臂基坐标系下的表示如下：
Pf＝bT1×1T2×2T3×…×n-1Tn×nPf
其中:Pf为主动不动点的位置在机械臂基坐标系下的表示；n-1Tn为关节n-1坐标系到关节n坐标系的转换矩阵；n为关节数量；nPf为主动不动点的位置在关节n坐标系下的表示；bT1为关节1坐标系到机械臂基坐标系的转换矩阵。


7.根据权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，还包括规划模块，与所述控制模块通信连接；所述规划模块用于提供由多个位置点组成的手术路径，所述控制模块用于控制所述手术器械末端沿所述手术路径运动至期望位置。


8.根据权利要求7所述的手术机器人系统，其特征在于，所述控制模块先判断所述手术器械末端的当前位置点与期望位置点之间的距离是否超过预设的距离限值；
若超过，则所述控制模块在所述手术器械末端的当前位置点与期望位置点之间设置多个中间轨迹点，所述中间轨迹点之间的距离不大于预设的距离限值，然后，所述控制模块控制所述手术器械末端依次经过多个所述中间轨迹点，到达期望位置点；
若未超过，则所述控制模块直接控制所述手术器械末端运动至期望位置点。


9.根据权利要求8所述的手术机器人系统，其特征在于，所述控制模块根据手术器械末端的当前位置点与期望位置点通过插值获得所述中间轨迹点的位置。


10.根据权利要求9所述的手术机器人系统，其特征在于，所述中间轨迹点的位置的计算如下：
Ptk＝Ptc+k(Pte-Ptc)/m
其中：Ptk为中间轨迹点的位置；Ptc为手术器械末端的当前位置；Pte为手术器械末端的期望位置；m为中间轨迹点的个数，k＝1,2，…，m-1。


11.根据权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪飞箭，王家寅，何超，
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