手术机器人、控制方法、系统及可读存储介质技术方案

本发明专利技术提供一种手术机器人、控制方法、系统及可读存储介质，所述手术机器人包括一操纵末端，手术机器人的控制方法包括：依据手术对象的边缘信息设定安全区及位于所述安全区之外的警戒边界；基于操纵末端的当前位姿与警戒边界的距离函数，结合所述操纵末端所反馈的第一反馈信息和基于外部环境力所产生的第二反馈信息，补偿所述手术机器人向所述操纵末端施加的驱动信息，以使所述操纵末端在超出所述安全区的范围后，减少、消除或限制所述外部环境力对所述操纵末端的驱动影响。力对所述操纵末端的驱动影响。力对所述操纵末端的驱动影响。

【技术实现步骤摘要】
手术机器人、控制方法、系统及可读存储介质


[0001]本专利技术涉及机器人辅助手术系统和方法领域，特别涉及一种手术机器人、控制方法、系统及可读存储介质。

技术介绍

[0002]骨科手术机器人可以有效减少软组织和骨组织的损伤，患者出血少，创伤小，更有利于患者的术后的膝关节的康复。但是，一般的机器人手术过程中仍靠医生把控截骨范围，不同医生的手术结果各不相同，使得患者的手术效果各不相同，甚至可能有术中误操作的发生，使得过多截掉患者的软组织及骨组织。
[0003]因此，需要对骨科手术机器人的截骨边界进行限制，以有效的限制机器人在边界范围内运动。尽管已有设计方案来限制机器人的运动边界，但是此类方案需要得到触觉设备的精确的动力学模型，对于机构较为复杂的手术机器人实现难度较大，特别是当有摩擦力等非线性因素影响时，容易让医生误判。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种手术机器人、控制方法、系统及可读存储介质，以解决现有的手术机器人的边界控制不易、不准确，易误操作的问题。
[0005]为解决上述技术问题，根据本专利技术的第一个方面，提供了一种手术机器人的控制方法，所述手术机器人包括一操纵末端，所述手术机器人的控制方法包括：
[0006]依据手术对象的边缘信息设定安全区及位于所述安全区之外的警戒边界；
[0007]基于操纵末端的当前位姿与警戒边界的距离函数，结合所述操纵末端所反馈的第一反馈信息和基于外部环境力所产生的第二反馈信息，补偿所述手术机器人向所述操纵末端施加的驱动信息，以使所述操纵末端在超出所述安全区的范围后，减少、消除或限制所述外部环境力对所述操纵末端的驱动影响。
[0008]可选的，所述第一反馈信息包括所述操纵末端的关节的指令位姿信息，所述第二反馈信息包括由所述外部环境力对所述操纵末端的关节产生的力矩信息。
[0009]可选的，补偿所述手术机器人向所述操纵末端施加的驱动信息的步骤包括：
[0010]根据所述指令位姿信息Xd通过运动学反解得到所述操纵末端的关节的指令角度θ；
[0011]将所述指令角度θ作为动力学计算的输入，计算得到理论输出力矩Fs；
[0012]将所述指令角度θ作为位姿控制器的输入，计算得到所述操纵末端的关节从当前位姿运动到指令位姿所需的力矩；
[0013]根据力传感器在所述外部环境力作用下感应的等效力矩F、重力补偿及摩擦力补偿力矩N以及所述理论输出力矩Fs，计算得到所述外部环境力力矩Fc；
[0014]将所述外部环境力Fc补偿到所述操纵末端的关节从当前位姿运动到指令位姿所需的力矩中，得到所述驱动信息。
[0015]可选的，所述外部环境力包括：手术对象对所述操纵末端产生的阻力力矩Fa、以及操作者对所述操纵末端施加的牵引力力矩f；所述等效力矩F满足：F＝ Fs+N+Fa+f；所述外部环境力力矩Fc满足：Fc＝F-Fs-N。
[0016]可选的，所述位姿控制器的计算步骤包括：
[0017]根据所述操纵末端的关节的指令位姿和当前位姿、以及指令速度与当前速度，计算得到所述操纵末端的关节从当前位姿运动到指令位姿所需的力矩。
[0018]可选的，所述指令速度由指令位姿差分计算得到。
[0019]可选的，所述第一反馈信息包括所述操纵末端的关节的指令位姿信息，所述第一反馈信息包括由所述外部环境力对所述操纵末端的关节的阻抗控制模型。
[0020]可选的，补偿所述手术机器人向所述操纵末端施加的驱动信息的步骤包括：
[0021]根据所述指令位姿信息Xd通过运动学反解得到所述操纵末端的关节的指令角度θ；
[0022]将所述指令角度θ作为动力学计算的输入，计算得到理论输出力矩Fs；
[0023]基于所述操纵末端的当前位姿与指令位姿之间的位姿差、以及所述操纵末端的当前速度与指令速度之间的速度差，根据所述阻抗控制模型，计算得到笛卡尔空间下的第一力矩；
[0024]将所述第一力矩根据当前关节角度下的雅可比矩阵的转置换算到各个关节受到的第二力矩；
[0025]将对应的摩擦力前馈f补偿到所述操纵末端的各个关节上，得到各个关节的第三力矩；
[0026]基于所述理论输出力矩Fs、第三力矩以及第二力矩得到所述驱动信息。
[0027]可选的，所述阻抗控制模型的输入包括以下步骤：
[0028]根据力传感器在所述外部环境力作用下输出的等效力矩F，根据导纳控制计算得到关节对应的位姿变化量；
[0029]基于所述位姿变化量，通过运动学正解计算得到所述操纵末端的实际位姿与指令位姿之间的位姿差；
[0030]将所述位姿差作为所述阻抗控制模型的输入。
[0031]可选的，所述操纵末端包括机械臂和/或操纵器，所述第一反馈信息包括所述机械臂和/或所述操纵器的关节的指令位姿信息，所述操纵器用于固定并引导手术器械进行手术操作。
[0032]为解决上述技术问题，根据本专利技术的第二个方面，还提供了一种可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现如上所述的手术机器人的控制方法。
[0033]为解决上述技术问题，根据本专利技术的第三个方面，还提供了一种手术机器人，其包括操纵末端，所述操纵末端包括机械臂和/或用于引导手术器械进行手术操作的操纵器，所述操纵末端利用如上所述的手术机器人的控制方法进行控制。
[0034]为解决上述技术问题，根据本专利技术的第四个方面，还提供了一种手术机器人系统，其包括控制装置、导航装置以及操纵末端，所述导航装置用于跟踪所述操纵末端的当前位姿并将位姿信息反馈给所述控制装置，所述控制装置用于根据如上所述的方法控制所述操纵末端。
[0035]可选的，所述操纵末端包括机械臂以及用于引导手术器械进行手术操作的操纵器，所述操纵器具有多个自由度，所述第一反馈信息包括所述机械臂和/或所述操纵器的关节的指令位姿信息。
[0036]综上所述，在本专利技术提供的手术机器人、控制方法、系统及可读存储介质中，所述手术机器人包括一操纵末端，所述手术机器人的控制方法包括：依据手术对象的边缘信息设定安全区及位于所述安全区之外的警戒边界；基于操纵末端的当前位姿与警戒边界的距离函数，结合所述操纵末端所反馈的第一反馈信息和基于外部环境力所产生的第二反馈信息，补偿所述手术机器人向所述操纵末端施加的驱动信息，以使所述操纵末端在超出所述安全区的范围后，减少、消除或限制所述外部环境力对所述操纵末端的驱动影响。
[0037]如此配置，通过将第一反馈信息和第二反馈信息补偿到向所述操纵末端施加的驱动信息中，实现将外部环境力反向补偿到驱动关节上，从而实现了边界控制，可以让外部环境力尽可能少的作用到患者上，当操纵末端在超出所述安全区的范围后，则驱动机械臂关节所需的额外驱动力矩越大，所需外部环境力越大，实现避免操作者误操作的效果。
附图说明
[0038]本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本专利技术，而不对本专利技术的范围构成任何限定。其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种手术机器人的控制方法，所述手术机器人包括一操纵末端，其特征在于，所述手术机器人的控制方法包括：依据手术对象的边缘信息设定安全区及位于所述安全区之外的警戒边界；基于操纵末端的当前位姿与警戒边界的距离函数，结合所述操纵末端所反馈的第一反馈信息和基于外部环境力所产生的第二反馈信息，补偿所述手术机器人向所述操纵末端施加的驱动信息，以使所述操纵末端在超出所述安全区的范围后，减少、消除或限制所述外部环境力对所述操纵末端的驱动影响。2.根据权利要求1所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，所述第一反馈信息包括所述操纵末端的关节的指令位姿信息，所述第二反馈信息包括由所述外部环境力对所述操纵末端的关节产生的力矩信息。3.根据权利要求2所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，补偿所述手术机器人向所述操纵末端施加的驱动信息的步骤包括：根据所述指令位姿信息Xd通过运动学反解得到所述操纵末端的关节的指令角度θ；将所述指令角度θ作为动力学计算的输入，计算得到理论输出力矩Fs；将所述指令角度θ作为位姿控制器的输入，计算得到所述操纵末端的关节从当前位姿运动到指令位姿所需的力矩；根据力传感器在所述外部环境力作用下感应的等效力矩F、重力补偿及摩擦力补偿力矩N以及所述理论输出力矩Fs，计算得到所述外部环境力力矩Fc；将所述外部环境力力矩Fc补偿到所述操纵末端的关节从当前位姿运动到指令位姿所需的力矩中，得到所述驱动信息。4.根据权利要求3所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，所述外部环境力包括：手术对象对所述操纵末端产生的阻力力矩Fa、以及操作者对所述操纵末端施加的牵引力力矩f；所述等效力矩F满足：F＝Fs+N+Fa+f；所述外部环境力力矩Fc满足：Fc＝F-Fs-N。5.根据权利要求3所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，所述位姿控制器的计算步骤包括：根据所述操纵末端的关节的指令位姿和当前位姿、以及指令速度与当前速度，计算得到所述操纵末端的关节从当前位姿运动到指令位姿所需的力矩。6.根据权利要求5所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，所述指令速度由指令位姿差分计算得到。7.根据权利要求1所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，所述第一反馈信息包括所述操纵末端的关节的指令位姿信息，所述第一反馈信息包括由所述外部环境力对所述操纵末端的关节的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨君娟，葛银明，何超，李涛，彭维礼，
申请(专利权)人：苏州微创畅行机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：