手术机器人主手模拟方法、主手和应用技术

本公开提供了一种手术机器人主手模拟方法、主手和应用，其手术机器人主手模拟方法包括：在一个时间段内，采集上肢目标肌肉产生的肌电信号；对所述肌电信号进行信号预处理，获取所述肌电信号在不同时刻对应的幅值；根据所述肌电信号在不同时刻对应的幅值，获取所述上肢目标肌肉激活状态；根据所述上肢目标肌肉激活状态，驱动希尔型肌肉模型的关节产生运动，获取上肢目标肌肉的肌肉力；根据所述上肢目标肌肉的肌肉力，获取掌指关节以及腕关节的运动角度；根据所述掌指关节以及腕关节的运动角度，驱动从手端运动。

【技术实现步骤摘要】
手术机器人主手模拟方法、主手和应用
本公开涉及医疗器械和机械控制领域，尤其涉及一种基于肌肉骨骼模型的手术机器人主手模拟方法、主手和应用。
技术介绍
在现代社会的进程中，机器人逐渐改变着人类的生产、生活方式，提高各行业的生产效率和产品质量，作为属于高端化、智能化医疗器械产品的手术机器人，能够以远程操作医疗系统执行手术，在辅助外科手术预防、诊断、治疗、康复等领域有独特优势，发展潜力巨大。手术机器人采用远程操作医疗系统与传统微创手术相结合，可允许外科医生间接地通过控制机械式手术机器人主手来完成手术操作，增加手术操作的精确度。然而，现有技术中的机械式手术机器人主手存在一些不足，例如，ComputerMotion公司开发的ZEUS手术机器人系统，该系统无法消除手部产生的抖动信号，容易出现操作失误现象，而且该系统体积比较大，工作空间很小，灵活性不够高，这给该系统自身发展带来了极大的限制；IntuitiveSurgical公司开发的DaVinci手术机器人价格高昂，系统庞大、结构复杂、在操作手术机器人主手的过程中需要对操作者进行长时间的培训，长时间操本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种手术机器人主手模拟方法，包括：/n在一个时间段内，采集上肢目标肌肉产生的肌电信号；/n对所述肌电信号进行信号预处理，获取所述肌电信号在不同时刻对应的幅值；/n根据所述肌电信号在不同时刻对应的幅值，获取所述上肢目标肌肉激活状态；/n根据所述上肢目标肌肉激活状态，驱动希尔型肌肉模型的关节产生运动，获取上肢目标肌肉的肌肉力；以及/n根据所述上肢目标肌肉的肌肉力，获取掌指关节以及腕关节的运动角度，以驱动从手端运动。/n

【技术特征摘要】
1.一种手术机器人主手模拟方法，包括：
在一个时间段内，采集上肢目标肌肉产生的肌电信号；
对所述肌电信号进行信号预处理，获取所述肌电信号在不同时刻对应的幅值；
根据所述肌电信号在不同时刻对应的幅值，获取所述上肢目标肌肉激活状态；
根据所述上肢目标肌肉激活状态，驱动希尔型肌肉模型的关节产生运动，获取上肢目标肌肉的肌肉力；以及
根据所述上肢目标肌肉的肌肉力，获取掌指关节以及腕关节的运动角度，以驱动从手端运动。


2.根据权利要求1所述的手术机器人主手模拟方法，其中，所述对所述肌电信号进行信号预处理，获取所述肌电信号在不同时刻对应的幅值包括：
对所述肌电信号进行放大处理，得到放大后的肌电信号；
对所述放大后的肌电信号，进行滤波处理，得到滤波处理后的肌电信号；
对所述滤波处理后的肌电信号进行整流处理，得到整流处理后的肌电信号；以及
对所述整流处理后的肌电信号进行动作时段检测，确定所述肌电信号的动作有效时段。


3.根据权利要求1所述的手术机器人主手模拟方法，其中，所述根据所述肌电信号在不同时刻对应的幅值，获取所述上肢目标肌肉激活状态包括：
在t时刻的神经激活状态为：
u(t)＝k×A(t)(t-d)-l1×u(t-1)-l2×u(t-2)
其中，A(t)为肌电信号在t时刻对应的幅值，k、l1、l2分别为神经激活系数，d为时间延迟；其中，所述神经激活系数满足：
l1＝α1+α2(|α1|＜1；|α2|＜1)
l2＝α1·α2(|α1|＜1；|α2|＜1)
k-l1-l2＝1
其中，α1和α2为肌电信号延迟系数；
所述肌肉激活状态a(t)为：



其中，c、d、m和b为肌肉激活系数；u(t)为在t时刻的神经激活状态；以及
在肌肉激活状态a(t)＝0时，上肢目标肌肉未激活；在肌肉激活状态0＜a(t)＜1时，上肢目标肌肉部分激活；在肌肉激活状态a(t)＝1时，上肢目标肌肉完全激活。


4.根据权利要求1所述的手术机器人主手模拟方法，其中，所述根据所述上肢目标肌肉激活状态，驱动希尔型肌肉模型的关节产生运动，获取上肢目标肌肉收缩力包括：
构造希尔型肌肉模型，所述希尔型肌肉模型包括收缩元件，并联弹性元件和串联弹性元件；
计算收缩元件产生的张力；其中，所述收缩元件产生的张力Fce为：
Fce＝f(lf)(v)a
其中，f(l)为所述收缩元件的瞬时肌肉收缩长度系数；f(v)为所述收缩元件的瞬时肌肉收缩速度系数，a为上肢目标肌肉激活状态；
所述收缩元件的瞬时肌肉收缩长度系数f(l)和所述收缩元件的瞬时肌肉收缩速度系数f(v)满足：
f(l)＝Fmax(1-(lce-lce0)2/w2(lce0)2)
f(v)＝(vce0-vce)/(vce0+(vce/c))
其中，Fmax为所述收缩元件的最大等距收缩张力；lce0为所述收缩元件的最佳长度；lce为所述收缩元件受张力变化后的长度；w为所述收缩元件产生力的范围；vce0为所述收缩元件的最佳收缩速度；vce为所述收缩元件受张力变化后的收缩速度，c为双曲线形状因子；
计算并联弹性元件产生的张力；其中，所述并联弹性元件产生的张力Fpee为：
Fpee＝Kpee(lce-lce0)2
其中，Kpee为所述并联弹性元件的弹性模量；
计算收缩元件产生的阻尼力；其中，所述收...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘立志，刘凯，王树新，
申请(专利权)人：天津大学医疗机器人与智能系统研究院，
类型：发明
国别省市：天津;12