一种机器人骨科手术提高锯骨精度及安全的方法技术

本发明专利技术公开了一种机器人骨科手术提高锯骨精度及安全的方法，属于医疗机器人控制领域；本发明专利技术提出一种基于模拟力场的位置补偿虚拟边界，该虚拟边界可以将下层的皮质骨作为拒止面，从而禁止末端超出下层的皮质骨，本发明专利技术在基于位置补偿的虚拟边界辅助下，实现了机器人末端快速平稳运动到目标点附近，且避免了超出目标点的位置，提高了机器人手术中的锯骨精度和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种机器人骨科手术提高锯骨精度及安全的方法
本专利技术属于医疗机器人控制领域，尤其涉及一种机器人骨科手术提高锯骨精度及安全的方法。
技术介绍
机器人手术系统是集多项现代高科技手段于一体的综合体。主要用于骨科、心脏外科和前列腺切除术。外科医生可以远离手术台操纵机器进行手术，完全不同于传统的手术概念，目前，利用机器人做外科手术已日益普及。利用机器人做手术时，医生的双手不碰触患者。一旦切口位置被确定，装有导航仪和其他外科工具的机械臂将实施切断、止血及缝合等动作，外科医生只需坐在通常是手术室的控制台上，观测和指导机械臂工作就行了。在骨科手术中，采用实际机器人锯骨时，切削末端禁止超出下层的皮质骨，所以从安全角度考虑，需要设计合适的方法拒绝末端穿过下层的皮质骨。
技术实现思路
本专利技术提供了一种机器人骨科手术提高锯骨精度及安全的方法，所述方法基于模拟力场的位置补偿虚拟边界，该虚拟边界可以将下层的皮质骨作为拒止面，从而禁止末端超出下层的皮质骨。为达到以上目的，本专利技术采用以下技术方案：一种机器人骨科手术提高锯骨精度及安全的方法，包括以下步骤：步骤S1:在锯骨的目标点位置设置人工模拟引力势场，产生吸引力，让其对机器人末端产生吸引，引导机器人末端运动至目标点，此运动轨迹即为基于引力场的引导型虚拟边界；步骤S2:采用FIRAS函数建立人工模拟斥力场，当机器人末端接近所述虚拟边界时所受的斥力趋于无穷大，为避免机器人末端受到无限大的模拟斥力，确定斥力常数krep的大小，用来限制模拟斥力的最大值，以保证控制系统的稳定性；步骤S3:在接近虚拟边界的过程中，补偿由于控制周期引起的位置误差；步骤S4:在骨锯进一步截骨过程中，在模拟力场作用区域内，机器人越是接近虚拟边界，模拟排斥力越大，使得机器人在到虚拟边界方向上的运动能力越小，直到机器人末端运动到虚拟边界。以上所述步骤，步骤S1中模拟引力势场函数Uatt按如下公式描述：式中Katt——增益系数；X——机器人末端的位置坐标；Xg——目标点的位置坐标。由该引力场所产生的引力Fatt为引力势能的负梯度：从式(2)可以看出，引力随着机器人和目标点距离的减小线性增大，呈现出-∞→0的趋势；步骤S2中模拟斥力场函数Urep如式(3)所示：式中krep——力常数；r——机器人末端到虚拟边界的最小距离；r0——为人工模拟斥力场的作用距离；在r0之外的区域不受斥力场的作用，由斥力场所产生的斥力为斥力势能的负梯度，斥力函数如式(4)所示：排斥力Frep的方向为Urep的负梯度方向，大小为Frep的模，从公式(4)可以看出在r0区域内，r越大，Frep越小；r越小，Frep越大；当r→0时，Frep→∞，即当机器人末端无限接近虚拟边界时所受的斥力趋于无穷大，为了避免机器人末端受到无限大的模拟斥力，需要确定krep的大小，用来限制模拟力的最大值，以保证控制系统的稳定性，这里设置Frep的阈值为Fmax，通过设置安全距离r′，当r＝r′时，令Frep＝Fmax，通过公式(4)可以反解出斥力常数krep；步骤S3中补偿由于控制周期引起的位置误差的具体过程为：机器人末端当前的速度为式Vout，用Td表示控制周期，则由于控制周期引起的位置误差ΔR可以表示为：ΔR＝Vout·Td(5)用Dt表示机器人末端到虚拟边界最小距离方向上的投影因子，则在该方向上的位置误差ΔR*为：ΔR*＝Dt·ΔR(6)从而机器人末端到虚拟边界的实际距离r*为：r*＝r-ΔR*(7)用r*代替式(4)中的r，实现对位置误差的补偿。步骤S4中引入改变导纳因子kτ，阻止机器人越界虚拟边界，实现拒止型虚拟边界的作用，在此虚拟边界中，将导纳因子kτ表示如下：kτ＝kτ·cτ(8)其中cτ为导纳因子的强度系数，cτ是关于模拟力场中模拟排斥力的函数，其表达式如下：式中cb——控制阻尼强度的系数；ca——最小阻尼强度系数；Frep——式(4)中的模拟排斥力；因此，在模拟斥力场作用区域r0内，机器人越是接近虚拟边界，模拟斥力越大，从而导纳因子的强度系数cτ越小，这就使得机器人在r方向上的运动能力越小，直到机器人末端运动到虚拟边界，强度系数达到最小值ca。有益效果：本专利技术提供了一种机器人骨科手术提高锯骨精度及安全的方法，提出一种基于模拟力场的位置补偿虚拟边界，该虚拟边界可以将下层的皮质骨作为拒止面，从而禁止末端超出下层的皮质骨，本专利技术在基于位置补偿的虚拟边界辅助下，实现了机器人末端快速平稳运动到目标点附近，且避免了超出目标点的位置，提高了机器人手术中的锯骨精度和安全性。附图说明图1为本专利技术实施例中基于速度的位置补偿模型图；图2为本专利技术实施例中有无虚拟边界速度变化曲线对比图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明：一种机器人骨科手术提高锯骨精度及安全的方法，包括以下步骤：步骤S1:在锯骨的目标点位置设置人工模拟引力势场，产生吸引力，让其对机器人末端产生吸引，引导机器人末端运动至目标点，此运动轨迹即为基于引力场的引导型虚拟边界；步骤S2:采用FIRAS函数建立人工模拟斥力场，当机器人末端接近所述虚拟边界时所受的斥力趋于无穷大，为避免机器人末端受到无限大的模拟斥力，确定斥力常数krep的大小，用来限制模拟斥力的最大值，以保证控制系统的稳定性；步骤S3:在接近虚拟边界的过程中，补偿由于控制周期引起的位置误差；步骤S4:在骨锯进一步截骨过程中，在模拟力场作用区域内，机器人越是接近虚拟边界，模拟排斥力越大，使得机器人在到虚拟边界方向上的运动能力越小，直到机器人末端运动到虚拟边界。模拟力的生成方法需要考虑运动空间的物理特征，如刚度、变形量等，并且仅当发生碰撞时才会产生这种模拟力，而模拟力场法成功避免了这些条件，通过机器人末端的位置特征来建立模拟力，降低了算法的复杂性。模拟力场将机器人的运动空间加上虚拟的人工受力场，使机器人受到模拟力的作用。该算法基于机器人末端位置，建立模拟力场函数，进而计算模拟力，从而控制机器人的运动方向。模拟力场由模拟引力场和模拟斥力场组成，这里将模拟力场引入到虚拟边界中，目标点对机器人产生引力，该力随着距离的缩短单调递增；障碍物对机器人产生斥力，随着距离的增加而单调递减。根据引力和斥力的大小变化来控制机器人的运动方向和机器人的位置。步骤S1中的模拟引力在控制机器人运动过程中，需要让机器人按照一条期望的轨迹运动，而这条轨迹是由一定数量的点坐标组成的，机器人需要从一个点运动到另一个点。对应于这种运动，将下一点作为目标点，在目标点位置设置人工模拟引力势场，产生吸引力，让其对机器人末端产生吸引，引导末端运动至目标点，此即为基于引力场的引导型虚拟边界。引本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人骨科手术提高锯骨精度及安全的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S1:在锯骨的目标点位置设置人工模拟引力势场，产生吸引力，让其对机器人末端产生吸引，引导机器人末端运动至目标点，此运动轨迹即为基于引力场的引导型虚拟边界；/n步骤S2:采用FIRAS函数建立人工模拟斥力场，当机器人末端接近所述虚拟边界时所受的斥力趋于无穷大，为避免机器人末端受到无限大的模拟斥力，确定斥力常数k

【技术特征摘要】
1.一种机器人骨科手术提高锯骨精度及安全的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:在锯骨的目标点位置设置人工模拟引力势场，产生吸引力，让其对机器人末端产生吸引，引导机器人末端运动至目标点，此运动轨迹即为基于引力场的引导型虚拟边界；
步骤S2:采用FIRAS函数建立人工模拟斥力场，当机器人末端接近所述虚拟边界时所受的斥力趋于无穷大，为避免机器人末端受到无限大的模拟斥力，确定斥力常数krep的大小，用来限制模拟斥力的最大值，以保证控制系统的稳定性；
步骤S3:在接近虚拟边界的过程中，补偿由于控制周期引起的位置误差；
步骤S4:在骨锯进一步截骨过程中，在模拟力场作用区域内，机器人越是接近虚拟边界，模拟排斥力越大，使得机器人在到虚拟边界方向上的运动能力越小，直到机器人末端运动到虚拟边界。


2.根据权利要求1所述的机器人骨科手术提高锯骨精度及安全的方法，其特征在于，步骤S1中模拟引力势场函数Uatt按如下公式描述：



式中Katt——增益系数；
X——机器人末端的位置坐标；
Xg——目标点的位置坐标。
由该引力场所产生的引力Fatt为引力势能的负梯度：





3.根据权利要求1所述的机器人骨科手术提高锯骨精度及安全的方法，其特征在于，步骤S2中模拟斥力场函数Urep如式(3)所示：



式中krep——力常数；
r——机器人末端到虚拟边界的最小距离；
r0——为人工模拟斥力场的作用距离；
在r0之外的区域不受斥力场的作用，由斥力场所产生的斥力为斥力势能的负梯度，斥力函数如式(4)所示：



排斥力Frep的方向为Urep的负梯度方向，大小为Frep的模，从公式(4)可以看出在r0区域内，r越大，Frep越小；r越小，Frep越...

【专利技术属性】
技术研发人员：芦颖僖，侯礼春，徐李雪，
申请(专利权)人：南京凌华微电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32