【技术实现步骤摘要】
基于旋量理论的手术机器人约束运动控制方法
本专利技术涉及医疗器械，特别涉及手术器械在微创手术期间进行定点转动时手术机器人的运动控制，更具体地说涉及一种基于旋量理论的具有远程运动中心约束(“RCM”)的手术机器人的运动控制方法。
技术介绍
在微创手术中，通过患者体表切开的小孔，将手术工具(例如手术器械、内窥镜等)插入体内，在内窥镜摄像头的引导下从身体外部操作手术工具完成手术。相对于以往的开放手术，这些手术条件的引入给患者带来巨大的益处，但手术视野有限，对术者要求较高且耗费体力。微创手术中引入机器人能够为外科医生提供准确性和舒适性方面的重要支持，以提高手术质量缩短患者恢复时间。在机器人辅助微创手术中，机器人机械臂搭载手术工具在通过患者体表的小切口进入体内后，手术工具的运动必须围绕该切口孔进行，不能在该切口处产生非轴线方向的平移，避免对患者引起损伤。更具体地说，固定有手术工具的机器人连杆只能沿其轴线平移并以该切口孔作为支点进行旋转。该手术工具轴线上与切口重合的支点即所谓的远程运动中心(“RCM”)。目前在本领域内，手术机器...
【技术保护点】
1.一种基于旋量理论的手术机器人约束运动控制方法，其特征在于，所述基于旋量理论的手术机器人约束运动控制方法包括：S1，RCM点标定；S2，虚拟RCM点与切口孔对准；S3，生成RCM约束；S4，控制末端执行器运动。/n其中，步骤S1包括：子流程S11：双目相机和机器人基坐标位姿的确定；S12；工具轴线在末端执行器坐标中的确定；S13：定义RCM点在轴线上的位置确定，采用双目相机、视觉辅助标记物和视觉探针对虚拟RCM点在工具轴上的位置进行标定。/n
【技术特征摘要】
1.一种基于旋量理论的手术机器人约束运动控制方法，其特征在于，所述基于旋量理论的手术机器人约束运动控制方法包括：S1，RCM点标定；S2，虚拟RCM点与切口孔对准；S3，生成RCM约束；S4，控制末端执行器运动。
其中，步骤S1包括：子流程S11：双目相机和机器人基坐标位姿的确定；S12；工具轴线在末端执行器坐标中的确定；S13：定义RCM点在轴线上的位置确定，采用双目相机、视觉辅助标记物和视觉探针对虚拟RCM点在工具轴上的位置进行标定。
2.根据权利要求1所述的基于旋量理论的手术机器人约束运动控制方法，其特征在于，S11包括：
首先，固定双目相机(7)和手术机器人(3)的位置，将手术机器人末端执行器上的标记物置于双目相机(7)的视野下，保证标记物同时出现在两个镜头视野内；采集辅助标记物坐标系相对于双目相机坐标系的位姿，记为与此同时，通过手术机器人运动学程序采集手术机器人基坐标系相对于末端执行器坐标系的位姿，记为改变末端执行器的位置和姿态，重复上述步骤，采集多组数据，利用机器人手眼标定公式：AX＝XB，求解双目相机坐标系相对于手术机器人基坐标系的位姿关系，记为位姿关系可描述为：其中，和分别是第i组和第j组中的和同理；最后通过极大似然估计方法得到
3.根据权利要求1或2所述的基于旋量理论的手术机器人约束运动控制方法，其特征在于，S12包括：
将手术工具安装在末端执行器上，虚拟RCM点始终在手术工具的轴线上，由于安装、匹配等误差导致手术工具在实际中的位置和模型中不一致，因此采用视觉探针在手术工具长轴的表面取点，获取工具轴上向量。
4.根据权利要求3所述的基于旋量理论的手术机器人约束运动控制方法，其特征在于，S12进一步包括：
通过预先注册，双目相机在识别到视觉探针的角点后计算出探针尖端的三维坐标信息，在双目相机视野下，使用探针尖端在手术工具外鞘近端上任一点(记为A点，参见图4)的圆周一圈取四个点，通过计算平均值获得A点圆心在双目相机坐标系下的三维坐标，同理可获得外鞘远端的任一点(记为B点，参见图4)的三维坐标；这样得到了双目相机坐标系下手术工具轴线上的向量CPAB；由阶段S11计算得到的双目相机相对于手术机器人基坐标系的位姿以及很容易获取的基坐标系相对于末端执行器的位姿可得到向量在末端执行器坐标系下的位姿：进而得到手术工具轴线的单位方向向量nd，同理，可获得手术工具尖端中心点在{E}下的三维坐标Eptip。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于旋量理论的手术机器人约束运动控制方法，其特征在于，S13包括：
结合患者的医学影像设定从手术工具尖端点到轴线上虚拟RCM点的偏移量，得到轴线上虚拟RCM点的坐标Eprcm＝Eprcm-...
【专利技术属性】
技术研发人员：王君臣，孙振，卢春姮，张英豪，王田苗，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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