一种基于操作者意图校正的人机交互系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于操作者意图校正的人机交互系统及方法，包括机械臂、手术工具、六维力传感器、力传感器和控制器；六维力传感器安装在机械臂末端，手术工具通过固定装置安装在六维力传感器上，力传感器安装在手术工具上；操作者牵引手术工具上安装有力传感器的部分进行操作时，检测力传感器的读数是否到达预设阈值；如果没有达到，则机械臂不运动，否则，根据力传感器的读数以及六维力传感器与力传感器之间的位置关系对六维力传感器读出的力矩进行校正，根据六维力传感器的力信号和校正后的力矩信号控制机械臂的运动。与现有技术相比，本发明专利技术解决了在利用导纳控制的人机协作操作过程中，操作者意图与机械臂实际运动不一致的问题。的问题。的问题。

A human-computer interaction system and method based on operator intention correction

【技术实现步骤摘要】
一种基于操作者意图校正的人机交互系统及方法


[0001]本专利技术涉及手术机器人领域，尤其是涉及一种基于操作者意图校正的人机交互系统及方法。

技术介绍

[0002]手术机器人
中，由于术中的情况千变万化，术前规划存在不适用的可能性，这就需要术者需要根据临床经验来调整手术方案，直接操控机械臂进行重新定位和操作。例如，在实际临床场景中，主动式的手术机器人无法完全满足口腔颌面外科手术需求，医生能够在术中不断调整机器人状态的被动式手术机器人更为需要。
[0003]人机协同控制通过基于力位混合的协调控制，实现机器人协作人类进行操作，将机器人的高精度控制与人的高动态决策能力相结合，是一种常见的机器人控制方式。它主要采用导纳控制或者阻抗控制，一般在机械臂末端安装力传感器，当操作者在末端施加力的时候，将机器人臂末端的受到的外力映射到机械臂的运动，能在人的操作输出力与机器人输出运动之间建立一个量化关系，以解决人机协作操控柔顺性问题，从而实现手术场合中医生对机器人的主动控制及维持医生技能水平的目的。
[0004]目前，在手术机器人领域，常见的交互方式包括直接牵引安装在机械臂末端的手术工具和牵引安装力传感器的手柄两种。
[0005]第一种交互方式，如美国医疗公司Neocis开发的Yomi牙科种植机器人导航系统，医生通过直接牵引安装在机械臂末端的手术工具进行交互。但由于种植钻的工作自由度只需要5个(不需要考虑钻的旋转，只需要确定其轴向和位置)，种植钻旋转运动的调整范围并不大，主要为平移运动。
[0006]第二种交互方式，如何玉成等在“鼻内镜手术辅助机器人机构设计与安全控制研究”中的相关研究，鼻内镜手术辅助机器人采用了两个力传感器，其中一个安装在手术工具上(鼻内镜)，用于操作时感知手术工具上的力；另一个位于操作手柄上，用于人机协作控制。医生通过牵引操作手柄，完成对机器人的控制。
[0007]但是，上述方式都有缺点。在第一种情况中，手术工具需要进行较大的旋转且操作者的手离传感器位置较远时，会导致机器人运动与操作者意图不同的现象。因为此时施力点与传感器之间存在一个位移，根据力的平移原理，虽然X、Y、Z方向上的力不会改变，但传感器与施力点受到的力矩则有所不同，导致机械臂的旋转与操作者的意图不同的问题。而对于第二种情况，因为操作者只捏着手柄上操作，可以认为机械臂能够可以按照操作者的意图来执行，但是该方案的实现需要两个六维力传感器来实现，成本较高，而且六维力传感器体积较大，在很多临床场景下，难以安装到手术工具的手柄上。
[0008]综上，现有的交互装置及方法存在精度较差、稳定性较差、技术成本过高等缺陷。因此，需要一个能够实现根据操作者意图实现机械臂运动的人机交互方案。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于操作者意图校正的人机交互系统及方法。
[0010]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0011]第一方面，本专利技术公开了一种基于操作者意图校正的人机交互系统，包括机械臂、手术工具、六维力传感器S1、力传感器S2和控制器；
[0012]所述六维力传感器S1安装在机械臂末端，手术工具通过固定装置安装在六维力传感器S1上，所述力传感器S2安装在手术工具上，所述控制器与机械臂、六维力传感器S1和力传感器S2通信连接；
[0013]操作者牵引手术工具上安装有力传感器S2的部分进行操作时，控制器检测力传感器S2的读数是否到达预设阈值；如果力传感器S2的读数没有达到预设阈值，则机械臂不运动，否则，所述控制器根据力传感器S2的读数以及六维力传感器S1与力传感器S2之间的位置关系对六维力传感器S1读出的力矩进行校正，根据六维力传感器S1的力信号和校正后的力矩信号控制机械臂的运动。
[0014]进一步地，所述预设阈值为操作者手部静止且稳定握持手术工具时力传感器S2的读数。
[0015]进一步地，六维力传感器S1与力传感器S2之间的位置关系是根据机械臂、手术工具和固定装置的机械尺寸确定的。
[0016]进一步地，根据力传感器S2的读数对六维力传感器S1的力矩进行校正具体为：
[0017][0018]为六维力传感器S1中心O
S
与力传感器S2中心O
Doc
的位置向量，由六维力传感器S1与力传感器S2之间的位置关系确定，F为六维力传感器S1读到的力，T为六维力传感器S1读到的力矩，T
S
为六维力传感器S1校正后的力矩。
[0019]进一步地，控制器根据导纳控制，将六维力传感器S1的力信号和校正后的力矩信号转化为机械臂的运动信号，机械臂根据所述运动信号运动，机械臂的运动带动手术工具运动。
[0020]进一步地，所述六维力传感器S1固定安装在机械臂的末端，所述固定装置为夹具，手术工具通过夹具安装在六维力传感器S1上。
[0021]进一步地，所述力传感器S2安装在手术工具的手柄上，操作者牵引手术工具的手柄进行操作。
[0022]第二方面，本专利技术公开了一种基于操作者意图校正的人机交互方法，包括以下步骤：
[0023]检查机械臂、手术工具、六维力传感器S1、力传感器S2和控制器，所述六维力传感器S1安装在机械臂末端，手术工具通过固定装置安装在六维力传感器S1上，所述力传感器S2安装在手术工具上，所述控制器与机械臂、六维力传感器S1和力传感器S2通信连接；
[0024]操作者牵引手术工具上安装有力传感器S2的部分进行操作，控制器检测力传感器S2的读数是否到达预设阈值；
[0025]如果力传感器S2的读数没有达到预设阈值，则机械臂不运动，否则，根据力传感器
S2的读数以及确定六维力传感器S1与力传感器S2之间的位置关系对六维力传感器S1的力矩进行校正，根据六维力传感器S1的力信号和校正后的力矩信号控制机械臂的运动。
[0026]进一步地，所述预设阈值为操作者手部静止且稳定握持手术工具时力传感器S2的读数。
[0027]进一步地，六维力传感器S1与力传感器S2之间的位置关系是根据机械臂、手术工具和固定装置的机械尺寸确定的。
[0028]进一步地，根据力传感器S2的读数对六维力传感器S1的力矩进行校正具体为：
[0029][0030]为六维力传感器S1中心O
S
与力传感器S2中心O
Doc
的位置向量，由六维力传感器S1与力传感器S2之间的位置关系确定，F为六维力传感器S1读到的力，T为六维力传感器S1读到的力矩，T
S
为六维力传感器S1矫正后的力矩。
[0031]进一步地，控制器根据导纳控制，将六维力传感器S1的力信号和校正后的力矩信号转化为机械臂的运动信号，机械臂根据所述运动信号运动，机械臂的运动带动手术工具运动。
[0032]进一步地，所述六维力传感器S1固定安装在机械臂的末端，所述固定装置为夹具，手术工具通过夹具安装在六维本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于操作者意图校正的人机交互系统，其特征在于，包括机械臂、手术工具、六维力传感器、力传感器和控制器；所述六维力传感器安装在机械臂末端，手术工具通过固定装置安装在六维力传感器上，所述力传感器安装在手术工具上，所述控制器与机械臂、六维力传感器和力传感器通信连接；操作者牵引手术工具上安装有力传感器的部分进行操作时，控制器检测力传感器的读数是否到达预设阈值；如果力传感器的读数没有达到预设阈值，则机械臂不运动，否则，所述控制器根据力传感器的读数以及六维力传感器与力传感器之间的位置关系对六维力传感器读出的力矩进行校正，根据六维力传感器的力信号和校正后的力矩信号控制机械臂的运动。2.根据权利要求1所述的一种基于操作者意图校正的人机交互系统，其特征在于，所述预设阈值为操作者手部静止且稳定握持手术工具时力传感器的读数。3.根据权利要求1所述的一种基于操作者意图校正的人机交互系统，其特征在于，根据力传感器的读数对六维力传感器的力矩进行校正具体为：力传感器的读数对六维力传感器的力矩进行校正具体为：为六维力传感器中心O
S
与力传感器中心O
Doc
的位置向量，由六维力传感器与力传感器之间的位置关系确定，F为六维力传感器读到的力，T为六维力传感器读到的力矩，T
S
为六维力传感器校正后的力矩。4.根据权利要求1所述的一种基于操作者意图校正的人机交互系统，其特征在于，控制器根据导纳控制，将六维力传感器的力信号和校正后的力矩信号转化为机械臂的运动信号，机械臂根据所述运动信号运动，机械臂的运动带动手术工具运动。5.根据权利要求1所述的一种基于操作者意图校正的人机交互系统，其特征在于，所述六维力传感器固定安装在机械臂的末端，所述固定装置为夹具，手术工具通过夹具安装在六维力传感器上。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓军，郭妍，胡俊磊，张陈平，刘剑楠，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：