末端工具运动引导方法、系统和手术机器人技术方案

本发明专利技术实施例公开了一种末端工具运动引导方法、系统和手术机器人，该方法包括：检测末端工具的当前位置，若末端工具的当前位置未在约束空间的期望路径上，则确定所述末端工具的当前位置对应的子约束空间以及该子约束空间对应的距离刚度函数，其中，所述约束空间的中心轴为所述末端工具的期望路径，所述约束空间包括嵌套在一起的至少两个子约束空间；根据所述当前位置以及所述当前位置对应的距离刚度函数，向所述末端工具输出朝向所述期望路径的第一反馈力。解决了现有引导型手术机器人无法使用户及时获取末端工具的有效位置信息的技术问题。术问题。术问题。

【技术实现步骤摘要】
末端工具运动引导方法、系统和手术机器人
[0001]本申请是申请日为2021年07月09日，申请号为202110778776.6，专利技术名称为“末端工具运动引导方法、系统和手术机器人”的中国专利申请的分案申请。


[0002]本专利技术实施例涉及医疗设备领域，尤其涉及一种末端工具运动引导方法、系统和手术机器人。

技术介绍

[0003]现有骨骼手术的辅助系统包括完全自主型手术机器人和引导型手术机器人，前者以机器人为主导，医生为辅，由于医生的参与度较低，因此很难保证手术的成功率；后者以医生为主，提高了医生的手术参与度，可有效防止手术意外的发生，以及保证手术的成功率。
[0004]但是，现有引导型手术机器人仅能完成末端工具运动方向的引导，无法使用户及时获取末端工具的有效位置信息，主观感知体验差，无法准确进行末端工具运动方向的引导。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例提供了一种末端工具运动引导方法、系统和手术机器人，解决了现有引导型手术机器无法使用户及时获取末端工具的有效位置信息。
[0006]第一方面，本专利技术实施例提供了一种末端工具运动引导方法，由手术机器人的处理器执行，包括：
[0007]检测末端工具的当前位置，若末端工具的当前位置未在约束空间的期望路径上，则确定所述末端工具的当前位置对应的子约束空间以及该子约束空间对应的距离刚度函数，其中，所述约束空间的中心轴为所述末端工具的期望路径，所述约束空间包括嵌套在一起的至少两个子约束空间；
[0008]根据所述当前位置以及所述当前位置对应的距离刚度函数，向所述末端工具输出朝向所述期望路径的第一反馈力。
[0009]第二方面，本专利技术实施例还提供了一种手术机器人，包括：
[0010]机械臂，用于在外力作用下带动末端工具运动，以及向所述末端工具输出反馈力；
[0011]导航装置，用于获取末端工具在约束空间中的当前位置，所述约束空间的中心轴为所述末端工具的期望路径，所述约束空间包括嵌套在一起的至少两个子约束空间；
[0012]处理器，用于通过所述导航装置检测末端工具的当前位置，若所述末端工具的当前位置未在所述约束空间的期望路径上，确定所述末端工具的当前位置对应的子约束空间以及该子约束空间对应的距离刚度函数；根据所述当前位置以及所述当前位置对应的距离刚度函数，通过所述机械臂向所述末端工具输出朝向所述期望路径的第一反馈力。
[0013]第三方面，本专利技术实施例还提供了一种末端工具运动引导系统，该系统包括处理
器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时用于执行任意实施例所述的末端工具运动引导方法。
[0014]本专利技术实施例提供的末端工具运动引导方法的技术方案，若末端工具当前未在约束空间的期望路径上，则确定末端工具的当前位置对应的子约束空间以及该子约束空间对应的距离刚度函数；根据当前位置以及当前位置对应的距离刚度函数，向末端工具输出朝向期望路径的第一反馈力；由于约束空间包括嵌套在一起的至少两个子约束空间，且不同子约束空间对应不同的距离刚度函数，因此末端工具在不同子约束空间内所受到的第一反馈力的变化形式不同，因此可使用户根据第一反馈力的变化形式确定末端工具当前所处的子约束空间，即末端工具当前在约束空间内的位置范围，实现了对末端工具的位置引导；还可使用户根据第一反馈力的方向确定末端工具的目标移动方向，实现了对末端工具运动方向的引导，通过末端工具的位置引导与运动方向引导优化末端工具的运动路径，从而提高骨科手术的速度、安全性和准确性。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1是本专利技术一实施例提供的末端工具的运动引导方法的流程图；
[0017]图2是本专利技术一实施例所基于的手术机器人的结构框图；
[0018]图3是本专利技术一实施例提供的约束空间示意图；
[0019]图4是本专利技术一实施例提供的距离刚度函数的示意图；
[0020]图5是本专利技术另一实施例提供的末端工具的运动引导方法的流程图；
[0021]图6是本专利技术另一实施例提供的旋转刚度函数示的意图；
[0022]图7是本专利技术另一实施例提供的末端工具的运动引导方法的流程图；
[0023]图8是本专利技术另一实施例提供的阻尼函数的示意图；
[0024]图9是本专利技术另一实施例提供的末端工具的运动引导装置的结构框图；
[0025]图10是本专利技术另一实施例提供的手术机器人的结构框图；
[0026]图11是本专利技术另一实施例提供的手术机器人的结构示意图。
具体实施方式
[0027]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本专利技术实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本专利技术的技术方案，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0028]图1是本专利技术一实施例提供的末端工具运动引导方法的流程图。本实施例的技术方案适用于引导末端工具在约束空间中运动的情况。该方法可以由本专利技术实施例提供的末端工具运动引导装置来执行，该装置可以采用软件和/或硬件的方式实现，并配置在手术机器人的处理器中应用。其中，如图2所示，该手术机器人包括用于携带末端工具的机械臂11、
用于获取末端工具在约束空间中的当前位置的导航装置12、以及连接该机械臂11与导航装置12的处理器13。
[0029]该方法具体包括如下步骤：
[0030]S101、检测末端工具的当前位置，若末端工具当前未在约束空间的期望路径上，则确定末端工具的当前位置对应的子约束空间以及该子约束空间对应的距离刚度函数，其中，约束空间的中心轴为末端工具的期望路径，约束空间包括嵌套在一起的至少两个子约束空间。
[0031]其中，末端工具为骨科手术中的手术工具或用于替换病变体的假体，其中，手术工具可以是用于清理患处的锉刀。
[0032]在一个实施例中，在末端工具上设置一用于位置跟踪的特征点，并将该特征点的位置作为末端工具的位置。
[0033]其中，约束空间为手术开口区，其形状可以是锥状(参见图3)、碗状或柱状。但无论其形状如何，其中心轴均为末端工具的期望路径，即用户希望的末端工具的运动路径。可以理解的是，末端工具的目标位置，即末端工具的手术位置，位于期望路径的末端。
[0034]本实施例中的约束空间包括同向嵌套的至少两个子约束空间，且每个子约束空间的中心轴重合。其中，子约束空间的确定方法包括：根据预设各个子约束空间的有效半径范围的比例，将约束空间从内到外划分为至少两层，并将每一层作为一个子约束空间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种末端工具运动引导方法，其特征在于，包括：检测末端工具的当前位置，若末端工具的当前位置未在约束空间的期望路径上，则确定所述末端工具的当前位置对应的子约束空间以及该子约束空间对应的距离刚度函数，其中，所述约束空间的中心轴为所述末端工具的期望路径，所述约束空间包括嵌套在一起的至少两个子约束空间；为不同子约束空间配置不同的距离刚度函数；根据所述当前位置以及所述当前位置对应的距离刚度函数，向所述末端工具输出朝向所述期望路径的第一反馈力。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述约束空间包括同向嵌套的三个子约束空间，该三个子约束空间从内向外分别为自由约束空间、缓冲约束空间以及边界约束空间；所述自由约束空间和所述边界约束空间对应的距离刚度函数均为常数函数；所述缓冲约束空间对应的距离刚度函数为递增函数，且该递增函数的函数值随着末端工具与所述期望路径之间的距离的增大而增大；相邻子约束空间对应的距离刚度函数在共同边界处的距离刚度值相同。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述缓冲约束空间对应的距离刚度函数为单调递增的二次曲线。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述当前位置以及所述当前位置对应的距离刚度函数，向所述末端工具输出朝向所述期望路径的第一反馈力，包括：确定所述当前位置与所述期望路径之间的目标距离，以及该目标距离对应的目标距离当量；根据所述目标距离当量以及所述当前位置对应的距离刚度函数，确定所述当前位置对应的距离刚度值；根据所述目标距离当量与所述距离刚度值，向所述末端工具输出朝向所述期望路径的第一反馈力。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在检测到所述末端工具与所述期望路径之间的当前夹角大于零时，确定所述当前夹角所在夹角区间对应的旋转刚度函数；根据所述当前夹角以及所述当前夹角对应的旋转刚度函数向所述末端工具输出用于使所述末端工具向所述期望路径旋转的旋转力矩；其中，所述夹角区间的数量大于或等于2。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述夹角区间的数量为3；包含最大夹角的夹角区间与包含最小夹角的夹角区间对应的旋转刚度函数均为常数函数，位于该包含最大夹角的夹角区间与该包含最小夹角的夹角区间之间的夹角区间对应的旋转刚度函数为递增函数；相邻夹角区间对应的旋转刚度函数在共同边界处的旋转刚度值相同。7.根据权利要求1
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6任一所述的方法，其特征在于，还包括：在检测到所述末端工具的当前运动速度的方向背离所述期望路径时，确定所述当前运动速度对应的速度...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾致贤，陈龙，马波琪，杨帆，
申请(专利权)人：武汉联影智融医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：