本发明专利技术属于人机交互控制相关技术领域，其公开了一种用于机器人辅助关节置换手术的虚拟夹具控制方法与系统，(1)实时计算机器人相对每个虚拟夹具曲面的位置、速度及力，并计算距机器人位置最近的虚拟夹具曲面所处的切平面和机器人切向速度方向上的曲率；(2)基于步骤(1)的计算结果划分机器人所处的区域和阻抗控制模式；(3)计算机器人相对每个虚拟夹具约束面的阻抗控制参数变化和控制器加速度输出；(4)将多个虚拟夹具曲面的约束进行耦合，并基于二次规划算法确定最优的加速度输出，进而基于得到的最优的加速度输出来控制机器人运动。本发明专利技术提高手术质量的同时优化了医生的操作感，极大的提升了虚拟夹具约束效果。极大的提升了虚拟夹具约束效果。极大的提升了虚拟夹具约束效果。
【技术实现步骤摘要】
用于机器人辅助关节置换手术的虚拟夹具控制方法与系统
[0001]本专利技术属于人机交互控制相关领域，更具体地，涉及一种用于机器人辅助关节置换手术的虚拟夹具控制方法与系统。
技术介绍
[0002]手术机器人在近20年间突飞猛进的发展。在骨科领域，基于虚拟夹具约束的机器人辅助手术系统被广泛应用，虚拟夹具提供引导、定位、禁止、力缩放等功能。临床证明虚拟夹具可以增加手术精度和质量，缩短病人康复时间，降低外科医生手术难度。
[0003]虚拟夹具是一种人机交互中实时约束机器人运动状态算法，又称为主动约束或运动约束。通常分为几何定义、状态评估、约束执行三个部分。虚拟夹具的约束形式可分为线引导型约束和区域禁止型约束。虚拟夹具的约束效果可分为力约束和位置约束，力约束在机器人违反虚拟夹具时只提供反向的力反馈，通常由直接力控制或基于力矩环的阻抗控制实现，位置约束保证虚拟夹具具有一定的约束位置精度，通常基于机器人的位置或速度伺服实现。力约束通过直接控制机器人关节力矩实现，与外界环境接触时表现为阻抗特性，具有较好的稳定性。位置约束的虚拟夹具在与外界环境接触时表现为导纳特性，容易发生碰撞反弹或失稳现象。
[0004]以髋关节置换手术为例，术中需要将髋臼窝打磨至与假体完美配合的大小和形状。通常以髋臼窝为目标点，构建一个圆锥形虚拟夹具，作用包括1.磨挫前，引导外科医生将与机器人固连的骨钻钻头(以下简称为机器人)精确地拖至手术位置(圆锥顶点)。2.磨挫时，约束机器人不能越过圆锥顶点，防止过度磨削。3.磨挫后，机器人可以很容易地拖回到锥内，进行下一步手术操作。由此可见，骨科手术场景既需要虚拟夹具有较高的位置约束能力来提高手术精度，也需要在复杂的磨挫交互力下保证稳定，难以通过单一的位置约束和力约束算法达到较佳的虚拟夹具约束效果。
技术实现思路
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种用于机器人辅助关节置换手术的虚拟夹具控制方法与系统，其可以满足骨科关节置换的手术场景中，对虚拟夹具约束的高位置精度和高环境交互稳定性的需求，提高手术质量的同时优化了医生的操作感，极大的提升了虚拟夹具约束效果，满足骨科手术中机器人引导、禁止和自由拖拽的需求。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种用于机器人辅助关节置换手术的虚拟夹具控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
[0007](1)实时计算机器人相对每个虚拟夹具曲面的位置、速度及力，并计算距机器人位置最近的虚拟夹具曲面所处的切平面和机器人切向速度方向上的曲率；
[0008](2)基于步骤(1)的计算结果划分机器人所处的区域和阻抗控制模式；
[0009](3)计算机器人相对每个虚拟夹具约束面的阻抗控制参数变化和控制器加速度输
出；
[0010](4)将多个虚拟夹具曲面的约束进行耦合，并基于二次规划算法确定最优的加速度输出，进而基于得到的最优的加速度输出来控制机器人运动。
[0011]进一步地，将最优的加速度输出传输给机器人，并基于机器人动力学模型计算关节力矩以作为指令传输给机器人，进而控制机器人运动以实现虚拟夹具约束；基于最优的加速度输出经过机器人动力学得到关节力矩输出值τ
c
为：
[0012][0013]其中J
T
(q)为机器人速度雅可比转置，M(q)是机器人惯性矩阵，是机器人向心力和科氏力矩阵，G(q)是机器人重力矩阵。
[0014]进一步地，虚拟夹具将机器人的笛卡尔工作空间划分为五个区域，对应的在相图中把阻抗控制划分为五个模式，每个区域都对应着响应阻抗模式的控制目标和控制策略；所述的五个区域包括：自由区域、约束区域、禁止区域、缓冲区域和返回区域；对应的五个阻抗控制模式包括：自由模式、约束模式、禁止模式、缓冲模式和返回模式；通过对区域的划分，在不同的区域应用对应的阻抗控制模式，实现虚拟夹具约束目标。
[0015]进一步地，自由区域中，机器人表现为顺从人类和外界环境，控制权掌握在人手中，机器人充当人与外部环境之间的力中继；
[0016]约束区域，在虚拟夹具边界附近，且法向外力ΔF朝向虚拟夹具边界，表现为人试图拖动机器人突破虚拟夹具边界，此时沿虚拟夹具边界法向的控制权在机器人上，保持力动态平衡；
[0017]禁止区域，在虚拟夹具边界内部，机器人需要快速返回虚拟夹具边界，同时应该保证人机交互的安全性；
[0018]缓冲区域，建立在自由区域和约束区域之间，增加机器人接触虚拟夹具边界的空间和时间；
[0019]返回区域，也建立在自由区域和约束区域之间，目的是使系统快速而渐进的地恢复人类的控制权。
[0020]进一步地，采用的基本阻抗控制原理为：
[0021][0022][0023]其中，Δx,分别为机器人工具中心点TCP相对于虚拟夹具边界的位置和加速度。为阻抗控制加速度输出，H,D,K分别为虚拟惯性、速度阻尼和位置刚度项，为阻抗控制中力项的加速度输出，其中F
L
为力输入限值，其中F
L
为力输入限值，sat(ΔF,F
L
)是饱和函数，限制力输入ΔF不超过F
L
，，分别为阻尼项和刚度项的加速度输出，为加速度直接补偿量。
[0024]进一步地，阻抗控制模式的切换条件为：
[0025]当控制器处于自由模式，当时，控制器从自由模式切换至缓冲模式；
用来衡量机器人与虚拟夹具边界状态的变量，称为等效衰减速度，为设定的缓冲模式切换边界常数；
[0026]当控制器处于缓冲模式，在时，控制器从缓冲模式切换至禁止模式；为机器人最大加速度限值；
[0027]当控制器处于约束模式，当机器人所受的外力F
e
朝向虚拟夹具边界，人对机器人的操作意图是企图使机器人进入虚拟夹具内部，控制器就处于约束模式，控制机器人停靠在虚拟夹具边界上；当F
e
朝向自由区域时，人对机器人的操作意图企图使机器人离开虚拟夹具，控制器进入返回模式；
[0028]当约束模式下控制器输出时，机器人的位置已经深入虚拟夹具，控制器切换至禁止模式；
[0029]当控制器处于返回模式，表示机器人即使以最大的减速度减速，也一定会进入自由区域，此时控制器进入自由模式。
[0030]进一步地，缓冲模式下通过调节阻尼和限制力的变化率来达到目标，具体为：
[0031]确定机器人状态和控制器参数的中间变化量
[0032]则阻尼和限制力变化率为：
[0033][0034][0035]式中，K
v
为约束模式下的期望阻抗刚度。
[0036]进一步地，由F
L
＝0得到约束模式和返回模式的模式切换线的斜率为：
[0037][0038]阻尼和限制力变化公式为：
[0039][0040][0041]式中，D
c
,K
c
为当前阻抗控制器的阻尼本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于机器人辅助关节置换手术的虚拟夹具控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)实时计算机器人相对每个虚拟夹具曲面的位置、速度及力，并计算距机器人位置最近的虚拟夹具曲面所处的切平面和机器人切向速度方向上的曲率；(2)基于步骤(1)的计算结果划分机器人所处的区域和阻抗控制模式；(3)计算机器人相对每个虚拟夹具约束面的阻抗控制参数变化和控制器加速度输出；(4)将多个虚拟夹具曲面的约束进行耦合，并基于二次规划算法确定最优的加速度输出，进而基于得到的最优的加速度输出来控制机器人运动。2.如权利要求1所述的用于机器人辅助关节置换手术的虚拟夹具控制方法，其特征在于：将最优的加速度输出传输给机器人，并基于机器人动力学模型计算关节力矩以作为指令传输给机器人，进而控制机器人运动以实现虚拟夹具约束；基于最优的加速度输出经过机器人动力学得到关节力矩输出值τ
c
为：其中J
T
(q)为机器人速度雅可比转置，M(q)是机器人惯性矩阵，是机器人向心力和科氏力矩阵，G(q)是机器人重力矩阵。3.如权利要求1所述的用于机器人辅助关节置换手术的虚拟夹具控制方法，其特征在于：虚拟夹具将机器人的笛卡尔工作空间划分为五个区域，对应的在相图中把阻抗控制划分为五个模式，每个区域都对应着响应阻抗模式的控制目标和控制策略；所述的五个区域包括：自由区域、约束区域、禁止区域、缓冲区域和返回区域；对应的五个阻抗控制模式包括：自由模式、约束模式、禁止模式、缓冲模式和返回模式；通过对区域的划分，在不同的区域应用对应的阻抗控制模式，实现虚拟夹具约束目标。4.如权利要求3所述的用于机器人辅助关节置换手术的虚拟夹具控制方法，其特征在于：自由区域中，机器人表现为顺从人类和外界环境，控制权掌握在人手中，机器人充当人与外部环境之间的力中继；约束区域，在虚拟夹具边界附近，且法向外力ΔF朝向虚拟夹具边界，表现为人试图拖动机器人突破虚拟夹具边界，此时沿虚拟夹具边界法向的控制权在机器人上，保持力动态平衡；禁止区域，在虚拟夹具边界内部，机器人需要快速返回虚拟夹具边界，同时应该保证人机交互的安全性；缓冲区域，建立在自由区域和约束区域之间，增加机器人接触虚拟夹具边界的空间和时间；返回区域，也建立在自由区域和约束区域之间，目的是使系统快速而渐进的地恢复人类的控制权。5.如权利要求3所述的用于机器人辅助关节置换手术的虚拟夹具控制方法，其特征在于：采用的基本阻抗控制原理为：
其中，Δx,分别为机器人工具中心点TCP相对于虚拟夹具边界的位置和加速度，为阻抗控制加速度输出，H,D,K分别为虚拟惯性、速度阻尼和位置刚度项，为阻抗控制中力项的加速度输出，其中F
L
为力输入限值，sat(ΔF,F
L
)是饱和函数，限制力输入ΔF不超过F
L
，分别为阻尼项和刚度项的加速度输出，为加速度直接补偿量。6.如权利要求5所述的用于机器人辅助关节置换手术的虚拟夹具控制方法，其特征在于：阻抗控制模式的切换条件为：当控制器处于自由模式，当时，控制器从自由模式切换至缓冲模式；用来衡量机器人与虚拟夹具边界状态的变量，称为等效衰减速度，为设定的缓冲模式切换边界常数；当控制器处于缓冲模式，在时，控制器从缓冲模式切换至禁止模式；为机器人最大加...
【专利技术属性】
技术研发人员：陶波，陈沂洺，赵兴炜，丁汉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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