一种机器人钻骨的控制方法技术

本发明专利技术实施例提供一种机器人钻骨的控制方法，利用六维力传感器获取骨科手术机器人的钻头受力，进行标准化处理后得到标准化处理后的钻头受力；并结合钻头在骨层中经过的路径

【技术实现步骤摘要】
一种机器人钻骨的控制方法


[0001]本专利技术涉及一种机器人钻骨的控制方法，属于骨科钻骨手术机器人停机运动优化领域
。

技术介绍

[0002]在骨科手术中，骨钻是最常用的工具之一，用于钻孔定位等操作
。
然而，骨骼周围存在重要的神经和血管组织，如果电钻穿过骨组织时没有及时停止，可能会对周围的重要组织造成严重损伤
。
对于肢体畸形的患者，由于局部解剖结构的变异，这种情况更加严重
。
术者在进行手术时，通常无法直接看到钻头的出点，只能依靠手部的感觉来判断钻头是否到达了正确的位置，然而人类的感觉存在延迟，往往在感觉到阻力异常并采取措施时，已经造成了损伤
。
[0003]因此，如何控制骨科手术机器人在钻头钻透的一瞬间停机是本领域亟待解决的技术问题
。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种机器人钻骨的控制方法，以实现对骨科手术机器人钻骨过程钻头钻透停机的自动控制
。
[0005]本专利技术实例提供了一种机器人钻骨的控制方法，包括：
[0006]利用六维力传感器获取骨科手术机器人的钻头受力，并对所述钻头受力进行标准化处理，得到标准化处理后的钻头受力；
[0007]根据骨科手术机器人钻头在骨层中经过的路径
、
标准化处理后的钻头受力
、
钻头的前进状态
、
钻头的转动状态以及手术任务要求信息，获得手术环境状态矩阵；
[0008]根据骨科手术机器人钻骨时的操作流程信息，将骨科手术机器人的操作分解为至少两个原任务，所述至少两个原任务组成任务集合，所述原任务为骨科手术机器人单次执行的任务，每个原任务具有对应的条件状态矩阵
、
完成状态矩阵及状态掩码；原任务包括钻头转动原任务，钻头停止转动原任务，钻头前进原任务和钻头停止前进原任务；
[0009]根据标准化处理后的钻头受力
、
手术环境状态矩阵和原任务的完成状态矩阵，得到状态转移公式，所述状态转移公式用于计算当前手术环境状态矩阵；
[0010]根据当前手术环境状态矩阵
、
钻头停止前进原任务和钻头停止转动原任务的条件状态矩阵及状态掩码，获得钻头停止前进函数与钻头停止转动函数；
[0011]根据所述钻头停止前进函数与钻头停止转动函数，控制骨科手术机器人的停机
。
[0012]上述方法中，利用六维力传感器获取骨科手术机器人的钻头受力，并对所述钻头受力进行标准化处理，得到标准化处理后的钻头受力，包括
[0013]六维力传感器放置于机械臂与钻头之间，钻头受到合力
f'
的计算方法为
[0014][0015]其中
f
x
,f
y
,f
z
分别为六维力传感器显示的三个方向上的分力；
[0016]对
f'
进行标准化处理，经过标准化处理后的钻头合力为
f
，标准化方法为：
[0017][0018]其中
f1～
f4指对标准化处理后的钻头合力的替代描述，标准化处理后的钻头合力一定为
f1～
f4中的某一个；
f
max
指预先在类似骨质模型骨上使用与手术中相同的钻头转速与钻头进给速度测出的六维力传感器在前进方向上的最大值；此时，经过标准化处理后的钻头受力的取值为
[0019]f∈{f1,f2,f3,f4}。
[0020]上述方法中，根据骨科手术机器人钻头在骨层中经过的路径
、
标准化处理后的钻头受力
、
钻头的前进状态
、
钻头的转动状态以及手术任务要求信息，获得手术环境状态矩阵，包括
[0021]根据骨科手术机器人钻头在骨层中经过的路径，将手术过程中钻头经过的路径分为5部分：未到达骨头时
、
刚进入骨层时
、
在骨层中钻削时
、
穿透骨层时
、
穿透骨层；
[0022]根据标准化处理后得到的钻头受力
、
钻头前进状态
、
钻头转动状态与手术任务要求信息，利用如下公式获得手术环境状态矩阵
S
：
[0023][0024]其中，
S0为骨科手术机器人钻头，
S1～
S5为钻头经过的5部分路径；
F
为钻头在前进方向上的受力，通过标准化处理后得到的钻头受力；
F0为六维力传感器实时显示的合力，
F1～
F5指钻头位于此路径时，六维力传感器应显示的合力；依据骨科手术机器人钻头在骨层中经过的路径，定义
[0025]F
＝
[F
0 F1ꢀ…ꢀ
F5]＝
[F
0 f
1 f
2 f
3 f
4 f1][0026]g
表示钻头转动状态，
g0表示骨科手术机器人钻头是否正在转动，
g1～
g5为钻头在经过的5部分路径中是否应该转动，用0表示没有转动，用1表示正在转动；依据骨科手术机器人钻头在骨层中经过的路径，定义
[0027]g
＝
[g
0 g1ꢀ…ꢀ
g5]＝
[g
0 0 1 1 0 0]，其中
g0∈{0,1}
；
[0028]v
表示钻头前进状态，
v0表示骨科手术机器人钻头是否正在前进，
v1～
v5为钻头在经过的5部分路径中是否应该前进，用0表示没有前进，用1表示正在前进；依据骨科手术机器人钻头在骨层中经过的路径，定义
[0029]v
＝
[v
0 v1ꢀ…ꢀ
v5]＝
[v
0 1 1 1 0 0]，其中
v0∈{0,1}。
[0030]上述方法中，根据骨科手术机器人钻骨时的操作流程信息，将骨科手术机器人的操作分解为至少两个原任务，所述至少两个原任务组成任务集合，所述原任务为骨科手术机器人单次执行的任务，每个原任务具有对应的条件状态矩阵
、
完成状态矩阵及状态掩码，
包括
[0031]依据骨科手术机器人钻骨时的操作流程信息，将骨科手术机器人的钻骨操作分解为钻头转动
、
钻头停止转动
、
钻头前进和钻头停止前进四种原任务，每个原任务具有对应的条件状态矩阵
S
′
和完成状态矩阵
S
″
以及条件状态矩阵
S
′
和完成状态矩阵
S
″
各自对应的状态掩码
M。
其中，
[0032](1)
钻头转动表示骨科手术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种机器人钻骨的控制方法，其特征在于，所述方法包括：利用六维力传感器获取骨科手术机器人的钻头受力，并对所述钻头受力进行标准化处理，得到标准化处理后的钻头受力；根据骨科手术机器人钻头在骨层中经过的路径
、
标准化处理后的钻头受力
、
钻头的前进状态
、
钻头的转动状态以及手术任务要求信息，获得手术环境状态矩阵；根据骨科手术机器人钻骨时的操作流程信息，将骨科手术机器人的操作分解为至少两个原任务，所述至少两个原任务组成任务集合，所述原任务为骨科手术机器人单次执行的任务，每个原任务具有对应的条件状态矩阵
、
完成状态矩阵及状态掩码；原任务包括钻头转动原任务，钻头停止转动原任务，钻头前进原任务和钻头停止前进原任务；根据标准化处理后的钻头受力
、
手术环境状态矩阵和原任务的完成状态矩阵，得到状态转移公式，所述状态转移公式用于计算当前手术环境状态矩阵；根据当前手术环境状态矩阵
、
钻头停止前进原任务和钻头停止转动原任务的条件状态矩阵及状态掩码，获得钻头停止前进函数与钻头停止转动函数；根据所述钻头停止前进函数与钻头停止转动函数，控制骨科手术机器人的停机
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用六维力传感器获取骨科手术机器人的钻头受力，包括：将六维力传感器放置于骨科手术机器人的机械臂与钻头之间，钻头受力
f'
的计算方法为：其中
f
x
,f
y
,f
z
分别为六维力传感器显示的三个方向上的分力
。3.
根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述钻头受力进行标准化处理，得到标准化处理后的钻头受力，包括：对
f'
进行标准化处理，经过标准化处理后的钻头合力为
f
，标准化方法为：其中
f1～
f4指对标准化处理后的钻头合力的替代描述，标准化处理后的钻头合力一定为
f1～
f4中的一个；
f
max
指预先在类似骨质模型骨上使用与手术中相同的钻头转速与钻头进给速度测出的六维力传感器在前进方向上的最大值；此时，经过标准化处理后的钻头受力的取值为
f∈{f1,f2,f3,f4}。4.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据骨科手术机器人钻头在骨层中经过的路径
、
标准化处理后的钻头受力
、
钻头的前进状态
、
钻头的转动状态以及手术任务要求信息，获得手术环境状态矩阵，包括：根据骨科手术机器人钻头在骨层中经过的路径，将手术过程中钻头经过的路径分为5部分：未到达骨头时
、
刚进入骨层时
、
在骨层中钻削时
、
穿透骨层时
、
穿透骨层；根据标准化处理后得到的钻头受力
、
钻头前进状态
、
钻头转动状态与手术任务要求信
息，利用如下公式获得手术环境状态矩阵
S
：其中，
S0为骨科手术机器人钻头，
S1～
S5为钻头经过的5部分路径；
F
为钻头在前进方向上的受力，通过标准化处理后得到的钻头受力；
F0为六维力传感器实时显示的合力，
F1～
F5指钻头位于此路径时，六维力传感器应显示的合力；依据骨科手术机器人钻头在骨层中经过的路径，定义
F
＝
[F
0 F1…
F5]
＝
[F
0 f
1 f
2 f
3 f
4 f1]g
表示钻头转动状态，
g0表示骨科手术机器人钻头是否正在转动，
g1～
g5为钻头在经过的5部分路径中是否应该转动，用0表示没有转动，用1表示正在转动；依据骨科手术机器人钻头在骨层中经过的路径，定义
g
＝
[g
0 g1…
g5]
＝
[g
0 0 1 1 0 0]
，其中
g0∈{0,1}
；
v
表示钻头前进状态，
v0表示骨科手术机器人钻头是否正在前进，
v1～
v5为钻头在经过的5部分路径中是否应该前进，用0表示没有前进，用1表示正在前进；依据骨科手术机器人钻头在骨层中经过的路径，定义
v
＝
[v
0 v1…
v5]
＝
[v
0 1 1 1 0 0]
，其中
...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄菊香，陶苇杭，陈钢，冯超，徐云峰，王一帆，李彤，杨凯，杨征，
申请(专利权)人：首都医科大学附属北京积水潭医院，
类型：发明
国别省市：