【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及手术机器人，尤其是涉及一种碰撞预警方法及其装置。
技术介绍
1、当前传统手术模式对医生造成的风险不可忽视。一是术中不符合人体工程学的操作姿势，对医生的腰椎和关节非常不利。二是手术工具需在x射线透视引导下进行操作，而x线的电离辐射具有造成人体dna和组织损伤的风险。为改善术中的人体工程学，保障医生安全，提高手术效率，各种柔性手术机器人相继被研发。相比传统手术，机器人辅助手术具有明显优势，已逐渐成为新的手术趋势。虽不同机器人系统的操作性和机动性各不相同，但主从配置几乎是当前手术机器人系统所共有的选择。主从配置让医生远离手术台，解决了辐射等问题，但也导致了医生对手术工具末端与环境接触的力感知完全丧失。医生无法像传统手术模式一样感知操作过程中工具与组织之间的作用力。术中，柔性手术工具在人体狭窄且迂曲的自然通道中穿行，其末端与软组织的接触不可避免，意外碰撞易造成组织受到过大作用力而损伤。因此，实现手术工具末端与组织之间的碰撞检测至关重要。
2、目前手术机器人往往利用x线透射和内窥镜等图像为医生提供手术工具位置和人体结构信息。但2d医学图像缺乏深度感知，且内窥镜的三角视野存在盲区，因而手术工具末端与组织的接触状态不易识别。在工业机器人和刚性手术机器人中，基于关节传感器进行碰撞检测是常用的方法。但这类方法需要进行系统动力学建模，不适用于柔性手术机器人。
技术实现思路
1、本专利技术旨在至少改善现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出了一种碰撞预警方法及其装置。
2、根据本专利技术第一方面实施例的碰撞预警方法，其中，包括：
3、步骤s100，采用随机变量序列作为手术工具末端接触力信号的数学模型，其中实时采集柔性手术机器人工具末端的接触力信号看作随机变量序列；
4、步骤s200，构造接触力矩阵，其中接收到的力信号为，当前时刻 k的力子序列为， l为子序列的长度，一段时间内获得的子序列构造矩阵 f：
5、；
6、步骤s300，构造形态小波提取接触力信号中的碰撞变点特征，其中包括根据腐蚀、膨胀、开和闭四种基本形态算子的功能以及碰撞信号的波形特点，构造出形态滤波器对碰撞特征进行提取：
7、，
8、其中滤波器由第一部分和第二部分构成，为矩阵 f的列向量；
9、选择具有降噪能力的扁平结构元素作为：
10、，
11、其中，为的长度，为正整数；
12、采用三角结构元素作为：
13、，
14、其中，为结构元素的幅值，是三角结构元素的高度；
15、由于三角结构元素的高度 h0是影响脉冲特征提取的重要参数，故提供一种多尺度结构元素，定义初始结构元素为，其在尺度上为：
16、，
17、其中，为正整数；
18、令三角结构元素的尺度为，为正整数，对应形态小波的分解层，为正整数，得到多尺度形态滤波器，多尺度形态滤波器的第 i层分解为：
19、，
20、其中，为第 i层上的三角结构元素；
21、将多尺度形态滤波器作为对偶小波分解的细节分析算子，构造出一个新的形态小波分解方案，使用形态小波分解方案对矩阵 f的列向量进行分解，得到矩阵 y：
22、，
23、其中为矩阵y的列向量；均为矩阵y中的元素；
24、步骤s400，对力信号碰撞变点进行统计推断。
25、根据本专利技术实施例的碰撞预警方法，基于柔性手术工具末端的接触力信号进行碰撞检测，通过对力信号变点的检测实现柔性手术机器人工具末端的碰撞检测。由于力信号具有瞬态性和时变性，属于非平稳信号，其碰撞特征往往存在于局部时频成分中。为了得到更准确的统计推断结果，先将信号变换到特征空间，使碰撞导致的分布异常更好的“暴露”出来，该方法具有低检测延迟的优点，这对手术机器人做出及时地策略调整具有重要意义。
26、在第一方面的一种可能的实现方式中，将多尺度形态滤波器作为对偶小波分解的细节分析算子，构造出一个新的形态小波分解方案，具体为：
27、，
28、其中：为正整数，为输入信号，为第1层的分析信号，为第1层的细节信号，为第i+1层的分析信号，为第i+1层的细节信号；
29、细节分析算子：
30、，
31、信号分析算子：
32、，
33、信号合成算子：
34、，
35、其中，和分别是第 i层的细节信号和分析信号；和分别是第 i+1层的细节信号和分析信号；是细节分析算子；是信号分析算子； id是恒等运算符，为信号合成算子。
36、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述步骤s400具体包括：
37、每采集到一个新的力样本就可获得一个新的细节序列，通过对细节序列与进行差异显著性检验实现碰撞检测。检验的原假设和备择假设为：
38、，
39、其中，为和不存在显著差异的序列集合，为和存在显著差异的序列集合；接受备择假设表明和存在显著差异，碰撞发生；
40、将特征矩阵 y的列标准化，然后计算其均值，形成一个新的序列：
41、，
42、其中，是标准化至区间[-1,1]的子序列；
43、计算检验统计量：
44、，
45、其中，为序列的均值，为序列的标准差，
46、最终，得到决策函数：
47、，
48、其中， c为临界值；
49、当检验统计量不超过设定的临界值 c时，，表明无碰撞发生；当检验统计量大于设定的临界值 c时，，力信号的状态发生了变化，表面碰撞变点被检测到，此时，碰撞预警信号在时刻 k发出，其对应的预警时间为：
50、，
51、其中 v是信号的采样频率。
52、在第一方面的一种可能的实现方式中，采样频率 v为100hz。
53本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种碰撞预警方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的碰撞预警方法，其特征在于，将多尺度形态滤波器作为对偶小波分解的细节分析算子，构造出一个新的形态小波分解方案，具体为：
3.根据权利要求1所述的碰撞预警方法，其特征在于，所述步骤S400具体包括：
4.根据权利要求3所述的碰撞预警方法，其特征在于，采样频率v为100Hz。
5.一种碰撞预警装置，其特征在于，包括采用如权利要求1至4任一项所述的碰撞预警方法对柔性手术机器人工具末端进行碰撞预警。
6.一种柔性手术机器人，包括微型光纤光栅力传感器，其特征在于，还包括如权利要求5所述的碰撞预警装置，通过利用手术工具末端的微型光纤光栅力传感器实时测量接触力信号，实现对柔性手术机器人工具末端的碰撞预警。
【技术特征摘要】
1.一种碰撞预警方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的碰撞预警方法，其特征在于，将多尺度形态滤波器作为对偶小波分解的细节分析算子，构造出一个新的形态小波分解方案，具体为：
3.根据权利要求1所述的碰撞预警方法，其特征在于，所述步骤s400具体包括：
4.根据权利要求3所述的碰撞预警方法，其特征在于，采样频率v为1...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓奕男，杨唐文，刘燕德，刘志敏，陈楠，廖发发，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。