【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及医疗，具体指一种在手术导航系统中实现虚拟边界限制的方法及装置。
技术介绍
1、手术导航系统能够为医生提供狭窄手术区域的视野，辅助医生开展精密的手术操作。使用机器人的手术导航系统是随着控制系统、导航计算发展而衍生出的新兴的医疗器械，相比传统的手术导航系统，使用机器人能够对医生的操作进行限制，去除医生手部抖动，使手术更加精准。传统的手术工具在狭窄的区域内运动，操作完全由医生自主完成，存在损伤正常组织的风险，机器人手术导航系统能够使用机器人的控制能力，实时规避非预期的碰撞，防止发生严重的手术损伤。
2、目前解决碰撞响应的方式是采用惩罚函数的方式，具体指：当检测到碰撞发生时，质点会受到一个与惩罚方向相反的力，而惩罚的方向与有向距离函数有关，用函数表达如下：
3、
4、其中，f表示质点受到的惩罚力，k为惩罚系数，φ(x)为有向距离函数，φ(x)的梯度表示惩罚力的方向。这种响应方式与胡克定律的描述一致，即材料受力之后，材料中的应力与应变之间成线性关系，因此获得的碰撞响应接近于刚体与线弹性材料碰撞时的运动表现。这种方法存在的问题在于：k太小会导致物体速度改变太慢，质点容易进入限制面太多，限制面的位置限制不明显；k太大会导致质点向外的速度可能太大，质点无法稳定在限制面的表面。
5、上述方法的碰撞响应和现实世界中的碰撞差异过大，在要求高精度手术导航领域，碰撞响应的效果无法保证，参数设置不合理时十分容易造成很高的手术风险，因此不适合用于手术导航系统。
技术实现
0、
技术实现思路
:
1、本专利技术的目的在于解决上述
技术介绍
中描述的现有技术方案的缺点，提供一种在手术导航系统中实现虚拟边界限制的方法及装置，通过一种稳定、可靠的边界控制技术，在虚拟空间中约束机器人的活动区域，阻止机器人向区域外运动。
2、本专利技术通过以下技术方案予以实现：第一方面，本专利技术提供一种在手术导航系统中实现虚拟边界限制的方法，包括以下步骤：
3、s101，检查约束边界的封闭性，用于确定约束边界是否是可以用于碰撞检测，只有当约束边界是封闭的面数据，才能够描述质点在边界的外部还是内部；
4、s102，找出距离质点最近的面片，通过搜索算法，遍历所有边界的三角面片，选取质点能够投影的面片，找到最近的那一块面片；
5、s103，构造符号距离函数，根据当前质点和约束边界的相对位置关系，代入以下符号距离函数中：
6、
7、其中表示符号距离函数，x表示当前质点的位置，p表示平面上的任意一点，n为平面的法向量指向约束边界外侧；当符号距离函数大于0时，说明质点在法向量同侧，质点位于约束边界外侧；当符号距离函数小于0时，说明质点在法向量异侧，质点位于约束边界内侧；
8、s104，碰撞响应，从符号距离函数中判断出质点在约束边界的内外侧；
9、当质点位于约束边界内侧时，认为机器人的运动位于允许范围内，无需进行碰撞响应；
10、当质点位于约束边界外侧时，认为机器人的运动超出了允许范围，应当进行碰撞响应；将机器人当前的运动速度进行解耦，分为朝向约束边界以外方向vn和平行于约束边界切线方向vt，vn和vt分别遵循以下原则：
11、v'n＝-μnvn；
12、v't＝avt；
13、其中v'n表示更新后的速度，μn的范围在0到1之间，表示向约束边界以外方向的速度损失，值越小速度损失越多，a表示平行约束切线方向的速度衰减。
14、第二方面，本专利技术提供一种在手术导航系统中实现虚拟边界限制的装置，包括：
15、检查约束边界的封闭性模块，用于确定约束边界是否是可以用于碰撞检测，只有当约束边界是封闭的面数据，才能够描述质点在边界的外部还是内部；
16、找出距离质点最近的面片模块，用于通过搜索算法，遍历所有边界的三角面片，选取质点能够投影的面片，找到最近的那一块面片；
17、构造符号距离函数模块，用于根据当前质点和约束边界的相对位置关系，代入以下符号距离函数中：
18、
19、其中表示符号距离函数，x表示当前质点的位置，p表示平面上的任意一点，n为平面的法向量指向约束边界外侧；当符号距离函数大于0时，说明质点在法向量同侧，质点位于约束边界外侧；当符号距离函数小于0时，说明质点在法向量异侧，质点位于约束边界内侧；
20、碰撞响应模块，用于从符号距离函数中判断出质点在约束边界的内外侧；
21、当质点位于约束边界内侧时，认为机器人的运动位于允许范围内，无需进行碰撞响应；
22、当质点位于约束边界外侧时，认为机器人的运动超出了允许范围，应当进行碰撞响应；将机器人当前的运动速度进行解耦，分为朝向约束边界以外方向vn和平行于约束边界切线方向vt，vn和vt分别遵循以下原则：
23、v'n＝-μnvn；
24、v't＝avt；
25、其中v'n表示更新后的速度，μn的范围在0到1之间，表示向约束边界以外方向的速度损失，值越小速度损失越多，a表示平行约束切线方向的速度衰减。
26、本专利技术提供了一种在手术导航系统中实现虚拟边界限制的方法及装置，通过一种稳定、可靠的边界控制技术，在虚拟空间中约束机器人的活动区域，阻止机器人向区域外运动。采用了创新性的控制方式，可以解决现有技术方案边界接触位置控制不稳定、边界不清晰、操作风险高、参数调整难度大的问题，实现更加稳定、高精度的虚拟边界控制，同时能够更好的模拟质点与非线弹性材料接触时的碰撞表现，并且引入了速度衰减机制，更好的模拟真实的手术操作触感。
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1.一种在手术导航系统中实现虚拟边界限制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.一种在手术导航系统中实现虚拟边界限制的装置，其特征在于，包括：
【技术特征摘要】
1.一种在手术导航系统中实现虚拟边界限制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
【专利技术属性】
技术研发人员：甘博涵，张祝豪，陈杭，王捷，
申请(专利权)人：杭州键嘉医疗科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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