專利名稱：手術(shù)機(jī)器人的控制方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及遙操作控制技術(shù)，特別是涉及一種手術(shù)機(jī)器人的控制方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
各種醫(yī)療手術(shù)中醫(yī)生必須全程參與，長時間地站立于病人周圍直到手術(shù)結(jié)束。耗時較長的手術(shù)會耗費(fèi)醫(yī)生大量的精力，使得醫(yī)生產(chǎn)生疲勞，并由此導(dǎo)致醫(yī)生的手臂發(fā)生顫動，進(jìn)而影響手術(shù)的安全性。隨著各種各樣機(jī)器人的迅猛發(fā)展，針對各種不同應(yīng)用場景的機(jī)器人控制方法也隨之應(yīng)運(yùn)而生，例如，利用探測到人對機(jī)器人手臂的碰撞來控制機(jī)器人做出對應(yīng)的動作。由于不同應(yīng)用場景所面臨的環(huán)境以及控制要求不同，對機(jī)器人的控制方法也不同。而因醫(yī)療手術(shù)對安全性要求較高，使得手術(shù)機(jī)器人在醫(yī)療手術(shù)中的應(yīng)用大大地受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
基于此，提供一種能提高安全性的手術(shù)機(jī)器人的控制方法。此外，還有必要提供一種能提高安全性的手術(shù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)。一種手術(shù)機(jī)器人的控制方法，包括如下步驟對手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器和患者進(jìn)行定位分別得到末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置；根據(jù)患者所在位置以及患者圖像進(jìn)行運(yùn)算得到所述末端執(zhí)行器以當(dāng)前位置為起始，以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡；根據(jù)所述作業(yè)點(diǎn)和末端執(zhí)行器當(dāng)前位置調(diào)整所述運(yùn)動軌跡得到運(yùn)動路徑；按照所述運(yùn)動路徑驅(qū)動所述末端執(zhí)行器。在其中一個實(shí)施例中，所述按照所述運(yùn)動路徑驅(qū)動所述末端執(zhí)行器的步驟之前還包括通過拖拽操作觸發(fā)采集施力信息；處理所述施カ信息，并映射為所述末端執(zhí)行器的運(yùn)動指令；根據(jù)所述作業(yè)點(diǎn)和患者所在位置將所述運(yùn)動指令生成運(yùn)動路徑。在其中一個實(shí)施例中，所述對手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器和患者進(jìn)行定位分別得到末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置的步驟為分別采集所述末端執(zhí)行器和患者中標(biāo)記的圖像；根據(jù)所述標(biāo)記的圖像計算出末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置。在其中一個實(shí)施例中，所述根據(jù)患者所在位置以及患者圖像進(jìn)行運(yùn)算得到所述末端執(zhí)行器以當(dāng)前位置為起始，以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡的步驟為獲取患者圖像，將所述患者圖像與患者中的標(biāo)記進(jìn)行配準(zhǔn)處理得到所述患者中的標(biāo)記在所述患者圖像中的位置；通過所述配準(zhǔn)得到的位置、患者所在位置以及末端執(zhí)行器當(dāng)前位置進(jìn)行運(yùn)算得到所述末端執(zhí)行器與患者之間的相對位置關(guān)系；根據(jù)所述相對位置關(guān)系生成以當(dāng)前位置為起始，以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡。在其中一個實(shí)施例中，所述施カ信息為カ和カ矩,所述處理所述施カ信息,并映射為所述末端執(zhí)行器的運(yùn)動指令的步驟為去除所述カ和力矩中零偏和重力的干擾，井根據(jù)預(yù)設(shè)比例映射為末端執(zhí)行器的速度，按照所述速度生成運(yùn)動指令。一種手術(shù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，包括定位裝置，用于對手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器和患者進(jìn)行定位分別得到末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置；主動控制裝置，用于根據(jù)患者所在位置以及患者圖像進(jìn)行運(yùn)算得到所述末端執(zhí)行 器以當(dāng)前位置為起始，以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡；路徑生成裝置，用于根據(jù)所述作業(yè)點(diǎn)和末端執(zhí)行器當(dāng)前位置調(diào)整所述運(yùn)動軌跡得到運(yùn)動路徑；驅(qū)動裝置，用于按照所述運(yùn)動路徑驅(qū)動所述末端執(zhí)行器。在其中一個實(shí)施例中，還包括力反饋設(shè)備，用于通過拖拽操作觸發(fā)采集施力信息；被動控制裝置，用于處理所述施カ信息，并映射為所述末端執(zhí)行器的運(yùn)動指令；所述路徑生成裝置還用于根據(jù)所述作業(yè)點(diǎn)和患者所在位置將所述運(yùn)動指令生成運(yùn)動路徑。在其中一個實(shí)施例中，所述定位裝置包括圖像采集模塊，用于分別采集所述末端執(zhí)行器和患者中標(biāo)記的圖像；識別模塊，用于根據(jù)所述標(biāo)記的圖像計算出末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置。在其中一個實(shí)施例中，所述主動控制裝置包括配準(zhǔn)處理模塊，用于獲取患者圖像，將所述患者圖像與患者中的標(biāo)記進(jìn)行配準(zhǔn)處理得到所述患者中的標(biāo)記在所述患者圖像中的位置；運(yùn)算模塊，用于通過所述配準(zhǔn)得到的位置、患者所在位置以及末端執(zhí)行器當(dāng)前位置進(jìn)行運(yùn)算得到所述末端執(zhí)行器與患者之間的相對位置關(guān)系；軌跡生成模塊，用于根據(jù)所述相對位置關(guān)系生成以當(dāng)前位置為起始，以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡。在其中一個實(shí)施例中，所述施カ信息為カ和カ矩，所述被動控制裝置還用于去除所述カ和力矩中零偏和重力的干擾，井根據(jù)預(yù)設(shè)比例映射為末端執(zhí)行器的速度，按照所述速度生成運(yùn)動指令。上述手術(shù)機(jī)器人的控制方法和系統(tǒng)，首先對手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器和患者進(jìn)行定位得到作業(yè)點(diǎn)和患者所在位置，結(jié)合患者圖像進(jìn)行運(yùn)算得到以作業(yè)點(diǎn)為起始的運(yùn)動軌跡，并對運(yùn)動軌跡進(jìn)行調(diào)整，以保證末端執(zhí)行器在按照運(yùn)動軌跡進(jìn)行運(yùn)動的過程中為會碰到患者身體，提高了安全性，在手機(jī)機(jī)器人的作用下避免醫(yī)生長時間手術(shù)操作引起疲勞。


圖I為ー個實(shí)施例中手術(shù)機(jī)器人的控制方法的流程圖；圖2為圖I中對手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器和患者進(jìn)行定位分別得到末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置的方法流程圖；圖3為圖I中根據(jù)患者所在位置以及患者圖像進(jìn)行運(yùn)算得到末端執(zhí)行器以當(dāng)前位置為起始，以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡；圖4為ー個實(shí)施例中末端執(zhí)行器與患者之間相對位置關(guān)系的原理圖；圖5為ー個實(shí)施例中末端執(zhí)行器中手術(shù)器械和患者身體之間發(fā)生碰撞的示意圖；圖6為ー個實(shí)施例中運(yùn)動路徑的示意
圖7為另ー個實(shí)施例中手術(shù)機(jī)器人的控制方法的流程圖；圖8為ー個實(shí)施例中力反饋設(shè)備的拖拽操作示意圖；圖9為ー個實(shí)施例中手術(shù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為圖9中定位裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為圖9中主動控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖12為另ー個實(shí)施例中手術(shù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，在一個實(shí)施例中，一種手術(shù)機(jī)器人的控制方法，包括如下步驟步驟S110，對手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器和患者進(jìn)行定位分別得到末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置。本實(shí)施例中，手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器用于通過各種運(yùn)動完成以患者為對象的醫(yī)療手術(shù)，是醫(yī)療手術(shù)的直接執(zhí)行者，其上根據(jù)需要設(shè)置了各種手術(shù)器械。對末端執(zhí)行器和患者進(jìn)行定位以得到當(dāng)前所在的位置。如圖2所示，在一個實(shí)施例中，上述步驟SllO包括如下步驟步驟S111，分別采集末端執(zhí)行器和患者中標(biāo)記的圖像。本實(shí)施例中，末端執(zhí)行器和患者均附帯有標(biāo)記，用于標(biāo)定位置。該標(biāo)記可以是涂覆于末端執(zhí)行器和患者的身體上的反光材料。通過對末端執(zhí)行器和患者進(jìn)行拍攝得到末端執(zhí)行中標(biāo)記的圖像以及患者中標(biāo)記的圖像。具體的，用于進(jìn)行圖像拍攝的裝置可以是紅外攝像頭，相應(yīng)的，作為標(biāo)記的反光材料則必須能夠反射紅外光。標(biāo)記的圖像中標(biāo)記所對應(yīng)的點(diǎn)將売于周圍環(huán)境。步驟S113，根據(jù)標(biāo)記的圖像計算出末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置。本實(shí)施例中，對標(biāo)記的圖像進(jìn)行位置計算以得到末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置。具體的，末端執(zhí)行器所附帯的標(biāo)記是固定于末端執(zhí)行器上的，相應(yīng)的，患者所附帯的標(biāo)記也是固定于患者身上的，并且可以得到患者所附帯的標(biāo)記在患者圖像中對應(yīng)的位置，因此，可根據(jù)坐標(biāo)變換得到末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置。步驟S130，根據(jù)患者所在位置以及患者圖像進(jìn)行運(yùn)算得到末端執(zhí)行器以當(dāng)前位置為起始，以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡。本實(shí)施例中，作業(yè)點(diǎn)是患者身體上需要實(shí)施的手術(shù)的位置。通過坐標(biāo)變換可以計算出末端執(zhí)行器中手術(shù)器械當(dāng)前位置和患者所在位置之間的相對位置，并結(jié)合患者圖像精確得出手術(shù)機(jī)器人以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)，從當(dāng)前位置運(yùn)動到作業(yè)點(diǎn)所對應(yīng)的運(yùn)動軌跡。
如圖3所示，在一個實(shí)施例中，上述步驟S130包括如下步驟步驟S131，獲取患者圖像，將患者圖像與患者中的標(biāo)記進(jìn)行配準(zhǔn)處理得到患者中的標(biāo)記在患者圖像中的位置。本實(shí)施例中，對患者進(jìn)行醫(yī)學(xué)成像掃描得到相應(yīng)的患者圖像，該患者圖像可以是CT圖像，也可以是磁共振圖像等形式。為進(jìn)ー步提高手術(shù)的精準(zhǔn)性，還可對掃描得到的患者圖像進(jìn)行三維圖像重建，使得后續(xù)過程中能夠更為精準(zhǔn)地借助患者圖像實(shí)施醫(yī)療手木。將患者圖像與患者所附帯的標(biāo)記進(jìn)行配準(zhǔn)，使得患者所附帯的標(biāo)記與患者圖像中的某一位置對應(yīng)。步驟S133，通過配準(zhǔn)得到的位置、患者所在位置以及末端執(zhí)行器當(dāng)前位置進(jìn)行運(yùn)算得到末端執(zhí)行器與患者之間的相對位置關(guān)系。

本實(shí)施例中，如圖4所示，末端執(zhí)行器401中手術(shù)器械的位置和患者404所在位置之間的相對位置關(guān)系tm1T1di可通過如下公式計算得到loolTlffl = tp0Ttoo1-1 娜T 1 caffiTppo ppoTlffl 其中，tpoTtoo1是末端執(zhí)行器401所對應(yīng)的坐標(biāo)系到末端執(zhí)行器附帯的標(biāo)記402所對應(yīng)的坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣np。是末端執(zhí)行器附帯的標(biāo)記402所對應(yīng)的坐標(biāo)系到圖像拍攝裝置403坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣廣mTPP。是患者附帯的標(biāo)記405所對應(yīng)的坐標(biāo)系到圖像拍攝裝置403坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣；PP°TIm是患者圖像406坐標(biāo)系到患者附帯的標(biāo)記405所對應(yīng)的坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。步驟S135，根據(jù)相對位置關(guān)系生成以當(dāng)前位置為起始，以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡。本實(shí)施例中，根據(jù)相關(guān)位置關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算得得到末端執(zhí)行器中手術(shù)器械到作業(yè)點(diǎn)所對應(yīng)的運(yùn)動軌跡。步驟S150，根據(jù)作業(yè)點(diǎn)和末端執(zhí)行器當(dāng)前位置調(diào)整運(yùn)動軌跡得到運(yùn)動路徑。本實(shí)施例中，運(yùn)算得到的運(yùn)動軌跡為末端執(zhí)行器中手術(shù)器械到患者所進(jìn)行手術(shù)的部位，即作業(yè)點(diǎn)之間的直線軌跡，因此，如圖5所示，若按此直線軌跡進(jìn)行末端執(zhí)行器運(yùn)動將可能發(fā)生末端執(zhí)行器中手術(shù)器械和患者身體之間的碰撞，進(jìn)而造成患者受傷，如圖6所示，需對運(yùn)動軌跡進(jìn)行調(diào)整，使得末端執(zhí)行器在運(yùn)動的過程中避免與患者身體發(fā)生碰撞，提高手術(shù)機(jī)器人控制過程中的安全性。步驟S170，按照運(yùn)動路徑驅(qū)末端執(zhí)行器。本實(shí)施例中，根據(jù)運(yùn)動路徑通過機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的逆解計算得到手術(shù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)所應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度等驅(qū)動參數(shù)，進(jìn)而使得末端執(zhí)行器能夠依次按照運(yùn)動路徑進(jìn)行運(yùn)動。上述手術(shù)機(jī)器人的控制方法，通過對手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器和患者進(jìn)行主動定位得到末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置，進(jìn)而運(yùn)算得到以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡，并按照調(diào)整運(yùn)動軌跡所得到的運(yùn)動路徑控制末端執(zhí)行器的運(yùn)動，以完成末端執(zhí)行器中手術(shù)器械對患者進(jìn)行的醫(yī)療手術(shù)，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)機(jī)器人的主動控制。如圖7所示，在另ー個實(shí)施例中，上述步驟S170之前還包括如下步驟步驟S210，通過拖拽操作觸發(fā)采集施力信息。本實(shí)施例中，在對カ反饋設(shè)備進(jìn)行拖拽操作時，采集拖拽操作過程中施加于カ反饋設(shè)備中的施力信息。
步驟S230，處理施力信息，并映射為末端執(zhí)行器的運(yùn)動指令。本實(shí)施例中，對采集到的施力信息進(jìn)行處理，以剔除施力信息中的干擾因素，進(jìn)而將處理后的施力信息映射為末端執(zhí)行器的運(yùn)動指令，使得手術(shù)機(jī)器人柔順地隨著拖拽進(jìn)行運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)手術(shù)機(jī)器人在被動控制過程的柔順控制。在一個實(shí)施例中，施力信息為カ和カ矩，上述步驟S230的具體過程為去除力和力矩中零偏和重力的干擾，井根據(jù)預(yù)設(shè)比例映射為末端執(zhí)行器的速度，按照速度生成運(yùn)動指令。本實(shí)施例中，在去除了拖拽操作過程中力和力矩的零偏和重力干擾之后，按照預(yù)設(shè)比例將采集得到的力和カ矩折算為末端執(zhí)行器中的速度，并生成與拖拽操作相對應(yīng)的運(yùn)動指令，用于按照力反饋設(shè)備中的拖拽軌跡、力和力矩得到控制手術(shù)機(jī)器人從當(dāng)前位置到 作業(yè)點(diǎn)的直線軌跡，實(shí)現(xiàn)手術(shù)機(jī)器人的準(zhǔn)確操控。步驟S250，根據(jù)作業(yè)點(diǎn)和患者所在位置將所述運(yùn)動指令生成運(yùn)動路徑。本實(shí)施例中，對運(yùn)動指令進(jìn)行調(diào)整生成運(yùn)動路徑，進(jìn)而避免末端執(zhí)行器在運(yùn)動的過程中與患者身體發(fā)生碰撞。在一個實(shí)施例中，如圖8所示，通過對カ反饋設(shè)備801的拖拽操作使得末端執(zhí)行器803跟隨拖拽操作進(jìn)行運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)機(jī)器人的被動控制。上述手術(shù)機(jī)器人的控制方法中，通過觸發(fā)的拖拽操作進(jìn)行手術(shù)機(jī)器人的被動控制，在不存在拖拽操作的輸入時，可通過主動控制來完成醫(yī)療手術(shù)，手術(shù)機(jī)器人中主動控制和被動控制的結(jié)合大大地提高了靈活性。在優(yōu)選的實(shí)施例中，上述手術(shù)機(jī)器人為脊柱手術(shù)機(jī)器人，用于為患者實(shí)施脊柱手木。具體地，獲取患者圖像，將其掃描到計算機(jī)中進(jìn)行三維圖像重建。手術(shù)機(jī)器人初始化之后，采集到力反饋設(shè)備中醫(yī)生的拖拽操作，此時末端執(zhí)行器按照拖拽操作運(yùn)動到患者進(jìn)行手術(shù)的部位。此時，手術(shù)機(jī)器人將進(jìn)入主動控制模式，采集末端執(zhí)行器和患者中標(biāo)記的圖像，進(jìn)行主動定位得到患者所在位置和末端執(zhí)行器的作業(yè)點(diǎn)。醫(yī)生可通過監(jiān)控手術(shù)機(jī)器人的運(yùn)動檢查手術(shù)機(jī)器人的動作是否符合手術(shù)要求，若是，則末端執(zhí)行器對患者的脊柱鉆孔。在完成鉆孔之后，若整個脊柱手術(shù)結(jié)束，則復(fù)位機(jī)器人，在患者的脊柱中植入骨針井清理創(chuàng)ロ，再對創(chuàng)ロ進(jìn)行縫合。如圖9所示，在一個實(shí)施例中，一種手術(shù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，包括定位裝置110、主動控制裝置130、路徑生成裝置150以及驅(qū)動裝置170。定位裝置110，用于對手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器和患者進(jìn)行定位分別得到末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置。本實(shí)施例中，手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器用于通過各種運(yùn)動完成以患者為對象的醫(yī)療手術(shù)，是醫(yī)療手術(shù)的直接執(zhí)行者，其上根據(jù)需要設(shè)置了各種手術(shù)器械。定位裝置110對末端執(zhí)行器和患者進(jìn)行定位以得到當(dāng)前所在的位置。如圖10所示，在一個實(shí)施例中，上述定位裝置110包括圖像采集模塊111以及識別模塊113。圖像采集模塊111，用于分別采集末端執(zhí)行器和患者中標(biāo)記的圖像。本實(shí)施例中，末端執(zhí)行器和患者均附帯有標(biāo)記，用于標(biāo)定位置。該標(biāo)記可以是涂覆于末端執(zhí)行器和患者身體上的反光材料。圖像采集模塊111通過對末端執(zhí)行器和患者進(jìn)行拍攝得到末端執(zhí)行中標(biāo)記的圖像以及患者中標(biāo)記的圖像。具體的，用于圖像采集模塊111可以是紅外攝像頭，相應(yīng)的，作為標(biāo)記的反光材料則必須能夠反射紅外光。標(biāo)記的圖像中標(biāo)記所對應(yīng)的點(diǎn)將売于周圍環(huán)境。識別模塊113，用于根據(jù)標(biāo)記的圖像計算出末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置。本實(shí)施例中，識別模塊113對標(biāo)記的圖像進(jìn)行位置計算以得到末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置。具體的，末端執(zhí)行器所附帯的標(biāo)記是固定于末端執(zhí)行器上的，相應(yīng)的，患者所附帯的標(biāo)記也是固定于患者身上的，并且可以得到患者所附帯的標(biāo)記在患者圖像中對應(yīng)的位置，因此，識別模塊113可根據(jù)坐標(biāo)變換得到末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置。主動控制裝置130，用于根據(jù)患者所在位置以及患者圖像進(jìn)行運(yùn)算得到末端執(zhí)行 器以當(dāng)前位置為起始，以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡。本實(shí)施例中，主動控制裝置130通過坐標(biāo)變換可以計算出末端執(zhí)行器中手術(shù)器械的位置和患者所在位置之間的相對位置，并結(jié)合患者圖像精確得出手術(shù)機(jī)器人以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)，從當(dāng)前位置運(yùn)動到作業(yè)點(diǎn)所對應(yīng)的運(yùn)動軌跡。如圖11所示，在一個實(shí)施例中，上述主動控制裝置130包括配準(zhǔn)處理模塊131、運(yùn)算模塊133以及軌跡生成模塊135。配準(zhǔn)處理模塊131，用于獲取患者圖像，將患者圖像與患者中的標(biāo)記進(jìn)行配準(zhǔn)處理得到患者中的標(biāo)記在患者圖像中的位置。本實(shí)施例中，對患者進(jìn)行醫(yī)學(xué)成像掃描得到相應(yīng)的患者圖像，該患者圖像可以是CT圖像，也可以是磁共振圖像等形式。為進(jìn)ー步提高手術(shù)的精準(zhǔn)性，還可對掃描得到的患者圖像進(jìn)行三維圖像重建，使得后續(xù)過程中能夠更為精準(zhǔn)地借助患者圖像實(shí)施醫(yī)療手木。配準(zhǔn)處理模塊131將患者圖像與患者所附帯的標(biāo)記進(jìn)行配準(zhǔn)，使得患者所附帯的標(biāo)記與患者圖像中的某一位置對應(yīng)。運(yùn)算模塊133，用于通過配準(zhǔn)得到的位置、患者所在位置以及末端執(zhí)行器當(dāng)前位置進(jìn)行運(yùn)算得到末端執(zhí)行器與患者之間的相對位置關(guān)系。本實(shí)施例中，末端執(zhí)行器中手術(shù)器械的位置和患者所在位置之間的相對位置關(guān)系loolTlffl可通過如下公式計算得到loolTlffl = tp0Ttoo1-1 camTiro1 camTppo ppoTlffl其中，tpoTtoo1是末端執(zhí)行器所對應(yīng)的坐標(biāo)系到末端執(zhí)行器附帯的標(biāo)記所對應(yīng)的坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣廣mTTP。是末端執(zhí)行器附帯的標(biāo)記所對應(yīng)的坐標(biāo)系到圖像拍攝裝置坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣廣mTPP。是患者附帯的標(biāo)記所對應(yīng)的坐標(biāo)系到圖像拍攝裝置坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣；PP°TIm是患者圖像坐標(biāo)系到患者附帯的標(biāo)記所對應(yīng)的坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。軌跡生成模塊135，用于根據(jù)相對位置關(guān)系生成以當(dāng)前位置為起始，以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡。本實(shí)施例中，軌跡生成模塊135根據(jù)相關(guān)位置關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算得得到末端執(zhí)行器中手術(shù)器械到作業(yè)點(diǎn)所對應(yīng)的運(yùn)動軌跡。路徑生成裝置150，用于根據(jù)作業(yè)點(diǎn)和末端執(zhí)行器當(dāng)前位置調(diào)整運(yùn)動軌跡得到運(yùn)動路徑。本實(shí)施例中，運(yùn)算得到的運(yùn)動軌跡為末端執(zhí)行器中手術(shù)器械到患者所進(jìn)行手術(shù)的部位，即作業(yè)點(diǎn)之間的直線軌跡，因此，若按此直線軌跡進(jìn)行末端執(zhí)行器運(yùn)動將可能發(fā)生末端執(zhí)行器中手術(shù)器械和患者身體之間的碰撞，進(jìn)而造成患者受傷，需路徑生成裝置150對運(yùn)動軌跡進(jìn)行調(diào)整，使得末端執(zhí)行器在運(yùn)動的過程中避免與患者身體發(fā)生碰撞，提高手術(shù)機(jī)器人控制過程中的安全性。驅(qū)動裝置170，用于按照運(yùn)動路徑驅(qū)動末端執(zhí)行器。本實(shí)施例中，驅(qū)動裝置170根據(jù)運(yùn)動路徑通過機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的逆解計算得到手術(shù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)所應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度等驅(qū)動參數(shù)，進(jìn)而使得末端執(zhí)行器能夠依次按照運(yùn)動路徑進(jìn)行運(yùn)動。上述手術(shù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，通過對手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器和患者進(jìn)行主動定位得到末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置，進(jìn)而運(yùn)算得到以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡， 并按照調(diào)整運(yùn)動軌跡所得到的運(yùn)動路徑控制末端執(zhí)行器的運(yùn)動，以完成末端執(zhí)行器中手術(shù)器械對患者進(jìn)行的醫(yī)療手術(shù)，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)機(jī)器人的主動控制。如圖12所示，在另ー個實(shí)施例中，上述手術(shù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)還包括力反饋設(shè)備210以及被動控制裝置230。力反饋設(shè)備210，用于通過拖拽操作觸發(fā)采集施力信息。本實(shí)施例中，在對カ反饋設(shè)備210進(jìn)行拖拽操作時，采集拖拽操作過程中施加于力反饋設(shè)備210中的施力信息。被動控制裝置230，用于處理施力信息，并映射為末端執(zhí)行器的運(yùn)動指令。本實(shí)施例中，被動控制裝置230對采集到的施力信息進(jìn)行處理，以剔除施力信息中的干擾因素，進(jìn)而將處理后的施力信息映射為末端執(zhí)行器的運(yùn)動指令，使得手術(shù)機(jī)器人柔順地隨著拖拽進(jìn)行運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)手術(shù)機(jī)器人在被動控制過程的柔順控制。在一個實(shí)施例中，施力信息為カ和カ矩,上述被動控制裝置230還用于去除力和力矩中零偏和重力的干擾，井根據(jù)預(yù)設(shè)比例映射為末端執(zhí)行器的速度，按照速度生成運(yùn)動指令。本實(shí)施例中，在去除了拖拽操作過程中力和力矩的零偏和重力干擾之后，被動控制裝置230按照預(yù)設(shè)比例將采集得到的力和カ矩折算為末端執(zhí)行器中的速度，并生成與拖拽操作相對應(yīng)的運(yùn)動指令，用于按照力反饋設(shè)備中的拖拽軌跡、力和カ矩得到控制手術(shù)機(jī)器人從當(dāng)前位置到作業(yè)點(diǎn)的直線軌跡，實(shí)現(xiàn)手術(shù)機(jī)器人的準(zhǔn)確操控。路徑生成裝置150還用于根據(jù)作業(yè)點(diǎn)和患者所在位置將運(yùn)動指令生成運(yùn)動路徑。本實(shí)施例中，路徑生成裝置150對運(yùn)動指令進(jìn)行調(diào)整生成運(yùn)動路徑，進(jìn)而避免末端執(zhí)行器在運(yùn)動的過程中與患者身體發(fā)生碰撞。上述手術(shù)機(jī)器人的控制方法和系統(tǒng)，首先對手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器和患者進(jìn)行定位得到作業(yè)點(diǎn)和患者所在位置，結(jié)合患者圖像進(jìn)行運(yùn)算得到以作業(yè)點(diǎn)為起始的運(yùn)動軌跡，并對運(yùn)動軌跡進(jìn)行調(diào)整，以保證末端執(zhí)行器在按照運(yùn)動軌跡進(jìn)行運(yùn)動的過程中為會碰到患者身體，提高了安全性，在手機(jī)機(jī)器人的作用下避免醫(yī)生長時間手術(shù)操作引用疲勞。以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要 求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種手術(shù)機(jī)器人的控制方法，包括如下步驟 對手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器和患者進(jìn)行定位分別得到末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置； 根據(jù)患者所在位置以及患者圖像進(jìn)行運(yùn)算得到所述末端執(zhí)行器以當(dāng)前位置為起始，以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡； 根據(jù)所述作業(yè)點(diǎn)和末端執(zhí)行器當(dāng)前位置調(diào)整所述運(yùn)動軌跡得到運(yùn)動路徑； 按照所述運(yùn)動路徑驅(qū)動所述末端執(zhí)行器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的手術(shù)機(jī)器人的控制方法，其特征在于，所述按照所述運(yùn)動路徑驅(qū)動所述末端執(zhí)行器的步驟之前還包括 通過拖拽操作觸發(fā)采集施力信息； 處理所述施力信息，并映射為所述末端執(zhí)行器的運(yùn)動指令； 根據(jù)所述作業(yè)點(diǎn)和患者所在位置將所述運(yùn)動指令生成運(yùn)動路徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的手術(shù)機(jī)器人的控制方法，其特征在于，所述對手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器和患者進(jìn)行定位分別得到末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置的步驟為 分別采集所述末端執(zhí)行器和患者中標(biāo)記的圖像； 根據(jù)所述標(biāo)記的圖像計算出末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的手術(shù)機(jī)器人的控制方法，其特征在于，所述根據(jù)患者所在位置 以及患者圖像進(jìn)行運(yùn)算得到所述末端執(zhí)行器以當(dāng)前位置為起始，以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡的步驟為 獲取患者圖像，將所述患者圖像與患者中的標(biāo)記進(jìn)行配準(zhǔn)處理得到所述患者中的標(biāo)記在所述患者圖像中的位置； 通過所述配準(zhǔn)得到的位置、患者所在位置以及末端執(zhí)行器當(dāng)前位置進(jìn)行運(yùn)算得到所述末端執(zhí)行器與患者之間的相對位置關(guān)系； 根據(jù)所述相對位置關(guān)系生成以當(dāng)前位置為起始，以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的手術(shù)機(jī)器人的控制方法，其特征在于，所述施力信息為力和力矩，所述處理所述施力信息，并映射為所述末端執(zhí)行器的運(yùn)動指令的步驟為 去除所述力和力矩中零偏和重力的干擾，并根據(jù)預(yù)設(shè)比例映射為末端執(zhí)行器的速度，按照所述速度生成運(yùn)動指令。
6.—種手術(shù)機(jī)器人的控制系統(tǒng),其特征在于,包括 定位裝置，用于對手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器和患者進(jìn)行定位分別得到末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置； 主動控制裝置，用于根據(jù)患者所在位置以及患者圖像進(jìn)行運(yùn)算得到所述末端執(zhí)行器以當(dāng)前位置為起始，以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡； 路徑生成裝置，用于根據(jù)所述作業(yè)點(diǎn)和末端執(zhí)行器當(dāng)前位置調(diào)整所述運(yùn)動軌跡得到運(yùn)動路徑； 驅(qū)動裝置，用于按照所述運(yùn)動路徑驅(qū)動所述末端執(zhí)行器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的手術(shù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括 力反饋設(shè)備，用于通過拖拽操作觸發(fā)采集施力信息； 被動控制裝置，用于處理所述施力信息，并映射為所述末端執(zhí)行器的運(yùn)動指令；所述路徑生成裝置還用于根據(jù)所述作業(yè)點(diǎn)和患者所在位置將所述運(yùn)動指令生成運(yùn)動路徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的手術(shù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述定位裝置包括 圖像采集模塊，用于分別采集所述末端執(zhí)行器和患者中標(biāo)記的圖像； 識別模塊，用于根據(jù)所述標(biāo)記的圖像計算出末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的手術(shù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述主動控制裝置包括 配準(zhǔn)處理模塊，用于獲取患者圖像，將所述患者圖像與患者中的標(biāo)記進(jìn)行配準(zhǔn)處理得到所述患者中的標(biāo)記在所述患者圖像中的位置； 運(yùn)算模塊，用于通過所述配準(zhǔn)得到的位置、患者所在位置以及末端執(zhí)行器當(dāng)前位置進(jìn)行運(yùn)算得到所述末端執(zhí)行器與患者之間的相對位置關(guān)系； 軌跡生成模塊，用于根據(jù)所述相對位置關(guān)系生成以當(dāng)前位置為起始，以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的手術(shù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述施力信息為力和力矩，所述被動控制裝置還用于去除所述力和力矩中零偏和重力的干擾，并根據(jù)預(yù)設(shè)比例映射為末端執(zhí)行器的速度，按照所述速度生成運(yùn)動指令。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種手術(shù)機(jī)器人的控制方法和系統(tǒng)。所述方法包括對手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器和患者進(jìn)行定位分別得到末端執(zhí)行器當(dāng)前位置和患者所在位置；根據(jù)患者所在位置以及患者圖像進(jìn)行運(yùn)算得到末端執(zhí)行器以當(dāng)前位置為起始，以作業(yè)點(diǎn)為目標(biāo)的運(yùn)動軌跡；根據(jù)作業(yè)點(diǎn)和末端執(zhí)行器當(dāng)前位置調(diào)整運(yùn)動軌跡得到運(yùn)動路徑；按照運(yùn)動路徑驅(qū)動末端執(zhí)行器。所述系統(tǒng)包括定位裝置、主動控制裝置、路徑生成裝置以及驅(qū)動裝置。采用本發(fā)明提高了手術(shù)機(jī)器人的安全性。
文檔編號G05D3/00GK102768541SQ20121013265
公開日2012年11月7日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月28日
發(fā)明者張建偉, 張朋, 田偉, 胡穎, 鄭小麗, 靳海洋 申請人:中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院