BR112019025712B1

BR112019025712B1 - Robô médico e método de controle do mesmo

Info

Publication number: BR112019025712B1
Application number: BR112019025712-8A
Authority: BR
Inventors: Yunlei Shi; Chao He; Jiayin Wang; Xiang Zhu; Shuai Yuan; Yizhi JIANG
Original assignee: Shanghai Microport Medbot (Group) Co., Ltd
Priority date: 2017-06-09
Filing date: 2018-06-08
Publication date: 2024-02-20
Also published as: EP3636393B1; EP3636393A4; WO2018224038A1; CN108748153A; EP3636393A1; CN108748153B; BR112019025712A2; CN107009363A

Abstract

a presente invenção refere-se a um robô médico e método de controle do mesmo. uma velocidade de movimento de uma parte de extremidade de um robô é determinada conjuntamente pela força de operação de um operador e a força de operação do robô. quando a operação do operador faz a parte de extremidade do robô se desviar de uma trilha de movimento desejada ou entrar em uma área de alto risco, a força de operação do robô será gerada para garantir que a parte de extremidade do robô seja mantida na trilha correta e na área correta todo o tempo. o robô médico e o método de controle do mesmo alteram o modo de controle mestre ? escravo (operador ? robô) na técnica anterior para permitir troca de informações entre o operador e o robô, assim altamente aprimorando a segurança e a precisão da operação do robô médico.

Description

CAMPO TÉCNICO

[001] A presente revelação refere-se ao campo de equipamento médico e em particular, com um robô médico e um método de controle do mesmo.

ANTECEDENTES

[002] A medicina espinhal é uma disciplina clínica que lida com a espinha e com doenças da medula espinhal através de operação cirúrgica. As operações principais da cirurgia espinhal incluem inserção de parafuso e corte. A chave da inserção de parafuso é o ponto de inserção e o ângulo de inserção. A inserção de parafuso manual convencional requer que o operador selecione o ponto de inserção dependendo da experiência do operador, e determine o ângulo de inserção dependendo da percepção espacial e da fluoroscopia utilizada durante a operação. Além disso, o corte inclui osteotomia e ressecção de tecidos moles. Estímulos ou corte indesejados junto ao nervo durante a operação de corte são extremamente fáceis de causar prejuízos irreversíveis para a função neurológica pós-operatória. As ferramentas utilizadas no corte convencional frequentemente são selecionadas a partir do osteótomo, furadeira de desgaste ou fórceps de osso. Durante o corte, a operação deve ser estritamente restrita a um espaço estreito, de modo que a segurança da operação depende da percepção espacial, da percepção manual e da habilidade de operação sutil do operador. De acordo com as estatísticas, é apresentado que a incidência de lesões para o nervo causadas pela inserção manual de parafuso pelo operador é ao redor de 3 a 55%, e a incidência de lesões para o nervo durante o corte e de 3,2 a 12,8%. A direção de desenvolvimento de pesquisas de cirurgia espinhal no requerimento médico de precisão atual é como aprimorar a precisão de operação utilizando uma nova tecnologia para reduzir a limitação da operação manual ou a perda causada por erro humano.

[003] De modo a solucionar o problema de precisão da operação do posicionamento da operação de inserção de parafuso, o sistema SpineAssist foi desenvolvido para inserção de parafuso de posicionamento de coluna, o qual foi de forma única aprovado pela FDA e CFDA no mundo como o inventor conhece. A tecnologia chave deste sistema é o controle preciso de instrução de posição de braços mecânicos paralelos, e a estratégia de segurança deste sistema é a tecnologia de navegação baseada no registro de fluoroscopia durante a operação e de TC pré-operatória. O sistema pode de forma significativa aprimorar a eficiência e a segurança da operação de inserção de parafuso com um erro de precisão de menos do que 1 mm bem como reduzir os tempos de fluoroscopia. O sistema SPINEBOT desenvolvido pela Hanyang University of Korea também objetiva posicionar a operação de inserção de parafuso. O modo de controle deste sistema adota o controle de instrução de posição de braços mecânicos seriais, e a estratégia de segurança deste sistema é a tecnologia de navegação baseada no registro de posicionamento ótico infravermelho e TC pré-operatória. O sistema SPINEBOT possui um erro de precisão de 1 a 2 mm. O robô de inserção de parafuso espinha que também adota a navegação por infravermelho e o controle de instrução de posição de braços mecânicos seriais é o sistema Neuroglide e o sistema TiRobot do Beijing Jishuitan Hospital.

[004] O foco dos robôs de cirurgia espinhal atualmente no mercado é o posicionamento da operação de inserção de parafuso, os quais principalmente adotam o controle direto de instrução de posição da articulação do robô ou adotam o modo de controle por teleoperação mestre - escravo. Apesar de estes robôs poderem alcançar uma alta precisão no aspecto de informação de posição, os cenários de utilização são muito limitados, e as necessidades de assistência robótica para operações de corte clínico não podem ser satisfeitas. Nas operações de corte, o operador precisa perceber as alterações das posições e das forças de operação em tempo real, e ajustar a ação a qualquer tempo de acordo com as alterações. Apesar de o robô com o controle de instrução de posição simples e com o modo de controle mestre - escravo poder alcançar uma precisão de posição mais elevada, a troca de informações da força de operação da operação é totalmente perdida na utilização real, o que resulta em uma completa dependência da precisão da operação do operador. Além disso, o sistema cirúrgico é sujeito aos erros de precisão de registro, especialmente a influência do movimento da estrutura anatômica devido à fixação incompleta, de modo que é difícil atender aos requerimentos de segurança e precisão da operação de corte.

[005] O Pedido de Patente Chinês No CN104470456A revela um sistema de robô cirúrgico, incluindo: uma ferramenta cirúrgica configurada para executar cirurgia em cada uma das várias regiões de procedimento em uma região cirúrgica que é dividida em várias regiões de procedimento; um braço robô no qual a ferramenta cirúrgica é montada, um controlador ajustando uma velocidade de operação na qual o braço robô opera, baseado em um nível de risco que é estabelecido para uma região de procedimento na qual a ferramenta cirúrgica é disposta e configurada para operar o braço robô; e uma unidade de alteração configurada para trocar um modo cirúrgico entre um modo automático, no qual a cirurgia é automaticamente executada na região de procedimento, e um modo colaborativo no qual a cirurgia é executada na região de procedimento em colaboração com um operador, em que o controlador compreende: um instrumento de acionamento configurado para, quando o modo de cirurgia é o modo automático, ajustar a velocidade de acionamento para operar o braço robô; e um instrumento de carga configurado para, quando o modo de cirurgia é o modo colaborativo, ajustar uma carga que atua em um processo onde o operador operar o braço robô. O sistema de robô cirúrgico categoriza a região de procedimento baseado no nível de risco e utiliza o instrumento de acionamento e o instrumento de carga para ajustar a velocidade da ferramenta cirúrgica nas regiões com diferentes níveis de risco, de modo a reduzir o risco de acidentes médicos. Entretanto, no modo de controle mestre - escravo, isto é, no modo de operação descrito na patente, a ferramenta cirúrgica ainda opera dependendo da operação do operador, e apenas cargas diferentes são estabelecidas para regiões com diferentes níveis de risco para alterar a sensibilidade da Ferramenta cirúrgica em resposta à operação do operador, a qual não pode alterar ou resistir a qualquer operação do operador. Portanto, uma vez que um erro de operação do operador ocorre, o sistema de robô cirúrgico está apto a aliviar os danos causados pelo erro de operação até alguma extensão, e é impossível fundamentalmente evitar a ocorrência de tais erros de operação.

[006] Portanto, existe uma necessidade por um robô médico que seja apto a corrigir a operação do operador, particularmente no modo de controle mestre - escravo.

SUMÁRIO

[007] Algumas modalidades proporcionam um robô médico e um método de controle do mesmo para aprimorar a segurança e a precisão da operação do robô médico.

[008] O robô médico compreende: uma unidade de aquisição de força de operação do operador, configurada para adquirir uma força de operação do operador; uma unidade de aquisição de força de operação do robô, configurada para adquirir uma força de operação do robô de acordo com um nível de perigo de uma região na qual um terminal robô está localizado; um módulo de controle, configurado para determinar uma velocidade desejada do terminal robô de acordo com a força de operação do operador e com a força de operação do robô, e converter a informação de velocidade para uma instrução de controle; um módulo de acionamento; e o terminal robô; em que o módulo de acionamento aciona o terminal robô para se mover de acordo com a instrução de controle recebida.

[009] Opcionalmente, a unidade de aquisição de força de operação do operador compreende: um sensor de força multidimensional, configurado para adquirir uma força de entrada de um operador; e um módulo de cálculo de força de operação do operador comunicativamente adquirida pelo sensor de força multidimensional e configurado para converter a força de entrada adquirida pelo sensor de força multidimensional em força de operação do operador em um espaço Cartesiano de acordo com um modelo de mapeamento de força do robô.

[0010] Opcionalmente, a unidade de aquisição de força de operação do operador compreende: um módulo de detecção de torque da articulação do robô, configurado para detectar um torque da articulação do robô; e um módulo de cálculo de força de operação do operador comunicativamente conectado com o módulo de detecção de torque de articulação do robô, o módulo de cálculo de força de operação do operador separando o torque da articulação do robô através da dinâmica para obter a força de operação do operador.

[0011] Além disso, o robô médico ainda compreende um módulo de filtragem, configurado para filtrar a força de operação do operador para remover tremulação ocorrida durante uma operação do operador.

[0012] Além disso, a unidade de aquisição de força de operação do robô compreende: um módulo de geração de objetivo médico, configurado para estabelecer um modelo de objetivo médico, e categorizar o modelo de objetivo médico em diferentes regiões de acordo com o nível de perigo; um módulo de associação de coordenadas, configurado para adquirir coordenadas do terminal robô, associar o modelo de objetivo médico com as coordenadas do terminal robô, e determinar a região do modelo de objetivo médico na qual o terminal robô está localizado; um módulo de estratégia de restrição regional, configurado para gerar diferentes estratégias de restrição de acordo com diferentes níveis de perigo de regiões nas quais o terminal robô pode estar localizado de acordo com um algoritmo de restrição de segurança; e um módulo de cálculo de força de operação do robô, configurado para combinar o módulo de associação de coordenadas e o módulo de estratégia de restrição regional para obter uma força de operação do robô correspondente.

[0013] Opcionalmente, regiões do modelo de objetivo médico categorizadas com diferentes níveis de perigo compreendem uma região recomendada, uma região segura, e uma região proibida.

[0014] A estratégia de restrição compreende: não gerar uma força de operação do robô na região recomendada; gerar uma força de operação do robô com a forma de força de amortecimento oposta à força de operação do operador na região segura para reduzir a velocidade do terminal robô; e gerar uma força de operação do robô longe da região proibida na região proibida.

[0015] Opcionalmente, regiões do modelo de objetivo médico categorizadas de acordo com diferentes níveis de perigo compreendem uma região perigosa e uma região não perigosa.

[0016] A estratégia de restrição compreende: estabelecer diferentes parâmetros proporcionais da realimentação de força de acordo com a distância entre o terminal robô e o limite da região perigosa.

[0017] Além disso, o módulo de controle é configurado para: obter uma velocidade desejada do terminal robô no espaço Cartesiano de acordo com a força de operação do operador e com a força de operação do robô; converter a velocidade desejada do terminal robô no espaço Cartesiano para obter uma velocidade desejada do terminal robô em um espaço da articulação do robô de acordo com uma transformação de Jacobiana; e separar a velocidade desejada do terminal robô no espaço da articulação do robô utilizando um algoritmo de controle de separação linear para obter um torque de controle da articulação do robô para obter o controle de velocidade do robô.

[0018] Além disso, a fórmula para obter a velocidade desejada do terminal robô no espaço Cartesiano pelo módulo de controle de acordo com a força de operação do operador e com a força de operação do robô é: em que é a força de operação do operador é a força de operação do robô é um coeficiente de transformação proporcional de uma força do terminal robô no espaço Cartesiano para uma velocidade do terminal robô no espaço Cartesiano, é a velocidade desejada do terminal robô no espaço Cartesiano, é um fator de escala da força de operação do robô gerado devido a um excesso do limite.

[0019] Além disso, a fórmula para obter a velocidade desejada no espaço da articulação do robô pelo módulo de controle de acordo com a velocidade desejada do terminal robô no espaço Cartesiano é: em que é a matriz Jacobiana inversa sob a configuração atual do robô médico, e é a velocidade desejada no espaço da articulação do robô.

[0020] Além disso, a separação, pelo módulo de controle, da velocidade desejada no espaço da articulação do robô utilizando o algoritmo de controle de separação linear para obter um torque de controle da articulação do robô para obter o controle de velocidade do robô compreende: estabelecer um modelo completo de controle do robô; categorizar o modelo de controle do robô em uma parte de controle baseada no modelo e uma parte de servo controle de desvio baseada no modelo; e adicionar um torque gerado pela parte de controle baseada no modelo para um torque gerado pela parte de servo controle de desvio baseada no modelo para obter o torque de controle para a articulação do robô.

[0021] Além disso, o modelo completo de controle do robô é: em que M (θ) é um parâmetro do modelo de uma matriz de inércia de um braço de operação do robô é um parâmetro do modelo de uma velocidade de um braço de operação do robô, é um parâmetro do modelo de uma gravidade de um braço de operação do robô, é um parâmetro do modelo de uma fricção de um braço de operação do robô é um torque de controle de n x 1 articulações do robô, n é o grau de liberdade de uma articulação do braço de operação do robô, e é um ângulo real no espaço da articulação do robô.

[0022] Além disso, a fórmula do torque gerado pela parte de controle baseada no modelo é: a fórmula do torque gerado pela parte de servo controle de desvio baseada no modelo é: em que é um ângulo desejado no espaço da articulação do robô, é uma aceleração desejada no espaço da articulação do robô, é um desvio entre o ângulo desejado e o ângulo real no espaço da articulação do robô é um desvio da velocidade desejada no espaço da articulação do robô e a velocidade real no espaço da k articulação do robô, e é um fato de ganho do desvio de velocidade.

[0023] As outras modalidades também proporcionam um método de controle de um robô médico, compreendendo: adquirir uma força de operação do operador; obter uma força de operação do robô de acordo com o nível de perigo de uma região na qual um terminal robô está localizado; determinar uma velocidade do terminal robô de acordo com a força de operação do operador e a força de operação do robô, e converter a informação de velocidade em uma instrução de controle; e acionar o terminal robô para se mover de acordo com a instrução de controle.

[0024] Opcionalmente, a etapa de adquirir uma força de operação do operador compreende: adquirir, pelo sensor de força multidimensional localizado no terminal robô, uma força de operação do operador em um sistema de coordenadas do sensor multidimensional; e converter, pelo módulo de cálculo de força de operação do operador, a força de operação do operador no sistema de coordenadas do sensor multidimensional em força de operação do operador no espaço Cartesiano de acordo com o modelo de controle de força do robô.

[0025] Opcionalmente, a etapa de adquirir uma força de operação do operador compreende: detectar um torque da articulação do robô; e separar o torque da articulação do robô através da dinâmica para obter a força de operação do operador.

[0026] Além disso, a etapa de obter uma força de operação do robô de acordo com o nível de perigo de uma região na qual um terminal robô está localizado compreende: estabelecer um modelo de objetivo médico; categorizar o modelo de objetivo médico em regiões, e estabelecer diferentes forças de operação do robô para diferentes regiões; associar o modelo de objetivo médico com coordenadas do terminal robô; e adquirir coordenadas de posição do terminal robô, e determinar uma região do modelo de objetivo médico na qual o terminal robô está localizado, para obter a força de operação do robô correspondente.

[0027] Além disso, a etapa de determinar uma velocidade do terminal robô de acordo com a força de operação do operador e com a força de operação do robô juntas compreendem: obter uma velocidade desejada do terminal robô no espaço Cartesiano de acordo com a força de operação do operador e com a força de operação do robô; converter a velocidade desejada do terminal robô no espaço Cartesiano para obter uma velocidade desejada em um espaço da articulação do robô de acordo com uma transformação Jacobiana; e separar a velocidade desejada no espaço da articulação do robô utilizando o algoritmo de controle de separação linear para obter um torque de controle da articulação do robô.

[0028] Comparadas com a técnica anterior, as modalidades possuem os seguintes efeitos vantajosos:

[0029] O robô médico e o método de controle do mesmo proporcionados nas modalidades determinam a velocidade de um terminal robô de acordo com uma força de operação do operador e com uma força de operação do robô, de modo que uma força de operação do robô é gerada para manter o terminal robô na trajetória e região corretas todo o tempo quando um operador opera o terminal robô para desviar de uma trajetória desejada ou entrar em uma região perigosa. Portanto, o robô médico e o método de controle do mesmo estão aptos a alterar o controle no modo mestre - escravo simples de operador - robô na técnica anterior para permitir a troca de informações entre o operador e o robô, desse modo aprimorando muito a segurança e a precisão da operação do robô médico.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0030] A FIGURA 1 é um diagrama estrutural esquemático de um robô médico de acordo com algumas modalidades;

[0031] A FIGURA 2 é um diagrama esquemático da categorização de região em um modelo de objetivo médico de algumas modalidades;

[0032] A FIGURA 3 é um diagrama esquemático da categorização de região em outro modelo de objetivo médico de algumas modalidades; e

[0033] A FIGURA 4 é um diagrama esquemático de uma estratégia de força de operação em outro modelo de objetivo médico de algumas modalidades.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0034] O robô médico e o método de controle do mesmo proporcionados na presente revelação são ainda descritos abaixo em detalhes com referência aos desenhos acompanhantes. Vantagens e aspectos da presente revelação serão aparentes a partir da descrição e das concretizações anexas abaixo. Deve ser observado que os desenhos estão em uma forma muito simplificada e não utilizam proporções precisas, com a única intenção de facilitar a conveniência e a clareza ao explicar o objetivo da presente revelação.

[0035] O conceito principal de algumas modalidades é proporcionar um robô médico e um método de controle do mesmo, nos quais a velocidade de um terminal robô é determinada por uma força de operação do operador e por uma força de operação do robô juntas, de modo que a força de operação do robô é gerada para manter o terminal robô na trajetória ou região correta durante todo o tempo quando um operador opera o terminal robô para desviar de uma trajetória desejada ou entrar em uma região perigosa. O robô médico e o método de controle do mesmo estão aptos a alterar o controle no modo mestre - escravo simples do operador - robô na técnica anterior para permitir troca de informações entre o operador e o robô. Assim, isto aprimora muito a segurança e a precisão da operação do robô médico. O termo "velocidade" utilizado neste documento é um vetor, incluindo valor numérico e direção.

[0036] Referindo-se à FIGURA 1, a qual é um diagrama estrutural esquemático de um robô médico de acordo com algumas modalidades.

[0037] Como apresentado na FIGURA 1, algumas modalidades proporcionam um robô médico, compreendendo: uma unidade de aquisição de força de operação do operador, configurada para adquirir uma força de operação do operador; uma unidade de aquisição de força de operação do robô, configurada para adquirir uma força de operação do robô de acordo com o nível de perigo de uma região na qual um terminal robô está localizado; um módulo de controle, configurado para determinar uma velocidade do terminal robô de acordo com a força de operação do operador e com a força de operação do robô, e converter a informação de velocidade em uma instrução de controle; um módulo de acionamento, configurado para receber a instrução de controle e acionar o terminal robô para se mover; e um terminal robô, acionado pelo módulo de acionamento e configurado para se mover de acordo com a velocidade.

[0038] Como apresentado na FIGURA 1, algumas modalidades também proporcionam um método de controle de um robô médico, compreendendo: adquirir uma força de operação do operador; obter uma força de operação do robô de acordo com o nível de perigo de uma região na qual um terminal robô está localizado; determinar uma velocidade do terminal robô de acordo com a força de operação do operador e a força de operação do robô, e converter a informação de velocidade em uma instrução de controle; e acionar o terminal robô para se mover de acordo com a instrução de controle.

[0039] O robô médico proporcionado em algumas modalidades adquire a força de operação do operador e a força de operação do robô através da unidade de aquisição de força de operação do operador e da unidade de aquisição de força de operação do robô, respectivamente, e determina a velocidade do terminal robô pelo módulo de controle de acordo com as duas forças, de modo que uma força de operação do robô é gerada para manter o terminal robô na trajetória ou região correta todo o tempo ou produzir para o terminal robô uma tendência de se mover em direção à região desejada, quando um operador operar o terminal robô para desviar de uma região desejada. O robô médico e o método de controle do mesmo estão aptos a alterar o controle no modo mestre - escravo simples do operador - robô na técnica anterior para permitir troca de informações entre o operador e o robô, desse modo aprimoramento muito a segurança e a precisão da operação do robô médico.

[0040] Em algumas modalidades, a unidade de aquisição de força de operação do operador, o módulo de acionamento, e o terminal robô são dispostos juntos para implementar a estratégia de controle do robô médico. Em outras modalidades, as unidades e módulos precedentes e o terminal robô também podem ser dispostos de uma maneira descentralizada.

[0041] Em algumas modalidades, o robô médico e o método de controle do mesmo são aplicados para uma operação cirúrgica para atender aos requerimentos de precisão e de segurança da operação requeridos para a cirurgia. É concebível que o robô médico e o método de controle do mesmo proporcionados em algumas modalidades também possam ser aplicados para outros campos requerendo operação manual com alta precisão.

[0042] Em algumas modalidades, a unidade de aquisição de força de operação do operador inclui: um sensor de força multidimensional disposto no terminal robô. De preferência, um sensor de força com seis dimensões é adotado para obter a força de operação do operador em um sistema de coordenadas do sensor com seis dimensões.

[0043] O sensor de força multidimensional é comunicativamente conectado com um módulo de cálculo de força de operação do operador.

[0044] O módulo de cálculo de força de operação do operador converte uma força de operação do operador no sistema de coordenadas do sensor multidimensional em uma força de operação do operador no espaço Cartesiano de acordo com um modelo de controle de força do robô.

[0045] A etapa de adquirir a força de operação do operador pela unidade de aquisição de força de operação do operador inclui: adquirir, por um sensor de força multidimensional disposto no terminal robô, uma força de operação do operador em um sistema de coordenadas do sensor multidimensional; e converter, pelo módulo de cálculo de força de operação do operador de acordo com um modelo de controle de força do robô, a força de operação do operador no sistema de coordenadas do sensor multidimensional em força de operação do operador no espaço Cartesiano.

[0046] É concebível que outra unidade de aquisição de força de operação do operador opcional inclua: um módulo de detecção de torque da articulação do robô, configurado para detectar um torque da articulação do robô; e um módulo de cálculo de força de operação do operador comunicativamente conectado com o módulo de detecção de torque da articulação do robô.

[0047] O módulo de cálculo de força de operação do operador separa o torque da articulação do robô através da dinâmica para obter a força de operação do operador.

[0048] Especificamente, o módulo de detecção de torque da articulação do robô pode ser um módulo de detecção de corrente elétrica, ou podem ser outros módulos de detecção para detectar o torque da articulação do robô, tal como um módulo mecânico para detecção de torque. Portanto, estas soluções mecânicas estão incluídas no escopo da revelação.

[0049] Por consequência, a etapa de adquirir a força de operação do operador por outra unidade de aquisição de força de operação do operador inclui: detectar um torque da articulação do robô, e separar o torque da articulação do robô através de dinâmica para obter a força de operação do operador.

[0050] O método para detectar o torque da articulação do robô pode ser baseado em um método de detecção de corrente elétrica, ou outros métodos que estão aptos a detectar o torque da articulação do robô. Além disso, as soluções técnicas utilizadas para a detecção do torque da articulação do robô estão todas incluídas no escopo da revelação.

[0051] Além disso, o robô médico ainda compreende um módulo de filtragem, configurado para filtrar a força de operação do operador para remover uma tremulação ocorrida durante uma operação do operador.

[0052] Ele está apto a efetivamente remover o balanço das mãos durante uma operação do operador para executar uma filtragem em relação à força de operação do operador adquirida. A operação de filtragem que combina com a força de operação do robô para conjuntamente determinar a velocidade do terminal robô irá efetivamente aprimorar a precisão da operação e a eficiência do terminal robô. O modo de processamento de filtro pode ser uma filtragem de passa-baixa ou outro modo de processamento de filtragem. Além disso, as soluções técnicas utilizadas para remover tremulação da operação do operador estão todas incluídas no escopo da revelação.

[0053] É óbvio que o módulo de filtragem pode ser um módulo de filtragem passa-baixa ou outros módulos de filtragem. Além disso, os módulos de filtragem utilizados para remover tremulação da operação do operador estão todos incluídos no escopo da revelação.

[0054] Em algumas modalidades, a unidade de aquisição de força de operação do robô compreende: um módulo de geração de objetivo médico, configurado para estabelecer um modelo de objetivo médico, e o modelo de objetivo médico é categorizado em diferentes regiões de acordo com o nível de perigo; um módulo de associação de coordenadas, configurado para adquirir coordenadas do terminal robô, associar o modelo de objetivo médico com as coordenadas do terminal robô, e determinar a região do modelo de objetivo médico na qual o terminal robô está localizado; um módulo de estratégia de restrição regional, configurado para gerar diferentes estratégias de restrição para diferentes níveis de perigo de regiões nas quais o terminal robô pode estar localizado de acordo com um algoritmo de restrição de segurança; e um módulo de cálculo de força de operação do robô, configurado para combinar o módulo de associação de coordenadas e o módulo de estratégia de restrição regional para obter uma força de operação do robô correspondente.

[0055] Além disso, a etapa de obter uma força de operação do robô pela unidade de aquisição de força de operação do robô de acordo com a região na qual o terminal robô está localizado inclui: estabelecer um modelo de objetivo médico; categorizar o modelo de objetivo médico em regiões, e estabelecer diferentes forças de operação do robô para diferentes regiões; associar o modelo de objetivo médico com coordenadas do terminal robô; e adquirir coordenadas de posição do terminal robô, e determinar uma região do modelo de objetivo médico na qual o terminal robô está localizado para obter uma força de operação do robô correspondente.

[0056] Especificamente, a etapa de categorizar regiões do modelo de objetivo médico inclui: categorizar o modelo de objetivo médico em uma região recomendada, uma região segura, e uma região proibida.

[0057] Por exemplo, de acordo com uma imagem médica adquirida por varredura de uma máquina TC ou equipamento MRI, a tecnologia de representação de imagem magnética nuclear é adotada para estabelecer modelos médicos bidimensionais ou tridimensionais. O caminho de operação é estabelecido e a região perigosa é determinada, de acordo com a experiência do operador e com as posições das vísceras. Então, diferentes parâmetros de realimentação de força são estabelecidos de acordo com as diferentes operações e as diferentes regiões perigosas.

[0058] A FIGURA 2 e a FIGURA 3 ilustram dois exemplos ilustrativos da categorização de região do modelo de objetivo médico. O caminho de operação e a região perigosa são como apresentados na FIGURA 2 e na FIGURA 3. Baseado em uma imagem de lesão e na configuração do robô, para diferentes tarefas cirúrgicas tais como ressecção de tecido mole e osteotomia, o limite restrito é determinado pela combinação da imagem médica associada com a postura e o contorno da ferramenta. Além disso, é garantido que o robô opere em uma região segura pelo módulo de estratégia de restrição regional com o algoritmo de restrição de segurança. Na FIGURA 2, a região proibida é cercada pela região recomendada, e o propósito do algoritmo de restrição de segurança é permitir que o operador opere o mais longe possível da região proibida enquanto na região recomendada. Na FIGURA 3, a região recomendada está cercada pela região proibida. Neste caso, o módulo de estratégia de restrição regional geralmente estabelece um caminho especificado e permite ao operador operar na região recomendada onde o caminho especificado é disposto o máximo possível, de modo a operar longe da região proibida.

[0059] É óbvio que a região do modelo de objetivo médico também pode ser classificada de outros modos. Por exemplo, a região recomendada é isolada da região proibida ao invés da relação de circundante. Além disso, os métodos de divisão utilizados para categorizar a região que faz o robô ficar sempre na região desejada ou ter tendência a se mover em direção à região desejada estão todos incluídos no escopo da revelação.

[0060] O módulo de estratégia de restrição regional não gera força de operação do robô adicional na "região recomendada", gera a força de operação do robô com a forma da força de amortecimento na "região segura" para reduzir a velocidade de operação do operador, e gera a força de operação do robô longe da "região proibida" na "região proibida", de modo a auxiliar o operador ao executar operações seguras e razoáveis.

[0061] Além disso, a etapa de estabelecer diferentes forças de operação do robô para diferentes regiões especificamente inclui: estabelecer não gerar a força de operação do robô na região recomendada; estabelecer gerar uma força de operação do robô com a forma da força de amortecimento oposta à força de operação do operador na região segura para reduzir a velocidade do terminal robô; e estabelecer gerar a força de operação do robô longe da região proibida na região proibida.

[0062] É óbvio que a força de operação do robô também pode ser estabelecida pelos outros métodos. Por exemplo, as regiões do modelo de objetivo médico categorizadas de acordo com diferentes níveis de perigo compreendem uma região perigosa e uma região não perigosa. O limite da região perigosa é estabelecido de acordo com a imagem médica. Além disso, os diferentes parâmetros proporcionais de realimentação de força são estabelecidos de acordo com a distância entre o terminal robô e o limite da região perigosa. É então, as diferentes solicitações de realimentação de força são enviadas para cirurgiões (isto é, operadores). Finalmente, a estratégia de realimentação de força hierárquica é realizada. No exemplo apresentado na FIGURA 4, o parâmetro proporcional da realimentação de força é k1 quando o terminal robô está longe da região perigosa da operação cirúrgica, e o parâmetro proporcional da realimentação de força é k1 + k2 quando o terminal robô se aproxima da região perigosa da operação cirúrgica, onde k1 e k2 são maiores do que zero.

[0063] Além disso, a etapa de adquirir uma força de operação do robô pela unidade de aquisição de força de operação do robô de acordo com o nível de perigo de uma região na qual o terminal robô está localizado pode incluir: gerar uma trajetória desejada do terminal robô em um dispositivo de vídeo tal como uma tela de acordo com a informação de correspondência das coordenadas do terminal robô e do modelo de objetivo médico, de modo a orientar o operador para operar o terminal robô na trajetória desejada.

[0064] Além disso, a etapa de determinar uma velocidade do terminal robô pelo módulo de controle de acordo com a força de operação do operador e com a força de operação do robô inclui: obter uma velocidade desejada do terminal robô no espaço Cartesiano de acordo com a força de operação do operador e com a força de operação do robô; converter a velocidade desejada do terminal robô no espaço Cartesiano para obter uma velocidade desejada no espaço da articulação do robô de acordo com uma transformação Jacobiana; e separar a velocidade desejada no espaço da articulação do robô utilizando um algoritmo de controle de separação linear para obter um torque de controle da articulação do robô para alcançar o controle de velocidade do robô.

[0065] Além disso, análise cinemática é executada baseada na configuração do robô médico, para obter a transformação do movimento entre o espaço da articulação do robô e o espaço Cartesiano. Por exemplo, um modelo de mapeamento Jacobiano de velocidade do robô é obtido por um método vetorial. Um modelo de mapeamento Jacobiano de força é obtido por transformar o modelo Jacobiano de velocidade. De acordo com os modelos precedentes, a transformação entre o espaço de tarefa do robô e o espaço da articulação do robô pode ser obtida.

[0066] Além disso, a fórmula para a velocidade desejada do terminal robô no espaço Cartesiano é: onde é a força de operação do operador é a força de operação do robô, é um coeficiente de transformada proporcional da força do terminal robô no espaço Cartesiano para a velocidade do terminal robô no espaço Cartesiano é um fator de escala da força de operação do robô gerado devido a um excesso do limite, e é a velocidade desejada do terminal robô no espaço Cartesiano.

[0067] Além disso, a fórmula para a velocidade desejada no espaço da articulação do robô é: onde é a matriz Jacobiana inversa sob a configuração atual do robô médico, e é a velocidade desejada no espaço da articulação do robô.

[0068] Além disso, a separação, pelo módulo de controle, da velocidade desejada no espaço da articulação do robô utilizando o algoritmo de controle de separação linear para obter um torque de controlo da articulação do robô para obter o controle de velocidade do robô inclui: estabelecer um modelo completo de controle do robô; categorizar o modelo de controle do robô em uma parte de controle baseada no modelo e em uma parte de servo controle de desvio baseada no modelo; e adicionar um torque gerado pela parte de controle baseada no modelo para um torque gerado pela parte de servo controle de desvio baseada no modelo para obter o torque de controle para a articulação do robô.

[0069] Além disso, o modelo completo de controle do robô é: onde M(θ) é um parâmetro do modelo de uma matriz de inércia do robô, é um parâmetro do modelo de um termo de velocidade é um parâmetro do modelo de um termo de gravidade, é um parâmetro do modelo de um termo de fricção, é um torque de controle de nx 1 articulaçãos do robô, n é o grau de liberdade da articulação do robô, e θ é um ângulo real no espaço da articulação do robô.

[0070] Além disso, as fórmulas para a parte de controle e para a parte de servo controle de desvio baseadas no modelo são: onde é um ângulo desejado no espaço da articulação do robô, é uma aceleração desejada no espaço da articulação do robô, E é um desvio entre o ângulo desejado e o ângulo real no espaço da articulação do robô é um desvio da velocidade desejada no espaço da articulação do robô e a velocidade real no espaço da articulação é um torque gerado pela parte de servo controle de desvio, β é um k torque de compensação gerado pela parte baseada no modelo, e é um fator de ganho do desvio de velocidade.

[0071] De acordo com o método de controle do robô médico proporcionado em algumas modalidades se determina a velocidade de um terminal robô através de uma força de operação do operador e de uma força de operação do robô. Além disso, uma força de operação do robô é gerada para manter o terminal robô na trajetória ou região correta todo o tempo quando um operador opera o terminal robô para desviar de uma trajetória desejada ou entrar em uma região perigosa. O robô médico e o método de controle do mesmo estão aptos a alterar o controlo simples do modo mestre - escravo do operador - robô na técnica anterior para permitir troca de informações entre o operador e o robô, desse modo altamente aprimorando a segurança e a precisão da operação do robô médico.

[0072] É aparente que várias modificações e variações podem ser feitas para a presente revelação pelos versados na técnica sem afastamento do espírito e do escopo da presente revelação. Deste modo, se as modificações e variações feitas para a presente revelação se situarem dentro do escopo das concretizações e das técnicas equivalentes da presente revelação, a presente revelação também é pretendia para incluir as modificações e variações.

Claims

1. Robô médico, compreendendo: uma unidade de aquisição de força de operação de operador, configurada para adquirir uma força de operação de operador; uma unidade de aquisição de força de operação de robô, configurada para adquirir uma força de operação de robô de acordo com um nível de perigo de uma região na qual um terminal robô está localizado, e compreendendo: um módulo de geração de objetivo médico configurado para estabelecer um modelo de objetivo médico e categorizar o modelo de objetivo médico em diferentes regiões de acordo com o nível de perigo; um módulo de correspondência de coordenadas, configurado para adquirir coordenadas do terminal robô, associar o modelo de objetivo médico com as coordenadas do terminal robô, e determinar a região do modelo de objetivo médico na qual o terminal robô está localizado; um módulo de estratégia de restrição regional, configurado para gerar diferentes estratégias de restrição de acordo com diferentes níveis de perigo de regiões nas quais o terminal robô pode estar localizado de acordo com um algoritmo de restrição de segurança; e um módulo de cálculo de força de operação de robô, configurado para combinar o módulo de correspondência de coordenadas e o módulo de estratégia de restrição regional para obter uma força de operação de robô correspondente; um módulo de controle, configurado para determinar uma velocidade desejada do terminal robô de acordo com a força de operação de operador e a força de operação de robô, e converter informações de velocidade para uma instrução de controle; um módulo de acionamento; e um terminal robô; em que o módulo de acionamento aciona o terminal de robô para se mover de acordo com uma instrução de controle recebida, caracterizado pelo fato de que: regiões do modelo de objetivo médico categorizadas de acordo com diferentes níveis de perigo compreendem uma região recomendada, uma região segura, e uma região proibida; a estratégia de restrição compreende: não gerar uma força de operação de robô na região recomendada; gerar uma força de operação de robô com a forma de força de amortecimento oposta à força de operação de operador na região segura para reduzir uma velocidade do terminal robô; e gerar uma força de operação de robô para na direção oposta da região proibida na região proibida.

2. Robô médico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de aquisição de força de operação de operador compreende: um sensor de força multidimensional, configurado para adquirir uma força de entrada de um operador; e um módulo de cálculo de força de operação de operador comunicativamente conectado com o sensor de força multidimensional e configurado para converter a força de entrada adquirida pelo sensor de força multidimensional em força de operação de operador em um espaço Cartesiano de acordo com um modelo de mapeamento de força de robô.

3. Robô médico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de aquisição de força de operação de operador compreende: um módulo de detecção de torque de articulação de robô, configurado para detectar um torque de articulação de robô; e um módulo de cálculo de força de operação de operador comunicativamente conectado com o módulo de detecção de torque de articulação de robô, o módulo de cálculo de força de operação de operador desacoplando o torque de articulação de robô através de dinâmica para obter a força de operação de operador.

4. Robô médico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que compreende um módulo de filtragem, configurado para filtrar a força de operação de operador para remover tremulação ocorrida durante uma operação de operador.

5. Robô médico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o módulo de controle é configurado para: obter uma velocidade desejada do terminal de robô no espaço Cartesiano de acordo com a força de operação de operador e a força de operação de robô; converter a velocidade desejada do terminal de robô no espaço Cartesiano para uma velocidade desejada do terminal de robô em um espaço de articulação de robô de acordo com uma transformação Jacobiana; e desacoplar a velocidade desejada do terminal de robô no espaço de articulação de robô usando um algoritmo de controle de desacoplamento linear para obter um torque de controle de uma articulação de robô para obter um controle de velocidade do robô.

6. Robô médico, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que uma fórmula para obter a velocidade desejada do terminal de robô no espaço Cartesiano pelo módulo de controle de acordo com a força de operação de operador e a força de operação de robô é: em que é a força de operação de operador, é a força de operação de robô, é um coeficiente de transformada proporcional de uma força do terminal de robô no espaço Cartesiano para uma velocidade do terminal de robô no espaço Cartesiano, é a velocidade desejada do terminal de robô no espaço Cartesiano, e é um fator de escala da força de operação de robô gerado devido a um excesso de um limite.

7. Robô médico, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que uma fórmula para obter a velocidade desejada no espaço de articulação de robô pelo módulo de controle de acordo com a velocidade desejada do terminal de robô no espaço Cartesiano é: em que é uma matriz Jacobiana inversa sob a configuração atual do robô médico, e é a velocidade desejada no espaço de articulação de robô.

8. Robô médico, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que desacoplar, pelo módulo de controle, a velocidade desejada no espaço de articulação de robô usando um algoritmo de controle de desacoplamento linear para obter o torque de controle da articulação de robô para obter o controle de velocidade do robô compreende: estabelecer um modelo completo de controle de robô; categorizar o modelo de controle do robô em uma porção de controle baseada em modelo e em uma porção de servo controle de desvio baseada em modelo; e adicionar um torque gerado pela porção de controle baseada em modelo a um torque gerado pela porção de servo controle de desvio baseada em modelo para obter o torque de controle para a articulação de robô.

9. Robô médico, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o modelo completo de controle de robô é: em que M(θ) é um parâmetro de modelo de uma matriz de inércia de um braço de operação de robô, é um parâmetro de modelo de uma velocidade de um braço de operação de robô, é um parâmetro de modelo de uma gravidade de um braço de operação de robôé um parâmetro de modelo de uma fricção de um braço de operação de robô, é um torque de controle de nx 1 articulações do robô, n é um grau de liberdade de uma articulação de braço de operação de robô, e θ é um ângulo real no espaço de articulação de robô.

10. Robô médico, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a fórmula do torque gerado pela porção de controle baseada em modelo é: a fórmula do torque gerado pela porção de servo controle de desvio baseada em modelo é: em que é um ângulo desejado no espaço de articulação de robô, é uma aceleração desejada no espaço de articulação de robô, é um desvio entre o ângulo desejado e o ângulo real no espaço de articulação de robô é um desvio da velocidade desejada no espaço de articulação de robô e a velocidade real no espaço de k articulação de robô, e é um fator de ganho do desvio de velocidade, ’ é um torque gerado pela porção de servo controle de desvio baseada em modelo, é um torque de compensação gerado pela porção baseada em modelo.

11. Método de controle de um robô médico usando o robô médico como definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende: adquirir uma força de operação de operador; obter uma força de operação de robô de acordo com um nível de perigo de uma região na qual um terminal robô está localizado; determinar uma velocidade desejada do terminal de robô de acordo com a força de operação de operador e a força de operação de robô, e converter informações de velocidade em uma instrução de controle; e acionar o terminal de robô para se mover de acordo com a instrução de controle.

12. Método de controle, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a etapa de adquirir uma força de operação de operador compreende: adquirir, por um sensor de força multidimensional disposto no terminal de robô, uma força de operação de operador em um sistema de coordenadas de sensor multidimensional; e converter, por um módulo de cálculo de força de operação de operador de acordo com um modelo de controle de força de robô, a força de operação de operador no sistema de coordenadas de sensor multidimensional em uma força de operação de operador no espaço Cartesiano.

13. Método de controle, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a etapa de adquirir uma força de operação de operador compreende: detectar um torque de articulação do robô; e desacoplar o torque de articulação do robô através de dinâmica para obter a força de operação de operador.

14. Método de controle, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a etapa de obter uma força de operação de robô de acordo com o nível de perigo de uma região na qual um terminal robô está localizado compreende: estabelecer um modelo de objetivo médico; categorizar o modelo de objetivo médico em regiões, e estabelecer diferentes forças de operação de robô para diferentes regiões; corresponder o modelo de objetivo médico com coordenadas do terminal de robô; e adquirir coordenadas de posição do terminal de robô, e determinar a região do modelo de objetivo médico na qual o terminal de robô está localizado, para obter uma força de operação de robô correspondente.

15. Método de controle, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a etapa de determinar uma velocidade do terminal de robô de acordo com a força de operação de operador e a força de operação de robô compreende: obter uma velocidade desejada do terminal de robô no espaço Cartesiano de acordo com a força de operação de operador e a força de operação de robô; converter a velocidade desejada do terminal de robô no espaço Cartesiano para obter uma velocidade desejada em um espaço de articulação de robô de acordo com uma transformação Jacobiana; e desacoplar a velocidade desejada no espaço de articulação de robô usando o algoritmo de controle de desacoplamento linear para obter um torque de controle de uma articulação de robô.