CN106725861A - 一种手术机器人末端工具碰撞位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种手术机器人末端工具碰撞位置检测方法，包括末端工具的重力校准、动态误差补偿和碰撞点坐标求解，在基本的力学公式M＝F×L的基础上，结合碰撞物体的三位点云信息，最终搜索出误差最小的碰撞点坐标，并将其显示在三维导航图像上。本发明使用六维腕力传感器结合术前三维手术设计信息来计算碰撞位置，既可以在没有视觉系统的条件下实现碰撞位置检测，又可以结合视觉系统完成更精确的术中碰撞位置检测，方法合理实用。

Description

一种手术机器人末端工具碰撞位置检测方法

技术领域

本发明涉及骨科手术机器人领域，尤其涉及一种手术机器人末端工具碰撞位置检测方法。

背景技术

碰撞检测是手术机器人系统的基本要素和重要安全保障。目前，手术机器人末端碰撞检测主要还是依靠视觉的方式，通过图像导航系统来辅助检测碰撞位置，这种方式除了存在一定的延时以外，其主要的缺陷是无法检测视觉不可见或有遮挡的区域。而在骨科手术中，大部分碰撞都发生在不可见的区域。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种手术机器人末端工具碰撞位置检测方法，通过六维腕力传感器检测到的力和力矩并结合所把持的骨块表面的三维点云信息，可以反求出碰撞点的位置信息，与图像导航信息结合，提供更为精确和完整的碰撞位置检测信息。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种手术机器人末端工具碰撞位置检测方法，包括末端工具的重力校准、动态误差补偿和碰撞点坐标求解，具体包括以下步骤：

步骤1在手术机器人末端通过法兰盘安装六维腕力传感器，所述的六维腕力传感器上安装能够连接多种骨科手术器械的特制法兰；所述的特制法兰安装在六维腕力传感器的原点，其轴线方向为六维腕力传感器的Z轴方向；

步骤2手术机器人末端工具通过六维腕力传感器采集力F和力矩M的值；

步骤3手术机器人末端工具的重力校准，即在术前手术设计和机器人路径规划阶段，计算出在整个路径中的各位置处，六维腕力传感器的力F和力矩M的预测值F’和M’；当手术机器人末端位置不发生移动，且F和M的真实值不断增加，并与预测值之间的插值超过一定阈值即视为发生碰撞；

步骤4当发生碰撞时，连续采集3组以上的F和M的值，并计算出相邻两组值之间的差值ΔF和ΔM，即力和力矩的导数，并将ΔF和ΔM用于力学公式“M＝F×L”中，构成方程组：

及

其中，F_x、F_y、F_z分别为六维腕力传感器检测碰撞位置X、Y、Z方向的力，M_x、M_y、M_z分别为X、Y、Z方向的力矩；F_x1……F_xn，F_y1……F_yn，F_z1……F_zn分别为采集n组X、Y、Z方向的力；M_x1……M_xn，M_y1……M_yn，M_z1……M_zn分别为采集n组X、Y、Z方向的力矩；

根据碰撞点三维坐标解算方法，在术前设计中预测的碰撞点云范围内，搜索上述方程组误差最小的点坐标，即为所求出的碰撞位置坐标；在基本的力学公式M＝F×L的基础上，结合碰撞物体的三位点云信息，最终搜索出误差最小的碰撞点坐标，并将其显示在三维导航图像上。

步骤5将碰撞位置坐标及时的反馈到术中三维导航的图像上，实现于图像导航结合的碰撞位置检测及引导功能。

所述的六维腕力传感器的力F和力矩M的真实值为六维腕力传感器的读数值，预测值F’和M’为通过对六维腕力传感器及所有负载做完重力补偿后的理论值。

所述的碰撞点三维坐标解算方法，是通过碰撞物体的表面点云信息或者表面几何曲面信息作为约束条件，用以求解多解方程组的唯一解。

所述的能够连接多种骨科手术器械的特制法兰，是可以通过螺丝或者是插拔接口安装不同手术器械的法兰盘。

所述的手术机器人是任意结构的能够安装末端法兰的机械结构，通常为具有6或7自由度的机械臂，或者具有3个以上自由度的并联机构手术机器人。

本发明的有益效果：

(1)本发明使用六维力传感器结合术前三维手术设计信息来计算碰撞位置，既可以在没有视觉系统的条件下实现碰撞位置检测，又可以结合视觉系统完成更精确的术中碰撞位置检测，方法合理实用；

(2)尤其适用于骨科辅助手术机器人系统中，可以与图像导航系统结合，实时检测出碰撞发生的位置，使机器人及时做出相应的反应，更好的实现机器人与医生的有效交互，起到更加有效和智能的手术辅助作用。

附图说明

图1为本发明的手术机器人末端工具的结构图；

其中，1-特制法兰，2-六维腕力传感器，3-法兰盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

一种手术机器人末端工具碰撞位置检测方法，包括末端工具的重力校准、动态误差补偿和碰撞点坐标求解，具体包括以下步骤：

步骤1在手术机器人末端通过法兰盘3安装六维腕力传感器2，所述的六维腕力传感器2上安装能够连接多种骨科手术器械的特制法兰1；所述的特制法兰1安装在六维腕力传感器2的原点，其轴线方向为六维腕力传感器2的Z轴方向；

步骤2手术机器人末端工具通过六维腕力传感器2采集力F和力矩M的值；

步骤3手术机器人末端工具的重力校准，即在术前手术设计和机器人路径规划阶段，计算出在整个路径中的各位置处，六维腕力传感器的力F和力矩M的预测值F’和M’；当手术机器人末端位置不发生移动，且F和M的真实值不断增加，并与预测值之间的插值超过一定阈值即视为发生碰撞；

步骤4当发生碰撞时，连续采集3组以上的F和M的值，并计算出相邻两组值之间的差值ΔF和ΔM，即力和力矩的导数，并将ΔF和ΔM用于力学公式“M＝F×L”中，构成方程组：

及

其中，F_x、F_y、F_z分别为六维腕力传感器检测碰撞位置X、Y、Z方向的力，M_x、M_y、M_z分别为X、Y、Z方向的力矩；F_x1……F_xn，F_y1……F_yn，F_z1……F_zn分别为采集n组X、Y、Z方向的力；M_x1……M_xn，M_y1……M_yn，M_z1……M_zn分别为采集n组X、Y、Z方向的力矩；

根据碰撞点三维坐标解算方法，在术前设计中预测的碰撞点云范围内，搜索上述方程组误差最小的点坐标，即为所求出的碰撞位置坐标；在基本的力学公式M＝F×L的基础上，结合碰撞物体的三位点云信息，最终搜索出误差最小的碰撞点坐标，并将其显示在三维导航图像上。

步骤5将碰撞位置坐标及时的反馈到术中三维导航的图像上，实现于图像导航结合的碰撞位置检测及引导功能。

所述的六维腕力传感器的力F和力矩M的真实值为六维腕力传感器的读数值，预测值F’和M’为通过对六维腕力传感器及所有负载做完重力补偿后的理论值。

所述的碰撞点三维坐标解算方法，是通过碰撞物体的表面点云信息或者表面几何曲面信息作为约束条件，用以求解多解方程组的唯一解。

所述的能够连接多种骨科手术器械的特制法兰2是可以通过螺丝或者是插拔接口安装不同手术器械的法兰盘，如图1所示。

所述的手术机器人是任意结构的能够安装末端法兰的机械结构，通常为具有6或7自由度的机械臂，或者具有3个以上自由度的并联机构手术机器人。

本发明使用六维力传感器结合术前三维手术设计信息来计算碰撞位置，既可以在没有视觉系统的条件下实现碰撞位置检测，又可以结合视觉系统完成更精确的术中碰撞位置检测，方法合理实用；本发明尤其适用于骨科辅助手术机器人系统中，可以与图像导航系统结合，实时检测出碰撞发生的位置，使机器人及时做出相应的反应，更好的实现机器人与医生的有效交互，起到更加有效和智能的手术辅助作用。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种手术机器人末端工具碰撞位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1 在手术机器人末端通过法兰盘安装六维腕力传感器，所述的六维腕力传感器上安装能够连接多种骨科手术器械的特制法兰；所述的特制法兰安装在六维腕力传感器的原点，其轴线方向为六维腕力传感器的Z轴方向；

步骤2 手术机器人末端工具通过六维腕力传感器采集力F和力矩M的值；

步骤3 手术机器人末端工具的重力校准，即在术前手术设计和机器人路径规划阶段，计算出在整个路径中的各位置处，六维腕力传感器的力F和力矩M的预测值F’和M’；

步骤4 当发生碰撞时，连续采集3组以上的F和M的值，并计算出相邻两组值之间的差值ΔF和ΔM，即力和力矩的导数，求出的碰撞位置坐标；

步骤5 将碰撞位置坐标及时的反馈到术中三维导航的图像上，实现于图像导航结合的碰撞位置检测及引导功能。

2.如权利要求1所述的一种手术机器人末端工具碰撞位置检测方法，其特征在于，所述的步骤3中当手术机器人末端位置不发生移动，且F和M的真实值不断增加，并与预测值之间的插值超过一定阈值即视为发生碰撞。

3.如权利要求2所述的一种手术机器人末端工具碰撞位置检测方法，其特征在于，所述的六维腕力传感器的力F和力矩M的真实值为六维腕力传感器的读数值，预测值F’和M’为通过对六维腕力传感器及所有负载做完重力补偿后的理论值。

4.如权利要求1所述的一种手术机器人末端工具碰撞位置检测方法，其特征在于，所述的步骤4中，将ΔF和ΔM用于力学公式“M＝F×L”中，构成方程组：

及

其中，F_x、F_y、F_z分别为六维腕力传感器检测碰撞位置X、Y、Z方向的力，M_x、M_y、M_z分别为X、Y、Z方向的力矩；F_x1……F_xn，F_y1……F_yn，F_z1……F_zn分别为采集n组X、Y、Z方向的力；M_x1……M_xn，M_y1……M_yn，M_z1……M_zn分别为采集n组X、Y、Z方向的力矩；

根据碰撞点三维坐标解算方法，在术前设计中预测的碰撞点云范围内，搜索上述方程组误差最小的点坐标，即为所求出的碰撞位置坐标。

5.如权利要求4所述的一种手术机器人末端工具碰撞位置检测方法，其特征在于，所述的碰撞点三维坐标解算方法，是通过碰撞物体的表面点云信息或者表面几何曲面信息作为约束条件，用以求解多解方程组的唯一解。

6.如权利要求1所述的一种手术机器人末端工具碰撞位置检测方法，其特征在于，所述的能够连接多种骨科手术器械的特制法兰，是可以通过螺丝或者是插拔接口安装不同手术器械的法兰盘。

7.如权利要求1所述的一种手术机器人末端工具碰撞位置检测方法，其特征在于，所述的手术机器人是能够安装末端法兰的机械结构，所述的机械结构为具有6自由度或7自由度的机械臂，或者具有3个以上自由度的并联机构手术机器人。