CN111870348A - 手术机器人辅助定位方法、手术机器人及存储介质 - Google Patents
手术机器人辅助定位方法、手术机器人及存储介质 Download PDFInfo
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Abstract
本发明实施例公开了一种手术机器人辅助定位方法、手术机器人及存储介质，该方法包括：根据目标位置的位姿确定约束空间的位姿，约束空间关于末端工具的期望路径对称，且目标位置位于期望路径上；如果所述末端工具在所述约束空间中的位姿显示所述末端工具的特征点与所述期望路径之间存在垂直偏差，则向所述末端工具输出用于消除所述垂直偏差的第一反馈力，所述第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小，直至为零。本发明解决了现有手术机器人辅助系统的力反馈存在不利于医生术中手感判断的问题。
Description
技术领域
本发明实施例涉及医疗设备领域，尤其涉及一种手术机器人辅助定位方法、手术机器人及存储介质。
背景技术
手术精度对于髋/膝关节置换术等骨科手术至关重要。多项调查和研究表明，病人患处的打磨和假体安装上的误差可能会引起一系列的术后并发症，严重时甚至需要重新进行手术。为了满足临床需求，各种类型的手术机器人相继出现，比如完全自主的手术系统和机器人辅助系统等。
从医生的角度来说，相对于完全自主的手术系统，机器人辅助系统增加了医生的参与感，使得医生可以全程主导手术，对病人进行特异性地术中手术方案调整；相对于传统手术，机器人辅助型的手术形式又能显著地提升手术精度。而且，机械臂的参与减轻了医生在骨科手术中的测量和定位等操作负担。从患者角度来说，由于医生的参与，机器人辅助手术系统减少了手术中意外情况的发生，因而心理上更容易被病人接受。
现有机器人辅助系统使用较多的是力反馈机器人辅助系统，该系统在手术过程中通过力反馈引导医生将末端工具移动至目标位置实施手术，但所采取的力反馈方法不利于医生术中手感的判断，从而不利于医生的术中决策。
发明内容
本发明实施例提供了一种手术机器人辅助定位方法、手术机器人及存储介质，解决了现有手术机器人辅助系统的力反馈方法存在不利于医生术中手感判断的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种手术机器人辅助定位方法，包括：
根据目标位置的位姿确定约束空间的位姿，所述约束空间关于末端工具的期望路径对称，且所述目标位置位于所述期望路径上；
如果所述末端工具在所述约束空间中的位姿显示所述末端工具的特征点与所述期望路径之间存在垂直偏差，则向所述末端工具输出用于消除所述垂直偏差的第一反馈力，所述第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小，直至为零。
第二方面，本发明实施例还提供了一种手术机器人，包括：
末端工具，用于在操作者的控制下实施相应的手术操作；
机械臂，连接所述末端工具，用于向所述末端工具输出用于消除垂直偏差的第一反馈力；
导航装置，用于获取目标位置的位姿参数和末端工具的位姿参数，并根据所述目标位置的位姿参数和所述末端工具的位姿参数确定所述末端工具在所述约束空间中的位姿，所述约束空间关于所述末端工具的期望路径对称，且所述目标位置位于所述期望路径上；
控制器，如果所述末端工具在所述约束空间中的位姿显示所述末端工具的特征点与所述期望路径之间存在垂直偏差时，控制所述机械臂向所述末端工具输出用于消除所述垂直偏差的第一反馈力，所述第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小，直至为零。
第三方面，本发明实施例还提供了一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行任意实施例所述的手术机器人辅助定位方法。
本实施例提供的手术机器人辅助定位方法的技术方案，包括：根据目标位姿确定约束空间的位姿，约束空间关于末端工具的期望路径对称，且目标位置位于期望路径上；如果末端工具在约束空间中的位姿显示末端工具的特征点与期望路径之间存在垂直偏差，则向末端工具输出用于消除垂直偏差的第一反馈力，第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小，直至为零。通过向末端工具输出用于消除垂直偏差的第一反馈力，引导医生拖着末端工具在垂直于期望路径的方向上向期望路径移动，直至第一反馈力消失，第一反馈力消失时，末端工具位于期望路径上，然后操作末端工具沿着未施加第一反馈力的期望路径向目标位置移动即可准确到达目标位置，从而达到了通过第一反馈力的施加提高末端工具定位准确性的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的手术机器人辅助定位方法的流程图；
图2A是本发明实施例一提供的髋关节置换术中的外展角示意图；
图2B是本发明实施例一提供的髋关节置换术中的前倾角示意图；
图3是本发明实施例一提供的锥状约束空间示意图；
图4是本发明实施例二提供的手术机器人辅助定位方法的流程图；
图5是本发明实施例三提供的手术机器人辅助定位方法的流程图；
图6是本发明实施例三提供的方向夹角示意图；
图7是本发明实施例四提供的手术机器人辅助定位方法的流程图；
图8是本发明实施例四提供的包络约束子空间及第一反馈力和第三反馈力示意图；
图9是本发明实施例四提供的手术机器人的结构示意图；
图10是本发明实施例四提供的手术机器人的结构框图；
图11是本发明实施例四提供的又一手术机器人的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的手术机器人辅助定位方法的流程图。本实施例的技术方案适用于引导医生将末端工具准确地移动至目标位姿情况。该方法可以由本发明实施例中提供的手术机器人的控制器来执行。该方法具体包括如下步骤：
S101、根据目标位置的位姿确定约束空间的位姿，约束空间关于末端工具的期望路径对称，且目标位置位于期望路径上
其中，目标位置为医生当前要实施手术的位置。
可以理解的是，在实施关节置换手术时，可以对患者进行固定，也可以不对患者进行固定，后者很难保证患者完全处于静止状态，通常会有或多或少的移动，而且患者移动时会带动手术部位跟着移动，而手术部位的移动会带动当下要实施手术操作的位置点移动，即带动目标位置移动，而目标位置移动之后，其位置和姿态均会跟着改变，即其位姿会随着病人的移动而改变。
为了提高辅助定位的准确性，本实施例根据目标位置的位姿来确定约束空间的位姿，从而在目标位置的位姿发生改变时，约束空间的位姿也会相应地改变，有利于提高约束空间的准确性。而且约束空间准确性的提高有助于辅助定位准确性的提高。
可以理解的是，目标位置的位姿的改变可通过其轴线的方向来体现，而其轴线是基于目标位置对应的外展角(图2A))和前倾角(图2B))确定的，因此将约束空间的轴线作为期望路径，可以实现通过控制期望路径的误差来同时控制期望路径与术前规划的前倾角和外展角之间的误差，从而降低多角度误差的控制难度。
其中，外展角是指髋臼窝轴线在身体冠状面上的投影与身体长轴之间的夹角；前倾角是指髋臼窝轴线与身体冠状面之间的夹角。
其中，约束空间的形状包括但不限于锥状(参见图3)、柱状和碗状，实际使用时可以根据手术部位进行选择。优选地，约束空间的开口端到目标位置之间的约束空间的截面半径逐渐减小，比如锥体状和碗状。无论哪一种形状的约束空间，目标位置均位于期望路径的末端。如图3所示，目标位置位于锥状约束空间的底部中心。可以理解的是，约束空间为手术实施时用于暴露手术部位的开口，约束空间的上端为开口端，用于使末端工具进出约束空间。
S102、如果末端工具在约束空间中的位姿显示末端工具的特征点与期望路径之间存在垂直偏差，则向末端工具输出用于消除垂直偏差的第一反馈力，第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小，直至为零。
其中，末端工具可以是清理患处的锉刀，或者用于替换病变关节的假体。在手术实施过程中，操作者需将末端工具从约束空间的开口端移动到目标位置，然后对目标位置实施相应的手术操作。
可以理解的是，在进行手术操作时，虽然有约束空间的存在，但医生只能凭经验确定约束空间中的期望路径，而且并不是所有的医生每次都能准确地确定出期望路径的位置。如果医生没有沿期望路径移动末端工具，那么末端工具最后到达的位置可能并不是目标位置。
可以理解的是，如果末端工具的特征点当前没有在期望路径上，则表示末端工具的特征点与期望路径之间存在垂直偏差，即其在垂直于期望路径的方向上与期望路径存在垂直偏差。此时应确定末端工具的特征点与期望路径之间的垂直距离当量，然后根据该垂直距离当量向末端工具输出相应的第一反馈力(参见图3)。且第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小，直至为零。也就是说，当末端工具位于期望路径上时，末端工具所受到的第一反馈力为零。
综上所述，当医生感受到末端工具输出的第一反馈力时，表明末端工具的特征点此时没有在期望路径上，正确的操作是顺着该第一反馈力在垂直于期望路径的方向上将末端工具向期望路径移动，直至第一反馈力消失，第一反馈力消失时，末端工具的特征点刚好位于期望路径上。通过第一反馈力引导医生移动末端工具，提高了末端工具移动、定位的准确性，从而提高了关节置换术的精确性。另外，由于没有向末端工具施加平行于期望路径的反馈力，使得末端工具在平行于期望路径的方向上的运动由医生全权控制，保留了医生对关节患处进行打磨时的手感，有助于医生做出更准确的术中决策。
示例性的，在髋臼磨骨时，一般磨锉至软骨下骨表面的三分之二面积有出血点即可，如果继续向软骨下磨锉就到达了松质骨，而到达松质骨则表示磨锉超限，因此，一旦医生感觉到当前的磨锉手感不是软骨而是松质骨，就需要立即停止当前的磨锉。由于本实施例没有像末端工具施加平行于期望路径的反馈力，使得医生可以在竖直方向上完全凭借经验和手感操作末端工具，提高关节置换术的精确性。
其中，垂直距离当量优选为在末端工具当前所在横截面半径长度的条件下，末端工具的特征点与期望路径之间的距离所相当的距离。以第一反馈力与垂直距离当量之间满足线性关系为例，如果对于半径为L的横截面，其在垂直于期望路径方向上的单位长度为A，那么对于半径为2L的横截面，其在垂直于期望路径上的单位长度为2A，即前者的距离A相当于后者的距离2A。这样，前者对应的第一反馈力每隔A距离的变化量，与后者对应的第一反馈力每隔2A距离的变化量相同。
在一些实施例中，垂直距离当量为末端工具的特征点与期望路径之间的垂直距离，该特征点是末端工具上的任一固定点，其在手术过程中相对末端工具的位置不变，本实施例在此不对特征点进行具体限定，实际使用时可以根据具体情况确定。
在一些实施例中，约束空间边界的不同位置对应的第一反馈力相同。这样对于漏斗状或球状的约束空间，约束空间从开口到目标位置的各个截面的半径越来越小，医生控制末端工具沿非期望路径向下移动时，所感受到的第一反馈力逐渐递增，这有利于医生拖动末端工具逐渐靠近期望路径。
在一些实施例中，在得到末端工具的特征点与期望路径之间的垂直距离当量之后，根据用户选择的第一反馈力形式确定第一反馈力算法，然后根据所确定的第一反馈力算法和垂直距离当量计算第一反馈力，并将第一反馈力输出至末端工具。其中，第一反馈力算法的选择对象至少包括线性算法、多项式关系算法，指数关系算法和反比算法。
相较于医生仅凭经验操作末端工具来说，本实施例提供的手术机器人辅助定位方法的技术方案，通过向末端工具输出的第一反馈力，引导医生操作末端工具在垂直于期望路径的方向上向期望路径移动，直至第一反馈力消失，第一反馈力消失时，末端工具的特征点位于期望路径上，然后操作末端工具沿着没有第一反馈力的期望路径向目标位置移动即可准确到达目标位置，达到了通过施加第一反馈力提高末端工具定位准确性的技术效果。
实施例二
图4是本发明实施例二提供的手术机器人辅助定位方法的流程图。本发明实施例在上述实施例的基础上，增加了向在约束空间的非期望路径运动的末端工具输出第二反馈力的步骤。
相应地，本实施例的方法包括：
S201、根据目标位置的位姿确定约束空间的位姿，约束空间关于末端工具的期望路径对称，且目标位置位于期望路径上。
S202、如果末端工具在约束空间中的位姿显示末端工具的特征点与期望路径之间存在垂直偏差，则向末端工具输出用于消除垂直偏差的第一反馈力，第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小，直至为零。
S203、在检测到末端工具的当前速度可使得末端工具超出约束空间边界时，向末端工具输出第二反馈力，第二反馈力随着危险因子的降低而降低直至为零，第二反馈力垂直于期望路径。
为了将末端工具约束在约束空间中，本实施例在检测到末端工具的当前速度可使得末端工具超出约束空间边界时，向末端工具输出垂直于期望路径的第二反馈力，第二反馈力随着危险因子的降低而降低直至为零。这样医生在感受到第二反馈力时，立即降低末端工具的运动速度或者停止末端工具按照当前的速度和朝向继续运动，即会避免末端工具超出约束空间。而且，第二反馈力还可以提高末端工具的移动阻力，以减小末端工具的停止距离，避免末端工具超出约束空间的边界。
在一些实施例中，危险因子为运动速度在垂直于期望路径方向上的分速度，而且第二反馈力随着分速度的降低而单调降低直至为零。即在约束空间处于静止状态的末端工具受到的第二反馈力为零。
在一些实施例中，危险因子为停止距离占比。停止距离占比为实际停止距离与允许停止距离之间的比值。其中，实际停止距离为医生使处于运动中的末端工具停止的整个过程中，末端工具的移动距离。允许停止距离为末端工具当前位置与其所朝向的边界之间的距离。为了实现将末端工具约束在约束空间中，该停止距离占比应小于1。即该停止距离占比越接近于1，第二反馈力越大，该停止占比约接近于0，第二反馈力越小；当末端工具速度为零时，该停止距离占比为零，第二反馈力为零。
本实施例提供的手术机器人辅助定位方法的技术方案，在检测到末端工具的当前速度可使得末端工具超出约束空间边界时，向末端工具输出第二反馈力，第二反馈力随着危险因子的降低而降低直至为零，第二反馈力垂直于期望路径。通过第二反馈力的强度提示医生末端工具超出约束空间边界的风险大小，以使医生及时采取相应的措施；另一方面，第二反馈力也提高了末端工具的移动阻力，有助于减小末端工具的停止距离，从而避免末端工具超出约束空间的边界，提高末端工具操作的安全性，从而提高了关节置换手术的安全性和精确性。
实施例三
图5是本发明实施例三提供的手术机器人辅助定位方法的流程图。本发明实施例在前述实施例的基础上，增加了向末端工具输出反馈力矩的说明。该方法包括：
S301、根据目标位置的位姿确定约束空间的位姿，约束空间关于末端工具的期望路径对称，且目标位置位于期望路径上。
S302、如果末端工具在约束空间中的位姿显示末端工具的特征点与所述期望路径之间存在垂直偏差，则向末端工具输出用于消除垂直偏差的第一反馈力，第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小，直至为零。
S303、如果末端工具在约束空间中的位姿显示末端工具的朝向与期望路径之间存在方向夹角，则向末端工具输出用于消除方向夹角的反馈力矩；反馈力矩随着方向夹角的减小而逐渐减小，直至为零。
为了使末端工具准确地朝向目标位置，本实施例实时检测末端工具在约束空间中的位姿，并在该位姿显示末端工具的朝向与期望路径存在方向夹角时，向末端工具输出用于消除该方向夹角的反馈力矩，而且反馈力矩随着方向夹角的减小而逐渐减小，直至为零。以使医生在该反馈力矩的引导下调整末端工具的朝向直至平行于期望路径。
其中，末端工具与期望路径之间存在方向夹角的情况包括：末端工具当前在期望路径上，但其轴线与期望路径之间存在方向夹角；或者末端工具当前没有在期望路径上，且其轴线与期望路径之间存在方向夹角。
参见图6所示，半球形的病人髋臼窝，球心为OAcet，期望路径(轴线)为CC’。末端工具也为半球形，球心为OTool，过球心的轴线AA’为末端工具的实际朝向，过点OTool做直线BB’平行于CC’，那么直线BB’即为末端工具的正确朝向，轴线AA’与直线BB’之间的夹角∠AOToolB即为末端工具的方向角。在检测到末端工具存在该方向角时，生成一个使轴线AA’转向直线BB’的反馈力矩，以使医生根据该反馈力矩将末端工具的朝向转向轴线AA’。
其中，反馈力矩与方向夹角满足线性关系、多项式关系，指数关系或反比例关系。也就是说，可以根据线性算法、多项式关系算法，指数关系算法或反比例算法中的任一算法和方向夹角计算反馈力矩。
本发明实施例提供的手术机器人辅助定位方法的技术方案，通过向末端工具输出的反馈力矩，引导医生根据该反馈力矩将末端工具的朝向调整为平行于期望路径，从而使得末端工具以正确朝向准确到达目标位置，有利于提高末端工具定位的准确性。
实施例四
图7是本发明实施例四提供的手术机器人辅助定位方法的流程图。本发明实施例在上述实施例的基础上，对约束空间进行了优化，并基于优化后的约束空间给出了向末端工具输出第三反馈力的说明。该方法包括：
S401、根据目标位置的位姿确定约束空间的位姿，约束空间关于末端工具的期望路径对称，且目标位置位于期望路径上。
其中，约束空间底部外延有包络约束子空间，包络约束子空间为半球形，且半径与约束空间底部半径相同，目标位置位于包络约束子空间的球心上。
其中，如图8所示，约束主空间与包络约束子空间之间存在共用截面，该共用截面为目标位置所在截面。目标位置位于约束主空间的底部和包络约束子空间的球心上。而且，共用截面的存在使得约束主空间和包络约束子空间和反馈力在空间上平滑过渡。
S402、如果末端工具在约束空间中的位姿显示末端工具的特征点与期望路径之间存在垂直偏差，则向末端工具输出用于消除垂直偏差的第一反馈力，第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小，直至为零。
S403、在检测到末端工具在包络约束子空间中与目标位置存在超限距离时，向末端工具输出用于消除超限距离的第三反馈力，第三反馈力随着超限距离的减小而单调减小直至为零。
在一些实施例中，包络约束子空间为独立于约束空间的另一约束区域。当末端工具位于约束子空间时，不会受到前述第一反馈力的约束，但会受到前述第二反馈力的约束和反馈力矩的约束，以及新增的第三反馈力的约束。该实施例中，超限距离为末端工具与目标位置之间的距离，第三反馈力随着该超限距离的减小而单调减小，直至为零，且第三反馈力朝向目标位置(参见图8)。第三反馈力的设置用于提示医生末端工具已经进入包络约束子空间，以及引导医生顺着第三反馈力的方向移动末端工具，直至反馈力刚好消失，此时末端工具刚好位于目标位置上。
在一些实施例中，包络约束子空间为约束空间的一部分，因此末端工具在包络约束子空间中会受到前述实施例所述的第一反馈力、第二反馈力和反馈力矩，以及新增的第三反馈力。该实施例中，超限距离为末端工具在平行于期望路径方向上与目标位置之间的距离。第三反馈力随着该超限距离的减小而单调减小直至为零，且第三反馈力朝向约束空间的开口方向。参见图8所示，该图给出了末端工具在约束子空间所受到的第一反馈力与第三反馈力的合力，可见该合力朝向目标位置。医生感受到该合力之后，顺着合力的方向移动末端工具，直至合力刚好消失，即可将末端工具准确地移动至目标位置。而且由于约束主空间和包络约束子空间存在共用截面，该共用截面内的反馈力场，不管是根据约束主空间还是包络约束子空间内的反馈力场的设计规则，其最终的反馈力场分布都是一致的：保证了反馈力的连续性和稳定性，而反馈力的稳定性一方面保证了末端工具移动的稳定性，不容易因反馈力的不连续而产生抖动；另一方面提升了医生拖动末端工具的手感，比较顺滑。
可以理解的是，通过调节包络约束子空间半径的大小，可以控制包络约束子空间内的第三反馈立场的分布。一方面，包络约束子空间的半径越小，包络约束子空间内的第三反馈力的变化越剧烈，医生就越容易感受到第三反馈力场的引导，从而更容易将末端工具移动到目标位置上，能实现可控的手术精度；另一方面，由于末端工具中心被约束在约束子空间内，如果半径越小，那么工具中心被允许移动的范围也就越小，定位就更精确。
本实施例提供的手术机器人辅助定位方法的技术方案，约束空间底部外延有包络约束子空间，在检测到末端工具在所述包络约束子空间中与目标位置存在超限距离时，还向末端工具输出用于消除超限距离的第三反馈力，第三反馈力随着超限距离的减小而单调减小直至为零，第三反馈力的设置用于提示医生末端工具已经进入了包络约束子空间，以及引导医生准确地找到有目标位置，进一步提高了末端工具定位的准确性。
实施例五
图9是本发明实施例提供的手术机器人的结构框图。该手术机器人的控制器用于执行上述任意实施例所提供的手术机器人辅助定位方法。参见图9和图10所示，该手术机器人包括末端工具21、机械臂22、导航装置23和控制器24。其中，末端工具21用于在操作者的控制下实施相应的手术操作；机械臂22连接末端工具，用于向末端工具输出用于消除垂直偏差的第一反馈力；导航装置23用于获取目标位置的位姿参数和末端工具的位姿参数，并根据目标位置的位姿参数和根据末端工具的位姿参数确定末端工具在约束空间中的位姿，约束空间关于末端工具的期望路径对称，且目标位置位于期望路径上；控制器24用于如果末端工具在约束空间中的位姿显示末端工具的特征点与期望路径之间存在垂直偏差，则控制机械臂向末端工具输出用于消除垂直偏差的第一反馈力，第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小，直至为零。
其中，目标位置为医生当前要实施手术的位置。
优选地，参见图9和图11所示，该手术机器人还包括力传感器25。该力传感器优选为六维力传感器，用于检测医生施加在末端工具上的力和力矩以及末端工具与病人患处的接触力；还可以对获取到的各种数据进行低通滤波，用于过滤掉医生手部抖动或者病人身体抖动产生等噪声信号，以提升末端工具定位的准确性。
其中，如果机械臂22具有关节力矩传感器，反馈力矩也可以通过该各关节力矩计算得到。
其中，导航装置23包括支架以及设于支架上端的导航模块，该手术机器人工作过程中，导航模块朝向约束空间。
参见图9所示，机械臂22一端连接末端工具，另一端固定于推车20上，这样工作人员可以通过推车将机械臂和连接机械臂的末端工具移动至病床的一侧，以便医生通过手术机器人为病床上的病人01实施手术。该手术机器人还包括显示装置26，用于实时显示末端工具21与约束空间1之间的位置关系。以视觉方式向医生呈现末端工具21与约束空间1之间的位置关系，在视觉引导和前述各种力反馈的引导下，可以显著提升末端工具定位的准确性。
可以理解的是，在实施关节置换手术时，可以对患者进行固定，也可以不对患者进行固定，后者很难保证患者完全处于静止状态，通常会有或多或少的移动，而且患者移动时会带动手术部位跟着移动，而手术部位的移动会带动当下要实施手术操作的位置点移动，即带动目标位置移动，而目标位置移动之后，其位置和姿态均会跟着改变，即其位姿会随着病人的移动而改变。
为了提高辅助定位的准确性，本实施例根据目标位置的位姿来确定约束空间的位姿，从而在目标位置的位姿发生改变时，约束空间的位姿也会相应地改变，有利于提高约束空间的准确性。而且约束空间准确性的提高有助于辅助定位准确性的提高。
可以理解的是，目标位置的位姿的改变可通过其轴线的方向来体现，而其轴线是基于目标位置对应的外展角(图2A))和前倾角(图2B))确定的，因此将约束空间的轴线作为期望路径，可以实现通过控制期望路径的误差来同时控制期望路径与术前规划的前倾角和外展角之间的误差，从而降低多角度误差的控制难度。
其中，外展角是指髋臼窝轴线在身体冠状面上的投影与身体长轴之间的夹角；前倾角是指髋臼窝轴线与身体冠状面之间的夹角。
其中，约束空间的形状包括但不限于锥状(参见图3)、柱状和碗状，实际使用时可以根据手术部位进行选择。优选地，约束空间的开口端到目标位置之间的约束空间的截面半径逐渐减小，比如锥状和碗状。无论哪一种形状的约束空间，目标位置均位于期望路径的末端。如图3所示，目标位置位于锥状约束空间的底部中心。可以理解的是，约束空间为手术实施时用于暴露手术部位的开口，约束空间的上端为开口端，用于使末端工具进出约束空间。
其中，末端工具可以是清理患处的锉刀，或者用于替换病变关节的假体。在手术实施过程中，操作者需将末端工具从约束空间的开口端移动到目标位置，然后对目标位置实施相应的手术操作。
可以理解的是，在进行手术操作时，虽然有约束空间的存在，但医生只能凭经验确定约束空间中的期望路径，而且并不是所有的医生每次都能准确地确定出期望路径的位置。如果医生没有沿期望路径移动末端工具，那么目标对象最后到达的位置可能并不是目标位置。
可以理解的是，如果末端工具的特征点当前没有在期望路径上，则表示末端工具的特征点与期望路径之间存在垂直偏差，即在垂直于期望路径的方向上与期望路径存在垂直偏差。此时应确定末端工具的特征点与期望路径之间的垂直距离当量，然后根据该垂直距离当量向末端工具输出相应的第一反馈力。且第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小，直至为零。也就是说，当末端工具位于期望路径上时，末端工具所受到的第一反馈力为零。
综上所述，当医生感受到末端工具输出的第一反馈力时，表明末端工具的特征点此时没有在期望路径上，正确的操作是顺着该第一反馈力在垂直于期望路径的方向上将末端工具向期望路径移动，直至第一反馈力消失，第一反馈力消失时目，末端工具的特征点刚好位于期望路径上。通过第一反馈力引导医生移动末端工具，提高了末端工具移动、定位的准确性，从而提高了关节置换术的精确性。另外，由于没有向末端工具施加平行于期望路径的反馈力，使得末端工具在平行于期望路径的方向上的运动由医生全权控制，保留了医生对关节患处进行打磨时的手感，有助于医生做出更准确的术中决策。
示例性的，在髋臼磨骨时，一般磨锉至软骨下骨表面的三分之二面积有出血点即可，如果继续向软骨下磨锉就到达了松质骨，而到达松质骨则表示磨锉超限，因此，一旦医生感觉到当前的磨锉手感不是软骨而是松质骨，就需要立即停止当前的磨锉。由于本实施例没有像末端工具施加平行于期望路径的反馈力，使得医生可以在竖直方向上完全凭借经验和手感操作末端工具，提高关节置换术的精确性。
其中，垂直距离当量优选为在末端工具当前所在横截面半径长度的条件下，末端工具上的特征点与期望路径之间的距离所相当的距离。以第一反馈力与垂直距离当量之间满足线性关系为例，如果对于半径为L的横截面，其在垂直于期望路径方向上的单位长度为A，那么对于半径为2L的横截面，其在垂直于期望路径上的单位长度为2A，即前者的距离A相当于后者的距离2A。这样，前者对应的第一反馈力每隔A距离的变化量，与后者对应的第一反馈力每隔2A距离的变化量相同。
在一些实施例中，垂直距离当量为末端工具的特征点与期望路径之间的垂直距离即可，该特征点是末端工具上的任一固定点，其在手术过程中相对末端工具的位置不变，本实施例在此不对特征点进行具体限定，实际使用时可以根据具体情况确定。
在一些实施例中，约束空间边界的不同位置对应的第一反馈力相同。这样对于漏斗状或球状的约束空间，约束空间从开口到目标位置的各个截面的半径越来越小，医生控制末端工具沿平行于期望路径的非期望路径向下移动时，所感受到的第一反馈力逐渐递增，这有利于医生拖动末端工具逐渐靠近期望路径。
在一些实施例中，在得到当前末端工具的特征点与期望路径之间的垂直距离当量之后，根据用户选择的第一反馈力形式确定第一反馈力算法，然后根据所确定的第一反馈力算法和垂直距离当量计算第一反馈力，并将第一反馈力输出至末端工具。其中，第一反馈力算法的选择对象至少包括线性算法、多项式关系算法，指数关系算法和反比算法。
为了将末端工具约束在约束空间中，本实施例在检测到末端工具的当前速度可使得末端工具超出约束空间边界时，向末端工具输出垂直于期望路径的第二反馈力，第二反馈力随着危险因子的降低而降低直至为零。这样医生在感受到第二反馈力时，立即降低末端工具的运动速度或者停止末端工具按照当前的速度和朝向继续运动，即会避免末端工具超出约束空间。而且，第二反馈力还可以提高末端工具的移动阻力，以减小末端工具的停止距离，避免末端工具超出约束空间的边界。
在一些实施例中，危险因子为运动速度在垂直于期望路径方向上的分速度，而且第二反馈力随着分速度的降低而单调降低直至为零。即在约束空间处于静止状态的末端工具受到的第二反馈力为零。
在一些实施例中，危险因子为停止距离占比。停止距离占比为实际停止距离与允许停止距离之间的比值。其中，实际停止距离为医生使处于运动中的末端工具停止的整个过程中，末端工具的移动距离。允许停止距离为末端工具当前位置与其所朝向的边界之间的距离。为了实现将末端工具约束在约束空间中，该停止距离占比应小于1。即该停止距离占比越接近于1，第二反馈力越大，该停止占比约接近于0，第二反馈力越小；当末端工具速度为零时，该停止距离占比为零，第二反馈力为零。
可以理解的是，若要保证末端工具定位的准确性，还要保证末端工具的朝向与期望路径平行。本实施例实时检测末端工具在约束空间中的位姿，检测到的位姿显示处于约束空间中的末端工具的朝向与期望路径之间存在方向夹角，则向末端工具输出用于消除方向夹角的反馈力矩；反馈力矩随着方向夹角的减小而逐渐减小，直至为零。
其中，末端工具与期望路径之间存在方向夹角的情况包括：末端工具当前在期望路径上，但其轴线与期望路径之间存在方向夹角；或者末端工具当前没有在期望路径上，且其轴线与期望路径之间存在方向夹角。
参见图6所示，半球形的病人髋臼窝，球心为OAcet，期望路径(轴线)为CC’。末端工具也为半球形，球心为OTool，过球心的轴线AA’为末端工具的实际朝向，过点OTool做直线BB’平行于CC’，那么直线BB’即为末端工具的正确朝向，轴线AA’与直线BB’之间的夹角∠AOToolB即为末端工具的方向角。在检测到末端工具存在该方向角时，生成一个使轴线AA’转向直线BB’的反馈力矩，以使医生根据该反馈力矩将末端工具的朝向转向轴线AA’。
其中，反馈力矩与方向夹角满足线性关系、多项式关系，指数关系或反比例关系。也就是说，可以根据线性算法、多项式关系算法，指数关系算法或反比例算法中的任一算法和方向夹角计算反馈力矩。
在一些实施例中，约束空间底部外延有包络约束子空间，包络约束子空间为半球形，且半径与约束空间底部半径相同，目标位置位于包络约束子空间的球心上。
其中，如图8所示，约束主空间与包络约束子空间之间存在共用截面，该共用截面为目标位置所在截面。目标位置位于约束主空间的底部和包络约束子空间的球心上。而且，共用截面的存在使得约束主空间和包络约束子空间和反馈力在空间上平滑过渡。
在一些实施例中，包络约束子空间为独立于约束空间的另一约束区域。当末端工具位于约束子空间时，不会受到前述第一反馈力的约束，但会受到前述第二反馈力的约束和反馈力矩的约束，以及新增的第三反馈力的约束。该实施例中，超限距离为末端工具与目标位置之间的距离，第三反馈力随着该超限距离的减小而单调减小，直至为零，且第三反馈力朝向目标位置(参见图8)。第三反馈力的设置用于提示医生末端工具已经进入包络约束子空间，以及引导医生顺着第三反馈力的方向移动末端工具，直至反馈力刚好消失，此时末端工具刚好位于目标位置上。
在一些实施例中，包络约束子空间为约束空间的一部分，因此末端工具在包络约束子空间中会受到前述实施例所述的第一反馈力、第二反馈力和反馈力矩，以及新增的第三反馈力。该实施例中，超限距离为末端工具在平行于期望路径方向上与目标位置之间的距离。第三反馈力随着该超限距离的减小而单调减小直至为零，且第三反馈力朝向约束空间的开口方向。参见图8所示，该图给出了末端工具在约束子空间所受到的第一反馈力与第三反馈力的合力，可见该合力朝向目标位置。医生感受到该合力之后，顺着合力的方向移动末端工具，直至合力刚好消失，即可将末端工具准确地移动至目标位置。而且由于约束主空间和包络约束子空间存在共用截面，该共用截面内的反馈力场，不管是根据约束主空间还是包络约束子空间内的反馈力场的设计规则，其最终的反馈力场分布都是一致的：保证了反馈力的连续性和稳定性，而反馈力的稳定性一方面保证了末端工具移动的稳定性，不容易因反馈力的不连续而产生抖动；另一方面提升了医生拖动末端工具的手感，比较顺滑。
可以理解的是，通过调节包络约束子空间半径的大小，可以控制包络约束子空间内的第三反馈立场的分布。一方面，包络约束子空间的半径越小，包络约束子空间内的第三反馈力的变化越剧烈，医生就越容易感受到第三反馈力场的引导，从而更容易将末端工具移动到目标位置上，能实现可控的手术精度；另一方面，由于末端工具中心被约束在约束子空间内，如果半径越小，那么工具中心被允许移动的范围也就越小，定位就更精确。
该手术机器人还包括存储器和输入装置，存储器作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块。主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器802可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器可进一步包括相对于控制器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。
本实施例提供的手术机器人的技术方案，通过向末端工具输出的反馈力矩，引导医生根据该反馈力矩将末端工具的朝向调整为平行于期望路径，从而使得末端工具以正确朝向准确到达目标位置，有利于提高末端工具定位的准确性；通过向末端工具输出的第一反馈力，引导医生拖着末端工具在垂直于期望路径的方向上向期望路径移动，直至第一反馈力消失，第一反馈力消失时，末端工具的特征点位于期望路径上，然后操作末端工具沿着未施加第一反馈力的期望路径向目标位置移动即可准确到达目标位置，从而达到了通过第一反馈力的施加提高末端工具定位准确性的技术效果。
本发明实施例所提供的手术机器人可执行本发明任意实施例所提供的手术机器人辅助定位方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
实施例六
本发明实施例六还提供了一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机控制器执行时用于执行一种手术机器人辅助定位方法，该方法包括：
根据目标位置的位姿确定约束空间的位姿，所述约束空间关于末端工具的期望路径对称，且所述目标位置位于所述期望路径上；
如果所述末端工具在所述约束空间中的位姿显示所述末端工具的特征点与所述期望路径之间存在垂直偏差，则向所述末端工具输出用于消除所述垂直偏差的第一反馈力，所述第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小，直至为零。
当然，本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上所述的方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的手术机器人辅助定位方法中的相关操作。
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，简称RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的手术机器人辅助定位方法。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (13)
1.一种手术机器人辅助定位方法，其特征在于，包括：
根据目标位置的位姿确定约束空间的位姿，所述约束空间关于末端工具的期望路径对称，且所述目标位置位于所述期望路径上；
如果所述末端工具在所述约束空间中的位姿显示所述末端工具的特征点与所述期望路径之间存在垂直偏差，则向所述末端工具输出用于消除所述垂直偏差的第一反馈力，所述第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小，直至为零。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
检测到所述末端工具的当前速度可使得所述末端工具超出所述约束空间边界时，向所述末端工具输出第二反馈力；
所述第二反馈力随着危险因子的降低而降低直至为零，所述第二反馈力垂直于所述期望路径。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
如果所述末端工具在所述约束空间中的位姿显示所述末端工具的朝向与所述期望路径之间存在方向夹角，则向所述末端工具输出用于消除所述方向夹角的反馈力矩；
所述反馈力矩随着方向夹角的减小而逐渐减小，直至为零。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方向夹角为所述末端工具的轴线方向与所述期望路径走向之间的夹角，所述期望路径的走向根据所述目标位置对应的前倾角和外展角确定。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述约束空间底部外延有包络约束子空间，所述包络约束子空间为半球形，且半径与所述约束空间底部半径相同，所述目标位置位于所述包络约束子空间的球心上；
在检测到所述末端工具在所述包络约束子空间中与目标位置存在超限距离时，还向所述末端工具输出用于消除超限距离的第三反馈力；
所述第三反馈力随着超限距离的减小而单调减小直至为零，所述超限距离为所述末端工具与所述目标位置之间的距离；或者是所述末端工具在平行于期望路径方向上与所述目标位置之间的距离。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述末端工具在所述约束空间的边界的任一位置受到的第一反馈力的强度相同；
所述第一反馈力与垂直距离当量之间满足线性关系、多项式关系，指数关系或反比关系。
7.根据权利要求2-3或5任一所述的方法，其特征在于，
在所述末端工具受到第二反馈力时，所述第二反馈力与危险因子之间满足线性关系、多项式关系，指数关系或反比关系；
在所述末端工具受到反馈力矩时，所述反馈力矩与所述方向夹角之间的满足线性关系、多项式关系，指数关系或反比关系；
在所述末端工具受到第三反馈力时，所述第三反馈力与所述超限距离之间满足线性关系、多项式关系，指数关系或反比关系。
8.一种手术机器人，其特征在于，包括：
末端工具，用于在操作者的控制下实施相应的手术操作；
机械臂，连接所述末端工具，用于向所述末端工具输出用于消除垂直偏差的第一反馈力；
导航装置，用于获取目标位置的位姿参数和末端工具的位姿参数，并根据所述目标位置的位姿参数和所述末端工具的位姿参数确定所述末端工具在约束空间中的位姿，所述约束空间关于所述末端工具的期望路径对称，且所述目标位置位于所述期望路径上；
控制器，用于如果所述末端工具在所述约束空间中的位姿显示所述末端工具的特征点与所述期望路径之间存在垂直偏差，则控制所述机械臂向所述末端工具输出用于消除所述垂直偏差的第一反馈力，所述第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小，直至为零。
9.根据权利要求8所述的手术机器人，其特征在于，
所述控制器还用于在所述导航装置获取的所述末端工具在所述约束空间中的运动数据，显示所述末端工具的当前速度可使得所述末端工具超出所述约束空间边界时，向所述末端工具输出第二反馈力，所述第二反馈力随着危险因子的降低而降低直至为零，所述第二反馈力垂直于所述期望路径。
10.根据权利要求8所述的手术机器人，其特征在于，
所述控制器还用于如果所述末端工具在所述约束空间中的位姿显示所述末端工具的朝向与所述期望路径之间存在方向夹角，则向所述末端工具输出用于消除所述方向夹角的反馈力矩；
所述反馈力矩随着方向夹角的减小而逐渐减小，直至为零。
11.根据权利要求8所述的手术机器人，其特征在于，所述约束空间底部外延有包络约束子空间，所述包络约束子空间为半球形，且半径与所述约束空间底部半径相同，所述目标位置位于所述包络约束子空间的球心上；
所述控制器还用于在检测到所述末端工具在所述包络约束子空间中与目标位置存在超限距离时，还向所述末端工具输出用于消除超限距离的第三反馈力；
所述第三反馈力随着超限距离的减小而单调减小直至为零，所述超限距离为所述末端工具与所述目标位置之间的距离；或者是所述末端工具在平行于期望路径方向上与所述目标位置之间的距离。
12.根据权利要求8-11任一所述的手术机器人，其特征在于，还包括：
显示装置，用于实时显示所述末端工具与所述约束空间之间的位置关系。
13.一种包含计算机可执行指令的存储介质，其特征在于，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如权利要求1-7中任一所述的手术机器人辅助定位方法。
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