CN112932669B - 一种执行视网膜层防渗漏隧道的机械臂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种执行视网膜层防渗漏隧道的机械臂控制方法，包括如下步骤：步骤一：选定入针位置，并设定机械臂的运动路径；步骤二：控制机械臂沿着设定的运动路径运动，令机械臂驱动注射器的针尖末端沿着运动路径移动至转折点；步骤三：计算针尖末端与雅可比矩阵；步骤四：通过机械臂带动针尖末端在转折点执行RCM运动；步骤五：机械臂带动针尖末端按照步骤二中设定的运动路径运行至视网膜层的目标位置。该方法通过对机械臂的控制，实现注射器沿着设定的运动轨迹运动直至完成视网膜注射操作，克服了人手操作的精度限制，提高了精度。极大程度上避免了抖动导致的组织损伤，同时降低了注射液从视网膜内渗漏出来的概率，提高了视网膜注射手术的成功率。

Description

一种执行视网膜层防渗漏隧道的机械臂控制方法

技术领域

本发明涉及机械臂控制领域，更具体地，涉及一种执行视网膜层防渗漏隧道的机械臂控制方法。

背景技术

外科手术过程越来越多地涉及外科手术机器人系统的使用。这样的外科手术机器人系统不是完全自主地操作，而是在人类操作者的控制下发生动作的，例如，通过控制外科手术机械臂带动外科手术器械的移动。这样，外科手术机械臂可以辅助人类操作者执行外科手术过程。

公开号为“CN109602499A”，公开日为2019年4月12日的中国专利申请公开了一种人机协作型眼科显微手术辅助机器人系统操作方法，步骤一：粗摆位阶段；在眼科显微手术的粗摆位阶段，采用手持模式手动拖动双操作臂机器人的末端执行器，通过六维力传感器感知力的方向，控制双操作臂机器人移动，实现对手术末端执行器的粗略位姿调整；步骤二：精摆位阶段；踩下脚踏切换开关，借助3D显微装置，利用主刀医生控制面板上的摇杆，使手术注射器进入患者眼部巩膜上的孔膜中，并在副操作臂上的光源的照明下进行手术注射器的姿态调整，对准病灶的位置；步骤三：药物注射。本发明用于眼底显微手术。

但是在上述的方法中，主刀医生在视网膜找准位置后需要手动操作注射器进刀和出刀，但由于视网膜厚度极薄，精度限制高，操作中容易发生牵扯导致渗漏，对于经验丰富的医生来说完成视网膜注射操作依然十分困难。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中在人工操作注射器进刀和出刀容易导致渗漏的问题，提供一种执行视网膜层防渗漏隧道的机械臂控制方法，通过机械臂控制注射器对视网膜层进行注射，提高精度并且可以避免注射的时候导致渗漏。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种执行视网膜层防渗漏隧道的机械臂控制方法，包括机械臂和安装于所述机械臂上的注射器，所述机械臂包括夹持所述注射器的夹持装置和驱动所述夹持装置摆动的驱动臂；所述驱动臂包括驱动所述夹持装置摆动的第一线性电机和第二线性电机；所述夹持装置用于驱动所述注射器做直线运动的第三线性电机；具体包括如下步骤：

步骤一：选定入针位置，并设定机械臂的运动路径；

步骤二：控制机械臂沿着设定的运动路径运动，令机械臂驱动注射器的针尖末端沿着运动路径移动至转折点；

步骤三：计算针尖末端与雅可比矩阵，通过雅可比矩阵将针尖末端的移动量转换为机械臂的移动量；雅克比矩阵是机器人关节速度到末端速度的一个映射，通过在机械臂运动的时候，结合雅克比矩阵可以将针尖末端下一步到达的位置映射到机械臂三个线性电机需要移动的位移，即通过这种反向推导控制每个线性马达移动多少，才能进而精准控制针尖末端的移动。

步骤四：通过机械臂带动针尖末端在转折点执行RCM运动，完成10-20度转角；通过控制机械臂的第一线性电机、第二线性电机和第三线性电机的

步骤五：机械臂带动针尖末端按照步骤二中设定的运动路径运行至视网膜层的目标位置。

在上述的技术方案中，入针的位置和机械臂的运动路径均是常规的手术方法，运动路径是根据现有的视网膜注射的进刀路径进行设定，本方案并没有这些方法进行改进。本方案的重点在于如何控制机械臂驱动注射器沿着设定好的运动路径自动行进，使得注射器能够在机械臂的驱动下自动进入视网膜层进行注射，并不属于疾病的诊断或治疗方法。机械臂为现有医疗用机械臂装置，通过第一线性电机和第二线性电机的步数差能够令夹持装置与垂直面形成一定的角度，而第三线性电机即可驱动夹持装置做直线运动，令注射器前进。机械臂在带动注射器前进的时候，由于所设定的运动路径需要转弯，因为令机械臂带动注射器的针尖末端在转折点执行RCM运动，令注射器的针尖末端在视网膜层进行旋转运动，顺利完成整个运动路径。通过在整个过程中，无需注射器的运动是根据机械臂的沿着设定的运动轨迹进行运算完成的，无需人工操作。

优选的，在所述步骤四中，针尖末端的RCM运动中的位置计算如下：

S4.1：获取机械臂的物理参数；

S4.2：计算驱动臂的角度，具体为：

式中，θ为驱动臂的角度，即第一线性电机和第二线性电机所形成的关节与垂直面形成的夹角；L1为第一线性电机的当前位置；L2为第二线性电机的当前位置；dm为第三线性电机到第一线性电机或第二线性电机的水平轴的垂直距离；

S4.3：计算针尖末端位置，具体如下：

y＝(Ltool+L3)*sin(θ)-h*cos(θ)

式中，L3为第三线性电机的当前位置；h为第一线性电机和第二线性电机的直线距离；Ltool为夹持装置与针尖末端的距离；θ为第一线性电机和第二线性电机所形成的关节与垂直面形成的夹角。

设定的运动路径有每一步位置的坐标点，通过计算针尖末端位置和驱动臂的角度，然后按照两者的运算结果来反馈针尖末端位置，从而令机械臂按照每个位置之间的差距来驱动针尖末端逐步前进。

优选的，针尖末端围绕RCM点转动，设定的运动轨迹如下：

式中，ΔL1、ΔL2、ΔL3分别为第一线性电机、第二线性电机和第三线性电机的目标位移量；J为雅可比矩阵。

通过雅克比矩阵以及运动轨迹公式可以将RCM运动时针尖末端下一步到达的位置映射到每个线性电机需要移动的位移。通过这种反向推导控制每个线性电机移动多少，才能进而精准控制针尖末端RCM运动的角度。

优选的，在所述步骤三中，雅可比矩阵具体为：

式中，θ为驱动臂的角度，即第一线性电机和第二线性电机所形成的关节与垂直面形成的夹角；L1为第一线性电机的当前位置；L2为第二线性电机的当前位置；dm为第三线性电机到第一线性电机或第二线性电机的水平轴的垂直距离；L3为第三线性电机的当前位置。

优选的，针尖末端在进行RCM运动时，每前进一步就根据S4.3得到的针尖末端位置的雅可比矩阵获取第一线性电机、第二线性电机和第三线性电机的移动位移；同时计算第一线性电机、第二线性电机和第三线性电机的移动轨迹来控制针尖末端的运动。通过及时获取三个线性电机的移动位移和移动轨迹来反映针尖末端的运动，从而令机械臂能够根据设定的运动轨迹来及时控制和调整针尖末端的运动。

优选的，在针尖末端进行RCM运动时，针尖末端每前进一步，就以移动后的针尖末端所在的位置作为新的RCM点坐标。每次移动后末端针尖的位置可能出现微小变化，RCM点坐标采用移动后的末端针尖位置坐标，即RCM点坐标始终保持与末端针尖位置坐标一致，以提高RCM运动的精度。

优选的，在针尖末端进行RCM运动时，针尖末端每一步的目标位置通过计算针尖末端与垂直面的夹角的夹角变化率获得。夹角变化率表示每一步移动前后针尖末端与垂直面的夹角的变化微量。采用此方法计算每一步的目标位置，能够在RCM点不断变换的情况下保证旋转运动的精度。

优选的，针尖末端只沿着步骤二中设定的运动路径前进，不进行其他方向的位移，保证针尖运动路径的效率，避免由于意外的牵扯造成视网膜破裂或注射液渗漏等损伤。

优选的，在所述步骤一中，通过显微镜系统观察眼部图像选定入针位置。在显微镜系统的辅助下，能够更加准确找到入针位置。

优选的，在所述步骤二中，设定的运动路径定义为“L”型。

与现有技术相比，有益效果是：该方法通过对机械臂的控制，实现注射器沿着设定的运动轨迹运动直至完成视网膜注射操作，克服了人手操作的精度限制，提高了精度。在该方法中，采用了RCM定点运动方式，通过设定路径并计算机械臂线性电机运动的公式，引导机械臂带动针尖末端在视网膜层进行旋转运动，完成规定的转角，极大程度上避免了抖动导致的组织损伤，同时降低了注射液从视网膜内渗漏出来的概率，提高了视网膜注射手术的成功率。

附图说明

图1是本发明的机械臂的结构示意图；

图2是本发明一种执行视网膜层防渗漏隧道的机械臂控制方法的流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例1

如图1-2所示为一种执行视网膜层防渗漏隧道的机械臂控制方法的实施例，包括机械臂和安装于机械臂上的注射器，机械臂包括夹持注射器的夹持装置1和驱动夹持装置1摆动的驱动臂；驱动臂包括驱动夹持装置1摆动的第一线性电机2和第二线性电机3；夹持装置1用于驱动注射器做直线运动的第三线性电机4；具体包括如下步骤：

步骤一：通过显微镜系统观察眼部图像选定入针位置，并设定机械臂的运动路径；

步骤二：控制机械臂沿着设定的运动路径运动，令机械臂驱动注射器的针尖末端沿着运动路径移动至转折点；

步骤三：计算针尖末端与雅可比矩阵；雅可比矩阵具体为：

式中，θ为驱动臂的角度，即第一线性电机2和第二线性电机3所形成的关节与垂直面形成的夹角；L1为第一线性电机2的当前位置；L2为第二线性电机3的当前位置；dm为第三线性电机4到第一线性电机2或第二线性电机3的水平轴的垂直距离；L3为第三线性电机4的当前位置。

步骤四：通过机械臂带动针尖末端在转折点执行RCM运动，完成10-20度转角；针尖末端的RCM运动中的位置计算如下：

S4.1：获取机械臂的物理参数；

S4.2：计算驱动臂的角度，具体为：

式中，θ为驱动臂的角度，即第一线性电机2和第二线性电机3所形成的关节与垂直面形成的夹角；L1为第一线性电机2的当前位置；L2为第二线性电机3的当前位置；dm为第三线性电机4到第一线性电机2或第二线性电机3的水平轴的垂直距离；

S4.3：计算针尖末端位置，具体如下：

y＝(Ltool+L3)*sin(θ)-h*cos(θ)

式中，L3为第三线性电机4的当前位置；h为第一线性电机2和第二线性电机3的直线距离；Ltool为夹持装置1与针尖末端的距离；θ为第一线性电机2和第二线性电机3所形成的关节与垂直面形成的夹角。

设定的运动路径有每一步位置的坐标点，通过计算针尖末端位置和驱动臂的角度，然后按照两者的运算结果来反馈针尖末端位置，从而令机械臂按照每个位置之间的差距来驱动针尖末端逐步前进，从而令针尖末端能够沿着运动路径的坐标点不断前进。

优选的，针尖末端围绕RCM点转动，设定的运动轨迹如下：

式中，ΔL1、ΔL2、ΔL3分别为第一线性电机2、第二线性电机3和第三线性电机4的目标位移量。

步骤五：机械臂带动针尖末端按照步骤二中设定的运动路径运行至视网膜层的目标位置。

具体的，针尖末端在进行RCM运动时，每前进一步就根据S4.3得到的针尖末端位置的雅可比矩阵获取第一线性电机2、第二线性电机3和第三线性电机4的移动位移；同时计算第一线性电机2、第二线性电机3和第三线性电机4的移动轨迹来控制针尖末端的运动。通过及时获取三个线性电机的移动位移和移动轨迹来反映针尖末端的运动，从而令机械臂能够根据设定的运动轨迹来及时控制和调整针尖末端的运动。

其中，在针尖末端进行RCM运动时，针尖末端每前进一步，就以移动后的针尖末端所在的位置作为新的RCM点坐标。每次移动后末端针尖的位置可能出现微小变化，RCM点坐标采用移动后的末端针尖位置坐标，即RCM点坐标始终保持与末端针尖位置坐标一致，以提高RCM运动的精度。

其中，在针尖末端进行RCM运动时，针尖末端每一步的目标位置通过计算针尖末端与垂直面的夹角的夹角变化率获得。

在本实施例中，针尖末端只沿着步骤二中设定的运动路径前进，不进行其他方向的位移，保证针尖运动路径的效率，避免由于意外的牵扯造成视网膜破裂或注射液渗漏等损伤。

在本实施例中，在步骤二中，设定的运动路径定义为“L”型，与。

本实施例的工作原理：机械臂为现有医疗用机械臂装置，通过第一线性电机2和第二线性电机3的步数差能够令夹持装置1与垂直面形成一定的角度，而第三线性电机4即可驱动夹持装置1做直线运动，令注射器前进。设定机械臂的运动路径，运动路径有对应的坐标点，通过控制机械臂带动注射器到达指定坐标点的方式来控制机械臂的运动。机械臂在带动注射器前进的时候，由于所设定的运动路径需要转弯，因为令机械臂带动注射器的针尖末端执行RCM运动，令注射器的针尖末端在视网膜层进行旋转运动，顺利完成整个运动路径。在整个过程中，无需注射器的运动是根据机械臂的沿着设定的运动轨迹进行运算完成的，无需人工操作。

在本实施例的有益效果：该方法通过对机械臂的控制，实现注射器沿着设定的运动轨迹运动直至完成视网膜注射操作，克服了人手操作的精度限制，提高了精度。在该方法中，采用了RCM定点运动方式，通过设定路径并计算机械臂线性电机运动的公式，引导机械臂带动针尖末端在视网膜层进行旋转运动，完成规定的转角，极大程度上避免了抖动导致的组织损伤，同时降低了注射液从视网膜内渗漏出来的概率，提高了视网膜注射手术的成功率。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种执行视网膜层防渗漏隧道的机械臂，所述机械臂包括夹持注射器的夹持装置和驱动所述夹持装置的驱动臂；所述驱动臂包括驱动所述夹持装置摆动的第一线性电机、第二线性电机，以及设置于所述夹持装置上并用于驱动所述注射器做直线运动的第三线性电机，其特征在于，所述机械臂通过以下步骤运行：

步骤一：选定入针位置，并设定机械臂的运动路径；

步骤二：设定的运动路径定义为“L”型，控制机械臂沿着设定的运动路径运动，令机械臂驱动注射器的针尖末端沿着运动路径移动至转折点；

步骤三：计算针尖末端与雅可比矩阵，通过雅可比矩阵将针尖末端的移动量转换为机械臂的移动量；雅可比矩阵具体为：

式中，θ为驱动臂的角度，即第一线性电机和第二线性电机所形成的关节与垂直面形成的夹角；L1为第一线性电机的当前位置；L2为第二线性电机的当前位置；dm为第三线性电机到第一线性电机或第二线性电机的水平轴的垂直距离；L3为第三线性电机的当前位置,Ltool为夹持装置与针尖末端的距离，h为第一线性电机和第二线性电机的直线距离；

步骤四：通过机械臂带动针尖末端在转折点执行RCM运动，令针尖末端在视网膜层完成10-20度转角；在针尖末端进行RCM运动时，针尖末端每前进一步，就以移动后的针尖末端所在的位置作为新的RCM点坐标；针尖末端的RCM运动中的位置计算如下：

S4.1：获取机械臂的物理参数；

S4.2：计算驱动臂的角度，具体为：

S4.3：计算针尖末端位置，具体如下：

y＝(Ltool+L3)*sin(θ)-h*cos(θ)

式中，x为针尖末端位置横坐标，y为针尖末端位置纵坐标；

针尖末端围绕RCM点转动，设定的运动轨迹如下：

式中，ΔL1、ΔL2、ΔL3分别为第一线性电机、第二线性电机和第三线性电机的目标位移量；J为雅可比矩阵；

步骤五：机械臂带动针尖末端继续按照步骤二中设定的运动路径运行至视网膜层的目标位置。

2.根据权利要求1所述的一种执行视网膜层防渗漏隧道的机械臂，其特征在于，针尖末端在进行RCM运动时，每前进一步就根据S4.3得到的针尖末端位置的雅可比矩阵获取第一线性电机、第二线性电机和第三线性电机的移动位移；同时计算第一线性电机、第二线性电机和第三线性电机的移动轨迹来控制针尖末端的运动。

3.根据权利要求1所述的一种执行视网膜层防渗漏隧道的机械臂，其特征在于，在针尖末端进行RCM运动时，针尖末端每一步的目标位置通过计算针尖末端与垂直面的夹角变化率获得。

4.根据权利要求1所述的一种执行视网膜层防渗漏隧道的机械臂，其特征在于，针尖末端只沿着步骤二中设定的运动路径前进。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种执行视网膜层防渗漏隧道的机械臂，其特征在于，在所述步骤一中，通过显微镜系统观察眼部图像选定入针位置。