CN113974835A - 一种基于远心不动点约束的手术机器人运动控制方法 - Google Patents

一种基于远心不动点约束的手术机器人运动控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于远心不动点约束的手术机器人运动控制方法，所述方法采用一种手术机器人实施，所述方法包括：手术工具位姿的标定；手术工具结合手术目标位置初始位姿的校准；远心不动点约束方法；控制手术工具运动。所述手术机器人包括工控机(1)、人机交互设备(2)和机械臂台车(3)；所述机械臂台车(3)包括7轴冗余机械臂(31)、末端执行器(32)和手术工具(33)。由于采用运动控制算法实现远心不动点约束，避免了采用复杂的机械结构，也就解决了采用复杂机械结构实现远心不动点约束带来的种种问题。

Description

一种基于远心不动点约束的手术机器人运动控制方法
技术领域
本发明属于自动控制技术领域。具体涉及一种基于远心不动点约束的手术机器人运动控制方法。
背景技术
在微创手术中引入手术机器人能够为外科医生提供准确性和舒适性方面的重要支持，可以提高手术质量、缩短患者恢复时间。在机器人辅助微创手术中，手术机器人的机械臂搭载手术工具在通过患者体表的小切口进入体内后，手术工具的运动必须围绕该切口孔进行，不能在该切口处产生非轴线方向的平移，否则会对患者造成损伤。更具体地说，固定有手术工具的机器人连杆只能沿其轴线平移并以该切口孔作为支点进行旋转。该手术工具轴线上与切口重合的支点即所谓的远程运动中心(“RCM”)。到目前位置，微创手术机器人通常使用机械结构实现远心不动点RCM，即不动点是以特殊设计的机械结构来实现的。但是特殊设计的机械结构设计复杂，其精度性能、可操作性等存在不确定性，并且新的结构需要重新考虑其奇异位型防止造成机械结构的瞬间卡死或失灵。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种基于远心不动点约束的手术机器人运动控制方法。本发明与已有技术的最大不同点是采用运动控制算法实现。由于采用运动控制算法实现远心不动点约束，避免了采用复杂的机械结构，也就解决了采用复杂机械结构实现远心不动点约束带来的种种问题。
本发明的实施例提供一种手术机器人，所述手术机器人包括工控机(1)、人机交互设备(2)和机械臂台车(3)；所述机械臂台车(3)包括7轴冗余机械臂(31)、末端执行器(32)和手术工具(33)；
其中，工控机(1)包括显示屏，所述显示屏配置为：将手术工具的视觉传感器获得的二维或三维图像进行展示，提供查看病灶部位的相关的影像；
人机交互设备(2)配置为：按照操作的动作，人机交互设备(2)产生其X、Y和Z轴相应的旋转变化角度和位移变化数值，即6维位姿的增量(α,β,γ,dx,dy,dz)。
根据本发明的一种实施方式，例如，7轴冗余机械臂(31)配置为：满足机器人运动学中的Pieper准则，即机器人的三个相邻关节轴交于一点或三轴线平行，机器人存在封闭的逆解；
末端执行器(32)配置为：提供特定设计的夹具，作为手术工具的基座，末端执行器(32)接收控制信号，根据信号执行手术工具(33)的相应规定的动作；
手术工具(33)配置为：根据手术目的采用视觉传感器，电切装置等，完成特定的手术动作和功能。
本发明的实施例还提供一种基于远心不动点约束的手术机器人运动控制方法，所述方法采用如上所述的手术机器人实施，所述方法包括：手术工具位姿的标定；手术工具结合手术目标位置初始位姿的校准；远心不动点约束方法；控制手术工具运动。
由于本发明采用运动控制算法实现远心不动点约束，避免了采用复杂的机械结构，避免了由于复杂机械结构带来的一系列问题，例如精度性能、可操作性等方面存在的不确定性、新的机械结构需要重新考虑其奇异位型防止造成机械结构的瞬间卡死或失灵等。此外，由于手术机器人不再依赖复杂的机械结构实现远心不动点约束，本发明也有成本方面的优势。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种手术机器人结构示意图。
图2是本发明实施例提供的一种基于远心不动点约束的手术机器人运动控制方法步骤(9)中坐标系变换关系图。
图3是本发明实施例提供的一种基于远心不动点约束的手术机器人运动控制方法步骤(10)中坐标系变换关系图。
图4是本发明实施例提供的一种基于远心不动点约束的手术机器人运动控制方法步骤(11)中坐标系变换关系图。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
在发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“远”、“近”等所指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙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、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用以区别技术特征，不具有实质含义，不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。
本发明实施例提供的基于远心不动点约束的手术机器人运动控制方法的基本原理是：利用运动变换顺序Z,Y,X轴，3个轴方向的运动都需要满足远心不动点RCM(RemoteCenter of Motion)点的约束。
本发明的实施例提供一种手术机器人，所述手术机器人包括工控机1、人机交互设备2和机械臂台车3。所述机械臂台车3包括7轴冗余机械臂31、末端执行器32和手术工具33。
其中，工控机1包括显示屏，所述显示屏配置为：将手术工具的视觉传感器获得的图像(二维或三维)进行展示，提供查看病灶部位的相关的影像。
人机交互设备2配置为：按照操作的动作，人机交互设备2产生其X、Y和Z轴相应的旋转变化角度和位移变化数值，即6维位姿的增量(α,β,γ,dx,dy,dz)；
机械臂台车3包括7轴冗余机械臂31、末端执行器32和手术工具33。其中，7轴冗余机械臂31配置为：满足机器人运动学中的Pieper准则，即机器人的三个相邻关节轴交于一点或三轴线平行，机器人存在封闭的逆解。
末端执行器32配置为：提供特定设计的夹具，作为手术工具的基座，末端执行器32接收控制信号，根据信号执行手术工具33的相应规定的动作。
手术工具33配置为：根据手术目的采用视觉传感器，电切装置等，完成特定的手术动作和功能。
本发明的实施例还提供一种基于远心不动点约束的手术机器人运动控制方法，所述方法采用上述手术机器人实施。所述方法包括：
(1)标定末端执行器32和手术工具33在机器人坐标系中的位姿。首先将末端执行器32和手术工具33安装在手术机器人上，然后标定末端执行器32在手术机器人坐标系中的位姿，最后标定手术工具33在手术机器人坐标系中的位姿，通过标定末端执行器32和手术工具33的位姿，从而得到手术工具33前端中心点在手术机器人坐标下的位置
Figure BDA0003288382060000041
(2)手术目标位置和手术工具33结合处截面中心点
Figure BDA0003288382060000042
初始位姿的校准。首先确认手术目标位置，迅速将末端执行器32安装上手术工具33，然后使用量尺(例如游标卡尺)在平行于手术工具33方向测量出手术目标位置相对于手术工具33末端的距离，采用在手术工具33上取6个点相应测量距离，最后计算算术平均值得到手术工具33在手术目标位置横截面中心点相对于手术工具末端的距离值。并将此值作为偏移量相对于
Figure BDA0003288382060000043
点的转换进行远心中心点
Figure BDA0003288382060000044
点的设置。
(3)本发明实施例提供的基于远心不动点约束的手术机器人控制方法可以描述为手术工具刚体在特定点远心不动点
Figure BDA0003288382060000045
点的约束下运动，即旋转以
Figure BDA0003288382060000046
点和沿手术工具径向的位移经过
Figure BDA0003288382060000047
点作为手术机器人运动的几何约束。手术机器末端即手术工具的前端中心点的运动从当前位姿到目标位姿的变换矩阵表示为特殊欧式变换群
Figure BDA0003288382060000048
其中
Figure BDA0003288382060000049
为4×4的齐次变换矩阵，分别包含手术工具3×3矩阵的旋转分量R和3×1向量的位移分量T，其中，SO(3)为三维旋转群，R4×4和R3为实数空间。
(4)通过人机交互设备2获取的六维运动增量(α,β,γ,dx,dy,dz)，分别表示为人机交互设备2沿其三个轴X、Y和Z的旋转角度变化量α,β,γ和位移变化量dx,dy,dz。
(5)由上一步获得的六维运动增量(α,β,γ,dx,dy,dz)，手术机器人末端即手术工具33前端中心点的运动依次分解为沿其前端中心点所在坐标系Z、Y和X轴的旋转和平移。手术工具33以远心不动点
Figure BDA0003288382060000051
点条件下从当前位姿到目标位姿的齐次变换矩阵可以表示为表达式Hzyx＝Hz×Hy×Hx，其中齐次变换矩阵Hz，Hy，Hx分别表示手术工具33前端点确认的坐标系以Z、Y和X轴进行的旋转和位移，表达式分别为：
Figure BDA0003288382060000052
和
Figure BDA0003288382060000053
其中手术工具33的3×3矩阵旋转分量Rz,γ，Ry,β和Rx,α分别表示为沿手术工具的Z、Y和X轴旋转了γ,β和α角度，其表达式分别为
Figure BDA0003288382060000054
和
Figure BDA0003288382060000055
(6)而3×1向量位移分量Tyxyz、Tzxyz和Tzxyz是在远心不动点
Figure BDA0003288382060000056
点条件下分别表示为沿Z、Y和X轴运动时在三个轴相应平移距离的分量，其表达式分别为Tzxyz＝[dzx dzydzz]T、Tyxyz＝[dyx dyy dyz]T和Txxyz＝[dxx dxy dxz]T。
(7)按照手术机器人的运动方式，将手术机器人末端即手术工具33前端设置为
Figure BDA0003288382060000057
后，手术机器人的运动将以此
Figure BDA0003288382060000058
作为运动坐标系的原点。上一步从人机交互设备获得的运动增量将相对于此坐标系进行相对的旋转和位移。
(8)从人机交互设备2获得的旋转和位移增量，根据手术机器人的
Figure BDA0003288382060000059
运动和
Figure BDA00032883820600000510
点的约束，进行几何关系的分解。根据手术机器人运动顺序分别沿Z，Y，X轴进行，将
Figure BDA0003288382060000061
点的几何约束逐步进行分解。
Figure BDA0003288382060000062
为
Figure BDA0003288382060000063
和
Figure BDA0003288382060000064
的距离，计算表达式为
Figure BDA0003288382060000065
(9)沿着
Figure BDA0003288382060000066
的Z轴的运动，分为旋转和位移两部分，其中旋转部分关系式为
Figure BDA0003288382060000067
沿着Z轴旋转后如图2所示，坐标系由X-Y-Z变换为X’-Y’-Z’，由于
Figure BDA0003288382060000068
和
Figure BDA0003288382060000069
两点共线并且和X-Y轴构成的平面垂直，两点之间X,Y分量相同，Z分量不同，因此在
Figure BDA00032883820600000610
沿Z轴旋转时，
Figure BDA00032883820600000611
点的X,和Y分量保持不变。
Figure BDA00032883820600000612
径向位移部分|dz|,则对
Figure BDA00032883820600000613
运动补偿Tzxyz＝[0,0,-dz]T后，
Figure BDA00032883820600000614
依然保持不变，且位于手术工具33径向方向上一点。
(10)沿着
Figure BDA00032883820600000615
的Y轴的运动的同时需要受到
Figure BDA00032883820600000616
点的约束，将手术机器人的运动分为旋转和位移两部分，其中旋转部分关系式为
Figure BDA00032883820600000617
沿着Y轴旋转后如图3所示，坐标系由X-Y-Z变换为X’-Y’-Z’，且Y/Y’轴重合，手术机器人末端的手术工具33沿
Figure BDA00032883820600000618
点旋转带来了
Figure BDA00032883820600000619
的位移，
Figure BDA00032883820600000620
移动到了
Figure BDA00032883820600000621
将
Figure BDA00032883820600000622
分别投影在
Figure BDA00032883820600000623
旋转前的坐标系X-Y-Z中，分解后在X方向产生了
Figure BDA00032883820600000624
的位移分量，Z轴方向产生了
Figure BDA00032883820600000625
的位移分量，Y轴方向仅旋转没有位移分量。为保持
Figure BDA00032883820600000626
位置不变，则需要对
Figure BDA00032883820600000627
点做运动位移补偿向量为
Figure BDA00032883820600000628
经过对
Figure BDA00032883820600000629
运动补偿后，
Figure BDA00032883820600000630
点移动到
Figure BDA00032883820600000631
点使得
Figure BDA00032883820600000632
始终在手术工具上并且其X,Y,Z分量保持不变。
(11)沿着
Figure BDA00032883820600000633
的X轴的运动的同时需要受到
Figure BDA00032883820600000634
点的约束，将手术机器人的运动分为旋转和位移两部分，旋转部分关系式为
Figure BDA00032883820600000635
沿着X轴旋转后如图4所示，坐标系由X-Y-Z变换为X’-Y’-Z’，手术机器人末端的手术工具33沿
Figure BDA0003288382060000071
旋转带来了
Figure BDA0003288382060000072
的位移，移动到了
Figure BDA0003288382060000073
将
Figure BDA0003288382060000074
分别投影在
Figure BDA0003288382060000075
旋转前的坐标系中，分解后在Y方向产生了
Figure BDA0003288382060000076
的位移分量，Z轴方向产生了
Figure BDA0003288382060000077
的位移分量，X轴方向仅旋转没有位移分量。为保持
Figure BDA0003288382060000078
位置不变，则需要对
Figure BDA0003288382060000079
点做运动位移补偿向量为
Figure BDA00032883820600000710
经过对
Figure BDA00032883820600000711
运动补偿后，
Figure BDA00032883820600000712
点移动到
Figure BDA00032883820600000713
点使得
Figure BDA00032883820600000714
始终在手术工具上并且其X,Y,Z分量保持不变。
(12)经过上述步骤得到机器人手术工具33前端点从当前位姿到目标位姿的齐次变换矩阵Hzyx后，采用机器人逆解的方法得到机械臂各关节的角度，从而控制机械臂末端的手术工具33进行远心不动点约束的运动。

Claims (9)

1.一种手术机器人，其特征在于，所述手术机器人包括工控机(1)、人机交互设备(2)和机械臂台车(3)；所述机械臂台车(3)包括7轴冗余机械臂(31)、末端执行器(32)和手术工具(33)；
其中，工控机(1)包括显示屏，所述显示屏配置为：将手术工具的视觉传感器获得的二维或三维图像进行展示，提供查看病灶部位的相关的影像；
人机交互设备(2)配置为：按照操作的动作，人机交互设备(2)产生其X、Y和Z轴相应的旋转变化角度和位移变化数值，即6维位姿的增量(α,β,γ,dx,dy,dz)。
2.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，7轴冗余机械臂(31)配置为：满足机器人运动学中的Pieper准则，即机器人的三个相邻关节轴交于一点或三轴线平行，机器人存在封闭的逆解；
末端执行器(32)配置为：提供特定设计的夹具，作为手术工具的基座，末端执行器(32)接收控制信号，根据信号执行手术工具(33)的相应规定的动作；
手术工具(33)配置为：根据手术目的采用视觉传感器，电切装置等，完成特定的手术动作和功能。
3.一种基于远心不动点约束的手术机器人运动控制方法，所述方法采用如权利要求1或2所述的手术机器人实施，其特征在于，所述方法包括：手术工具位姿的标定；手术工具结合手术目标位置初始位姿的校准；远心不动点约束方法；控制手术工具运动。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)标定末端执行器(32)和手术工具(33)在机器人坐标系中的位姿；首先将末端执行器(32)和手术工具(33)安装在手术机器人上，然后标定末端执行器(32)在手术机器人坐标系中的位姿，最后标定手术工具(33)在手术机器人坐标系中的位姿，通过标定末端执行器(32)和手术工具(33)的位姿，从而得到手术工具(33)前端中心点在手术机器人坐标下的位置
Figure FDA0003288382050000021
(2)手术目标位置和手术工具(33)结合处截面中心点
Figure FDA0003288382050000022
初始位姿的校准；首先确认手术目标位置，迅速将末端执行器(32)安装上手术工具(33)，然后使用量尺在平行于手术工具(33)方向测量出手术目标位置相对于手术工具(33)末端的距离，采用在手术工具(33)上取6个点相应测量距离，最后计算算术平均值得到手术工具(33)在手术目标位置横截面中心点相对于手术工具末端的距离值，并将此值作为偏移量相对于
Figure FDA0003288382050000023
点的转换进行远心中心点
Figure FDA0003288382050000024
点的设置。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
(3)所述方法可以描述为手术工具刚体在特定点远心不动点
Figure FDA0003288382050000025
点的约束下运动，即旋转以
Figure FDA0003288382050000026
点和沿手术工具径向的位移经过
Figure FDA0003288382050000027
点作为手术机器人运动的几何约束；手术机器末端即手术工具的前端中心点的运动从当前位姿到目标位姿的变换矩阵表示为特殊欧式变换群
Figure FDA0003288382050000028
其中
Figure FDA0003288382050000029
为4×4的齐次变换矩阵，分别包含手术工具3×3矩阵的旋转分量R和3×1向量的位移分量T，其中，SO(3)为三维旋转群，R4×4和R3为实数空间；
(4)通过人机交互设备2获取的六维运动增量(α,β,γ,dx,dy,dz)，分别表示为人机交互设备2沿其三个轴X、Y和Z的旋转角度变化量α,β,γ和位移变化量dx,dy,dz。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
(5)由上一步获得的六维运动增量(α,β,γ,dx,dy,dz)，手术机器人末端即手术工具33前端中心点的运动依次分解为沿其前端中心点所在坐标系Z、Y和X轴的旋转和平移；手术工具33以远心不动点
Figure FDA0003288382050000031
点条件下从当前位姿到目标位姿的齐次变换矩阵可以表示为表达式Hzyx＝Hz×Hy×Hx，其中齐次变换矩阵Hz，Hy，Hx分别表示手术工具33前端点确认的坐标系以Z、Y和X轴进行的旋转和位移，表达式分别为：
Figure FDA0003288382050000032
和
Figure FDA0003288382050000033
其中手术工具33的3×3矩阵旋转分量Rz,γ，Ry,β和Rx,α分别表示为沿手术工具的Z、Y和X轴旋转了γ,β和α角度，其表达式分别为
Figure FDA0003288382050000034
和
Figure FDA0003288382050000035
(6)而3×1向量位移分量Tyxyz、Tzxyz和Tzxyz是在远心不动点
Figure FDA0003288382050000036
点条件下分别表示为沿Z、Y和X轴运动时在三个轴相应平移距离的分量，其表达式分别为Tzxyz＝[dzx dzy dzz]T、Tyxyz＝[dyx dyy dyz]T和Txxyz＝[dxx dxy dxz]T。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
(7)按照手术机器人的运动方式，将手术机器人末端即手术工具(33)前端设置为
Figure FDA0003288382050000037
后，手术机器人的运动将以此
Figure FDA0003288382050000038
作为运动坐标系的原点；上一步从人机交互设备获得的运动增量将相对于此坐标系进行相对的旋转和位移；
(8)从人机交互设备(2)获得的旋转和位移增量，根据手术机器人的
Figure FDA0003288382050000039
运动和
Figure FDA00032883820500000310
点的约束，进行几何关系的分解；根据手术机器人运动顺序分别沿Z，Y，X轴进行，将
Figure FDA00032883820500000311
点的几何约束逐步进行分解；
Figure FDA00032883820500000312
为
Figure FDA00032883820500000313
和
Figure FDA00032883820500000314
的距离，计算表达式为
Figure FDA00032883820500000315
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
(9)沿着
Figure FDA00032883820500000316
的Z轴的运动，分为旋转和位移两部分，其中旋转部分关系式为
Figure FDA0003288382050000041
沿着Z轴旋转后，坐标系由X-Y-Z变换为X’-Y’-Z’，由于
Figure FDA0003288382050000042
和
Figure FDA0003288382050000043
两点共线并且和X-Y轴构成的平面垂直，两点之间X,Y分量相同，Z分量不同，因此在
Figure FDA0003288382050000044
沿Z轴旋转时，
Figure FDA0003288382050000045
点的X,和Y分量保持不变；
Figure FDA0003288382050000046
径向位移部分|dz|,则对
Figure FDA0003288382050000047
运动补偿Tzxyz＝[0,0,-dz]T后，
Figure FDA0003288382050000048
依然保持不变，且位于手术工具33径向方向上一点；
(10)沿着
Figure FDA0003288382050000049
的Y轴的运动的同时需要受到
Figure FDA00032883820500000410
点的约束，将手术机器人的运动分为旋转和位移两部分，其中旋转部分关系式为
Figure FDA00032883820500000411
沿着Y轴旋转后，坐标系由X-Y-Z变换为X’-Y’-Z’，且Y/Y’轴重合，手术机器人末端的手术工具(33)沿
Figure FDA00032883820500000412
点旋转带来了
Figure FDA00032883820500000413
的位移，
Figure FDA00032883820500000414
移动到了
Figure FDA00032883820500000415
将
Figure FDA00032883820500000416
分别投影在
Figure FDA00032883820500000417
旋转前的坐标系X-Y-Z中，分解后在X方向产生了
Figure FDA00032883820500000418
的位移分量，Z轴方向产生了
Figure FDA00032883820500000419
的位移分量，Y轴方向仅旋转没有位移分量；为保持
Figure FDA00032883820500000420
位置不变，则需要对
Figure FDA00032883820500000421
点做运动位移补偿向量为
Figure FDA00032883820500000422
经过对
Figure FDA00032883820500000423
运动补偿后，
Figure FDA00032883820500000424
点移动到
Figure FDA00032883820500000425
点使得
Figure FDA00032883820500000426
始终在手术工具上并且其X,Y,Z分量保持不变。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
(11)沿着
Figure FDA00032883820500000427
的X轴的运动的同时需要受到
Figure FDA00032883820500000428
点的约束，将手术机器人的运动分为旋转和位移两部分，旋转部分关系式为
Figure FDA00032883820500000429
沿着X轴旋转后，坐标系由X-Y-Z变换为X’-Y’-Z’，手术机器人末端的手术工具(33)沿
Figure FDA0003288382050000051
旋转带来了
Figure FDA0003288382050000052
的位移，移动到了
Figure FDA0003288382050000053
将
Figure FDA0003288382050000054
分别投影在
Figure FDA0003288382050000055
旋转前的坐标系中，分解后在Y方向产生了
Figure FDA0003288382050000056
的位移分量，Z轴方向产生了
Figure FDA0003288382050000057
的位移分量，X轴方向仅旋转没有位移分量；为保持
Figure FDA0003288382050000058
位置不变，则需要对
Figure FDA0003288382050000059
点做运动位移补偿向量为
Figure FDA00032883820500000510
经过对
Figure FDA00032883820500000511
运动补偿后，
Figure FDA00032883820500000512
点移动到
Figure FDA00032883820500000513
点使得
Figure FDA00032883820500000514
始终在手术工具上并且其X,Y,Z分量保持不变；
(12)经过上述步骤得到机器人手术工具(33)前端点从当前位姿到目标位姿的齐次变换矩阵Hzyx后，采用机器人逆解的方法得到机械臂各关节的角度，从而控制机械臂末端的手术工具(33)进行远心不动点约束的运动。
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