CN115607297A - 一种震颤抑制的主从手术机器人控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开属于手术机器人技术领域，具体涉及一种震颤抑制的主从手术机器人控制系统及方法，包括：主从控制系统，包括机器人主手和机器人从手，用于实现机器人主手对机器人从手的远程控制；震颤抑制系统，包括滤波模块、自适应提取模块和前馈控制模块，用于过滤由机器人主手输入到机器人从手的人手震颤信号与误操作信号，基于所述滤波模块获取所述机器人主手的位姿理想震颤信号，通过自适应提取模块判断所获取的位姿理想震颤信号中是否存在主从控制系统中的人手误操作信号，在前馈控制模块的作用下将位姿实际震颤信号取反后与原始位姿信息叠加，得到手术期望动作信息，将所得到的手术期望动作信息反馈给所述主从控制系统。
Description
技术领域
本公开属于手术机器人技术领域，具体涉及一种震颤抑制的主从手术机器人控制系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
机器人手术创伤小、恢复快、并发症少，医生操作时精准度高、操作灵活、术式丰富，是微创外科手术的最佳选择。医疗机器人的发展和应用，推动了外科手术中医疗技术的发展，带动了机器人研究领域新技术与新理论的发展。
据发明人了解，主从式外科手术机器人发展多年，技术相对成熟，已经具备一定的技术优势，同时也面临着诸多问题。由于操作者手部存在固有的生理性震颤，在使用机器人主手控制机器人从手执行手术动作时，生理性震颤与期望动作的混合信号被机器人主手采集并传输至机器人从手端，导致机器人从手的执行动作为混合动作，引起从手末端产生震颤，导致微创手术的质量无法保证。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种震颤抑制的主从手术机器人控制系统及方法，能够提升机器人辅助微创外科手术安全性和微创手术机器人操作精度。
根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种震颤抑制的主从手术机器人控制系统，采用如下技术方案：
一种震颤抑制的主从手术机器人控制系统，包括：
主从控制系统，包括机器人主手和机器人从手，用于实现机器人主手对机器人从手的远程控制；
震颤抑制系统，包括滤波模块、自适应提取模块和前馈控制模块，用于过滤由机器人主手输入到机器人从手的人手震颤信号与误操作信号，基于所述滤波模块获取所述机器人主手的位姿理想震颤信号，通过自适应提取模块判断所获取的位姿理想震颤信号中是否存在主从控制系统中的人手误操作信号，在前馈控制模块的作用下将位姿实际震颤信号取反后与原始位姿信息叠加，得到手术期望动作信息，将所得到的手术期望动作信息反馈给所述主从控制系统。
作为进一步的技术限定，所述机器人主手采用7自由度的串联机构、并联机构或串并联耦合机构；其中，前六个自由度提供平移、旋转运动，用于采集人手动作；第七个冗余自由度置于机器人主手末端，提供开合运动，用于采集手指夹取动作。
作为进一步的技术限定，所述机器人从手采用7自由度的串联机构、并联机构或串并联耦合机构；其中，前六个自由度提供平移、旋转运动，用于机器人主手所采集的人手动作的复现；第七个冗余自由度用于手术器械，实现手指夹取动作的复现。
作为进一步的技术限定，所述主从控制系统还包括机器人主手控制子系统和机器人从手控制子系统。
进一步的，所述机器人主手控制子系统和所述机器人从手控制子系统之间相互通信实现所述机器人主手和所述机器人从手的数据信息交换。
根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种震颤抑制的主从手术机器人控制方法，采用了第一方案中所提供的一种震颤抑制的主从手术机器人控制系统，采用如下技术方案：
一种震颤抑制的主从手术机器人控制方法，包括：
获取机器人主手和机器人从手的操作信号；
过滤所获取的操作信号，得到人手震颤信号和误操作信号；
根据所得到的人手震颤信号和误操作信号提取机器人主手的位姿理想震颤信号，判断所获取的位姿理想震颤信号中是否存在主从控制系统中的人手误操作信号，将位姿实际震颤信号取反后与原始位姿信息叠加，得到手术期望动作信息，将所得到的手术期望动作信息反馈给所述主从控制系统，实现主从手术机器人的震颤抑制控制。
作为进一步的技术限定，通过自适应提取模块判断所获取的位姿理想震颤信号中是否存在主从控制系统中的人手误操作信号的过程中,基于滤波模块分离符合理论频域范围内的所提取的位姿理想震颤信号，通过自适应提取模块中的卡尔曼滤波器进行位姿理想震颤信号的预测与估计，完成主从控制系统中的人手误操作信号的判断。
作为进一步的技术限定，所述人手误操作信号从主从控制系统的人手误操作抖动中提取，所获取的正常的人手操作信号为平滑曲线，人手误操作信号表现为是平滑的曲线中突变信号；
按照扰动偏差对系统进行前馈控制的补偿调节，当系统出现扰动时，根据扰动量的大小进行校正，以得到手术期望动作信息。
根据一些实施例，本公开的第三方案提供了一种计算机可读存储介质，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第二方面所述的震颤抑制的主从手术机器人控制方法中的步骤。
根据一些实施例，本公开的第四方案提供了一种电子设备，采用如下技术方案：
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第二方面所述的震颤抑制的主从手术机器人控制方法中的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开通过主从控制策略实现机器人主手对机器人从手的远程控制，同时通过震颤抑制策略滤除主手采集的人手生理性震颤信号与误操作信号，让医生能够自然、平稳地操作手术机器人实现理想的手术动作，提高机器人手术的安全性与可靠性。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例一中的震颤抑制的主从手术机器人控制系统的结构框图；
图2是本公开实施例一中的主从控制系统的流程图；
图3是本公开实施例一中的位姿理想震颤信号提取的流程图；
图4是本公开实施例一中的卡尔曼滤波的流程图；
图5是本公开实施例一中的震颤抑制系统的流程图；
图6是本公开实施例二中的震颤抑制的主从手术机器人控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本公开实施例一介绍了一种震颤抑制的主从手术机器人控制系统。
如图1所示的一种震颤抑制的主从手术机器人控制系统，包括：
主从控制系统，包括机器人主手和机器人从手，用于实现机器人主手对机器人从手的远程控制；
震颤抑制系统，包括滤波模块、自适应提取模块和前馈控制模块，用于过滤由机器人主手输入到机器人从手的人手震颤信号与误操作信号，基于所述滤波模块获取所述机器人主手的位姿理想震颤信号，通过自适应提取模块判断所获取的位姿理想震颤信号中是否存在主从控制系统中的人手误操作信号，在前馈控制模块的作用下将位姿实际震颤信号取反后与原始位姿信息叠加，得到手术期望动作信息，将所得到的手术期望动作信息反馈给所述主从控制系统。
在本实施例中的主从手术机器人控制系统可实现震颤抑制，包括主从控制系统1与震颤抑制系统2两个部分；其中，主从控制系统1包括机器人主手101，机器人主手控制系统102，机器人从手103，机器人从手控制系统104；震颤抑制系统2设计在主从控制系统1的内部(具体位于主手数据采集模块和从手数据输出模块之间)，包括数字滤波器201、自适应智能滤波算法202、前馈控制模块203。
作为一种或多种实施方式，如图2所示，主从控制系统1用于实现机器人主手101对机器人从手103的远程控制；
机器人主手101为一个7自由度的串联机构、并联机构或串并联耦合机构。其中，前六个关节提供平移、旋转运动，用于采集人手动作；第七个冗余关节置于主手末端提供开合运动，用于采集手指夹取动作。
在本实施例中，机器人主手控制系统102包括机器人主手位姿正运动学解算102-1、位姿增量运算102-2和机器人主手通信协议102-3三个模块；其中，机器人主手位姿正运动学解算模块102-1通过正运动学解算将机器人主手101中的六个关节角度转换为位置信息px、py、pz和姿态信息Rx、Ry、Rz，给定机器人各关节角度，将关节角度转化为位姿数据；位姿增量运算模块102-2通过正运动学解算将初始时刻机器人主手101的位置、姿态信息与当前时刻的位置、姿态信息计算出位置增量Δpx、Δpy、Δpz与姿态增量ΔRx、ΔRy、ΔRz。通信协议模块102-3则用于机器人主手控制系统102与机器人从手控制系统104的数据交换。
在本实施例中，通信协议模块102-3不需要采用特定的通信协议，使用RS232通讯协议。
作为一种或多种实施方式，机器人从手103为一个7自由度的串联机构、并联机构或串并联耦合机构。其中，前六个关节提供平移、旋转运动，用于机器人主手101所采集的人手动作的复现，第七个冗余自由度用于手术器械，实现手指夹取动作的复现。
作为一种或多种实施方式，机器人从手控制系统104包括机器人从手位姿正运动学解算104-1、位姿更新104-2、机器人从手逆运动学解算104-3和机器人从手通信协议104-4四个模块；其中，机器人从手位姿正运动学解算模块104-1通过正运动学解算将机器人从手103初始时刻的六个关节角度转换为位置信息X0、Y0、Z0和四元数信息w0、x0、y0、z0；位姿更新模块104-2用于将位置增量Δpx、Δpy、Δpz与机器人从手103初始时刻的位置信息X0、Y0、Z0相加得到下一步机器人从手103的位置信息，将姿态增量ΔRx、ΔRy、ΔRz代入旋转矩阵求得下一步机器人从手103的四元数信息；机器人从手逆运动学解算模块104-3用于将更新后的机器人从手103的位置信息和四元数信息解算成机器人从手103的关节角度。机器人从手通信协议模块104-4则用于机器人从手控制系统104与机器人主手控制系统102的数据交换。
在本实施例中，四元数q为
则旋转矩阵的公式为：
首先读取机械臂初始四元数w0、x0、y0、z0，然后将力反馈手柄得到的姿态增量信息带入到旋转矩阵用以更新初始四元数，最后将更新后的四元数w、x、y、z发送给机械臂控制系统。
在本实施例中，机器人从手通信协议104-4不需要采用特定的通信协议，使用RS232通讯协议。
作为一种或多种实施方式，如图5所示，震颤抑制系统2用于过滤由主手输入到从手的人手震颤信号与误操作信号；在过滤的过程中，由机器人主手101产生的原始位姿信息通过数字滤波器201得到位姿理想震颤信号，将得到的理想震颤信号通过自适应智能滤波器算法202得到位姿实际震颤信号，通过前馈控制模块203将位姿实际震颤信号取反后与原始位姿信息叠加，从而得到过滤后的信号。
作为一种或多种实施方式，数字滤波器201用于得到位姿理想震颤信号201-1。该滤波器可以是n阶IIR或FIR数字滤波器，采用差分方程，主从控制中的位置增量Δpx、Δpy、Δpz与姿态增量ΔRx、ΔRy、ΔRz经过数字滤波差分运算得到理想频带范围内的震颤信号；
其中，差分方程为：
其中，y(n)为n时刻的输出；y(n-k)为n-k时刻的输出；x(n-1)为n-1时刻的输入；ak与bi均为常数。
作为一种或多种实施方式，自适应智能滤波算法202用于得到位姿实际震颤信号202-1。自适应智能滤波算法202中由神经网络模型为卡尔曼滤波器提供最优参数，用于判断理想震颤信号201-1中采集到控制系统中的人手误操作信号，以提取最真实的位姿震颤信号；
如图3所示，力反馈手柄采集的混合信号通过模数转换模块将各关节运动的模拟信号转换为数字信号，经过正运动学解算输出为位置姿态信息。将设计好的二阶IIR椭圆带通数字滤波器置入到力反馈手柄与机械臂的上位机控制系统，位姿信息通过数字滤波器差分运算，便可提取出各位置姿态理想的震颤信号。
作为一种或多种实施方式，通过数字滤波器分离出来的理想震颤信号为理论频域范围内的信号，该信号可能包含有频率较高的手术期望动作信号，也可能与动态系统中真实的震颤信号产生较大误差。
在已知上一时刻估计值的情况下，利用系统状态矩阵可得到上一时刻对当前时刻的系统状态预测值；由观测矩阵与当前时刻系统状态预测值便可得到上一时刻对当前时刻的测量数据预测值，用当前时刻测量数据实际值减去测量数据预测值得到残差值，将其与增益矩阵相乘便可得到修正量；将上一时刻对当前时刻的系统状态预测值与修正量相加便可得到信号数据的估计值；
具体的，如图4所示，在已知上一时刻估计值
的情况下，利用系统状态矩阵A可得到上一时刻对当前时刻的系统状态预测值
由观测矩阵C与当前时刻系统状态预测值
便可得到上一时刻对当前时刻的测量数据预测值
用当前时刻测量数据实际值Y(k)减去测量数据预测值
得到残差值，将其与增益矩阵B相乘便可得到修正量；将上一时刻对当前时刻的系统状态预测值
与修正量相加便可得到信号数据的估计值
作为一种或多种实施方式，前馈控制模块203用于将位姿实际震颤信号202-1取反后与原始位姿信息叠加。前馈控制模块203的输出信号为手术期望动作信息，该信息输入至主从控制系统用以手术动作的平稳执行。
本实施例通过主从控制策略实现机器人主手对机器人从手的远程控制，同时通过震颤抑制策略滤除主手采集的人手生理性震颤信号与误操作信号，让医生能够自然、平稳地操作手术机器人实现理想的手术动作，提高机器人手术的安全性与可靠性。
实施例二
本公开实施例二在实施例一所介绍的震颤抑制的主从手术机器人控制系统基础上，提供了一种震颤抑制的主从手术机器人控制方法。
如图6所示的一种震颤抑制的主从手术机器人控制方法，包括：
获取机器人主手和机器人从手的操作信号；
过滤所获取的操作信号，得到人手震颤信号和误操作信号；
根据所得到的人手震颤信号和误操作信号提取机器人主手的位姿理想震颤信号，判断所获取的位姿理想震颤信号中是否存在主从控制系统中的人手误操作信号，将位姿实际震颤信号取反后与原始位姿信息叠加，得到手术期望动作信息，将所得到的手术期望动作信息反馈给所述主从控制系统，实现主从手术机器人的震颤抑制控制。
作为一种或多种实施方式，通过自适应提取模块判断所获取的位姿理想震颤信号中是否存在主从控制系统中的人手误操作信号的过程中,基于滤波模块分离符合理论频域范围内的所提取的位姿理想震颤信号，通过自适应提取模块中的卡尔曼滤波器进行位姿理想震颤信号的预测与估计，完成主从控制系统中的人手误操作信号的判断；
人手误操作信号从主从控制系统的人手误操作抖动中提取，所获取的正常的人手操作信号为平滑曲线，人手误操作信号表现为是平滑的曲线中突变信号；
按照扰动偏差对系统进行前馈控制的补偿调节，当系统出现扰动时，根据扰动量的大小进行校正，以得到手术期望动作信息。
实施例三
本公开实施例三提供了一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例二所述的震颤抑制的主从手术机器人控制方法中的步骤。
详细步骤与实施例二提供的震颤抑制的主从手术机器人控制方法相同，在此不再赘述。
实施例四
本公开实施例四提供了一种电子设备。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例二所述的震颤抑制的主从手术机器人控制方法中的步骤。
详细步骤与实施例二提供的震颤抑制的主从手术机器人控制方法相同，在此不再赘述。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种震颤抑制的主从手术机器人控制系统，其特征在于，包括：
主从控制系统，包括机器人主手和机器人从手，用于实现机器人主手对机器人从手的远程控制；
震颤抑制系统，包括滤波模块、自适应提取模块和前馈控制模块，用于过滤由机器人主手输入到机器人从手的人手震颤信号与误操作信号，基于所述滤波模块获取所述机器人主手的位姿理想震颤信号，通过自适应提取模块判断所获取的位姿理想震颤信号中是否存在主从控制系统中的人手误操作信号，在前馈控制模块的作用下将位姿实际震颤信号取反后与原始位姿信息叠加，得到手术期望动作信息，将所得到的手术期望动作信息反馈给所述主从控制系统。
2.如权利要求1中所述的一种震颤抑制的主从手术机器人控制系统，其特征在于，所述机器人主手采用7自由度的串联机构、并联机构或串并联耦合机构；其中，前六个自由度提供平移、旋转运动，用于采集人手动作；第七个冗余自由度置于机器人主手末端，提供开合运动，用于采集手指夹取动作。
3.如权利要求1中所述的一种震颤抑制的主从手术机器人控制系统，其特征在于，所述机器人从手采用7自由度的串联机构、并联机构或串并联耦合机构；其中，前六个自由度提供平移、旋转运动，用于机器人主手所采集的人手动作的复现；第七个冗余自由度用于手术器械，实现手指夹取动作的复现。
4.如权利要求1中所述的一种震颤抑制的主从手术机器人控制系统，其特征在于，所述主从控制系统还包括机器人主手控制子系统和机器人从手控制子系统。
5.如权利要求4中所述的一种震颤抑制的主从手术机器人控制系统，其特征在于，所述机器人主手控制子系统和所述机器人从手控制子系统之间相互通信实现所述机器人主手和所述机器人从手的数据信息交换。
6.一种震颤抑制的主从手术机器人控制方法，其特征在于，包括：
获取机器人主手和机器人从手的操作信号；
过滤所获取的操作信号，得到人手震颤信号和误操作信号；
根据所得到的人手震颤信号和误操作信号提取机器人主手的位姿理想震颤信号，判断所获取的位姿理想震颤信号中是否存在主从控制系统中的人手误操作信号，将位姿实际震颤信号取反后与原始位姿信息叠加，得到手术期望动作信息，将所得到的手术期望动作信息反馈给所述主从控制系统，实现主从手术机器人的震颤抑制控制。
7.如权利要求6中所述的一种震颤抑制的主从手术机器人控制方法，其特征在于，通过自适应提取模块判断所获取的位姿理想震颤信号中是否存在主从控制系统中的人手误操作信号的过程中,基于滤波模块分离符合理论频域范围内的所提取的位姿理想震颤信号，通过自适应提取模块中的卡尔曼滤波器进行位姿理想震颤信号的预测与估计，完成主从控制系统中的人手误操作信号的判断。
8.如权利要求6中所述的一种震颤抑制的主从手术机器人控制方法，其特征在于，所述人手误操作信号从主从控制系统的人手误操作抖动中提取，所获取的正常的人手操作信号为平滑曲线，人手误操作信号表现为是平滑的曲线中突变信号；
按照扰动偏差对系统进行前馈控制的补偿调节，当系统出现扰动时，根据扰动量的大小进行校正，以得到手术期望动作信息。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求6-8中任一项所述的震颤抑制的主从手术机器人控制方法中的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求6-8中任一项所述的震颤抑制的主从手术机器人控制方法中的步骤。
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