CN116077190B - 一种提高手术机器人系统精度的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够提高手术机器人系统精度的系统，包括主控和连接于主控且具有末端执行器的手术机器人，还包括连接于主控的光学跟踪系统和机器人辅助系统，使用机器人辅助系统对手术机器人局部区域精度进行配准，使得手术机器人在局部工作区域内精度达到手术要求；同时使用光学跟踪系统实时跟踪机器人末端位姿并提高运动轨迹的定位精度，对手术机器人最后穿刺导入过程的姿态进行微调处理，满足手术过程的姿态精度要求。因此明显提高了手术机器人配准效率，增强了可操作度，本发明实现多传感器数据融合，能使手术机器人定位精度实现最优化，具有广泛的应用领域和应用前景。

Description

一种提高手术机器人系统精度的系统

技术领域

本发明属于手术机器人技术领域，尤其是涉及一种提高手术机器人系统精度的系统。

背景技术

随着科学技术的不断发展，越来越多的高精度工业设备涌入医疗行业，也兴起了医工结合研究方向的新浪潮。尤其是在精准医疗领域，使用高精度手术机器人进行辅助手术治疗，既保证手术精度，又提高了手术效率，同时还可以通过手术机器人传感器数据来量化评估整个手术质量。

然而，现有的手术机器人设备及技术存在一定的缺陷，具体如下：

1.在使用手术机器人进行穿刺及钻骨时，机器人的工作区域一般为局部区域。在进行机器人配准时，主要保证机器人局部定位精度满足手术需求即可，这就需要高测量精度的配准仪器来配合使用；

2.在手术机器人运动过程中，避免发生碰撞及运动路线偏差，需要光学测量仪器进行实时采集位姿数据进行修正补偿以保证手术过程的质量和安全性。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种提高手术机器人系统精度的系统，以解决手术过程中高精度需求的问题。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种提高手术机器人系统精度的系统，包括主控和连接于所述主控且具有末端执行器的手术机器人，还包括连接于主控的光学跟踪系统和机器人辅助系统，所述的光学跟踪系统用于实时采集手术机器人的路径点位姿数据以对手术机器人末端位姿进行跟踪，从而提高手术机器人路径定位精度，所述的机器人辅助系统用于抵消手术机器人闭环系统误差以进行手术机器人精度配准，从而减小系统误差，通过光学跟踪系统和机器人辅助系统两个结构从两个过程，两个角度，整体上满足手术机器人手术过程的高精度需求。

在上述的提高手术机器人系统精度的系统中，所述的末端执行器上具有测量块和光学标记板，所述的光学跟踪系统用于发射光学射线至光学标记板并接收光学标记板的反射信号以进行路径点位姿数据采集，所述的机器人辅助系统用于测量所述测量块的位姿以对手术机器人进行精度配准。测量块是一种标准立方块。

在上述的提高手术机器人系统精度的系统中，所述的光学跟踪系统被放置于手术台周围以发射光学射线至光学标记板并接收光学标记板的反射信号；

所述的机器人辅助系统被安装于手术台上用于固定机器人辅助系统的安装孔位以测量所述测量块的位姿；

所述的光学射线为红外射线。

在上述的提高手术机器人系统精度的系统中，所述的机器人辅助系统包括夹具和位移传感器，位移传感器按照3-2-1六点定位方式安装于夹具上；

三个位移传感器被平行放置一个端面且不共线；两个位移传感器被平行放置于另一个端面；一个位移传感器放置剩下的一个端面，不同端面的位移传感器互相呈90度夹角，以使六个位移传感器的测量点符合六点定位原理，从而配准测量块的三个正交面，得到测量块的中心坐标系相对于机器人辅助系统原点坐标系的相对位姿关系。

在上述的提高手术机器人系统精度的系统中，所述的夹具上具有三个周向均匀分布的磁性套，且每个磁性套上均固定有一个运动耦合球；

运动耦合球用于与三角锥标定板配合以对机器人辅助系统进行初始配准。

在上述的提高手术机器人系统精度的系统中，所述的三角锥标定板包括星形托架，所述星形托架上具有V型槽和三角椎体，三角椎体的一个表面对应一个端面处的一组位移传感器，所述的V型槽与所述的运动耦合球相配合，所述的三角椎体用于归零所述的位移传感器，通过将V型槽与运动耦合球耦合对每个位移传感器数值进行归零配准。

在上述的提高手术机器人系统精度的系统中，所述的机器人辅助系统通过以下方式进行精度配准：

S100.利用三角锥标定板对机器人辅助系统进行初始归零配准，通过V形槽和运动耦合球配合方式使三角锥体处于机器人辅助系统的零位位置；位移传感器测量得到的数值显示归零，后续机器人辅助系统进行测量得到位移传感器与手术机器人末端测量块之间的配准位移距离；

S200.建立手术机器人基座坐标系、机器人末端坐标系、机器人辅助系统的原点坐标系、测量块的测量坐标系以及手术台中心坐标系；

S300.机器人辅助获取位移传感器的测量位移，并将测量位移通过机器人辅助系统配准算法计算得到机器人末端位姿数据；

S400.将手术机器人基座安装误差、手术机器人连杆运动系统误差、手术机器人末端安装误差以及机器人辅助系统安装误差融合成为一个闭环系统误差；

基于闭环系统误差和机器人辅助系统测得的机器人末端位姿数据，采用非线性最小二乘迭代法，对手术机器人系统进行配准。对手术机器人系统进行整体系统精度配准，将手术闭环系统误差减小至最小。

在上述的提高手术机器人系统精度的系统中，步骤S300具体包括：

S301.在测量块的测量坐标系{O_MX_MY_MZ_M}下，由测量块结构得到测量块表面的平面方程^MS_i(i＝1,2,...,6)，其中下标i表示第i个定位点；

S302.分别在与位移传感器相对应的三个测量块平面各随机选择一个基于测量坐标系{O_MX_MY_MZ_M}的位置点矢量：^MH_j＝[h_xj,h_yj,h_zj]^T(j＝1,2,3)(1)；

其中，下标j表示第j个平面；

S303.基于测量坐标系{O_MX_MY_MZ_M}得到三个平面的法向量矢量：

^MK_j＝[k_xj,k_yj,k_zj]^T(j＝1,2,3) (2)；

通过以下公式将位置点矢量、法向量矢量分别转换至机器人辅助系统的原点坐标系{O_CX_CY_CZ_C}下：

这三个平面在机器人辅助系统的原点坐标系{O_CX_CY_CZ_C}下的平面方程^CS_j(j＝1,2,3)表示为：

S304.当测量块靠近机器人辅助系统进行测量时，每个位移传感器产生位移变化量e_i(i＝1,2,,6；在测量坐标系{O_MX_MY_MZ_M}下，根据初始标定得到每个位移传感器的测头坐标值和位移变化量，计算得到当前测量位置的位移传感器测量点坐标，其中每个位移传感器对应一个基于测量坐标系的测头坐标值：

^CP_i＝[p_xi,p_yi,p_zi]^T(i＝1,2,...,6) (6)；

S305.将上述位移传感器测量点坐标值分别代入平面方程中得到传感器位移量与测量坐标系相对于原点坐标系相对位姿的关系等式：

结合上式整理得到传感器位移量与测量块位姿坐标的六个非线性函数：

采用迭代算法进行求解，并将初始标定位置作为目标函数的做差位姿：

通过以上目标函数(9)计算测量块相对于机器人辅助系统坐标系的位姿。

步骤S400具体包括：

S401.将手术机器人基座安装误差、手术机器人连杆运动系统误差、手术机器人末端安装误差以及机器人辅助系统安装误差融合成为一个闭环系统误差：

其中是机器人名义基座坐标系，/>是考虑名义D-H参数的机器人末端坐标系，/>是固定在机器人末端上的名义测量块坐标系，f_fk(q,P_n+ΔP)是运动学参数误差模型，/>与/>分别是机器人末端和基座的误差模型，将测量块坐标系相对于原点坐标系的实际位姿/>与机器人辅助系统的实际位移量E＝[e₁,e₂,e₃,e₄,e₅,e₆]^T两者相结合建立数学模型，得到如下关系：

建立目标函数(11)，寻找一组近似解使系统的近似误差达到最小，通过目标函数(11)实现机器人系统的配准，也就是机器人运动学模型配准。

在上述的提高手术机器人系统精度的系统中，所述的光学跟踪系统通过以下方式对手术机器人末端位姿进行跟踪：

步骤701：确定光学标记板和手术机器人之间的位姿关系，对光学跟踪系统建立相应的坐标系，确定光学标记板和手术机器人之间的位姿关系；确保各个坐标系之间的转换关系正确；

建立手术机器人正逆运动学模型，即求解后的公式(11)，得到关节空间角度与笛卡尔空间末端位姿之间的映射关系；

步骤702：根据运动学模型的逆运动学求解期望路径轨迹所对应的机器人运动关节角度；

步骤703：通过光学跟踪系统对手术机器人末端位姿数据实时测量采集，对比理论运动路径；

步骤704：用迭代学习控制算法对手术机器人运动关节角度进行补偿，对机器人末端姿态进行微调处理。

在上述的提高手术机器人系统精度的系统中，步骤704具体包括：

通过迭代学习求解获得每个位置点的初始关节角度误差，将其代替运动学参数中理论的初始关节角度，再通过机器人逆运动学求解到达目标位置点对应的关节转角，手术机器人的运动学建模为：

为手术机器人基座坐标系相对于光学跟踪坐标系的理论位姿；

为光学标记板坐标系相对于手术机器人末端坐标系的理论位姿；

矢量P为每个位置点的运动学参数；矢量x_r为手术机器人的关节转角；矢量y为安装于手术机器人末端光学跟踪系统的实际位姿；

通过不断修正输入量以至于输出量y能接近期望位姿y_r；

基于第j次迭代过程中手术机器人当前转动的关节角度，获得光学标记板实际位姿y_j，将其与手术机器人末端光学标记板期望位姿y_r比较，可计算机器人在第j次迭代时的定位误差：

e_j＝y_r-y_j (13)；

根据位姿误差最小原则，通过迭代的方式修正每个位置点的初始关节角度以满足机器人实际到达的位姿接近期望位姿。

本发明的优点在于：

本发明提供了一种提高手术机器人系统精度的系统，使用机器人辅助系统对手术机器人局部区域精度进行配准，使得手术机器人在局部工作区域内精度达到手术要求；同时使用光学跟踪系统实时跟踪机器人末端位姿并提高运动轨迹的定位精度，对手术机器人最后穿刺导入过程的姿态进行微调处理，满足手术过程的姿态精度要求。因此明显提高了手术机器人配准效率，增强了可操作度，本发明实现多传感器数据融合，能使手术机器人定位精度实现最优化，具有广泛的应用领域和应用前景。

附图说明

图1是本发明提供的一种提高手术机器人系统精度框架图；

图2是本发明实施例提供的一种提高手术机器人系统精度的方法及系统的示意图之一；

图3是本发明实施例提供的一种提高手术机器人系统精度的方法及系统的示意图之二；

图4是本发明实施例提供的机器人辅助系统结构示意图；

图5是本发明实施例提供的机器人辅助系统初始模块示意图；

图6是本发明实施例提供的用于手术机器人局部精度配准的方法流程图；

图7是本发明实施例提供的光学跟踪系统空间测量范围示意图；

图8是本发明实施例提供的用于手术机器人路径定位精度的方法流程图。

附图标记说明：患者10，手术台11，手术机器人12，光学跟踪系统13，机器人底座14，手术机器人移动平台15，地锁16，机器人辅助系统17，末端执行器18，光学标记板19，测量块20，末端穿刺工具21，运动耦合球31，磁性套31，位移传感器32，夹具33，星形托架34，V形槽35，三角锥体36。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

本实施例提供的一种提高手术机器人12系统精度的系统，如图1所示，包括手术机器人移动平台15、机器人辅助系统17、光学跟踪系统13，以及配合机器人辅助系统17的测量块20，和配合光学跟踪系统13的光学标记板19等。

如图2及图3所示，手术机器人12以及机器人底座14固定于手术机器人移动平台15。机身内放置主控，主控主要包括手术机器人控制箱和计算机系统。地锁16用于固定移动平台的空间位置，防止手术机器人移动平台15发生移动和偏转。手术机器人移动平台15靠近手术台11附近，方便手术机器人12对在手术台11上的患者10进行手术治疗；机器人辅助系统17安装于手术台11固定位置且安装位置与手术台11中心坐标系的相对关系较为准确。光学跟踪系统13放置在手术台11正前方以保证光学跟踪系统13发射红外射线至光学标记板19，光学标记板19反射信号至光学跟踪系统13进行位姿数据采集。光学跟踪系统13用于实时获取光学标记板19的空间位姿，两者之间通过光学射线实现测量。位移传感器与测量块之间可以采用接触式数字位移传感器或者激光位移传感器等方式，接触或非接触方式具体不在此限制。

测量块20、光学标记板19以及末端穿刺工具21均固定于手术机器人12末端执行器18上，手术机器人12末端执行器18上有多个夹具接口，以为不同工具提供安装固定方式。其中，手术机器人12具体可以为六自由度机器人或七自由度机器人等多自由度机器人。

具体地，机器人辅助系统17的结构如图4所示，包括运动耦合球31、磁性套31、位移传感器32和夹具33。具体为：机器人辅助系统17包含了六个位移传感器32，按照3-2-1六点定位方式安装于夹具33上；将其中三个位移传感器32平行放置一个端面并保证其不共线，将另外两个位移传感器32也平行放置另一个端面，将最后一个位移传感器32放置剩下的一个端面；保证六个位移传感器32的测量点符合六点定位原理，从而可以配准测量块20的三个正交面，得到测量块20的中心坐标系相对于机器人辅助系统17原点坐标系的相对位姿关系。位移传感器32对测量块20进行测量就是通过三个端面上的位移传感器测量测量块两两相互垂直的三个端面，从而拟合出测量块的中心位姿坐标，具体见下方步骤S400。由于每个位移传感器32的分辨率为0.001mm或者更高精度，所以机器人辅助系统17具有较高的配准精度。位移传感器32都是固定安装的，且传感器在每个端面上都彼此垂直于一个特定的锥形夹具—三角锥体36，位移传感器32互相夹角为90度直角。机器人辅助系统17有三个0.5英寸的精密球被固定在磁性套31上被称为运动耦合球31，运动耦合球31将于三角锥体36的V形槽35配合，以便对机器人辅助系统17进行初始配准。

机器人辅助系统17初始模块如图5所示，包括机器人辅助系统17、三角锥标定板和V形槽35。具体为：三角锥标定板是由一个星形托架34、一个表面精度较高的三角锥体36(正四面体)组成；星形托架34上有三个V形槽35用于将机器人辅助系统17的三个精密球在与其配合相同的位置；三角锥标定板是精确地配准三角锥体36表面上的六个位移传感器32测量位置，同时归零每个位移传感器32初始值。一旦三角锥标定板与机器人辅助系统17耦合，每个位移传感器32数值会进行归零配准；因此，由于三角锥标定板的原因，机器人辅助系统17的每个位移传感器32始终处于垂直三角锥体36表面的相同位置。

手术机器人12可以通过TCP端口与计算机链接，计算机将相应关节角度指令发送给手术机器人12，从而驱动其末端运动到指定目标点；机器人辅助系统17可以通过相应接口与计算机通讯，计算机可以实时获取机器人辅助系统17的测量数据。

机器人辅助系统在手术前对机器人进行配准从而提高机器人的定位精度，而且，一般情况下，如果限定机器人的位置后且配准结束，之后的手术过程不需要再进行配准。即手术机器人系统其实分为两个部分，一个部分是在手术前，使用机器人辅助系统对手术机器人进行局部配准，提高手术机器人的定位精度；另一部分是在手术进行中，使用光学跟踪系统对手术机器人进行实时位姿校准。

图6是本发明实施例提供的用于手术机器人12局部精度配准的方法流程图，应用于上述机器人辅助系统17，手术机器人12局部精度配准方法包括：

步骤S100：对机器人辅助系统17进行初始化，确定位移传感器32零位移数值位置。利用三角锥标定板对机器人辅助系统17进行初始配准，通过V形槽35和精密球配合方式让三角锥体36安装在特定位置，确定三角锥体36处于机器人辅助系统17的零位位置；位移传感器32测量得到的数值显示归零，随后取走三角锥标定板。

步骤S200：建立手术机器人基座坐标系、机器人末端坐标系、机器人辅助系统17的原点坐标系、测量块20的测量坐标系以及手术台11中心坐标系。手术机器人12配准前，需要确保各个坐标系之间的转换关系正确，对系统建立相应的坐标系；系统坐标系初始数据通过名义值、估计值得到；手术机器人12基座坐标系为机器人基座中心位置；机器人末端坐标系为机器人末端中心位置；机器人辅助系统17的原点坐标系为机器人辅助系统17的特定位置；测量块20的测量坐标系为测量块20中心位置；手术台11中心坐标系为手术台11中心位置。

步骤S300：机器人辅助系统17测量机器人末端测量块20的位姿，获取位移传感器32的测量位移。

步骤S400：将测量位移通过机器人辅助系统17配准算法计算得到机器人末端位姿数据。机器人辅助系统17测量传感器位移距离，利用收敛算法确定测量坐标系相对于机器人辅助系统17原点坐标系的位姿关系；在测量坐标系下，确定测量块20表面的平面方程，并在表面随机选择一位置点矢量，已知该平面的法向量；将位置点矢量以及法向量转换至测量坐标系下，确定平面方程转换至测量坐标系下的平面方程；将传感器位移距离代入测量坐标系下的平面方程，确定传感器位移距离与测量坐标系相对于原点坐标系的相对位姿关系式；位姿关系式，利用收敛算法计算测量坐标系相对于原点坐标系的当前相对位姿；

步骤S500：机器人末端位姿数据融入手术机器人12系统模块中的闭环系统误差，对手术机器人12系统进行整体系统精度配准。确定手术机器人12精度误差模型，提高手术机器人12局部精度；将手术机器人12基座安装误差、手术机器人12连杆运动系统误差、手术机器人12末端安装误差以及机器人辅助系统17安装误差融合成为一个闭环系统误差；根据机器人末端位姿数据融入手术机器人12系统模块中的闭环系统误差，对手术机器人12系统进行整体系统精度配准，将手术闭环系统误差减小至最小。基于配准系统的闭环系统误差和机器人辅助系统17测量位移数据，采用非线性最小二乘迭代法，对手术机器人12系统进行配准。步骤S400具体包括：

在测量块20的测量坐标系{O_MX_MY_MZ_M}下，由测量块20结构得到测量块20表面的平面方程^MS_i(i＝1,2,...,6)，其中下标i表示第i个定位点。其次分别在与位移传感器32相对应的三个测量块平面各随机选择一个基于测量坐标系{O_MX_MY_MZ_M}的位置点矢量：^MH_j＝[h_xj,h_yj,h_zj]^T(j＝1,2,3)(1)；

其中，下标j表示第j个平面。最后基于测量坐标系{O_MX_MY_MZ_M}可以得到这三个平面的法向量矢量：^MK_j＝[k_xj,k_yj,k_zj]^T(j＝1,2,3)(2)；

因此可以通过以下公式将这两个矢量转换至机器人辅助系统17的原点坐标系{O_CX_CY_CZ_C}下：

表示测量块测量坐标系{O_MX_MY_MZ_M}相对于机器人辅助系统原点坐标系{O_CX_CY_CZ_C}的相对位姿；

此外，这三个平面在机器人辅助系统17的原点坐标系{O_CX_CY_CZ_C}下的平面方程^CS_j(j＝1,2,3)表示为：

当测量块20靠近机器人辅助系统17进行测量时，每个位移传感器32产生位移变化量e_i(i＝1,2,...,6)。测量块20靠近机器人辅助系统的测量范围内进行测量，测量方式可以为接触式，也可以为非接触式，这里不进行限定。

在测量坐标系{O_MX_MY_MZ_M}下，根据初始标定得到每个位移传感器32的测头坐标值和位移变化量，计算得到当前测量位置的位移传感器32测量点坐标，其中每个位移传感器32对应一个基于测量坐标系的测头坐标值：^CP_i＝[p_xi,p_yi,p_zi]^T(i＝1,2,...,6) (6)；

p_xi,p_yi,p_zi分别代表位移传感器测头坐标值(x轴，y轴，z轴坐标)

将上述位移传感器32测量点坐标值分别代入平面方程中得到传感器位移量与测量块坐标系相对于原点坐标系相对位姿的关系等式：

^CH_j表示基于机器人辅助系统原点坐标系{O_CX_CY_CZ_C}的测量块三个平面上位置点矢量；

表示基于机器人辅助系统原点坐标系{O_CX_CY_CZ_C}的测量块三个平面上法向量矢量

^CP_i表示基于机器人辅助系统原点坐标系{O_CX_CY_CZ_C}的位移传感器测头坐标值；

结合上式整理得到传感器位移量与测量块20位姿坐标的六个非线性函数：

上述公式是一个非线性方程组，常用的求解方式为Jacobi迭代、Gauss-Seidel迭代和SOR迭代等算法；本实施例采用Levenberg-Marquardt迭代算法进行求解，并将初始标定位置作为目标函数的做差位姿：

步骤S500具体包括：

将手术机器人12基座安装误差、手术机器人12连杆运动系统误差、手术机器人12末端安装误差以及机器人辅助系统17安装误差融合成为一个闭环系统误差：

其中是机器人名义基座坐标系，/>是考虑名义D-H参数的机器人末端坐标系，/>是固定在机器人末端上的名义测量块20坐标系，f_fk(q,P_n+ΔP)是运动学参数误差模型，/>与/>分别是机器人末端和基座的误差模型。将测量块20坐标系相对于原点坐标系的实际位姿/>与机器人辅助系统17的实际位移量E＝[e₁,e₂,e₃,e₄,e₅,e₆]^T两者相结合建立数学模型，可以得到如下关系：

为了得到方程组的最优解，建立上述目标函数(11)，寻找一组近似解使系统的近似误差达到最小，完成精度配准。

进一步地，图7是本发明实施例提供的光学跟踪系统13空间测量范围示意图，如图2所示，将光学跟踪系统13安装于手术台11前方预定位姿，保证光学跟踪系统13工作区域覆盖手术台11上方区域且没有障碍物阻挡，满足手术要求；进而将光学跟踪系统13固定住，确保光学跟踪系统13的稳定性。

图8是本发明实施例提供的用于手术机器人12路径定位精度的方法流程图，定位精度方法应用于上述光学跟踪系统13，手术机器人12路径定位精度方法包括：

步骤701：搭建手术机器人12路径跟踪环境。使用光学跟踪系统13对手术机器人12末端位姿进行跟踪，保证手术机器人12路径规划的定位精度；

步骤702：确定光学标记板19和手术机器人12之间的位姿关系，对光学跟踪系统13建立相应的坐标系。光学标记板19坐标系为光学标记板19底面中心位置；光学跟踪系统13的跟踪坐标系为光学跟踪系统13的特定位置；确定手术机器人12末端坐标系相对于机器人基座坐标系的位姿关系；确定光学标记板19坐标系相对于光学跟踪坐标系的位姿关系；建立手术机器人12正逆运动学模型，得到关节空间角度与笛卡尔空间末端位姿之间的映射关系。此时的正逆运动学模型的参数是手术机器人系统配准之后的运动学参数。

步骤703：根据运动学模型的逆运动学求解期望路径轨迹所对应的机器人运动关节角度。用于根据运动学模型的逆运动学求解得到期望路径轨迹所对应的手术机器人12运动关节角度；关节角度避免发生碰撞及运动路线偏差，保证手术运动过程中路径规划要求。

步骤704：通过光学跟踪系统13对手术机器人12末端数据实时测量采集，对比理论运动路径。

步骤705：用迭代学习控制算法对手术机器人12运动关节角度进行补偿，提高运动路径定位精度。采用迭代学习控制算法对手术机器人12运动轨迹的关节角度进行补偿，对机器人末端姿态进行微调处理，满足手术过程对机器人穿刺导入姿态精度要求。

步骤705具体包括：

通过迭代学习求解获得每个位置点的初始关节角度误差，将其代替运动学参数中理论的初始关节角度，再通过机器人逆运动学求解到达目标位置点对应的关节转角。即此处根据光学跟踪系统实时测量机器人末端位姿进行迭代学习计算对运动学模型进行调参，经过实时跟踪和迭代学习算法可以将配准后的精度再进行一个提升。

初步可确定手术机器人12基座坐标系相对于光学跟踪坐标系的理论位姿和光学标记板19坐标系相对于手术机器人12末端坐标系的理论位姿/>通过光学跟踪系统13可以实时获取光学标记板19的末端位姿。

对于目标位置或轨迹线的追踪，手术机器人12的运动学建模应被修正为：

其中矢量P为每个位置点的运动学参数，矢量x_r为手术机器人12的关节转角，矢量y为安装于手术机器人12末端光学跟踪系统13的实际位姿。通过不断修正输入量以至于输出量y能接近y_r(期望位姿，误差最小)。

基于第j次迭代过程中手术机器人12当前转动的关节角度，获得光学标记板19实际位姿y_j，将其与手术机器人12末端光学标记板19期望位姿y_r比较，可计算机器人在第j次迭代时的定位误差：

e_j＝y_r-y_j (13)；

根据位姿误差最小原则，通过迭代的方式修正每个位置点的初始关节角度以满足机器人实际到达的位姿接近期望位姿。使用光学跟踪系统13实时跟踪机器人末端位姿并提高运动轨迹的定位精度，对手术机器人12最后穿刺导入过程的姿态进行微调处理。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种提高手术机器人系统精度的系统，包括主控和连接于所述主控且具有末端执行器的手术机器人，其特征在于，还包括连接于主控的光学跟踪系统和机器人辅助系统，所述的光学跟踪系统用于实时采集手术机器人的路径点位姿数据以对手术机器人末端位姿进行跟踪，所述的机器人辅助系统用于抵消手术机器人闭环系统误差以进行手术机器人精度配准；

所述的末端执行器上具有测量块和光学标记板，所述的光学跟踪系统用于发射光学射线至光学标记板并接收光学标记板的反射信号以进行路径点位姿数据采集，所述的机器人辅助系统用于测量所述测量块的位姿以对手术机器人进行精度配准；

所述的光学跟踪系统被放置于手术台周围以发射光学射线至光学标记板并接收光学标记板的反射信号；

所述的机器人辅助系统被安装于手术台上用于固定机器人辅助系统的安装孔位以测量所述测量块的位姿；

所述的光学射线为红外射线；

所述的机器人辅助系统包括夹具和位移传感器，位移传感器按照3-2-1六点定位方式安装于夹具上；

三个位移传感器被平行放置一个端面且不共线；两个位移传感器被平行放置于另一个端面；一个位移传感器放置剩下的一个端面，不同端面的位移传感器互相呈90度夹角，以使六个位移传感器的测量点符合六点定位原理，从而配准测量块的三个正交面，得到测量块的中心坐标系相对于机器人辅助系统原点坐标系的相对位姿关系；

所述的夹具上具有三个周向分布的磁性套，且每个磁性套上均固定有一个运动耦合球；

运动耦合球用于与三角锥标定板配合以对机器人辅助系统进行初始配准；

所述的三角锥标定板包括星形托架，所述星形托架上具有V型槽和三角椎体，三角椎体的一个表面对应一个端面处的一组位移传感器，所述的V型槽与所述的运动耦合球相配合，所述的三角椎体用于归零所述的位移传感器， 通过将V型槽与运动耦合球耦合对每个位移传感器数值进行归零配准。

2.根据权利要求1所述的提高手术机器人系统精度的系统，其特征在于，所述的机器人辅助系统通过以下方式进行精度配准：

S100.利用三角锥标定板对机器人辅助系统进行初始归零配准；

S200.建立手术机器人基座坐标系、机器人末端坐标系、机器人辅助系统的原点坐标系、测量块的测量坐标系以及手术台中心坐标系；

S300.机器人辅助获取位移传感器的测量位移，并将测量位移通过机器人辅助系统配准算法计算得到机器人末端位姿数据；

S400.将手术机器人基座安装误差、手术机器人连杆运动系统误差、手术机器人末端安装误差以及机器人辅助系统安装误差融合成为一个闭环系统误差；

基于闭环系统误差和机器人辅助系统测得的机器人末端位姿数据，采用非线性最小二乘迭代法，对手术机器人系统进行配准。

3.根据权利要求2所述的提高手术机器人系统精度的系统，其特征在于，步骤S300具体包括：

S301.在测量块的测量坐标系下，由测量块结构得到测量块表面的平面方程/>，其中下标i表示第i个定位点；

S302.分别在与位移传感器相对应的三个测量块平面各随机选择一个基于测量坐标系的位置点矢量：/> (1)；

其中，下标j表示第j个平面；

S303.基于测量坐标系得到三个平面的法向量矢量： (2)；

通过以下公式将位置点矢量、法向量矢量分别转换至机器人辅助系统的原点坐标系下：

(3)；

(4)；

这三个平面在机器人辅助系统的原点坐标系下的平面方程/>表示为：/> (5)；

S304.当测量块靠近机器人辅助系统进行测量时，每个位移传感器产生位移变化量；在测量坐标系/>下，根据初始标定得到每个位移传感器的测头坐标值和位移变化量，计算得到当前测量位置的位移传感器测量点坐标，其中每个位移传感器对应一个基于测量坐标系的测头坐标值：

(6)；

S305.将上述位移传感器测量点坐标值分别代入平面方程中得到传感器位移量与测量坐标系相对于原点坐标系相对位姿的关系等式：

(7)；

结合上式整理得到传感器位移量与测量块位姿坐标的六个非线性函数：

(8)；

采用迭代算法进行求解，并将初始标定位置作为目标函数的做差位姿：

(9)；

步骤S400具体包括：

S401.将手术机器人基座安装误差、手术机器人连杆运动系统误差、手术机器人末端安装误差以及机器人辅助系统安装误差融合成为一个闭环系统误差：

(10)；

其中是机器人名义基座坐标系，/>是考虑名义D-H参数的机器人末端坐标系，/>是固定在机器人末端上的名义测量块坐标系，是运动学参数误差模型，/>与/>分别是机器人末端和基座的误差模型，将测量块坐标系相对于原点坐标系的实际位姿/>与机器人辅助系统的实际位移量两者相结合建立数学模型，得到如下关系：

(11)；

建立目标函数（11），寻找一组近似解使系统的近似误差达到最小。

4.根据权利要求1所述的提高手术机器人系统精度的系统，其特征在于，所述的光学跟踪系统通过以下方式对手术机器人末端位姿进行跟踪：

步骤701：确定光学标记板和手术机器人之间的位姿关系，对光学跟踪系统建立相应的坐标系；

建立手术机器人正逆运动学模型，得到关节空间角度与笛卡尔空间末端位姿之间的映射关系；

步骤702：根据运动学模型的逆运动学求解期望路径轨迹所对应的机器人运动关节角度；

步骤703：通过光学跟踪系统对手术机器人末端位姿数据实时测量采集，对比理论运动路径；

步骤704：用迭代学习控制算法对手术机器人运动关节角度进行补偿，对机器人末端姿态进行微调处理。

5.根据权利要求4所述的提高手术机器人系统精度的系统，其特征在于，步骤704具体包括：

通过迭代学习求解获得每个位置点的初始关节角度误差，将其代替运动学参数中理论的初始关节角度，再通过机器人逆运动学求解到达目标位置点对应的关节转角，手术机器人的运动学建模为：

(12)；

为手术机器人基座坐标系相对于光学跟踪坐标系的理论位姿；

为光学标记板坐标系相对于手术机器人末端坐标系的理论位姿；

矢量P为每个位置点的运动学参数；矢量为手术机器人的关节转角；矢量y为安装于手术机器人末端光学跟踪系统的实际位姿；

通过不断修正输入量以至于输出量y能接近期望位姿；

基于第j次迭代过程中手术机器人当前转动的关节角度，获得光学标记板实际位姿，将其与手术机器人末端光学标记板期望位姿/>比较，可计算机器人在第j次迭代时的定位误差：

(13)；

根据位姿误差最小原则，通过迭代的方式修正每个位置点的初始关节角度以满足机器人实际到达的位姿接近期望位姿。