CN116898548B - 穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法及设备 - Google Patents

穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及手术机器人领域，具体涉及一种穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法及设备，该方法包括计算当前姿态下负载在力传感器坐标系下机械臂末端的重力和重力矩；计算穿刺针在力传感器坐标系下对人体施加的穿刺力；根据穿刺力和期望数据计算加速度、速度、计算机械臂末端的期望移动位置。本发明不需要提前预设移动轨迹，只需根据给出的期望数据计算得到机械臂末端的期望移动位置，进而准确地控制机械臂上的穿刺针向前进针。

Description

穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法及设备
技术领域
本发明涉及手术机器人领域，具体涉及一种穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法及设备。
背景技术
在穿刺手术中，由于人手的定位精度有限，且无法避免抖动的问题，而机械臂可以很好地弥补这些缺陷，因此越来越多的机械臂被应用到穿刺手术中，它具有灵活的机械臂结构和精确的控制系统，该机械臂通常由多个关节和执行器组成，以模拟人手的动作和灵活性。穿刺手术机械臂的主要任务是完成准确的穿刺操作，为医生提供稳定而精确的手术工具。它可以在医生的指导下，通过执行器和关节实现细致而精确的动作，以完成手术中需要的穿刺动作。机械臂可以被程序化，使其能够执行预先设定的运动序列，以满足手术的需求。
但是在使用机械臂进行自主穿刺时，会对机械臂的运动轨迹进行跟踪控制，但在运动过程中会受到穿刺针及固定装置的重力干扰，传感器的测量精度和可靠性太差，导致机械臂的预设的运动轨迹不准确，穿刺位置达不到期望位置，因此，使得机械臂具备向穿刺力方向输出稳定且可控的恒力是十分重要的。
发明内容
有鉴于此，本发明一方面提供了一种穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法，穿刺手术机器人包括机械臂、力传感器和用于固定穿刺针的机械臂末端，所述方法包括：
获取机械臂末端坐标系相对于机械臂的基坐标系/>的姿态/>，以及所述力传感器输出的力和力矩/>；
根据负载质心在力传感器坐标系下的坐标、负载重力和姿态/>计算当前姿态下负载在力传感器坐标系/>下机械臂末端的重力和重力矩/>；
根据零漂、力和力矩/>、重力和重力矩/>计算所述穿刺针在力传感器坐标系/>下对人体施加的穿刺力/>；
获取用户输入的期望数据和当前控制周期的基础数据；
根据所述穿刺力和所述期望数据计算当前控制周期的基坐标系/>下的加速度/>；
根据所述基坐标系下的加速度/>和所述基础数据计算当前控制周期的基坐标系/>下的速度/>；
根据所述基坐标系下的速度/>计算当前控制周期的基坐标系/>下所述机械臂末端的期望移动位置/>。
可选地，根据所述零漂、力和力矩/>、重力和重力矩计算所述穿刺针在力传感器坐标系/>下对人体施加的穿刺力，包括：
将所述力传感器输出的力和力矩中力传感器产生的零漂/>、机械臂末端的重力和重力矩/>进行消除，得到穿刺针在力传感器坐标系/>下对人体施加的穿刺力/>。
可选地，根据所述穿刺力和所述期望数据计算基坐标系/>下的加速度/>前，还包括：
利用所述姿态将所述穿刺力/>和期望穿刺力/>转换到基坐标系/>下，得到所述穿刺针在基坐标系/>下对人体施加的穿刺力/>和期望穿刺力/>。
可选地，所述基础数据至少包括下列中的一个：期望穿刺力、期望阻尼、期望质量。
可选地，利用如下公式计算当前控制周期的基坐标系下的加速度/>：
，
其中，表示期望穿刺力，/>表示期望阻尼，/>表示机械臂末端坐标系/>的速度。
可选地，利用如下公式计算当前控制周期的基坐标系下的速度/>：
，
其中，表示机械臂末端在基坐标系/>下的实际速度，/>表示控制周期。
可选地，利用如下公式计算当前控制周期的基坐标系下所述机械臂末端的期望移动位置/>：
，
其中，为机械臂末端在基坐标系/>下的实际位置。
可选地，所述穿刺针在坐标系下对人体施加的穿刺力/>包括在坐标系下三个坐标轴方向的分力：
，
可选地，所述期望穿刺力包括在坐标系/>下三个坐标轴方向的分力：
，
本发明另一方面还提供了一种穿刺手术机器人末端移动位置的确定设备，该设备包括：处理器以及与所述处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器执行所述的穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法。
根据本发明提供的穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法，本发明不需要提前预设移动轨迹，只需根据给出的期望数据计算得到机械臂末端的期望移动位置，进而准确地控制机械臂上的穿刺针向前进针，直到使实际穿刺力与期望数值相等；同时，穿刺过程中，期望数据可以随时调整，进而来调整机械臂在自由运动和与人体接触时的表现的特征，以应对不同的穿刺场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的一种穿刺手术机器人的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1所示，本发明实施例提供的一种穿刺手术机器人，包括机械臂11、力传感器13和用于固定穿刺针的机械臂末端12，机械臂末端与力传感器的距离为固定值d。
本发明的一个实施例，提供了一种穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法，在执行本方法前，如图1所示，建立机械臂的基坐标系、机械臂末端的坐标系/>和六维力传感器的坐标系/>，坐标系/>与坐标系/>的姿态相同；
如图2所示，本发明提供的一种穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法，包括：
S201，获取机械臂末端坐标系相对于机械臂的基坐标系/>的姿态/>，以及力传感器输出的力和力矩/>。
本实施例中，姿态可由上位机通过机械臂厂商提供的接口与机械臂进行通信获得；力传感器输出的力和力矩/>表示为：
，
其中，、/>、/>分别表示在/>坐标系下三个坐标轴方向的力，/>、/>、/>分别表示在/>坐标系下三个坐标轴方向的力矩。
S202，根据负载质心在力传感器坐标系下的坐标、负载重力和姿态/>计算当前姿态下负载在力传感器坐标系/>下机械臂末端的重力和重力矩/>。
本实施例中，负载质心中的负载是指穿刺针和固定装置；根据姿态，结合负载辨识得到的质心坐标和重力大小得到当前姿态下负载在力传感器坐标系/>下机械臂末端的重力和重力矩/>，可以表示为：
，
其中，、/>、/>分别表示/>坐标系下机械臂末端在三个坐标轴方向的重力，/>、/>、/>分别表示/>坐标系下机械臂末端在三个坐标轴方向的重力矩。
S203，根据零漂、力和力矩/>、重力和重力矩/>计算穿刺针在力传感器坐标系/>下对人体施加的穿刺力/>。
本实施例中，零漂是由预先负载辨识得到，可以表示为：
，
其中，、/>、/>分别表示/>坐标系下力传感器输出力与原始力（或上一周期力）的误差值，/>、/>、/>分别表示/>坐标系下力传感器输出力矩与原始力矩（或上一周期力矩）的误差值。
S204，获取用户输入的期望数据和当前控制周期的基础数据。
S205，根据穿刺力和期望数据计算基坐标系/>下的加速度/>。
S206，根据基坐标系下的加速度/>和基础数据计算当前控制周期的基坐标系/>下的速度/>。
S207，根据基坐标下的速度/>计算机械臂末端的期望移动位置。
本实施例不需要提前预设移动轨迹，只需根据给出的期望数据计算得到机械臂末端的期望移动位置，进而准确地控制机械臂上的穿刺针向前进针，直到使实际穿刺力与期望数值相等；同时，穿刺过程中，期望数据可以随时调整，进而来调整机械臂在自由运动和与人体接触时的表现的特征，以应对不同的穿刺场景。
优选实施例中，S203：根据零漂、力和力矩/>、重力和重力矩计算穿刺针在力传感器坐标系/>下对人体施加的穿刺力/>，包括：
将力传感器输出的力和力矩中力传感器产生的零漂、机械臂末端的重力和重力矩/>进行消除，得到穿刺针在力传感器坐标系/>下对人体施加的穿刺力/>。具体可以表示为：
，
由于、/>、/>都是表示在/>坐标系下的，因此互相之间可以进行运算；而且在未与人体接触时，/>的所有值都是接近0的白噪声，由力传感器自身硬件误差和负载辨识产生的误差组成；通过将穿刺力中的误差进行消除，可使计算出的期望移动距离更加准确。
优选实施例中，S204，获取用户输入的当前控制周期的基础数据，基础数据至少包括下列中的一个：期望穿刺力、期望阻尼/>、期望质量/>。
其中，期望穿刺力表示在坐标系/>下的穿刺力，期望阻尼、期望质量/>都包括在坐标系的三个坐标轴方向的数值。
优选实施例中，S205，根据穿刺力和期望数据计算基坐标系/>下的加速度/>前，还包括：
利用姿态将穿刺力/>和期望穿刺力/>转换到基下，得到穿刺针在基坐标系/>下对人体施加的穿刺力/>和期望穿刺力/>。具体可以表示为：
，
，
由于人体组织具有一定弹性，因此最终控制穿刺力就是控制机械臂末端的位置，使穿刺针接触人体后，实际穿刺力/>趋向于期望穿刺力/>，机器人厂商会提供控制坐标系/>相对于基坐标系/>的位置接口/>，但由于位置接口/>是相对于基坐标系/>的，因此需要将相关的实际穿刺力/>、期望穿刺力都转换到/>坐标系下，以便于通过导纳模型进行运算；又因为坐标系与坐标系/>姿态相同，且通过接口获得姿态/>，因此实际计算可以直接使用姿态进行计算。
优选实施例中，S205中以轴方向为例，计算当前控制周期的基坐标系/>下/>轴方向的加速度/>为：
，
其中，表示/>轴方向的穿刺力，/>表示/>轴方向的期望穿刺力/>表示/>轴方向设置的期望阻尼，/>表示/>轴方向的机械臂末端坐标系的速度。
按照上述计算式可计算出轴方向的加速度/>,以及/>轴方向的加速度/>,由此得到三轴方向的加速度/>。
优选实施例中，S206中以轴方向的速度/>为例，计算当前控制周期的基坐标系/>下/>轴方向的速度/>为：
，
其中，表示控制周期，/>为机械臂末端在基坐标系/>下/>轴方向的实际速度，可以通过与机械臂通讯采集，/>为当前周期的速度/>。
按照上述计算式可计算出轴方向的速度/>,以及/>轴方向的速度/>, 由此得到三轴方向的速度/>。
优选实施例中，S207中以轴方向为例，计算当前控制周期的基坐标系/>下机械臂末端在/>轴方向的期望移动位置/>为：
，
其中，为机械臂末端在基坐标系/>下/>轴方向的实际位置，可以通过与机械臂通讯采集，/>为当前控制周期的期望移动位置。
按照上述计算式可计算出轴方向的期望移动位置/>和/>轴方向的期望移动位置/>，从而得到三轴期望移动位置/>。
是为了达到期望穿刺力，末端所需要到达的位置；当穿刺针未接触到人体时，/>约为0，上式会在每个控制周期中产生相应的/>，从而使穿刺针向进针方向运动，在穿刺针接触到人体后，且/>时，达到期望穿刺力，/>会和当前末端的实际位置/>相等，末端不会再移动，因此实现了在穿刺针悬停未进针时，根据用户输入的期望穿刺力，以此控制穿刺针向穿刺方向运动，当达到期望穿刺力时，穿刺针保持其位置的效果。
优选实施例中，穿刺针在坐标系下对人体施加的穿刺力/>包括在/>坐标系下三个坐标轴方向的分力：
，
由于穿刺过程中穿刺针的姿态不会改变，只会改变其在穿刺路线上的位置，因此只关注沿着穿刺针的穿刺力即可，而对于中的穿刺过程中的力矩不进行控制，因此上述/>只包含三个力值，即穿刺力在坐标系/>的三个坐标轴方向的分力。
优选实施例中，期望穿刺力包括在坐标系/>下三个坐标轴方向的分力：
，
由于穿刺力只包含在坐标系的三个坐标轴方向的分力，因此对应的期望穿刺力也只包含在坐标系/>的三个坐标轴方向的期望穿刺分力。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种穿刺手术机器人末端移动位置的确定设备，其特征在于，所述穿刺手术机器人包括机械臂、力传感器和用于固定穿刺针的机械臂末端；所述设备包括处理器以及与所述处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器执行如下操作：
获取机械臂末端坐标系相对于机械臂的基坐标系/>的姿态/>，以及所述力传感器输出的力和力矩/>；
根据负载质心在力传感器坐标系下的坐标、负载重力和姿态/>计算当前姿态下负载在力传感器坐标系/>下机械臂末端的重力和重力矩/>；
根据零漂、力和力矩/>、重力和重力矩/>计算所述穿刺针在力传感器坐标系/>下对人体施加的穿刺力/>；
获取用户输入的期望数据和当前控制周期的基础数据；
根据所述穿刺力和所述期望数据计算当前控制周期的基坐标系/>下的加速度/>；
根据所述基坐标系下的加速度/>和所述基础数据计算当前控制周期的基坐标系/>下的速度/>；
根据所述基坐标系下的速度/>计算当前控制周期的基坐标系/>下所述机械臂末端的期望移动位置/>。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，根据所述零漂、力和力矩、重力和重力矩/>计算所述穿刺针在力传感器坐标系/>下对人体施加的穿刺力/>，包括：
将所述力传感器输出的力和力矩中力传感器产生的零漂/>、机械臂末端的重力和重力矩/>进行消除，得到穿刺针在力传感器坐标系/>下对人体施加的穿刺力/>。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，根据所述穿刺力和所述期望数据计算基坐标系/>下的加速度/>前，还包括：
利用所述姿态将所述穿刺力/>和期望穿刺力/>转换到基坐标系/>下，得到所述穿刺针在基坐标系/>下对人体施加的穿刺力/>和期望穿刺力/>。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述基础数据至少包括下列中的一个：期望穿刺力、期望阻尼、期望质量。
5.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，利用如下公式计算当前控制周期的基坐标系下的加速度/>：
,
其中，表示期望穿刺力，/>表示期望阻尼，/>表示机械臂末端坐标系/>的速度。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，利用如下公式计算当前控制周期的基坐标系下的速度/>：
,
其中，表示机械臂末端在基坐标系/>下的实际速度，/>表示控制周期。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，利用如下公式计算当前控制周期的基坐标系下所述机械臂末端的期望移动位置/>：
,
其中，为机械臂末端在基坐标系/>下的实际位置。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述穿刺针在坐标系下对人体施加的穿刺力/>包括在/>坐标系下三个坐标轴方向的分力：
。
9.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述期望穿刺力包括在坐标系/>下三个坐标轴方向的分力：
。
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