CN117656047A - 骨科手术机器人的边界控制方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种骨科手术机器人的边界控制方法、装置、设备及存储介质，包括：获取手术工具的末端的当前位姿，以及所述手术工具的末端的期望位姿，所述期望位姿为所述手术工具的末端下一时刻期望到达的位姿；获取患者髋臼当前的基准位姿；根据所述当前位姿、所述期望位姿和所述基准位姿，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全位姿；根据所述当前位姿和所述安全位姿控制所述手术工具运动。解决了机器人在辅助医生进行髋臼磨削的过程中，髋臼锉容易运动范围过大，导致髋臼过度磨削、手术精度降低的问题。
Description
技术领域
本申请涉及医疗仪器技术领域，尤其涉及一种骨科手术机器人的边界控制方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
髋关节置换术指的是将髋关节病变的骨质用人工假体取代，以恢复和改善髋关节运动功能的手术。在髋关节发生严重的病变时，就需要进行髋关节置换术。
在髋关节置换术中，磨削髋臼与打入髋臼杯这两个步骤至关重要，其中磨削出具有合适的位置以及外展角、前倾角、联合前倾角的髋臼，能够防止安放的关节假体脱位并延长假体的使用寿命，将髋臼杯打入在正确的位置是假体具有良好的稳定性与正确的旋转中心的前提。髋关节置换术中，由于磨削和打入有较大的反作用力，会给医生带来较大的负担，因此可以采用机器人辅助进行髋关节置换术，以降低医生的体力消耗。
但目前采用机器人辅助医生进行髋关节置换术时，在髋臼磨削的过程中，髋臼锉容易运动范围过大，导致髋臼过度磨削、手术精度降低等问题。
发明内容
本申请提供一种机器人边界控制方法、装置、设备及存储介质，用以解决机器人辅助医生进行髋臼磨削的过程中，髋臼锉容易运动范围过大，导致髋臼过度磨削、手术精度降低的问题。
第一方面，本申请提供一种骨科手术机器人的边界控制方法，应用于机器人，所述机器人包括手术工具，所述方法包括：
获取所述手术工具的末端的当前位姿，以及所述手术工具的末端下一时刻期望到达的期望位姿；
获取患者髋臼当前的基准位姿；
根据所述当前位姿、所述期望位姿和所述基准位姿，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全位姿；
根据所述当前位姿和所述安全位姿控制所述手术工具运动。
在一种可能的实施方式中，所述根据所述当前位姿、所述期望位姿和所述基准位姿，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全位姿，包括：
根据所述手术工具的末端的当前位置、所述手术工具的末端的期望位置和基准点位置，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全位置，所述安全位置与所述基准点位置之间的距离需小于等于第一预设值；
根据所述手术工具的末端的当前姿态、所述手术工具的末端的期望姿态和基准姿态中，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全姿态，所述安全姿态对应的单位向量与所述基准姿态对应的单位向量之间的向量夹角需小于等于第二预设值；
其中，所述当前位姿包括所述当前位置和所述当前姿态；所述期望位姿包括所述期望位置和所述期望姿态；所述基准位姿包括所述基准点位置和所述基准姿态；所述安全位姿包括所述安全位置和所述安全姿态。
在一种可能的实施方式中，所述根据所述手术工具的末端的当前位置、所述手术工具的末端的期望位置和基准点位置，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全位置，包括：
获取所述期望位置与所述基准点位置之间的第一距离，以及所述当前位置与所述基准点位置之间的第二距离；
根据所述第一距离、所述第二距离、所述当前位置、所述期望位置和所述基准点位置，确定所述安全位置。
在一种可能的实施方式中，所述安全位置满足：
为所述安全位置，/>为所述期望位置，/>为所述当前位置，/>为所述基准点位置，Rp为所述第一预设值；
所述k1为第一参数，所述k2为第二参数，所述k3为第三参数，且满足
在一种可能的实施方式中，所述根据所述手术工具的末端的当前姿态、所述手术工具的末端的期望姿态和基准姿态，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全姿态，包括：
获取所述期望姿态对应的单位向量与所述基准姿态对应的单位向量之间的第一向量夹角，以及所述当前姿态对应的单位向量与所述基准姿态对应的单位向量之间的第二向量夹角；
根据所述第一向量夹角、所述第二向量夹角、所述当前姿态、所述期望姿态和所述基准姿态，确定所述安全姿态。
在一种可能的实施方式中，所述安全姿态满足：
其中，为所述安全姿态，Rt+Δt为所述期望姿态，Rt为所述当前姿态，Am为所述第一向量夹角，An为所述第二向量夹角，Aα为所述第二预设值；
其中，A2＝Aα-Am，I为单位向量，为所述第一向量夹角Am单位化后的转轴向量，/>为/>的反对称矩阵；
其中，A1＝Aα-An，为所述第二向量夹角An单位化后的转轴向量，为/>的反对称矩阵。
第二方面，本申请提供一种骨科手术机器人的边界控制装置，包括：
第一获取模块，用于获取机器人上的手术工具的末端的当前位姿，以及所述手术工具的末端下一时刻期望到达的期望位姿；
第二获取模块，用于获取患者髋臼当前的基准位姿；
处理模块，用于根据所述当前位姿、所述期望位姿和所述基准位姿，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全位姿；
控制模块，用于根据所述当前位姿和所述安全位姿控制所述手术工具运动。
在一种可能的实施方式中，所述处理模块具体用于：
根据所述手术工具的末端的当前位置、所述手术工具的末端的期望位置和基准点位置，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全位置，所述安全位置与所述基准点位置之间的距离需小于等于第一预设值；
根据所述手术工具的末端的当前姿态、所述手术工具的末端的期望姿态和基准姿态，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全姿态，所述安全姿态对应的单位向量与所述基准姿态对应的单位向量之间的向量夹角需小于等于第二预设值；
其中，所述当前位姿包括所述当前位置和所述当前姿态；所述期望位姿包括所述期望位置和所述期望姿态；所述基准位姿包括所述基准点位置和所述基准姿态；所述安全位姿包括所述安全位置和所述安全姿态。
在一种可能的实施方式中，所述处理模块具体用于：
获取所述期望位置与所述基准点位置之间的第一距离，以及所述当前位置与所述基准点位置之间的第二距离；
根据所述第一距离、所述第二距离、所述当前位置、所述期望位置和基准点位置，确定所述安全位置。
在一种可能的实施方式中，所述安全位置满足：
为所述安全位置，/>为所述期望位置，/>为所述当前位置，/>为所述基准点位置，Rp为所述第一预设值；
所述k1为第一参数，所述k2为第二参数，所述k3为第三参数，且满足
在一种可能的实施方式中，所述处理模块具体用于：
获取所述期望姿态对应的单位向量与所述基准姿态对应的单位向量之间的第一向量夹角，以及所述当前姿态对应的单位向量与所述基准姿态对应的单位向量之间的第二向量夹角；
根据所述第一向量夹角、所述第二向量夹角、所述当前姿态、所述期望姿态和所述基准姿态，确定所述安全姿态。
在一种可能的实施方式中，所述安全姿态满足：
其中，为所述安全姿态，Rt+Δt为所述期望姿态，Rt为所述当前姿态，Am为所述第一向量夹角，An为所述第二向量夹角，Aα为所述第二预设值；
其中，A2＝Aα-Am，I为单位向量，为所述第一向量夹角Am单位化后的转轴向量，/>为/>的反对称矩阵；
其中，A1＝Aα-An，为所述第二向量夹角An单位化后的转轴向量，为/>的反对称矩阵。
第三方面，本申请提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面任一项所述的骨科手术机器人的边界控制方法。
第四方面，本申请提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面任一项所述的骨科手术机器人的边界控制方法。
第五方面，本申请提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面任一项所述的骨科手术机器人的边界控制方法。
本申请实施例提供的骨科手术机器人的边界控制方法、装置、设备及存储介质，首先获取机器人上的手术工具的末端的当前位姿，以及手术工具的末端下一时刻期望到达的期望位姿，然后获取患者髋臼当前的基准位姿，进而可以根据当前位姿、期望位姿和基准位姿，确定手术工具的末端在下一时刻的安全位姿。期望位姿为手术工具的末端下一时刻期望到达的位姿，针对期望位姿可能存在使工具运动范围过大，导致髋臼过度磨削从而降低手术精度的问题，在得到期望位姿后，会基于期望位姿计算下一时刻的安全位姿，从而使得机械臂能够控制工具运动至安全位姿。通过计算安全位姿，并基于当前位姿和安全位姿控制手术工具运动，使得工具运动范围被控制在一个边界范围内，不至于运动范围过大，从而能够解决髋臼过度磨削导致手术精度降低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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例，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为本申请实施例提供的一种应用场景示意图；
图2为本申请实施例提供的骨科手术机器人的边界控制方法的流程示意图；
图3为本申请实施例提供的一种边界控制示意图；
图4为本申请实施例提供的确定安全位姿的流程示意图；
图5为本申请实施例提供的确定安全位置的示意图；
图6为本申请实施例提供的确定安全姿态的示意图；
图7为本申请实施例提供的骨科手术机器人的边界控制装置的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
人体的髋关节由股骨头和髋臼组成，是连接股骨与骨盆的关节，也是全身受力最重的关节之一。当出现诸如严重的骨性关节炎、类风湿性关节炎、创伤性关节炎等髋关节的病变时，髋关节无法行使正常功能，就需要进行髋关节置换，将病变的骨质用人工假体(包含股骨部分和髋臼部分)取代，以缓解关节疼痛、矫正畸形、恢复和改善关节的运动功能，提高患者生活质量。
髋关节置换术的步骤通常包括患者摆位、切开皮肤显露髋关节、将股骨头从髋臼突出、股骨颈截骨、显露髋臼、清除髋臼周围骨赘、用髋臼锉对髋臼进行磨削、打入髋臼杯、植入髋臼内衬、处理股骨髓腔、植入股骨假体、安装股骨头假体、调整及缝合等等。上述步骤中，磨削髋臼与打入髋臼杯这两个步骤对医生的技术要求相对较高。磨削出具有合适的位置以及外展角、前倾角、联合前倾角的髋臼，能够防止安放的关节假体脱位并延长假体的使用寿命；将髋臼杯打入在正确的位置是假体具有良好的稳定性与正确的旋转中心的前提。这两个重要环节直接关系到整个髋关节置换术的成败。
传统的髋关节置换术中，磨削髋臼是由医生手持髋臼锉人工完成的，打入髋臼杯是由医生手持打入器并用骨锤敲击完成的。一方面，人工手持操作降低了磨削和打入的精度，降低了整个手术的治疗效果；另一方面，较大的磨削和打入的反作用力也给医生带来了较大的负担。因此，采用机器人辅助的髋关节置换术逐渐被广泛应用。
采用机器人辅助的髋关节置换术，可以由机械臂辅助医生进行交互式的髋臼磨削，由机械臂把持打入器、由医生完成髋臼杯打入，能够提高髋臼磨削及髋臼杯打入的精度，在提高手术效果的同时，也大大减少了医生的体力消耗。例如可以结合图1对机器人辅助的髋关节置换术进行介绍。
图1为本申请实施例提供的一种应用场景示意图，如图1所示，在机器人辅助的髋关节置换术中，包括患者、医生和手术机器人10，患者、医生和手术机器人各自位于不同的位置。
手术机器人10包括运动控制装置11、机械臂12、六维力传感器13、手术工具14和光学定位传感器15，其中，运动控制装置11可以包括增量式控制模块、导纳控制器、边界控制模块、六维力变换模块、死区控制器和低通滤波器等等。运动控制装置11和机械臂12之间、运动控制装置11和六维力传感器13之间、运动控制装置11和光学定位传感器15之间均可以通过通讯总线连接，以进行数据通讯。
增量式控制模块可用于医生在进行髋臼磨削和髋臼杯打入时，当患者的肢体发生移动时，控制手术工具进行快速、准确的跟踪。具体的，基于术前规划软件可以计算患者的病灶与手术工具之间的目标位姿偏差，该目标位姿偏差即为进行手术时，患者的病灶的位姿与手术工具的位姿之间理想的偏差。光学定位传感器15可以用于获取患者的病灶与手术工具14的当前位姿偏差，然后根据目标位姿偏差和当前位姿偏差进行对比，通过增量式控制模块生成手术工具14指令速度，叠加机械臂12反馈的手术工具14当前位姿生成期望位姿，以使得机械臂12能够控制手术工具14进行快速、准确的跟踪。
六维力传感器13采集的原始六维力信息经过六维力变换(由六维力变换模块完成)、死区控制(由死区控制器完成)、低通滤波(由低通滤波器完成)后得到折算到手术工具14末端的六维力信息。导纳控制器根据机械臂12反馈的手术工具14的当前位姿、速度，以及折算后的手术工具14末端六维力信息，生成医生期望的手术工具14的柔顺位姿。该柔顺位姿可以下发给机械臂12，带动手术工具14进行运动，进而精准地实现对髋臼的动力磨削或打入把持。
应用机器人系统进行髋关节置换手术的髋臼磨削的过程中，髋臼锉容易运动范围过大，导致髋臼过度磨削、手术精度降低等问题，因此本申请实施例提供一种机器人边界控制方法，对髋臼锉的位置、姿态进行一定的边界限制，防止因运动范围过大导致的髋臼过度磨削，在易操控、精准、安全的前提下，满足机器人辅助进行髋关节置换术的实际技术要求。
基于图1示例的应用场景，下面结合图2对本申请实施例的方案进行介绍。图2为本申请实施例提供的骨科手术机器人的边界控制方法的流程示意图，如图2所示，该方法可以包括：
S21，获取手术工具的末端的当前位姿，以及手术工具的末端下一时刻期望到达的期望位姿。
本申请实施例的执行主体可以为机器人，机器人包括手术工具，例如进行髋关节置换手术中的手术工具，手术工具可以与机械臂连接，在机械臂的控制下进行运动。图3为本申请实施例提供的一种边界控制示意图，如图3所示，以手术工具为髋臼磨锉为例，其可以包括髋臼杯31和锉柄32。
在当前时刻，可以获取手术工具的末端的当前位姿，其中，位姿可以包括位置和姿态，因此当前位姿包括手术工具的末端的当前位置和当前姿态。进一步的，还可以获取手术工具的末端的期望位姿，期望位姿为手术工具的末端下一时刻期望达到的位姿，期望位姿也可以包括期望位置和期望姿态。当手术工具选择为髋臼磨锉，手术工具末端对应为髋臼杯中心O，则当前位置和期望位置即为髋臼杯中心O点的当前位置和期望位置，当前姿态和期望姿态即为锉柄32的姿态。
S22，获取患者髋臼当前的基准位姿。
患者髋臼当前的基准位姿也可以包括基准点位置和基准姿态。基准点位置可以为髋臼臼心，基准姿态为过髋臼臼心的球面法向姿态。以上设计并不是唯一的患者髋臼当前的基准位姿设计，可以需要根据实际设定。患者髋臼基准位姿也是跟随光学定位传感器15(NDI相机)实时更新追踪的，当患者出现移动时，由于患者设置有示踪器，其位姿被光学定位传感器15(NDI相机)实时跟踪更新，因此在执行本方法时，需要使用实时更新的当前基准位姿进行边界控制。
S23，根据当前位姿、期望位姿和基准位姿，确定手术工具的末端在下一时刻的安全位姿。
当前位姿即为手术工具的末端在当前时刻的位置和姿态，期望位姿即为手术工具的末端在下一时刻期望到达的位置和姿态，若不进行边界控制，则由机械臂控制工具朝着期望位姿进行运动，使得手术工具的末端在下一时刻达到该期望位姿。但由于存在运动范围过大的可能，因此需要进行边界控制，而边界控制是与基准位姿相关的。根据基准位姿，可以设定一个预设范围，从而根据当前位姿、期望位姿和基准位姿中确定手术工具的末端在下一时刻的安全位姿。
需要说明的是，由于位姿包括位置和姿态，因此针对位置和姿态分别具有对应的边界控制范围。安全位姿包括安全位置和安全姿态，基准位姿包括基准点位置和基准姿态，则根据本方案得到的安全位姿满足：安全位置与基准点位置之间的距离小于等于第一预设值，安全姿态对应的单位向量与基准姿态对应的单位向量之间的向量夹角小于等于第二预设值。
例如，期望位姿也包括期望位置和期望姿态，当期望位置与基准点位置之间的距离小于等于第一预设值，且期望姿态对应的单位向量与基准姿态对应的单位向量之间的向量夹角小于等于第二预设值时，表示运动范围并不大，可以直接将期望位姿确定为安全位姿。否则，需要根据当前位姿、期望位姿和基准位姿，确定安全位姿。无论判断后出现哪一种情况，最终确定的安全位姿需要满足：安全位置与基准点位置之间的距离小于等于第一预设值，安全姿态对应的单位向量与基准姿态对应的单位向量之间的向量夹角小于等于第二预设值。
S24，根据当前位姿和安全位姿控制手术工具运动。
在确定安全位姿后，根据当前位姿和安全位姿之间的偏差，即可控制手术工具从当前位姿向安全位姿运动。
本申请实施例提供的骨科手术机器人边界控制方法，应用于机器人，首先获取机器人上的手术工具的末端的当前位姿，以及手术工具的末端的期望位姿，然后获取患者髋臼当前的基准位姿，进而可以根据当前位姿、期望位姿和基准位姿，确定手术工具的末端在下一时刻的安全位姿。期望位姿为手术工具的末端下一时刻期望到达的位姿，针对期望位姿可能存在使工具运动范围过大，导致髋臼过度磨削从而降低手术精度的问题，在得到期望位姿后，会基于期望位姿计算下一时刻的安全位姿，从而使得机械臂能够控制工具运动至安全位姿。通过计算安全位姿，并基于当前位姿和安全位姿控制手术工具运动，使得工具运动范围被控制在一个边界范围内，不至于运动范围过大，从而能够解决髋臼过度磨削导致手术精度降低的问题。
下面结合附图对本申请实施例的方案进行详细介绍。
针对人工进行的髋关节置换术存在的不足、现有机器人辅助髋关节置换术中机械臂能力的限制，本申请实施例开发一种髋关节置换手术机器人边界控制方法，能够精准、易操控地辅助医生进行髋关节置换术中的髋臼磨削，同时保证磨削的边界安全性，提高髋关节置换术的成功率，减轻医生的负担。
具体的，可以根据机械臂反馈的手术工具当前位姿、速度，以及医生期望的手术工具柔顺位姿，计算手术工具安全柔顺位姿，下发给机械臂，带动手术工具进行运动，进而精准、安全地实现对髋臼的动力磨削或打入把持。所指位姿包括笛卡尔空间的位置、笛卡尔空间的姿态。安全柔顺位姿的计算中，对位置的约束是球形约束，对姿态的约束是按任意指定轴(X轴、Y轴、Z轴中的任意一轴)的锥形约束。
图4为本申请实施例提供的确定安全位姿的流程示意图，如图4所示，包括：
S41，根据手术工具的末端的当前位置、手术工具的末端的期望位置和基准点位置，确定手术工具的末端在下一时刻的安全位置。
本申请实施例中，当前位姿包括当前位置和当前姿态；期望位姿包括期望位置和期望姿态；基准位姿包括基准点位置和基准姿态；安全位姿包括安全位置和安全姿态。
本申请实施例中，位置边界控制为球形约束控制，球心即为基准点位置，而手术工具的末端的运动范围则被控制在以基准点位置为球心，以第一预设值为半径的球内。
首先，获取期望位置与基准点位置之间的第一距离，以及当前位置与基准点位置之间的第二距离，然后根据该第一距离、第二距离，以及当前位置、期望位置和基准点位置，确定安全位置。其中，期望位置与基准点位置之间的距离存在两种可能关系，一种是期望位置与基准点位置之间的距离小于等于第一预设值，另一种是大于第一预设值。
当期望位置与基准点位置之间的距离小于等于第一预设值时，表示期望位置并未超出以基准点位置为球心、以第一预设值为半径的球内，此时无需对期望位置进行调整，直接将期望位置确定为安全位置即可。在期望位置与基准点位置之间的距离大于第一预设值时，表示期望位置超出了以基准点位置为球心、以第一预设值为半径的球内，此时需要对期望位置进行调整，最终确定安全位置，使得安全位置位于以基准点位置为球心、以第一预设值为半径的球内，从而实现对位置的边界控制。
图5为本申请实施例提供的确定安全位置的示意图，如图5所示，位置边界控制主要采用基于球形边界判断的边界控制。设手术工具的末端位置边界基准点坐标为(基准点坐标为/>即为基准点位置)，边界球体的半径为Rp(Rp即为第一预设值，边界球体即为以基准点位置为球心、以第一预设值为半径的球体)，t时刻(即当前时刻)手术工具的末端的当前位置为/>t+Δt时刻(即下一时刻)手术工具的末端的期望位置为/>
若不进行位置边界控制，则机器人会控制手术工具末端在下一时刻运动至期望位置为而本申请实施例中，由于需要进行位置边界控制，因此需要根据期望位置/>是否处于边界球体内，进一步进行处理。
具体的，t+Δt时刻的手术工具的末端的安全位置可采用如下公式(1)计算：
为安全位置，/>为期望位置，/>为当前位置，/>为基准点位置，Rp为第一预设值。
其中，k1为第一参数，k2为第二参数，k3为第三参数，且满足：
如公式(1)所示，当时，表示当前位置/>处于边界球体外，此时安全位置/>当/>且/>时，表示当前位置/>处于边界球体内，期望位置/>也处于边界球体内(包括位于边界球体表面的情况)，此时安全位置即为期望位置/>当/>且/>时，表示当前位置/>处于边界球体内，期望位置/>处于边界球体外，此时需要根据当前位置/>期望位置/>基准点位置/>和第一预设值Rp，确定安全位置，其中，安全位置位于边界球体表面，为当前位置/>和期望位置/>的连线与边界球体表面的交点。
当且/>时，安全位置/>的计算公式可以根据如下过程得到。由于安全位置/>位于边界球体表面，为当前位置/>和期望位置/>的连线与边界球体表面的交点，因此由两点式直线方程可以得到：
其中，k为两点式直线方程的斜率。由于基准点位置到安全位置/>的距离等于第一预设值Rp(即边界球体的半径)，因此：
将式(2)代入式(3)可得：
等价于：
设：
则有：
k1*k2+2*k2*k+k3＝0，
解方程可得：
又由于当前位置位于边界球体内部，期望位置/>位于边界球体外部，结合式(2)可知k∈[0，1]，因此可得：
通过上述的位置边界控制，能保证当医生期望的手术工具柔顺位姿的位置超出球形边界时，将该位置修正为在以为球心、以Rp为半径的球形范围内，并且符合期望方向的位置。
S42，根据手术工具的末端的当前姿态、手术工具的末端的期望姿态和基准姿态，确定手术工具的末端在下一时刻的安全姿态。
本申请实施例中，姿态边界控制是按任意指定轴的锥形约束控制。首先，根据期望姿态、基准点姿态和基准点姿态，获取期望姿态对应的单位向量与基准姿态对应的单位向量之间的第一向量夹角，以及当前姿态对应的单位向量与基准姿态对应的单位向量之间的第二向量夹角。然后，根据第一向量夹角、第二向量夹角、当前姿态、期望姿态和基准姿态，确定安全姿态。下面结合图6对该过程进行介绍。
图6为本申请实施例提供的确定安全姿态的示意图，如图6所示，姿态边界控制主要采用基于锥形边界判断的边界控制。将笛卡尔空间姿态以旋转矩阵表示，设手术工具的末端处于边界基准姿态为Ro，对应坐标轴单位向量为手术工具的末端姿态边界锥形半顶角为Aα，t时刻(当前的)手术工具的末端当前姿态为Rt，对应坐标轴单位向量为t+Δt时刻(规划的)手术工具的末端期望姿态为Rt+Δt，对应坐标轴单位向量为则t+Δt时刻的手术工具的末端安全姿态/>可基于如下方式计算。
以轴为锥形基准轴线，由于坐标轴向量均为单位向量，设：
可求得期望姿态对应的单位向量与基准姿态对应的单位向量之间的第一向量夹角Am，以及当前姿态对应的单位向量与基准姿态对应的单位向量之间的第二向量夹角An：
单位化的转轴向量可表示为：
优先地，当t时刻(当前的)手术工具的末端期望姿态Rt对应的与边界基准姿态Ro对应的/>之间的第二向量夹角An已经超过Aα时，需要将Rt绕/>轴旋转A1＝Aα-An角度，以对其进行限制。
当t+Δt时刻(规划的)手术工具的末端期望姿态Rt+Δt对应的与边界基准姿态Ro对应的/>之间的第二向量夹角Am超过Aα时，需要将Rt+Δt绕/>轴旋转A2＝(Aα-Am)角度，以对其进行限制。则有公式：所述安全姿态满足：
其中，为安全姿态，Rt为当前姿态，Rt+Δt为期望姿态，Am和An为向量夹角，Aα为第二预设值；/>
其中，A1＝Aα-An，I为单位向量，为向量夹角An单位化后的转轴向量，为/>的反对称矩阵。
其中，A2＝Aα-Am，I为单位向量，为向量夹角Am单位化后的转轴向量，为/>的反对称矩阵。
以轴、/>轴为锥形基准轴线的公式推导过程类似，不再赘述。
通过上述的姿态边界控制，能保证当医生期望的手术工具柔顺位姿的姿态的指定轴(轴、/>轴或/>轴)超出锥形边界时，将该姿态修正为在以Ro的指定轴(/>轴、/>轴或/>轴)为轴线、以Aα为半顶角的锥形范围内，并且符合期望方向的姿态。
根据上述方法，在医生操作时，可以在保证不超出位置、姿态边界限定的前提下，产生柔顺运动，以适应医生的操作。
综上所述，本申请实施例的方案，通过位置边界控制，能保证当医生期望的手术工具柔顺位姿的位置超出球形边界时，将该位置修正为指定半径的球形范围内，并且符合期望方向的位置。通过姿态边界控制，能保证当医生期望的手术工具柔顺位姿的姿态的指定轴超出锥形边界时，将该姿态修正为指定半顶角的锥形范围内，并且符合期望方向的姿态。在医生对患者的髋臼进行磨削的过程中，当医生需要动态调整髋臼锉的位姿时，机械臂能够限定医生动态调整的安全区域，保证了髋臼磨削的安全性。进一步的，由于本方案是直接对位置和姿态进行边界控制，相比于通过对力进行控制然后再转化为运动指令，由力指令转化至运动指令的过程会存在一定的时间滞后，导致当力限制为零后还会残留一定的运动指令分量，需要对残留的分量进行二次处理以保证限位效果，本方案直接进行运动指令分量控制，无需二次处理，限位效果更佳。
下面对本申请提供的机器人边界控制装置进行描述，下文描述的机器人边界控制装置与上文描述的机器人边界控制方法可相互对应参照。
图7为本申请实施例提供的骨科手术机器人的边界控制装置的结构示意图，如图7所示，该装置包括：
第一获取模块71，用于获取手术工具的末端的当前位姿，以及所述手术工具的末端下一时刻期望到达的期望位姿；
第二获取模块72，用于获取患者髋臼当前的基准位姿；
处理模块73，用于根据所述当前位姿、所述期望位姿和所述基准位姿，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全位姿；
控制模块74，用于根据所述当前位姿和所述安全位姿控制所述手术工具运动。
在一种可能的实施方式中，所述处理模块73具体用于：
根据所述手术工具的末端的当前位置、所述手术工具的末端的期望位置和基准点位置，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全位置，所述安全位置与所述基准点位置之间的距离需小于等于第一预设值；
根据所述手术工具的末端的当前姿态、所述手术工具的末端的期望姿态和基准姿态，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全姿态，所述安全姿态对应的单位向量与所述基准姿态对应的单位向量之间的向量夹角需小于等于第二预设值；
其中，所述当前位姿包括所述当前位置和所述当前姿态；所述期望位姿包括所述期望位置和所述期望姿态；所述基准位姿包括所述基准点位置和所述基准姿态；所述安全位姿包括所述安全位置和所述安全姿态。
在一种可能的实施方式中，所述处理模块73具体用于：
获取所述期望位置与所述基准点位置之间的第一距离，以及所述当前位置与所述基准点位置之间的第二距离；
根据所述第一距离、所述第二距离、所述当前位置、所述期望位置和基准点位置，确定所述安全位置。
在一种可能的实施方式中，所述安全位置满足：
为所述安全位置，/>为所述期望位置，/>为所述当前位置，/>为所述基准点位置，Rp为所述第一预设值；
所述k1为第一参数，所述k2为第二参数，所述k3为第三参数，且满足
在一种可能的实施方式中，所述处理模块73具体用于：
获取所述期望姿态对应的单位向量与所述基准姿态对应的单位向量之间的第一向量夹角，以及所述当前姿态对应的单位向量与所述基准姿态对应的单位向量之间的第二向量夹角；
根据所述第一向量夹角、所述第二向量夹角、所述当前姿态、所述期望姿态和所述基准姿态，确定所述安全姿态。
在一种可能的实施方式中，所述安全姿态满足：
其中，为所述安全姿态，Rt+Δt为所述期望姿态，Rt为所述当前姿态，Am为所述第一向量夹角，An为所述第二向量夹角，Aα为所述第二预设值；
/>
其中，A2＝Aα-Am，I为单位向量，为所述第一向量夹角Am单位化后的转轴向量，/>为/>的反对称矩阵；
其中，A1＝Aα-An，为所述第二向量夹角An单位化后的转轴向量，为/>的反对称矩阵。
本申请实施例提供的骨科手术机器人的边界控制装置，用于执行上述方法实施例，其实现原理和技术效果类似，本实施例此处不再赘述。
图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行骨科手术机器人的边界控制方法，该方法包括：获取手术工具的末端的当前位姿，以及所述手术工具的末端下一时刻期望到达的期望位姿；获取患者髋臼当前的基准位姿；根据所述当前位姿、所述期望位姿和所述基准位姿，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全位姿；根据所述当前位姿和所述安全位姿控制所述手术工具运动。
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本申请还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的骨科手术机器人的边界控制方法，该方法包括：获取手术工具的末端的当前位姿，以及所述手术工具的末端下一时刻期望到达的期望位姿；获取患者髋臼当前的基准位姿；根据所述当前位姿、所述期望位姿和所述基准位姿，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全位姿；根据所述当前位姿和所述安全位姿控制所述手术工具运动。
又一方面，本申请还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的骨科手术机器人的边界控制方法，该方法包括：获取手术工具的末端的当前位姿，以及所述手术工具的末端下一时刻期望到达的期望位姿；获取患者髋臼当前的基准位姿；根据所述当前位姿、所述期望位姿和所述基准位姿，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全位姿；根据所述当前位姿和所述安全位姿控制所述手术工具运动。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种骨科手术机器人的边界控制方法，应用于机器人，所述机器人包括手术工具，其特征在于，所述方法包括：
获取所述手术工具的末端的当前位姿，以及所述手术工具的末端下一时刻期望到达的期望位姿；
获取患者髋臼当前的基准位姿；
根据所述当前位姿、所述期望位姿和所述基准位姿，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全位姿；
根据所述当前位姿和所述安全位姿控制所述手术工具运动。
2.根据权利要求1所述的骨科手术机器人的边界控制方法，其特征在于，所述根据所述当前位姿、所述期望位姿和所述基准位姿，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全位姿，包括：
根据所述手术工具的末端的当前位置、所述手术工具的末端的期望位置和基准点位置，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全位置，所述安全位置与所述基准点位置之间的距离需小于等于第一预设值；
根据所述手术工具的末端的当前姿态、所述手术工具的末端的期望姿态和基准姿态，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全姿态，所述安全姿态对应的单位向量与所述基准姿态对应的单位向量之间的向量夹角需小于等于第二预设值；
其中，所述当前位姿包括所述当前位置和所述当前姿态；所述期望位姿包括所述期望位置和所述期望姿态；所述基准位姿包括所述基准点位置和所述基准姿态；所述安全位姿包括所述安全位置和所述安全姿态。
3.根据权利要求2所述的骨科手术机器人的边界控制方法，其特征在于，所述根据所述手术工具的末端的当前位置、所述手术工具的末端的期望位置和基准点位置，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全位置，包括：
获取所述期望位置与所述基准点位置之间的第一距离，以及所述当前位置与所述基准点位置之间的第二距离；
根据所述第一距离、所述第二距离、所述当前位置、所述期望位置和所述基准点位置，确定所述安全位置。
4.根据权利要求3所述的骨科手术机器人的边界控制方法，其特征在于，所述安全位置满足：
为所述安全位置，/>为所述期望位置，/>为所述当前位置，/>为所述基准点位置，Rp为所述第一预设值；
所述k1为第一参数，所述k2为第二参数，所述k3为第三参数，且满足
5.根据权利要求2-4任一项所述的骨科手术机器人的边界控制方法，其特征在于，所述根据所述手术工具的末端的当前姿态、所述手术工具的末端的期望姿态和基准姿态，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全姿态，包括：
获取所述期望姿态对应的单位向量与所述基准姿态对应的单位向量之间的第一向量夹角，以及所述当前姿态对应的单位向量与所述基准姿态对应的单位向量之间的第二向量夹角；
根据所述第一向量夹角、所述第二向量夹角、所述当前姿态、所述期望姿态和所述基准姿态，确定所述安全姿态。
6.根据权利要求5所述的骨科手术机器人的边界控制方法，其特征在于，所述安全姿态满足：
其中，为所述安全姿态，Rt+Δt为所述期望姿态，Rt为所述当前姿态，Am为所述第一向量夹角，An为所述第二向量夹角，Aα为所述第二预设值；
其中，A2＝Aα-Am，I为单位向量，为所述第一向量夹角Am单位化后的转轴向量，为/>的反对称矩阵；
其中，A1＝Aα-An，为所述第二向量夹角An单位化后的转轴向量，/>为的反对称矩阵。
7.一种骨科手术机器人的边界控制装置，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取机器人上的手术工具的末端的当前位姿，以及所述手术工具的末端下一时刻期望到达的期望位姿；
第二获取模块，用于获取患者髋臼当前的基准位姿；
处理模块，用于根据所述当前位姿、所述期望位姿和所述基准位姿，确定所述手术工具的末端在所述下一时刻的安全位姿；
控制模块，用于根据所述当前位姿和所述安全位姿控制所述手术工具运动。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6任一项所述的骨科手术机器人的边界控制方法。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的骨科手术机器人的边界控制方法。
10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的骨科手术机器人的边界控制方法。
Priority Applications (1)
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