CN118121265A - 一种具有导纳功能的髋关节手术机器人磨搓控制系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有导纳功能的髋关节手术机器人磨搓控制系统及其方法，包括执行机构、磨搓控制模块、导纳控制模块，执行机构与髋关节手术机器人的磨头连接，执行机构控制磨头的运动路径和速度；磨搓控制模块用于实时监测磨头承受的力的大小和方向以及磨头在三维空间中的实时位置信息；导纳控制模块用于根据磨头与虚拟边界的距离变化动态调整磨头的力矩；本发明的髋关节手术机器人能够在保持极高精度的同时，以更加温和且精确的方式进行磨搓操作，既能确保关节内重要结构免受损害，又能提升手术精度，这对于患者术后的快速康复和长期治疗效果具有重大意义，同时还可有效减轻医生的工作负担，提高手术效率。

Description

一种具有导纳功能的髋关节手术机器人磨搓控制系统及其 方法
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种具有导纳功能的髋关节手术机器人磨搓控制系统及其方法。
背景技术
髋关节手术机器人在进行关节磨搓以预备接受假体植入时，精确控制磨搓力度和深度至关重要。然而，现有手术机器人在接近关节重要结构如韧带、神经等虚拟边界时，缺乏实时有效的阻尼反馈机制，容易造成误伤或过度磨削。
针对这一类的临床应用，现有的一些医院为了更好的展示自身方案和技术优势，以用于医院自身技术宣传、外界技术交流或者是医疗相关的教材制作，会采用一种新兴的方法，通过制作仿真人体模型并在其上进行磨搓处理，来仿真临床中的手术情况模型，以能够更为直观的作为技术模型进行展示。
发明内容
本发明为了克服至少一个现有技术的不足，提供一种具有导纳功能的髋关节手术机器人磨搓控制系统及其方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种具有导纳功能的髋关节手术机器人磨搓控制系统，包括执行机构、磨搓控制模块、导纳控制模块，执行机构与髋关节手术机器人的磨头连接，执行机构控制磨头的运动路径和速度；
磨搓控制模块用于实时监测磨头承受的力的大小和方向以及磨头在三维空间中的实时位置信息；
导纳控制模块用于根据磨头与虚拟边界的距离变化动态调整磨头的力矩。
进一步的，所述磨搓控制模块包括力矩传感器和位置传感器，力矩传感器用于实时监测和记录磨头在执行磨搓操作过程中所承受的力的大小和方向，位置传感器用于精确测量磨头在三维空间中的实时位置信息。
进一步的，所述导纳控制模块包括导纳控制器，导纳控制器与磨搓控制模块连接，磨搓控制系统设定虚拟边界，导纳控制器实时接收位置传感器传输的位置信息，根据磨头与虚拟边界的距离变化动态调整磨头力矩。
进一步的，所述导纳控制器包括距离监测模块和调整模块，距离监测模块根据位置传感器传输的位置信息以及虚拟边界实时监测磨头与虚拟边界的距离，调整模块根据磨头与虚拟边界的距离变化动态调整磨头的力矩。
进一步的，所述距离监测模块监测磨头与虚拟边界的距离变化方法为：
位置传感器测量磨头在三维空间中的实时位置设为P(t)，虚拟边界位置为B，磨头与虚拟边界的实时距离d(t)表示为：d(t) = |P(t) - B|。
进一步的，所述调整模块动态调整磨头的力矩方法为：
设定非线性的阻尼系数函数k(d(t))，
k(d(t)) = k_0 + k_1\cdotd(t)^{-n};
上式中k_0是起始阻尼系数，k_1是非线性增益项，n是指数因子，n决定了阻尼系数增长的陡峭程度；
磨头的力矩M(t)为：M(t)= - k(d(t)) \cdot v(t)，式中，v(t)是磨头的速度矢量在与虚拟边界方向的投影，负号表示力矩的方向与速度相反，起到阻尼作用。
一种磨搓控制系统的使用方法，基于所述的髋关节手术机器人磨搓控制系统，包括以下步骤：
步骤S1：磨搓控制系统设定虚拟边界位置B；
步骤S2：位置传感器测量磨头在三维空间中的实时位置P(t)；
步骤S3：距离监测模块实时监测磨头与虚拟边界的实时距离d(t)并将实时距离d(t)反馈至调整模块；
步骤S4：调整模块根据实时距离d(t)动态调整磨头的力矩M(t)；
步骤S5：调整模块向执行机构发送增加力矩的指令；
步骤S6：力矩传感器检测磨头的实时力矩M(t)1；
步骤S7：比对力矩M(t)1是否与M(t)一致，若是，执行步骤S8，若否，执行步骤S5；
步骤S8：结束步骤。
进一步的，所述实时距离d(t)的计算式为d(t) = |P(t) - B|。
进一步的，所述力矩M(t)的计算式为：
设定非线性的阻尼系数函数k(d(t))，
k(d(t)) = k_0 + k_1\cdotd(t)^{-n}；
上式中k_0是起始阻尼系数，k_1是非线性增益项，n是指数因子，n决定了阻尼系数增长的陡峭程度；
M(t)= - k(d(t)) \cdot v(t)，式中，v(t)是磨头的速度矢量在与虚拟边界方向的投影，负号表示力矩的方向与速度相反，起到阻尼作用。
综上所述，本发明的有益之处在于：
1） 本发明通过位置传感器，磨搓控制不间断地测量并更新磨头与虚拟边界的实时距离，将这些距离信息转化为电信号，实时传递给导纳控制器，导纳控制器根据磨头与虚拟边界的距离变化动态调整磨头力矩，当磨头逐渐接近虚拟边界时，导纳控制器增加施加于磨头的阻力，即模拟阻尼效应，确保磨头在接近敏感区域时能够适时减速并减小磨削力度，从而避免对周围组织造成意外损伤，从而使髋关节手术机器人的磨头即将触及关键结构前，磨头的运动速度和力量得到有效的主动抑制。
2） 本发明的导纳控制器内置的非线性导纳控制算法实现阻尼效应，从而在磨头接近预设虚拟边界时，增加磨头的阻尼力，从而有效抑制磨头的运动速度和力矩，以达到保护关键结构的目的。
3） 本发明通过引进导纳控制机制，极大地降低了髋关节手术机器人在执行磨搓操作时因误入危险区域所带来的潜在风险，有力地保障了手术过程的安全性。
4） 本发明的髋关节手术机器人能够在保持极高精度的同时，以更加温和且精确的方式进行磨搓操作，既能确保关节内重要结构免受损害，又能提升手术精度，这对于患者术后的快速康复和长期治疗效果具有重大意义，同时还可有效减轻医生的工作负担，提高手术效率。
附图说明
图1为本发明的磨搓控制系统示意图。
图2为本发明的磨搓控制系统使用方法流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、横向、纵向……)仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
因安装误差等原因，本发明实施例中所指的平行关系可能实际为近似平行关系，垂直关系可能实际为近似垂直关系。
实施例一：
如图1所示，一种具有导纳功能的髋关节手术机器人磨搓控制系统，包括执行机构、磨搓控制模块、导纳控制模块。
执行机构与髋关节手术机器人的磨头连接，执行机构控制磨头的运动路径和速度。
磨搓控制模块是髋关节手术机器人的中枢，磨搓控制模块包括力矩传感器和位置传感器，力矩传感器用于实时监测和记录磨头在执行磨搓操作过程中所承受的力的大小和方向，位置传感器用于精确测量磨头在三维空间中的实时位置信息，两者结合，为磨搓控制系统的精确控制提供可靠的数据支持。
导纳控制模块内置预先导入的关节组织结构数据，导纳控制模块包括导纳控制器，导纳控制器是导纳控制模块的核心，导纳控制器与磨搓控制模块连接，磨搓控制系统设定虚拟边界，导纳控制器能够实时接收位置传感器传输的位置信息，根据磨头与虚拟边界的距离变化动态调整磨头的力矩。具体表现为，当磨头逐渐接近虚拟边界时，导纳控制器增加执行机构输出的力矩，从而增加施加于磨头的阻力，即模拟阻尼效应，确保磨头在接近敏感区域时能够适时减速并减小磨削力度，从而避免对周围组织造成意外损伤，力矩传感器检测磨头承受的力，用于验证磨头阻力是否增加。
导纳控制器包括距离监测模块和调整模块，距离监测模块根据位置传感器传输的位置信息以及虚拟边界实时监测磨头与虚拟边界的距离变化，调整模块根据磨头与虚拟边界的距离变化动态调整磨头的力矩。
距离监测模块监测磨头与虚拟边界的距离变化方法为：
位置传感器（如光电编码器、惯性测量单元IMU等）测量磨头在三维空间中的实时位置设为P(t)，虚拟边界位置为B，磨头与虚拟边界的实时距离d(t)表示为：d(t) = |P(t)- B|，位置传感器连续不断地监测此距离信息，并将其转换为电信号输入到调整模块；
1、获取磨头位置信息：位置传感器（如光电编码器、惯性测量单元IMU等）精确测量磨头在三维空间中的实时位置P(t)；
2、计算实时距离d(t)：根据位置信息和虚拟边界位置(B)，计算磨头与虚拟边界的实时距离d(t)，d(t) = |P(t) - B|。
实时距离d(t)是直接反映磨头与虚拟边界位置之间相对位置的关键指标。三维坐标表示：磨头的实时位置P(t)和虚拟边界的坐标B均可以用三维笛卡尔坐标系表示，即P(t)= (x(t)， y(t)， z(t))，B = (x_B， y_B， z_B)，基于欧几里得距离公式计算两者之间的距离，公式为： [d(t) = \sqrt{(x(t) - x_B)^2 + (y(t) - y_B)^2 + (z(t) - z_B)^2}]，但在实际应用中，为了简化计算和提高实时性，通常采用向量形式表达，即：[d(t) = |P(t)- B| = |\vec{OP(t)} - \vec{OB}|] 其中，(\vec{OP(t)})和(\vec{OB})分别是磨头位置向量和虚拟边界位置向量，(|\cdot|)代表向量的模长。
从位置传感器读取磨头位置数据，转换为坐标值P(t)，确定虚拟边界点(B)的坐标值，通常在手术规划阶段设定并以常数形式存储。应用上述距离公式计算得到实时距离d(t)。并将计算结果转换为电信号输入到调整模块。
调整模块动态调整磨头的力矩方法为：
导纳控制器设定非线性的阻尼系数函数k(d(t))，k(d(t))是一个与磨头与虚拟边界距离d(t)相关的函数，随着距离d(t)的减小，阻尼系数k(d(t))呈非线性增大趋势。
k(d(t)) = k_0 + k_1\cdotd(t)^{-n}；
上式中k_0是起始阻尼系数，k_1是非线性增益项，n是指数因子，n决定了阻尼系数增长的陡峭程度，根据牛顿第二定律，磨头受到的力矩M(t)可表示为：M(t)= - k(d(t)) \cdot v(t)，式中，v(t)是磨头的速度矢量在与虚拟边界方向的投影，负号表示力矩的方向与速度相反，起到阻尼作用。
调整模块实时接收距离信息d(t)，计算出当前时刻的阻尼系数k(d(t))，进而计算出需要施加在磨头上的反向力矩M(t)，M(t)作为力矩目标值，调整模块增加执行机构的力矩，通过力矩传感器实时监测实际作用在磨头上的力矩，并与力矩目标值进行比较，形成闭环控制，若实际作用力矩与力矩目标值有偏差，导纳控制器将再次进行调整，直到力矩反馈值与力矩目标值一致，确保磨头在接近敏感结构时，其运动速度和力矩严格控制在预设的安全阈值内，有效避免误操作和对关键结构的潜在损害。通过这种非线性导纳控制算法，手术机器人的操作精度和安全性得到了显著提升。
如图2所示，一种磨搓控制系统的使用方法，包括以下步骤：
步骤S1：磨搓控制系统设定虚拟边界位置B；
步骤S2：位置传感器测量磨头在三维空间中的实时位置P(t)；
步骤S3：距离监测模块实时监测磨头与虚拟边界的实时距离d(t)并将实时距离d(t)反馈至调整模块；
d(t) = |P(t) - B|；
步骤S4：调整模块根据实时距离d(t)动态调整磨头的力矩M(t)；
设定非线性的阻尼系数函数k(d(t))，
k(d(t)) = k_0 + k_1\cdotd(t)^{-n}；
上式中k_0是起始阻尼系数，k_1是非线性增益项，n是指数因子，n决定了阻尼系数增长的陡峭程度；
根据牛顿第二定律，磨头受到的力矩M(t)可表示为：M(t)= - k(d(t)) \cdot v(t)，式中，v(t)是磨头的速度矢量在与虚拟边界方向的投影，负号表示力矩的方向与速度相反，起到阻尼作用；
步骤S5：调整模块向执行机构发送增加力矩的指令；
步骤S6：力矩传感器检测磨头的实时力矩M(t)1；
步骤S7：比对力矩M(t)1是否与M(t)一致，若是，执行步骤S8，若否，执行步骤S5；
步骤S8：结束步骤。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种具有导纳功能的髋关节手术机器人磨搓控制系统，其特征在于：包括执行机构、磨搓控制模块、导纳控制模块，执行机构与髋关节手术机器人的磨头连接，执行机构控制磨头的运动路径和速度；磨搓控制模块用于实时监测磨头承受的力的大小和方向以及磨头在三维空间中的实时位置信息；导纳控制模块用于根据磨头与虚拟边界的距离变化动态调整磨头的力矩。
2.根据权利要求1所述的一种具有导纳功能的髋关节手术机器人磨搓控制系统，其特征在于：所述磨搓控制模块包括力矩传感器和位置传感器，力矩传感器用于实时监测和记录磨头在执行磨搓操作过程中所承受的力的大小和方向，位置传感器用于精确测量磨头在三维空间中的实时位置信息。
3.根据权利要求1所述的一种具有导纳功能的髋关节手术机器人磨搓控制系统，其特征在于：所述导纳控制模块包括导纳控制器，导纳控制器与磨搓控制模块连接，磨搓控制系统设定虚拟边界，导纳控制器实时接收位置传感器传输的位置信息，根据磨头与虚拟边界的距离变化动态调整磨头力矩。
4.根据权利要求3所述的一种具有导纳功能的髋关节手术机器人磨搓控制系统，其特征在于：所述导纳控制器包括距离监测模块和调整模块，距离监测模块根据位置传感器传输的位置信息以及虚拟边界实时监测磨头与虚拟边界的距离，调整模块根据磨头与虚拟边界的距离变化动态调整磨头的力矩。
5.根据权利要求4所述的一种具有导纳功能的髋关节手术机器人磨搓控制系统，其特征在于：所述距离监测模块监测磨头与虚拟边界的距离变化方法为：位置传感器测量磨头在三维空间中的实时位置设为P(t)，虚拟边界位置为B，磨头与虚拟边界的实时距离d(t)表示为：d(t) = |P(t) - B|。
6.根据权利要求4所述的一种具有导纳功能的髋关节手术机器人磨搓控制系统，其特征在于：所述调整模块动态调整磨头的力矩方法为：设定非线性的阻尼系数函数k(d(t))，k(d(t)) = k_0 + k_1\cdotd(t)^{-n};上式中k_0是起始阻尼系数，k_1是非线性增益项，n是指数因子，n决定了阻尼系数增长的陡峭程度；磨头的力矩M(t)为：M(t)= - k(d(t)) \cdot v(t)，式中，v(t)是磨头的速度矢量在与虚拟边界方向的投影，负号表示力矩的方向与速度相反，起到阻尼作用。
7.一种磨搓控制系统的使用方法，基于上述权利要求1-6任一项所述的髋关节手术机器人磨搓控制系统，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：磨搓控制系统设定虚拟边界位置B；
步骤S2：位置传感器测量磨头在三维空间中的实时位置P(t)；
步骤S3：距离监测模块实时监测磨头与虚拟边界的实时距离d(t)并将实时距离d(t)反馈至调整模块；
步骤S4：调整模块根据实时距离d(t)动态调整磨头的力矩M(t)；
步骤S5：调整模块向执行机构发送增加力矩的指令；
步骤S6：力矩传感器检测磨头的实时力矩M(t)1；
步骤S7：比对力矩M(t)1是否与M(t)一致，若是，执行步骤S8，若否，执行步骤S5；
步骤S8：结束步骤。
8.根据权利要求7所述的一种磨搓控制系统的使用方法，其特征在于：所述实时距离d(t)的计算式为d(t) = |P(t) - B|。
9.根据权利要求7所述的一种磨搓控制系统的使用方法，其特征在于：所述力矩M(t)的计算式为：设定非线性的阻尼系数函数k(d(t))， k(d(t)) = k_0 + k_1\cdotd(t)^{-n}；上式中k_0是起始阻尼系数，k_1是非线性增益项，n是指数因子，n决定了阻尼系数增长的陡峭程度；M(t)= - k(d(t)) \cdot v(t)，式中，v(t)是磨头的速度矢量在与虚拟边界方向的投影，负号表示力矩的方向与速度相反，起到阻尼作用。
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