手术机器人辅助定位方法、手术机器人及存储介质转让专利
申请号 : CN202010717325.7
文献号 : CN111870348B
文献日 : 2022-01-28
发明人 : 占雄 , 陈龙 , 谢强 , 李想
申请人 : 武汉联影智融医疗科技有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种手术机器人辅助定位方法,其特征在于,包括:根据目标位置的位姿确定约束空间的位姿,所述约束空间关于末端工具的期望路径对称,且所述目标位置位于所述期望路径上;
如果所述末端工具在所述约束空间中的位姿显示所述末端工具的特征点与所述期望路径之间存在垂直偏差,则向所述末端工具输出用于消除所述垂直偏差的第一反馈力,所述第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小,直至为零。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,还包括:检测到所述末端工具的当前速度可使得所述末端工具超出所述约束空间边界时,向所述末端工具输出第二反馈力;
所述第二反馈力随着危险因子的降低而降低直至为零,所述第二反馈力垂直于所述期望路径。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,还包括:如果所述末端工具在所述约束空间中的位姿显示所述末端工具的朝向与所述期望路径之间存在方向夹角,则向所述末端工具输出用于消除所述方向夹角的反馈力矩;
所述反馈力矩随着方向夹角的减小而逐渐减小,直至为零。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述方向夹角为所述末端工具的轴线方向与所述期望路径走向之间的夹角,所述期望路径的走向根据所述目标位置对应的前倾角和外展角确定。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述约束空间底部外延有包络约束子空间,所述包络约束子空间为半球形,且半径与所述约束空间底部半径相同,所述目标位置位于所述包络约束子空间的球心上;
在检测到所述末端工具在所述包络约束子空间中与目标位置存在超限距离时,还向所述末端工具输出用于消除超限距离的第三反馈力;
所述第三反馈力随着超限距离的减小而单调减小直至为零,所述超限距离为所述末端工具与所述目标位置之间的距离;或者是所述末端工具在平行于期望路径方向上与所述目标位置之间的距离。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述末端工具在所述约束空间的边界的任一位置受到的第一反馈力的强度相同;
所述第一反馈力与垂直距离当量之间满足线性关系、多项式关系,指数关系或反比关系。
7.根据权利要求2‑3或5任一所述的方法,其特征在于,在所述末端工具受到第二反馈力时,所述第二反馈力与危险因子之间满足线性关系、多项式关系,指数关系或反比关系;
在所述末端工具受到反馈力矩时,所述反馈力矩与方向夹角之间的满足线性关系、多项式关系,指数关系或反比关系;
在所述末端工具受到第三反馈力时,所述第三反馈力与超限距离之间满足线性关系、多项式关系,指数关系或反比关系。
8.一种手术机器人,其特征在于,包括:末端工具,用于在操作者的控制下实施相应的手术操作;
机械臂,连接所述末端工具,用于向所述末端工具输出用于消除垂直偏差的第一反馈力;
导航装置,用于获取目标位置的位姿参数和末端工具的位姿参数,并根据所述目标位置的位姿参数和所述末端工具的位姿参数确定所述末端工具在约束空间中的位姿,所述约束空间关于所述末端工具的期望路径对称,且所述目标位置位于所述期望路径上;
控制器,用于如果所述末端工具在所述约束空间中的位姿显示所述末端工具的特征点与所述期望路径之间存在垂直偏差,则控制所述机械臂向所述末端工具输出用于消除所述垂直偏差的第一反馈力,所述第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小,直至为零。
9.根据权利要求8所述的手术机器人,其特征在于,所述控制器还用于在所述导航装置获取的所述末端工具在所述约束空间中的运动数据,显示所述末端工具的当前速度可使得所述末端工具超出所述约束空间边界时,向所述末端工具输出第二反馈力,所述第二反馈力随着危险因子的降低而降低直至为零,所述第二反馈力垂直于所述期望路径。
10.根据权利要求8所述的手术机器人,其特征在于,所述控制器还用于如果所述末端工具在所述约束空间中的位姿显示所述末端工具的朝向与所述期望路径之间存在方向夹角,则向所述末端工具输出用于消除所述方向夹角的反馈力矩;
所述反馈力矩随着方向夹角的减小而逐渐减小,直至为零。
11.根据权利要求8所述的手术机器人,其特征在于,所述约束空间底部外延有包络约束子空间,所述包络约束子空间为半球形,且半径与所述约束空间底部半径相同,所述目标位置位于所述包络约束子空间的球心上;
所述控制器还用于在检测到所述末端工具在所述包络约束子空间中与目标位置存在超限距离时,还向所述末端工具输出用于消除超限距离的第三反馈力;
所述第三反馈力随着超限距离的减小而单调减小直至为零,所述超限距离为所述末端工具与所述目标位置之间的距离;或者是所述末端工具在平行于期望路径方向上与所述目标位置之间的距离。
12.根据权利要求8‑11任一所述的手术机器人,其特征在于,还包括:显示装置,用于实时显示所述末端工具与所述约束空间之间的位置关系。
13.一种包含计算机可执行指令的存储介质,其特征在于,所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如权利要求1‑7中任一所述的手术机器人辅助定位方法。
说明书 :
手术机器人辅助定位方法、手术机器人及存储介质
技术领域
背景技术
行手术。为了满足临床需求,各种类型的手术机器人相继出现,比如完全自主的手术系统和
机器人辅助系统等。
手术,机器人辅助型的手术形式又能显著地提升手术精度。而且,机械臂的参与减轻了医生
在骨科手术中的测量和定位等操作负担。从患者角度来说,由于医生的参与,机器人辅助手
术系统减少了手术中意外情况的发生,因而心理上更容易被病人接受。
医生术中手感的判断,从而不利于医生的术中决策。
发明内容
力,所述第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小,直至为零。
姿,所述约束空间关于所述末端工具的期望路径对称,且所述目标位置位于所述期望路径
上;
垂直偏差的第一反馈力,所述第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小,直至为零。
定位方法。
果末端工具在约束空间中的位姿显示末端工具的特征点与期望路径之间存在垂直偏差,则
向末端工具输出用于消除垂直偏差的第一反馈力,第一反馈力随着垂直距离当量的减小而
逐渐减小,直至为零。通过向末端工具输出用于消除垂直偏差的第一反馈力,引导医生拖着
末端工具在垂直于期望路径的方向上向期望路径移动,直至第一反馈力消失,第一反馈力
消失时,末端工具位于期望路径上,然后操作末端工具沿着未施加第一反馈力的期望路径
向目标位置移动即可准确到达目标位置,从而达到了通过第一反馈力的施加提高末端工具
定位准确性的技术效果。
附图说明
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。
具体实施方式
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。
例中提供的手术机器人的控制器来执行。该方法具体包括如下步骤:
会带动手术部位跟着移动,而手术部位的移动会带动当下要实施手术操作的位置点移动,
即带动目标位置移动,而目标位置移动之后,其位置和姿态均会跟着改变,即其位姿会随着
病人的移动而改变。
空间的准确性。而且约束空间准确性的提高有助于辅助定位准确性的提高。
期望路径,可以实现通过控制期望路径的误差来同时控制期望路径与术前规划的前倾角和
外展角之间的误差,从而降低多角度误差的控制难度。
半径逐渐减小,比如锥体状和碗状。无论哪一种形状的约束空间,目标位置均位于期望路径
的末端。如图3所示,目标位置位于锥状约束空间的底部中心。可以理解的是,约束空间为手
术实施时用于暴露手术部位的开口,约束空间的上端为开口端,用于使末端工具进出约束
空间。
距离当量的减小而逐渐减小,直至为零。
施相应的手术操作。
置。如果医生没有沿期望路径移动末端工具,那么末端工具最后到达的位置可能并不是目
标位置。
垂直偏差。此时应确定末端工具的特征点与期望路径之间的垂直距离当量,然后根据该垂
直距离当量向末端工具输出相应的第一反馈力(参见图3)。且第一反馈力随着垂直距离当
量的减小而逐渐减小,直至为零。也就是说,当末端工具位于期望路径上时,末端工具所受
到的第一反馈力为零。
端工具向期望路径移动,直至第一反馈力消失,第一反馈力消失时,末端工具的特征点刚好
位于期望路径上。通过第一反馈力引导医生移动末端工具,提高了末端工具移动、定位的准
确性,从而提高了关节置换术的精确性。另外,由于没有向末端工具施加平行于期望路径的
反馈力,使得末端工具在平行于期望路径的方向上的运动由医生全权控制,保留了医生对
关节患处进行打磨时的手感,有助于医生做出更准确的术中决策。
生感觉到当前的磨锉手感不是软骨而是松质骨,就需要立即停止当前的磨锉。由于本实施
例没有像末端工具施加平行于期望路径的反馈力,使得医生可以在竖直方向上完全凭借经
验和手感操作末端工具,提高关节置换术的精确性。
足线性关系为例,如果对于半径为L的横截面,其在垂直于期望路径方向上的单位长度为A,
那么对于半径为2L的横截面,其在垂直于期望路径上的单位长度为2A,即前者的距离A相当
于后者的距离2A。这样,前者对应的第一反馈力每隔A距离的变化量,与后者对应的第一反
馈力每隔2A距离的变化量相同。
施例在此不对特征点进行具体限定,实际使用时可以根据具体情况确定。
制末端工具沿非期望路径向下移动时,所感受到的第一反馈力逐渐递增,这有利于医生拖
动末端工具逐渐靠近期望路径。
算法和垂直距离当量计算第一反馈力,并将第一反馈力输出至末端工具。其中,第一反馈力
算法的选择对象至少包括线性算法、多项式关系算法,指数关系算法和反比算法。
路径的方向上向期望路径移动,直至第一反馈力消失,第一反馈力消失时,末端工具的特征
点位于期望路径上,然后操作末端工具沿着没有第一反馈力的期望路径向目标位置移动即
可准确到达目标位置,达到了通过施加第一反馈力提高末端工具定位准确性的技术效果。
力的步骤。
距离当量的减小而逐渐减小,直至为零。
直于期望路径。
馈力随着危险因子的降低而降低直至为零。这样医生在感受到第二反馈力时,立即降低末
端工具的运动速度或者停止末端工具按照当前的速度和朝向继续运动,即会避免末端工具
超出约束空间。而且,第二反馈力还可以提高末端工具的移动阻力,以减小末端工具的停止
距离,避免末端工具超出约束空间的边界。
具受到的第二反馈力为零。
过程中,末端工具的移动距离。允许停止距离为末端工具当前位置与其所朝向的边界之间
的距离。为了实现将末端工具约束在约束空间中,该停止距离占比应小于1。即该停止距离
占比越接近于1,第二反馈力越大,该停止占比约接近于0,第二反馈力越小;当末端工具速
度为零时,该停止距离占比为零,第二反馈力为零。
危险因子的降低而降低直至为零,第二反馈力垂直于期望路径。通过第二反馈力的强度提
示医生末端工具超出约束空间边界的风险大小,以使医生及时采取相应的措施;另一方面,
第二反馈力也提高了末端工具的移动阻力,有助于减小末端工具的停止距离,从而避免末
端工具超出约束空间的边界,提高末端工具操作的安全性,从而提高了关节置换手术的安
全性和精确性。
垂直距离当量的减小而逐渐减小,直至为零。
减小而逐渐减小,直至为零。
于消除该方向夹角的反馈力矩,而且反馈力矩随着方向夹角的减小而逐渐减小,直至为零。
以使医生在该反馈力矩的引导下调整末端工具的朝向直至平行于期望路径。
其轴线与期望路径之间存在方向夹角。
平行于CC’,那么直线BB’即为末端工具的正确朝向,轴线AA’与直线BB’之间的夹角∠
AOToolB即为末端工具的方向角。在检测到末端工具存在该方向角时,生成一个使轴线AA’转
向直线BB’的反馈力矩,以使医生根据该反馈力矩将末端工具的朝向转向轴线AA’。
和方向夹角计算反馈力矩。
得末端工具以正确朝向准确到达目标位置,有利于提高末端工具定位的准确性。
工具输出第三反馈力的说明。该方法包括:
共用截面的存在使得约束主空间和包络约束子空间和反馈力在空间上平滑过渡。
距离当量的减小而逐渐减小,直至为零。
直至为零。
和反馈力矩的约束,以及新增的第三反馈力的约束。该实施例中,超限距离为末端工具与目
标位置之间的距离,第三反馈力随着该超限距离的减小而单调减小,直至为零,且第三反馈
力朝向目标位置(参见图8)。第三反馈力的设置用于提示医生末端工具已经进入包络约束
子空间,以及引导医生顺着第三反馈力的方向移动末端工具,直至反馈力刚好消失,此时末
端工具刚好位于目标位置上。
三反馈力。该实施例中,超限距离为末端工具在平行于期望路径方向上与目标位置之间的
距离。第三反馈力随着该超限距离的减小而单调减小直至为零,且第三反馈力朝向约束空
间的开口方向。参见图8所示,该图给出了末端工具在约束子空间所受到的第一反馈力与第
三反馈力的合力,可见该合力朝向目标位置。医生感受到该合力之后,顺着合力的方向移动
末端工具,直至合力刚好消失,即可将末端工具准确地移动至目标位置。而且由于约束主空
间和包络约束子空间存在共用截面,该共用截面内的反馈力场,不管是根据约束主空间还
是包络约束子空间内的反馈力场的设计规则,其最终的反馈力场分布都是一致的:保证了
反馈力的连续性和稳定性,而反馈力的稳定性一方面保证了末端工具移动的稳定性,不容
易因反馈力的不连续而产生抖动;另一方面提升了医生拖动末端工具的手感,比较顺滑。
反馈力的变化越剧烈,医生就越容易感受到第三反馈力场的引导,从而更容易将末端工具
移动到目标位置上,能实现可控的手术精度;另一方面,由于末端工具中心被约束在约束子
空间内,如果半径越小,那么工具中心被允许移动的范围也就越小,定位就更精确。
向末端工具输出用于消除超限距离的第三反馈力,第三反馈力随着超限距离的减小而单调
减小直至为零,第三反馈力的设置用于提示医生末端工具已经进入了包络约束子空间,以
及引导医生准确地找到有目标位置,进一步提高了末端工具定位的准确性。
人包括末端工具21、机械臂22、导航装置23和控制器24。其中,末端工具21用于在操作者的
控制下实施相应的手术操作;机械臂22连接末端工具,用于向末端工具输出用于消除垂直
偏差的第一反馈力;导航装置23用于获取目标位置的位姿参数和末端工具的位姿参数,并
根据目标位置的位姿参数和根据末端工具的位姿参数确定末端工具在约束空间中的位姿,
约束空间关于末端工具的期望路径对称,且目标位置位于期望路径上;控制器24用于如果
末端工具在约束空间中的位姿显示末端工具的特征点与期望路径之间存在垂直偏差,则控
制机械臂向末端工具输出用于消除垂直偏差的第一反馈力,第一反馈力随着垂直距离当量
的减小而逐渐减小,直至为零。
接触力;还可以对获取到的各种数据进行低通滤波,用于过滤掉医生手部抖动或者病人身
体抖动产生等噪声信号,以提升末端工具定位的准确性。
机器人为病床上的病人01实施手术。该手术机器人还包括显示装置26,用于实时显示末端
工具21与约束空间1之间的位置关系。以视觉方式向医生呈现末端工具21与约束空间1之间
的位置关系,在视觉引导和前述各种力反馈的引导下,可以显著提升末端工具定位的准确
性。
会带动手术部位跟着移动,而手术部位的移动会带动当下要实施手术操作的位置点移动,
即带动目标位置移动,而目标位置移动之后,其位置和姿态均会跟着改变,即其位姿会随着
病人的移动而改变。
空间的准确性。而且约束空间准确性的提高有助于辅助定位准确性的提高。
期望路径,可以实现通过控制期望路径的误差来同时控制期望路径与术前规划的前倾角和
外展角之间的误差,从而降低多角度误差的控制难度。
半径逐渐减小,比如锥状和碗状。无论哪一种形状的约束空间,目标位置均位于期望路径的
末端。如图3所示,目标位置位于锥状约束空间的底部中心。可以理解的是,约束空间为手术
实施时用于暴露手术部位的开口,约束空间的上端为开口端,用于使末端工具进出约束空
间。
施相应的手术操作。
置。如果医生没有沿期望路径移动末端工具,那么目标对象最后到达的位置可能并不是目
标位置。
直偏差。此时应确定末端工具的特征点与期望路径之间的垂直距离当量,然后根据该垂直
距离当量向末端工具输出相应的第一反馈力。且第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐
渐减小,直至为零。也就是说,当末端工具位于期望路径上时,末端工具所受到的第一反馈
力为零。
端工具向期望路径移动,直至第一反馈力消失,第一反馈力消失时目,末端工具的特征点刚
好位于期望路径上。通过第一反馈力引导医生移动末端工具,提高了末端工具移动、定位的
准确性,从而提高了关节置换术的精确性。另外,由于没有向末端工具施加平行于期望路径
的反馈力,使得末端工具在平行于期望路径的方向上的运动由医生全权控制,保留了医生
对关节患处进行打磨时的手感,有助于医生做出更准确的术中决策。
生感觉到当前的磨锉手感不是软骨而是松质骨,就需要立即停止当前的磨锉。由于本实施
例没有像末端工具施加平行于期望路径的反馈力,使得医生可以在竖直方向上完全凭借经
验和手感操作末端工具,提高关节置换术的精确性。
满足线性关系为例,如果对于半径为L的横截面,其在垂直于期望路径方向上的单位长度为
A,那么对于半径为2L的横截面,其在垂直于期望路径上的单位长度为2A,即前者的距离A相
当于后者的距离2A。这样,前者对应的第一反馈力每隔A距离的变化量,与后者对应的第一
反馈力每隔2A距离的变化量相同。
实施例在此不对特征点进行具体限定,实际使用时可以根据具体情况确定。
制末端工具沿平行于期望路径的非期望路径向下移动时,所感受到的第一反馈力逐渐递
增,这有利于医生拖动末端工具逐渐靠近期望路径。
力算法和垂直距离当量计算第一反馈力,并将第一反馈力输出至末端工具。其中,第一反馈
力算法的选择对象至少包括线性算法、多项式关系算法,指数关系算法和反比算法。
馈力随着危险因子的降低而降低直至为零。这样医生在感受到第二反馈力时,立即降低末
端工具的运动速度或者停止末端工具按照当前的速度和朝向继续运动,即会避免末端工具
超出约束空间。而且,第二反馈力还可以提高末端工具的移动阻力,以减小末端工具的停止
距离,避免末端工具超出约束空间的边界。
具受到的第二反馈力为零。
过程中,末端工具的移动距离。允许停止距离为末端工具当前位置与其所朝向的边界之间
的距离。为了实现将末端工具约束在约束空间中,该停止距离占比应小于1。即该停止距离
占比越接近于1,第二反馈力越大,该停止占比约接近于0,第二反馈力越小;当末端工具速
度为零时,该停止距离占比为零,第二反馈力为零。
束空间中的末端工具的朝向与期望路径之间存在方向夹角,则向末端工具输出用于消除方
向夹角的反馈力矩;反馈力矩随着方向夹角的减小而逐渐减小,直至为零。
其轴线与期望路径之间存在方向夹角。
平行于CC’,那么直线BB’即为末端工具的正确朝向,轴线AA’与直线BB’之间的夹角∠
AOToolB即为末端工具的方向角。在检测到末端工具存在该方向角时,生成一个使轴线AA’转
向直线BB’的反馈力矩,以使医生根据该反馈力矩将末端工具的朝向转向轴线AA’。
和方向夹角计算反馈力矩。
共用截面的存在使得约束主空间和包络约束子空间和反馈力在空间上平滑过渡。
和反馈力矩的约束,以及新增的第三反馈力的约束。该实施例中,超限距离为末端工具与目
标位置之间的距离,第三反馈力随着该超限距离的减小而单调减小,直至为零,且第三反馈
力朝向目标位置(参见图8)。第三反馈力的设置用于提示医生末端工具已经进入包络约束
子空间,以及引导医生顺着第三反馈力的方向移动末端工具,直至反馈力刚好消失,此时末
端工具刚好位于目标位置上。
三反馈力。该实施例中,超限距离为末端工具在平行于期望路径方向上与目标位置之间的
距离。第三反馈力随着该超限距离的减小而单调减小直至为零,且第三反馈力朝向约束空
间的开口方向。参见图8所示,该图给出了末端工具在约束子空间所受到的第一反馈力与第
三反馈力的合力,可见该合力朝向目标位置。医生感受到该合力之后,顺着合力的方向移动
末端工具,直至合力刚好消失,即可将末端工具准确地移动至目标位置。而且由于约束主空
间和包络约束子空间存在共用截面,该共用截面内的反馈力场,不管是根据约束主空间还
是包络约束子空间内的反馈力场的设计规则,其最终的反馈力场分布都是一致的:保证了
反馈力的连续性和稳定性,而反馈力的稳定性一方面保证了末端工具移动的稳定性,不容
易因反馈力的不连续而产生抖动;另一方面提升了医生拖动末端工具的手感,比较顺滑。
反馈力的变化越剧烈,医生就越容易感受到第三反馈力场的引导,从而更容易将末端工具
移动到目标位置上,能实现可控的手术精度;另一方面,由于末端工具中心被约束在约束子
空间内,如果半径越小,那么工具中心被允许移动的范围也就越小,定位就更精确。
中,存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序;存储数据区可存储根据终
端的使用所创建的数据等。此外,存储器802可以包括高速随机存取存储器,还可以包括非
易失性存储器,例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在
一些实例中,存储器可进一步包括相对于控制器远程设置的存储器,这些远程存储器可以
通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通
信网及其组合。
朝向准确到达目标位置,有利于提高末端工具定位的准确性;通过向末端工具输出的第一
反馈力,引导医生拖着末端工具在垂直于期望路径的方向上向期望路径移动,直至第一反
馈力消失,第一反馈力消失时,末端工具的特征点位于期望路径上,然后操作末端工具沿着
未施加第一反馈力的期望路径向目标位置移动即可准确到达目标位置,从而达到了通过第
一反馈力的施加提高末端工具定位准确性的技术效果。
力,所述第一反馈力随着垂直距离当量的减小而逐渐减小,直至为零。
人辅助定位方法中的相关操作。
佳的实施方式。基于这样的理解,本发明的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,如计算机的软盘、只读存储器(Read‑Only Memory,简称ROM)、随机存取存储器(Random
Access Memory,简称RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等,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)执行本发明各个实施例所述的手术
机器人辅助定位方法。
重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此,虽然通过以上实施例对本发明进行
了较为详细的说明,但是本发明不仅仅限于以上实施例,在不脱离本发明构思的情况下,还
可以包括更多其他等效实施例,而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。