一种手术机器人的安全边界与力控制方法与流程

本发明涉及机器人控制技术领域，具体而言，涉及一种手术机器人的安全边界与力控制方法。

背景技术：

目前，在进行手术时特别是如胯骨关节置换手术等对工作区域限定严格的手术时，通常是通过医生人为的去完成胯骨关节置换手术，但对医生的技术要求非常高，对于医疗资源落后、医疗人才缺乏的地区而言，难度较大的手术需要耗费较大的资源才能完成，给一些条件较差的患者带来了较大的困扰；虽然目前，国外有一些知名的医疗机器人，如达芬奇等，可以进行手术操作，但是其造价昂贵，成本极高，而且目前尚未涉及到胯骨关节置换手术等对工作区域限定严格的手术，无法对执行手术任务的机器人进行安全边界的设定和约束，无法保证手术效果，容易造成医疗事故的发生。

技术实现要素：

为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种手术机器人的安全边界与力控制方法，对从事手术任务的机器人进行安全边界的设定和约束，以及对手术机器人的力度进行控制，根据距离边界限制距离设置不同的环境刚性量测，并给医生作出提示，实现分级力反馈策略，针对不同的手术操作、建立各个安全层级的参数，构建针对性的边界力反馈的协同安全策略，保障手术顺利、安全开展，基于协同控制策略，保留医生对手术实时操纵能力，结合机器人力反馈技术，在系统控制架构中，实现虚拟安全边界，将手术安全边界在最小延迟的条件下，直观反馈给操作者，相较于医生自身反应的速度，大幅度地提升手术安全性。

本发明的实施例是这样实现的：

一种手术机器人的安全边界与力控制方法，包括以下步骤：

录入患者情况信息；

获取机器人与手术工具的物理尺寸信息以及手术操作位置的安全范围信息；

根据机器人与手术工具的物理尺寸信息以及手术操作位置的安全范围信息，设定机器人的末端点的位置信息；

根据机器人末端点的位置信息和手术操作位置的安全范围信息，获取机器人末端点的工作区域安全边界和机器人末端点接触力范围信息；

根据患者信息、机器人末端点的工作区域安全边界信息和机器人末端点接触力范围信息生成手术操作指令并发送给机器人；

实时获取并分析机器人末端点的操作反馈信息，生成并发送调整指令给机器人。

首先，录入患者情况信息，该患者情况信息包括患者的基本身份信息、患者的病况，如患者的姓名、年龄、历史病例、身体健康状况、待手术的部位等信息，然后通过测量获取机器人与手术工具的物理尺寸信息以及手术操作位置的安全范围信息，根据机器人与手术工具的物理尺寸信息以及手术操作位置的安全范围信息，设定机器人的末端点的位置，机器人的末端点指代机器人所安装医疗手术工具的末端面的中心，根据工具尺寸即可计算出其相对于机器人第六关节末端的位置，完成设定，根据获取的机器人末端点的位置信息和手术操作位置的安全范围信息计算出机器人末端点的工作区域安全边界机器人末端点接触力范围，再根据计算获取到的机器人末端点的工作区域安全边界机器人末端点接触力范围生成相应的机器人的操作速度、操作位置范围等手术操作指令给机器人，控制机器人进行手术操作；在机器人进行手术操作时，实时获取机器人末端点的操作反馈信息，进行及时分析，及时发送调整指令给机器人，及时调整机器人末端点的手术操作范围、操作速度、操作接触力等，及时有效的保证手术精准性，保证手术操作过程的安全性，同时提高手术效率，减小医生的手术操作压力。

在本发明的一些实施例中，一种手术机器人的安全边界与力控制方法，该手术机器人的安全边界与力控制方法还包括以下步骤：

将机器人末端点的工作区域安全边界划分为多个平面；

将每个平面的参数信息通过六维坐标表示。

在本发明的一些实施例中，一种手术机器人的安全边界与力控制方法，操作反馈信息包括操作速度、接触力信息、操作位置信息。

在本发明的一些实施例中，一种手术机器人的安全边界与力控制方法，实时获取并分析机器人末端点的操作反馈信息，生成并发送调整指令给机器人的方法包括以下步骤：

实时获取机器人末端点的操作速度；

将实时获取的机器人末端点的操作速度与预设的机器人末端点的正常操作速度进行对比，生成对比结果；

根据对比结果生成并发送速度调整指令给机器人。

在本发明的一些实施例中，一种手术机器人的安全边界与力控制方法，实时获取并分析机器人末端点的操作反馈信息，生成并发送调整指令给机器人的方法包括以下步骤：

a1、实时获取机器人末端点的操作位置信息；

a2、判断实时获取的机器人末端点的操作位置是否超出机器人末端点的工作区域安全边界，如果是，则进入步骤a3；如果否，则进入步骤a1；

a3、生成并发送位置调整指令给机器人。

在本发明的一些实施例中，一种手术机器人的安全边界与力控制方法，生成手术操作指令并发送给机器人的方法包括以下步骤：

通过机器人末端点的触力传感器获取机器人末端点的接触力信息；

获取并记录机器人末端点的拖动轨迹信息；

根据拖动轨迹信息，生成手术操作指令并发送给机器人。

在本发明的一些实施例中，一种手术机器人的安全边界与力控制方法，生成手术操作指令并发送给机器人的方法包括以下步骤：

设定机器人的补偿重力和补偿摩擦力，使得机器人进入零力模式；

获取并记录机器人关节拨动运行轨迹以及所需时间；

根据机器人关节拨动运行轨迹以及所需时间生成手术操作指令并发送给机器人。

在本发明的一些实施例中，一种手术机器人的安全边界与力控制方法，生成手术操作指令并发送给机器人的方法包括以下步骤：

设定机器人末端点的操作速度；

实时生成并发送机器人末端点操作速度操作指令给机器人。

在本发明的一些实施例中，一种手术机器人的安全边界与力控制方法，该手术机器人的安全边界与力控制方法还包括以下步骤：

对获取的手术操作位置的安全范围进行分级处理，以得到安全区域范围、警示区域范围以及禁入区域范围。

在本发明的一些实施例中，一种手术机器人的安全边界与力控制方法，该手术机器人的安全边界与力控制方法还包括以下步骤：

b1、获取机器人末端点的操作反馈信息；

b2、根据操作反馈信息判断是否超出机器人末端点的工作区域安全边界或/和机器人末端点接触力范围，如果是，则进入步骤b3；如果否，则进入步骤b1，重新获取机器人末端点的操作反馈信息；

b3、生成并发送预警提示信息。

本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：

本发明实施例提供了一种手术机器人的安全边界与力控制方法，通过测量获取机器人与手术工具的物理尺寸信息以及手术操作位置的安全范围信息，根据机器人与手术工具的物理尺寸信息以及手术操作位置的安全范围信息，设定机器人的末端点的位置，根据获取的机器人末端点的位置信息和手术操作位置的安全范围信息计算出机器人末端点的工作区域安全边界机器人末端点接触力范围，再根据计算获取到的机器人末端点的工作区域安全边界机器人末端点接触力范围生成相应的机器人的操作速度、操作位置范围等手术操作指令给机器人，控制机器人进行手术操作；在机器人进行手术操作时，实时获取机器人末端点的操作反馈信息，进行及时分析，及时发送调整指令给机器人，及时调整机器人末端点的手术操作范围、操作速度、操作接触力等，及时有效的保证手术精准性，保证手术操作过程的安全性，同时提高手术效率，减小医生的手术操作压力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例一种手术机器人的安全边界与力控制方法的流程图；

图2为本发明实施例一种手术机器人的安全边界与力控制方法中调整机器人操作速度的方法的流程图；

图3为本发明实施例一种手术机器人的安全边界与力控制方法中调整机器人位置的方法的流程图；

图4为本发明实施例一种手术机器人的安全边界与力控制方法中位置预警提示的流程图；

图5为本发明实施例一种手术机器人的安全边界与力控制方法中接触力预警提示的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。

实施例

如图1所示，本实施例提供一种手术机器人的安全边界与力控制方法，包括以下步骤：

s1、录入患者情况信息；

s2、获取机器人与手术工具的物理尺寸信息以及手术操作位置的安全范围信息；

s3、根据机器人与手术工具的物理尺寸信息以及手术操作位置的安全范围信息，设定机器人的末端点的位置信息；

s4、根据机器人末端点的位置信息和手术操作位置的安全范围信息，获取机器人末端点的工作区域安全边界和机器人末端点接触力范围信息；

s5、根据患者信息、机器人末端点的工作区域安全边界信息和机器人末端点接触力范围信息生成手术操作指令并发送给机器人；

s6、实时获取并分析机器人末端点的操作反馈信息，生成并发送调整指令给机器人。

首先，录入患者情况信息，该患者情况信息包括患者的基本身份信息、患者的病况，如患者的姓名、年龄、历史病例、身体健康状况、待手术的部位等信息，然后通过测量获取机器人与手术工具的物理尺寸信息以及手术操作位置的安全范围信息，根据机器人与手术工具的物理尺寸信息以及手术操作位置的安全范围信息，设定机器人的末端点的位置，机器人的末端点指代机器人所安装医疗手术工具的末端面的中心，根据工具尺寸即可计算出其相对于机器人第六关节末端的位置，完成设定，末端点所能工作的范围取决于两个方面，机器人与工具的物理尺寸、医疗手术所允许的安全范围，通过计算机器人与其所安装工具在医生所提出的安全工作边界内的临界状态，即通过开启基于末端力传感器反馈的末端拖动模式使机器人末端点抵达所划定边界，并在当前位置存档，由该点的六维信息得到空间虚拟墙，然后将虚拟墙的位置作为工作的安全范围约束条件之一，可以反复多设置多个虚拟墙，叠加生效；除了使用末端拖动模式，也可以通过导入准确的三维坐标，设置虚拟边界，约束机器人末端点的运动范围；根据获取的机器人末端点的位置信息和手术操作位置的安全范围信息计算出机器人末端点的工作区域安全边界机器人末端点接触力范围，再根据计算获取到的机器人末端点的工作区域安全边界机器人末端点接触力范围以及患者情况信息，生成适应患者手术的相应的机器人的操作速度、操作位置范围等手术操作指令给机器人，控制机器人进行手术操作；在机器人进行手术操作时，实时获取机器人末端点的操作反馈信息，进行及时分析，及时发送调整指令给机器人，及时调整机器人末端点的手术操作范围、操作速度、操作接触力等，及时有效的保证手术精准性，保证手术操作过程的安全性，同时提高手术效率，减小医生的手术操作压力。在进行手术操作时，可以将机器人的工作范围进行分级，分为安全区域、接近区域、禁入区域，在不同等级的区域内受到的阻碍效果不同，在保证安全的前提下尽可能的不影响手术进程，机器人正常工作时，如即将抵达所设的接近区域，则会开始减速，在抵达禁入区域的10ms内会完成制动，从而确保医疗机器人在工作时的抵达位置是可抵达的安全位置，避免伤人事故的发生。

在本发明的一些实施例中，该手术机器人的安全边界与力控制方法还包括以下步骤：

将机器人末端点的工作区域安全边界划分为多个平面；

将每个平面的参数信息通过六维坐标表示。

通过测量后得到机器人末端工具的尺寸与它允许活动的范围，根据机器人末端点的设定情况，计算出机器人末端点所能工作的空间区域，将空间区域的边界用多个平面组成，平面的参数用一个机器人末端系中的6维坐标表示，即位置(x,y,z)与方向(rx,ry,rz)，采用六维坐标进行表示，增加空间操作的准确性与全面性。

在本发明的一些实施例中，操作反馈信息包括操作速度、接触力信息、操作位置信息。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，实时获取并分析机器人末端点的操作反馈信息，生成并发送调整指令给机器人的方法包括以下步骤：

d1、实时获取机器人末端点的操作速度；

d2、将实时获取的机器人末端点的操作速度与预设的机器人末端点的正常操作速度进行对比，生成对比结果；

d3、根据对比结果生成并发送速度调整指令给机器人。

在手术操作过程中，实时获取机器人的操作速度，与预设的正常操作速度进行对比，当机器人的实时操作速度超出预设操作速度时，生成超速结果报告，根据超速结果报告实时的生成速度调整指令并发送给机器人，使得机器人一直保持在正常操作速度内，保证手术操作效果。

在本发明的一些实施例中，如图3所示，实时获取并分析机器人末端点的操作反馈信息，生成并发送调整指令给机器人的方法包括以下步骤：

a1、实时获取机器人末端点的操作位置信息；

a2、判断实时获取的机器人末端点的操作位置是否超出机器人末端点的工作区域安全边界，如果是，则进入步骤a3；如果否，则进入步骤a1；

a3、生成并发送位置调整指令给机器人。

实时的获取机器人末端点的操作位置信息，实时进行位置分析，当机器人操作位置超出机器人末端点的工作区域安全边界时，立即发送位置调整指令给机器人，及时的调整机器人末端点操作位置，保证手术正常进行，提高手术效率。

在本发明的一些实施例中，生成手术操作指令并发送给机器人的方法包括以下步骤：

通过机器人末端点的触力传感器获取机器人末端点的接触力信息；

获取并记录机器人末端点的拖动轨迹信息；

根据拖动轨迹信息，生成手术操作指令并发送给机器人。

利用末端触力传感器的力反馈信息，实现末端拖动功能，记录拖动过程中机器人的轨迹，然后由机器人在关节运动模式下进行复现。

在本发明的一些实施例中，生成手术操作指令并发送给机器人的方法包括以下步骤：

设定机器人的补偿重力和补偿摩擦力，使得机器人进入零力模式；

获取并记录机器人关节拨动运行轨迹以及所需时间；

根据机器人关节拨动运行轨迹以及所需时间生成手术操作指令并发送给机器人。

通过补偿机器人的重力和关节间摩擦力，使得机器人进入零力模式，零力模式指机器人的各个操作部件处于失重状态下的一个操作模式，即抵消掉了其受到重力的影响，类似太空失重的状态，使之机器人的各个关节都可以被轻易拨动，在被拨动的过程中，记录需要的时间段的轨迹，然后进行手术操作复现。

在本发明的一些实施例中，生成手术操作指令并发送给机器人的方法包括以下步骤：

设定机器人末端点的操作速度；

实时生成并发送机器人末端点操作速度操作指令给机器人。

在对机器人进行速度控制时，可直接进入末端速度指令模式，设定操作操作速度，实时的对机器人的末端运动进行控制。

在本发明的一些实施例中，该手术机器人的安全边界与力控制方法还包括以下步骤：

对获取的手术操作位置的安全范围进行分级处理，以得到安全区域范围、警示区域范围以及禁入区域范围。

将机器人的工作范围进行分级，在不同等级的区域内受到的阻碍效果不同，在保证安全的前提下尽可能的不影响手术进程，当机器人正常工作时，如即将抵达所设的警示区域范围，则会开始减速，在抵达禁入区域的10ms内会完成制动，从而确保医疗机器人在工作时的抵达位置是可抵达的安全位置，避免伤人事故的发生。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，该手术机器人的安全边界与力控制方法还包括以下步骤：

b1、获取机器人末端点的操作反馈信息；

b2、根据操作反馈信息中的机器人末端点的操作位置信息，判断是否超出机器人末端点的工作区域安全边界，如果是，则进入步骤b3；如果否，则进入步骤b1，重新获取机器人末端点的操作反馈信息；

b3、生成并发送预警提示信息。

实时的获取机器人末端点的操作反馈信息，根据操作反馈信息中的机器人末端点的操作位置信息判断是否超出机器人末端点的工作区域安全边界，如果超出工作区域安全边界，则立即生成并发送预警提示信息，进行预警提示，如果未超出工作区域安全边界，则重新获取机器人末端点的操作反馈信息。

在本发明的一些实施例中，如图5所示，该手术机器人的安全边界与力控制方法还包括以下步骤：

c1、获取机器人末端点的操作反馈信息；

c2、根据操作反馈信息中的机器人末端点的接触力信息，判断是否超出机器人末端点接触力范围，如果是，则进入步骤c3；如果否，则进入步骤c1，重新获取机器人末端点的操作反馈信息；

c3、生成并发送预警提示信息。

实时的获取机器人末端点的操作反馈信息，根据操作反馈信息中的机器人末端点的接触力信息，判断是否超出机器人末端点接触力范围，如果超出末端点接触力范围，如因为医疗人员的误操作导致机器人末端碰到某不应接触的物体，则立即生成并发送预警提示信息，进行预警提示，再基于力反馈进行即时调整，当末端6维接触力达到所设定的限制时则会驱动机器人向力/力矩减小的方向移动；如果未超出末端点接触力范围，则重新获取机器人末端点的操作反馈信息，重新进行检测判断。

综上，本发明的实施例提供一种手术机器人的安全边界与力控制方法，通过测量获取机器人与手术工具的物理尺寸信息以及手术操作位置的安全范围信息，根据机器人与手术工具的物理尺寸信息以及手术操作位置的安全范围信息，设定机器人的末端点的位置，机器人的末端点指代机器人所安装医疗手术工具的末端面的中心，根据工具尺寸即可计算出其相对于机器人第六关节末端的位置，完成设定，末端点所能工作的范围取决于两个方面，机器人与工具的物理尺寸、医疗手术所允许的安全范围，通过计算机器人与其所安装工具在医生所提出的安全工作边界内的临界状态，即通过开启基于末端力传感器反馈的末端拖动模式使机器人末端点抵达所划定边界，并在当前位置存档，由该点的六维信息得到空间虚拟墙，然后将虚拟墙的位置作为工作的安全范围约束条件之一，可以反复多设置多个虚拟墙，叠加生效；除了使用末端拖动模式，也可以通过导入准确的三维坐标，设置虚拟边界，约束机器人末端点的运动范围；根据获取的机器人末端点的位置信息和手术操作位置的安全范围信息计算出机器人末端点的工作区域安全边界机器人末端点接触力范围，再根据计算获取到的机器人末端点的工作区域安全边界机器人末端点接触力范围以及患者情况信息，生成适应患者手术的相应的机器人的操作速度、操作位置范围等手术操作指令给机器人，控制机器人进行手术操作；在机器人进行手术操作时，实时获取机器人末端点的操作反馈信息，进行及时分析，及时发送调整指令给机器人，及时调整机器人末端点的手术操作范围、操作速度、操作接触力等，及时有效的保证手术精准性，保证手术操作过程的安全性，同时提高手术效率，减小医生的手术操作压力。在进行手术操作时，可以将机器人的工作范围进行分级，分为安全区域、接近区域、禁入区域，在不同等级的区域内受到的阻碍效果不同，在保证安全的前提下尽可能的不影响手术进程，机器人正常工作时，如即将抵达所设的接近区域，则会开始减速，在抵达禁入区域的10ms内会完成制动，从而确保医疗机器人在工作时的抵达位置是可抵达的安全位置，避免伤人事故的发生。实时的获取机器人末端点的操作反馈信息，根据操作反馈信息中的机器人末端点的操作位置信息或者接触力信息判断是否超出机器人末端点的工作区域安全边界或接触力范围，如果超出，则立即生成并发送预警提示信息，进行预警提示，如果未超出，则重新获取机器人末端点的操作反馈信息，及时进行反馈，预警提示，使得可及时调整手术操作，保证手术安全。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。