具有人机协同功能的开颅手术机器人系统的制作方法

本发明涉及医疗机器人技术领域，特别是涉及一种具有人机协同功能的开颅手术机器人系统。

背景技术：

医生再进行开颅手术时，无法直视颅骨和脑膜之间的区域，完全凭借医生的手术经验，同时由于手部的震颤不可避免的会造成铣削轨迹的误差，操作不当容易破坏脑膜产生脑组织损伤。因此在进行开颅手术时，需要有经验的医生来进行开颅手术操作，对医生具有较高的要求。

现在商业化的手术机器人多应用在腹腔镜手术、神经外科立体定向手术和关节置换手术当中。比如说达芬奇手术机器人主要用在腹腔镜手术当中，rosa手术机器人主要用在脑部神经手术，mako手术机器人主要是用在关节置换手术当中。同时，以上手术机器人在手术过程中也没有加入力反馈功能，医生在操作过程中完全凭借自己的经验，不能形成直接的力感知，容易产生误操作的风险。

现在的神经外科手术机器人都是通过术前手术规划，操纵机器人运动到设定的位置，从而实现立体定向手术，整个过程由机器人自己运动。而开颅手术机器人由于操作复杂，手术中需要进行骨膜和颅骨的分离，同时还要灵活的由医生用手操纵机器人在选取的骨窗位置进行开孔操作，需要采用人机协作的方式来操控机器人。因此为了解决以上机器人存在的技术难题，同时结合开颅的技术特点，需要开发一款开颅手术机器人。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有人机协同功能的开颅手术机器人系统，保证操作者可以自由拖动手术机器人在工作空间内运动。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种具有人机协同功能的开颅手术机器人系统，包括人机协同控制器，所述人机协同控制器包括导纳控制单元、位置控制单元和力矩控制单元；所述导纳控制单元的输入为外部施加的力矩和关节当前角度位置，用于输出关节运动角度变化量；所述位置控制单元的输入为所述关节运动角度变化量，用于输出关节运动速度；所述力矩控制单元的输入为所述关节运动速度，用于产生关节电机力矩；其中，所述外部施加的力矩越大所述导纳控制单元产生的关节运动角度变化量越大。

所述的具有人机协同功能的开颅手术机器人系统还包括钻孔安全保护控制器，所述钻孔安全保护控制器的输入为钻/铣颅骨过程中钻孔力，当f钻n+1-f钻n＜α并且钻孔的深度达到预测值h时控制机器人停止钻孔方向的移动，其中，f钻n+1为n+1时刻的钻孔力，f钻n为n时刻的钻孔力，α为钻孔力的临界阈值。

所述的具有人机协同功能的开颅手术机器人系统还包括手术操作意图辨识控制器，所述手术操作意图辨识控制器的输入为执行器采集到的操作力，当df＜0时，控制机器人沿着轨迹方向做加速运动，当df＞0时，控制机器人沿着轨迹方向做减速运动，其中，表示操作力微分，f合n+1表示n+1时刻的操作力信息，f合n表示n时刻的操作力信息，t表示操作力的单位采集周期。

所述的具有人机协同功能的开颅手术机器人系统还包括安全边界控制器，所述安全边界控制器用于在非手术区域设定机器人运动空间范围保证机器人在限定的工作空间范围内自由拖动，当机器人离工作范围边界小于安全值时，控制机器人增加运动阻抗，当机器人到达边界值时，控制机器人停止运动。

所述的具有人机协同功能的开颅手术机器人系统还包括防碰撞控制器，所述防碰撞控制器的输入为关节力矩变化量，当突然有外在的冲击力时，控制机器人停止运动。

所述的具有人机协同功能的开颅手术机器人系统还包括防颤抖控制器，所述防颤抖控制器用于过滤操作者的手部抖动信息。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明可以减少医生在开颅手术操作时的工作强度；通过安全边界控制可以保证机器人末端电钻沿着术前规划的轨迹进行运动，可以实现精确的骨窗开窗操作；通过加入力反馈控制，可以保证实现精准的开颅钻孔同时不伤及骨膜。通过防碰撞功能可以防止外来撞击带来的危害，保证手术的安全。机器人的防颤抖功能可以实现机器人的稳定操作，消除了手部震颤带来的危害。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中人机协同控制器的原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种具有人机协同功能的开颅手术机器人系统，包括人机协同控制器、钻孔安全保护控制器、手术操作意图辨识控制器、安全边界控制器、防碰撞控制器和防颤抖控制器。

本实施方式中机器人的协同控制采用导纳控制代替传统机器人控制中采用的阻抗控制，所述人机协同控制器包括导纳控制单元、位置控制单元和力矩控制单元；所述导纳控制单元的输入为外部施加的力矩和关节当前角度位置，用于输出关节运动角度变化量；所述位置控制单元的输入为所述关节运动角度变化量，用于输出关节运动速度；所述力矩控制单元的输入为所述关节运动速度，用于产生关节电机力矩。

机器人的导纳控制原理如图2所示，令导纳控制单元mq+bq+kq＝τext，经过拉普拉斯变换可以得到(ms²+bs+k)q(s)＝t(s)，导纳函数为：或者q(s)＝y(s)t(s)，因此δq＝yδτ。

图2中，τs为机器人关节力矩；τm为关节电机力矩；q为关节运动角度；v为关节运动速度，g(q)为重力补偿；m为导纳控制单元的惯性系数；b为导纳控制单元的阻尼系数；k为导纳控制单元的刚度系数。

通过机器人关节上的力矩传感器测量关节的力矩τs，外部施加的力矩τext，当前关节角度位置q，利用导纳控制得到在导纳控制下得到位置控制器的输入δq，即关节角度变化量，以达到指定的位置。在导纳控制中，外力越大，产生的δq越大，速度v响应就越快，因此使用导纳控制建立交互力和输出速度的关系，弥补了阻抗控制在机器人控制中不能实现柔顺控制的不足，根据机器人末端操作力变化，实时的调节机器人的速度变化，更利于实现人机协同控制。

在机器人执行器末端法兰盘和开颅电钻上分别安装了六维力传感器，可以实时检测在钻/铣颅骨过程中钻孔力的变化。利用骨头骨密质和骨松质的特性，在钻骨密质时需要较大的钻孔力，在骨松质则只需要较小的钻孔力就可以，因此在钻孔过程中会形成力的“m”形变化规律，通过设定钻孔力的临界阈值α和对钻孔深度h预测控制可以实现钻孔过程中的安全保护。本实施方式的所述钻孔安全保护控制器的输入为钻/铣颅骨过程中钻孔力，当|f钻n+1-f钻n|＜α并且钻孔的深度达到预测值h时(即表示达到机器人钻孔的边界范围)控制机器人停止往下移动，从而保证手术机器人在钻透颅骨时不会再发生移动，以免对骨膜造成损害。其中，f钻n+1为n+1时刻的钻孔力，f钻n为n时刻的钻孔力，α为钻孔力的临界阈值。

通过使用执行器末端的操作力微分和器械速度方向相融合方法，实现手术操作意图辨识，其中通过安装在末端执行器腕部的六维力传感器进行操作力的采集。本实施方式中的手术操作意图辨识控制器的输入为执行器采集到的操作力，当df＜0时，控制机器人沿着轨迹方向做加速运动，当df＞0时，控制机器人沿着轨迹方向做减速运动，其中，表示操作力微分，f合n+1表示n+1时刻的操作力信息，f合n表示n时刻的操作力信息，t表示操作力的单位采集周期。通过该手术操作意图辨识控制器可以在轨迹规划的范围内给医生提供力辅助，保证医生能够轻松的拖动机器人沿着规划的开颅路径进行运动。手术过程通过视觉和触觉的结合可以辅助操作者更容易的完成手术并减少失误率。

本实施方式中的安全边界控制器提出了手术机器人的安全边界控制，根据术前的轨迹规划确定手术的边界安全控制并确定轨迹运动误差，在非手术区域设定机器人运动空间范围保证机器人在限定的工作空间范围内自由拖动，当机器人离工作范围边界小于安全值时，控制机器人增加运动阻抗，当机器人到达边界值时，控制机器人停止运动。同时提供重力补偿功能，保证当医生停止机器人拖拽时，机器人可以随时停止运动并保持姿态不变，不会发生机械臂下垂，产生不必要的风险。在手术区域保证机器人能够按照规划轨迹实现精确位置定位和提供手术助力的轨迹辅助引导，使医生容易操作机器人进行铣削操作，同时设定轨迹误差范围，保证误差小于1mm，当超出轨迹误差范围时则机器人会发出报警并同时停止误差方向移动。

为了防止外在的意外碰撞对患者带来伤害，本实施方式的防碰撞控制器通过机器人各关节自带的力矩传感器进行力矩变化检测，当突然有外在的冲击力时，则机器人停止运动，防止对病人产生伤害。同时，本实施方式的防颤抖控制器可以将操作者手部抖动进行过滤，保证手术的精准。

不难发现，本发明可以减少医生在开颅手术操作时的工作强度；通过安全边界控制可以保证机器人末端电钻沿着术前规划的轨迹进行运动，可以实现精确的骨窗开窗操作；通过加入力反馈控制，可以保证实现精准的开颅钻孔同时不伤及骨膜。通过防碰撞功能可以防止外来撞击带来的危害，保证手术的安全。机器人的防颤抖功能可以实现机器人的稳定操作，消除了手部震颤带来的危害。