专利名称：手术机器人的控制方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及遥操作控制技术，特别是涉及一种手术机器人的控制方法和系统。
背景技术：
各种医疗手术中医生必须全程參与，长时间地站立于病人周围直到手术结束。耗时较长的手术会耗费医生大量的精力，使得医生产生疲劳，并由此导致医生的手臂发生颤动，进而影响手术的安全性。随着各种各样机器人的迅猛发展，针对各种不同应用场景的机器人控制方法也随之应运而生，例如，利用探測到人对机器人手臂的碰撞来控制机器人做出对应的动作。由于不同应用场景所面临的环境以及控制要求不同，对机器人的控制方法也不同。而因医疗手术对安全性要求较高，使得手术机器人在医疗手术中的应用大大地受到限制。
发明内容
基于此，提供一种能提高安全性的手术机器人的控制方法。此外，还有必要提供一种能提高安全性的手术机器人的控制系统。一种手术机器人的控制方法，包括如下步骤对手术机器人的末端执行器和患者进行定位分别得到末端执行器当前位置和患者所在位置；根据患者所在位置以及患者图像进行运算得到所述末端执行器以当前位置为起始，以作业点为目标的运动轨迹；根据所述作业点和末端执行器当前位置调整所述运动轨迹得到运动路径；按照所述运动路径驱动所述末端执行器。在其中一个实施例中，所述按照所述运动路径驱动所述末端执行器的步骤之前还包括通过拖拽操作触发采集施力信息；处理所述施カ信息，并映射为所述末端执行器的运动指令；根据所述作业点和患者所在位置将所述运动指令生成运动路径。在其中一个实施例中，所述对手术机器人的末端执行器和患者进行定位分别得到末端执行器当前位置和患者所在位置的步骤为分别采集所述末端执行器和患者中标记的图像；根据所述标记的图像计算出末端执行器当前位置和患者所在位置。在其中一个实施例中，所述根据患者所在位置以及患者图像进行运算得到所述末端执行器以当前位置为起始，以作业点为目标的运动轨迹的步骤为获取患者图像，将所述患者图像与患者中的标记进行配准处理得到所述患者中的标记在所述患者图像中的位置；通过所述配准得到的位置、患者所在位置以及末端执行器当前位置进行运算得到所述末端执行器与患者之间的相对位置关系；根据所述相对位置关系生成以当前位置为起始，以作业点为目标的运动轨迹。在其中一个实施例中，所述施カ信息为カ和カ矩,所述处理所述施カ信息,并映射为所述末端执行器的运动指令的步骤为去除所述カ和力矩中零偏和重力的干扰，井根据预设比例映射为末端执行器的速度，按照所述速度生成运动指令。一种手术机器人的控制系统，包括定位装置，用于对手术机器人的末端执行器和患者进行定位分别得到末端执行器当前位置和患者所在位置；主动控制装置，用于根据患者所在位置以及患者图像进行运算得到所述末端执行 器以当前位置为起始，以作业点为目标的运动轨迹；路径生成装置，用于根据所述作业点和末端执行器当前位置调整所述运动轨迹得到运动路径；驱动装置，用于按照所述运动路径驱动所述末端执行器。在其中一个实施例中，还包括力反馈设备，用于通过拖拽操作触发采集施力信息；被动控制装置，用于处理所述施カ信息，并映射为所述末端执行器的运动指令；所述路径生成装置还用于根据所述作业点和患者所在位置将所述运动指令生成运动路径。在其中一个实施例中，所述定位装置包括图像采集模块，用于分别采集所述末端执行器和患者中标记的图像；识别模块，用于根据所述标记的图像计算出末端执行器当前位置和患者所在位置。在其中一个实施例中，所述主动控制装置包括配准处理模块，用于获取患者图像，将所述患者图像与患者中的标记进行配准处理得到所述患者中的标记在所述患者图像中的位置；运算模块，用于通过所述配准得到的位置、患者所在位置以及末端执行器当前位置进行运算得到所述末端执行器与患者之间的相对位置关系；轨迹生成模块，用于根据所述相对位置关系生成以当前位置为起始，以作业点为目标的运动轨迹。在其中一个实施例中，所述施カ信息为カ和カ矩，所述被动控制装置还用于去除所述カ和力矩中零偏和重力的干扰，井根据预设比例映射为末端执行器的速度，按照所述速度生成运动指令。上述手术机器人的控制方法和系统，首先对手术机器人的末端执行器和患者进行定位得到作业点和患者所在位置，结合患者图像进行运算得到以作业点为起始的运动轨迹，并对运动轨迹进行调整，以保证末端执行器在按照运动轨迹进行运动的过程中为会碰到患者身体，提高了安全性，在手机机器人的作用下避免医生长时间手术操作引起疲劳。
图I为ー个实施例中手术机器人的控制方法的流程图；图2为图I中对手术机器人的末端执行器和患者进行定位分别得到末端执行器当前位置和患者所在位置的方法流程图；图3为图I中根据患者所在位置以及患者图像进行运算得到末端执行器以当前位置为起始，以作业点为目标的运动轨迹；图4为ー个实施例中末端执行器与患者之间相对位置关系的原理图；图5为ー个实施例中末端执行器中手术器械和患者身体之间发生碰撞的示意图；图6为ー个实施例中运动路径的示意
图7为另ー个实施例中手术机器人的控制方法的流程图；图8为ー个实施例中力反馈设备的拖拽操作示意图；图9为ー个实施例中手术机器人的控制系统的结构示意图；图10为图9中定位装置的结构示意图；图11为图9中主动控制装置的结构示意图；图12为另ー个实施例中手术机器人的控制系统的结构示意图。
具体实施例方式如图I所示，在一个实施例中，一种手术机器人的控制方法，包括如下步骤步骤S110，对手术机器人的末端执行器和患者进行定位分别得到末端执行器当前位置和患者所在位置。本实施例中，手术机器人的末端执行器用于通过各种运动完成以患者为对象的医疗手术，是医疗手术的直接执行者，其上根据需要设置了各种手术器械。对末端执行器和患者进行定位以得到当前所在的位置。如图2所示，在一个实施例中，上述步骤SllO包括如下步骤步骤S111，分别采集末端执行器和患者中标记的图像。本实施例中，末端执行器和患者均附帯有标记，用于标定位置。该标记可以是涂覆于末端执行器和患者的身体上的反光材料。通过对末端执行器和患者进行拍摄得到末端执行中标记的图像以及患者中标记的图像。具体的，用于进行图像拍摄的装置可以是红外摄像头，相应的，作为标记的反光材料则必须能够反射红外光。标记的图像中标记所对应的点将売于周围环境。步骤S113，根据标记的图像计算出末端执行器当前位置和患者所在位置。本实施例中，对标记的图像进行位置计算以得到末端执行器当前位置和患者所在位置。具体的，末端执行器所附帯的标记是固定于末端执行器上的，相应的，患者所附帯的标记也是固定于患者身上的，并且可以得到患者所附帯的标记在患者图像中对应的位置，因此，可根据坐标变换得到末端执行器当前位置和患者所在位置。步骤S130，根据患者所在位置以及患者图像进行运算得到末端执行器以当前位置为起始，以作业点为目标的运动轨迹。本实施例中，作业点是患者身体上需要实施的手术的位置。通过坐标变换可以计算出末端执行器中手术器械当前位置和患者所在位置之间的相对位置，并结合患者图像精确得出手术机器人以作业点为目标，从当前位置运动到作业点所对应的运动轨迹。
如图3所示，在一个实施例中，上述步骤S130包括如下步骤步骤S131，获取患者图像，将患者图像与患者中的标记进行配准处理得到患者中的标记在患者图像中的位置。本实施例中，对患者进行医学成像扫描得到相应的患者图像，该患者图像可以是CT图像，也可以是磁共振图像等形式。为进ー步提高手术的精准性，还可对扫描得到的患者图像进行三维图像重建，使得后续过程中能够更为精准地借助患者图像实施医疗手木。将患者图像与患者所附帯的标记进行配准，使得患者所附帯的标记与患者图像中的某一位置对应。步骤S133，通过配准得到的位置、患者所在位置以及末端执行器当前位置进行运算得到末端执行器与患者之间的相对位置关系。
本实施例中，如图4所示，末端执行器401中手术器械的位置和患者404所在位置之间的相对位置关系tm1T1di可通过如下公式计算得到loolTlffl = tp0Ttoo1-1 娜T 1 caffiTppo ppoTlffl 其中，tpoTtoo1是末端执行器401所对应的坐标系到末端执行器附帯的标记402所对应的坐标系之间的转换矩阵np。是末端执行器附帯的标记402所对应的坐标系到图像拍摄装置403坐标系之间的转换矩阵广mTPP。是患者附帯的标记405所对应的坐标系到图像拍摄装置403坐标系之间的转换矩阵；PP°TIm是患者图像406坐标系到患者附帯的标记405所对应的坐标系之间的转换矩阵。步骤S135，根据相对位置关系生成以当前位置为起始，以作业点为目标的运动轨迹。本实施例中，根据相关位置关系进行运算得得到末端执行器中手术器械到作业点所对应的运动轨迹。步骤S150，根据作业点和末端执行器当前位置调整运动轨迹得到运动路径。本实施例中，运算得到的运动轨迹为末端执行器中手术器械到患者所进行手术的部位，即作业点之间的直线轨迹，因此，如图5所示，若按此直线轨迹进行末端执行器运动将可能发生末端执行器中手术器械和患者身体之间的碰撞，进而造成患者受伤，如图6所示，需对运动轨迹进行调整，使得末端执行器在运动的过程中避免与患者身体发生碰撞，提高手术机器人控制过程中的安全性。步骤S170，按照运动路径驱末端执行器。本实施例中，根据运动路径通过机器人运动学的逆解计算得到手术机器人各关节所应转动的角度等驱动參数，进而使得末端执行器能够依次按照运动路径进行运动。上述手术机器人的控制方法，通过对手术机器人的末端执行器和患者进行主动定位得到末端执行器当前位置和患者所在位置，进而运算得到以作业点为目标的运动轨迹，并按照调整运动轨迹所得到的运动路径控制末端执行器的运动，以完成末端执行器中手术器械对患者进行的医疗手术，实现了手术机器人的主动控制。如图7所示，在另ー个实施例中，上述步骤S170之前还包括如下步骤步骤S210，通过拖拽操作触发采集施力信息。本实施例中，在对カ反馈设备进行拖拽操作时，采集拖拽操作过程中施加于カ反馈设备中的施力信息。
步骤S230，处理施力信息，并映射为末端执行器的运动指令。本实施例中，对采集到的施力信息进行处理，以剔除施力信息中的干扰因素，进而将处理后的施力信息映射为末端执行器的运动指令，使得手术机器人柔顺地随着拖拽进行运动，实现手术机器人在被动控制过程的柔顺控制。在一个实施例中，施力信息为カ和カ矩，上述步骤S230的具体过程为去除力和力矩中零偏和重力的干扰，井根据预设比例映射为末端执行器的速度，按照速度生成运动指令。本实施例中，在去除了拖拽操作过程中力和力矩的零偏和重力干扰之后，按照预设比例将采集得到的力和カ矩折算为末端执行器中的速度，并生成与拖拽操作相对应的运动指令，用于按照力反馈设备中的拖拽轨迹、力和力矩得到控制手术机器人从当前位置到 作业点的直线轨迹，实现手术机器人的准确操控。步骤S250，根据作业点和患者所在位置将所述运动指令生成运动路径。本实施例中，对运动指令进行调整生成运动路径，进而避免末端执行器在运动的过程中与患者身体发生碰撞。在一个实施例中，如图8所示，通过对カ反馈设备801的拖拽操作使得末端执行器803跟随拖拽操作进行运动，实现了手术机器人的被动控制。上述手术机器人的控制方法中，通过触发的拖拽操作进行手术机器人的被动控制，在不存在拖拽操作的输入时，可通过主动控制来完成医疗手术，手术机器人中主动控制和被动控制的结合大大地提高了灵活性。在优选的实施例中，上述手术机器人为脊柱手术机器人，用于为患者实施脊柱手木。具体地，获取患者图像，将其扫描到计算机中进行三维图像重建。手术机器人初始化之后，采集到力反馈设备中医生的拖拽操作，此时末端执行器按照拖拽操作运动到患者进行手术的部位。此时，手术机器人将进入主动控制模式，采集末端执行器和患者中标记的图像，进行主动定位得到患者所在位置和末端执行器的作业点。医生可通过监控手术机器人的运动检查手术机器人的动作是否符合手术要求，若是，则末端执行器对患者的脊柱钻孔。在完成钻孔之后，若整个脊柱手术结束，则复位机器人，在患者的脊柱中植入骨针井清理创ロ，再对创ロ进行缝合。如图9所示，在一个实施例中，一种手术机器人的控制系统，包括定位装置110、主动控制装置130、路径生成装置150以及驱动装置170。定位装置110，用于对手术机器人的末端执行器和患者进行定位分别得到末端执行器当前位置和患者所在位置。本实施例中，手术机器人的末端执行器用于通过各种运动完成以患者为对象的医疗手术，是医疗手术的直接执行者，其上根据需要设置了各种手术器械。定位装置110对末端执行器和患者进行定位以得到当前所在的位置。如图10所示，在一个实施例中，上述定位装置110包括图像采集模块111以及识别模块113。图像采集模块111，用于分别采集末端执行器和患者中标记的图像。本实施例中，末端执行器和患者均附帯有标记，用于标定位置。该标记可以是涂覆于末端执行器和患者身体上的反光材料。图像采集模块111通过对末端执行器和患者进行拍摄得到末端执行中标记的图像以及患者中标记的图像。具体的，用于图像采集模块111可以是红外摄像头，相应的，作为标记的反光材料则必须能够反射红外光。标记的图像中标记所对应的点将売于周围环境。识别模块113，用于根据标记的图像计算出末端执行器当前位置和患者所在位置。本实施例中，识别模块113对标记的图像进行位置计算以得到末端执行器当前位置和患者所在位置。具体的，末端执行器所附帯的标记是固定于末端执行器上的，相应的，患者所附帯的标记也是固定于患者身上的，并且可以得到患者所附帯的标记在患者图像中对应的位置，因此，识别模块113可根据坐标变换得到末端执行器当前位置和患者所在位置。主动控制装置130，用于根据患者所在位置以及患者图像进行运算得到末端执行 器以当前位置为起始，以作业点为目标的运动轨迹。本实施例中，主动控制装置130通过坐标变换可以计算出末端执行器中手术器械的位置和患者所在位置之间的相对位置，并结合患者图像精确得出手术机器人以作业点为目标，从当前位置运动到作业点所对应的运动轨迹。如图11所示，在一个实施例中，上述主动控制装置130包括配准处理模块131、运算模块133以及轨迹生成模块135。配准处理模块131，用于获取患者图像，将患者图像与患者中的标记进行配准处理得到患者中的标记在患者图像中的位置。本实施例中，对患者进行医学成像扫描得到相应的患者图像，该患者图像可以是CT图像，也可以是磁共振图像等形式。为进ー步提高手术的精准性，还可对扫描得到的患者图像进行三维图像重建，使得后续过程中能够更为精准地借助患者图像实施医疗手木。配准处理模块131将患者图像与患者所附帯的标记进行配准，使得患者所附帯的标记与患者图像中的某一位置对应。运算模块133，用于通过配准得到的位置、患者所在位置以及末端执行器当前位置进行运算得到末端执行器与患者之间的相对位置关系。本实施例中，末端执行器中手术器械的位置和患者所在位置之间的相对位置关系loolTlffl可通过如下公式计算得到loolTlffl = tp0Ttoo1-1 camTiro1 camTppo ppoTlffl其中，tpoTtoo1是末端执行器所对应的坐标系到末端执行器附帯的标记所对应的坐标系之间的转换矩阵广mTTP。是末端执行器附帯的标记所对应的坐标系到图像拍摄装置坐标系之间的转换矩阵广mTPP。是患者附帯的标记所对应的坐标系到图像拍摄装置坐标系之间的转换矩阵；PP°TIm是患者图像坐标系到患者附帯的标记所对应的坐标系之间的转换矩阵。轨迹生成模块135，用于根据相对位置关系生成以当前位置为起始，以作业点为目标的运动轨迹。本实施例中，轨迹生成模块135根据相关位置关系进行运算得得到末端执行器中手术器械到作业点所对应的运动轨迹。路径生成装置150，用于根据作业点和末端执行器当前位置调整运动轨迹得到运动路径。本实施例中，运算得到的运动轨迹为末端执行器中手术器械到患者所进行手术的部位，即作业点之间的直线轨迹，因此，若按此直线轨迹进行末端执行器运动将可能发生末端执行器中手术器械和患者身体之间的碰撞，进而造成患者受伤，需路径生成装置150对运动轨迹进行调整，使得末端执行器在运动的过程中避免与患者身体发生碰撞，提高手术机器人控制过程中的安全性。驱动装置170，用于按照运动路径驱动末端执行器。本实施例中，驱动装置170根据运动路径通过机器人运动学的逆解计算得到手术机器人各关节所应转动的角度等驱动參数，进而使得末端执行器能够依次按照运动路径进行运动。上述手术机器人的控制系统，通过对手术机器人的末端执行器和患者进行主动定位得到末端执行器当前位置和患者所在位置，进而运算得到以作业点为目标的运动轨迹， 并按照调整运动轨迹所得到的运动路径控制末端执行器的运动，以完成末端执行器中手术器械对患者进行的医疗手术，实现了手术机器人的主动控制。如图12所示，在另ー个实施例中，上述手术机器人的控制系统还包括力反馈设备210以及被动控制装置230。力反馈设备210，用于通过拖拽操作触发采集施力信息。本实施例中，在对カ反馈设备210进行拖拽操作时，采集拖拽操作过程中施加于力反馈设备210中的施力信息。被动控制装置230，用于处理施力信息，并映射为末端执行器的运动指令。本实施例中，被动控制装置230对采集到的施力信息进行处理，以剔除施力信息中的干扰因素，进而将处理后的施力信息映射为末端执行器的运动指令，使得手术机器人柔顺地随着拖拽进行运动，实现手术机器人在被动控制过程的柔顺控制。在一个实施例中，施力信息为カ和カ矩,上述被动控制装置230还用于去除力和力矩中零偏和重力的干扰，井根据预设比例映射为末端执行器的速度，按照速度生成运动指令。本实施例中，在去除了拖拽操作过程中力和力矩的零偏和重力干扰之后，被动控制装置230按照预设比例将采集得到的力和カ矩折算为末端执行器中的速度，并生成与拖拽操作相对应的运动指令，用于按照力反馈设备中的拖拽轨迹、力和カ矩得到控制手术机器人从当前位置到作业点的直线轨迹，实现手术机器人的准确操控。路径生成装置150还用于根据作业点和患者所在位置将运动指令生成运动路径。本实施例中，路径生成装置150对运动指令进行调整生成运动路径，进而避免末端执行器在运动的过程中与患者身体发生碰撞。上述手术机器人的控制方法和系统，首先对手术机器人的末端执行器和患者进行定位得到作业点和患者所在位置，结合患者图像进行运算得到以作业点为起始的运动轨迹，并对运动轨迹进行调整，以保证末端执行器在按照运动轨迹进行运动的过程中为会碰到患者身体，提高了安全性，在手机机器人的作用下避免医生长时间手术操作引用疲劳。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要 求为准。
权利要求
1.一种手术机器人的控制方法，包括如下步骤 对手术机器人的末端执行器和患者进行定位分别得到末端执行器当前位置和患者所在位置； 根据患者所在位置以及患者图像进行运算得到所述末端执行器以当前位置为起始，以作业点为目标的运动轨迹； 根据所述作业点和末端执行器当前位置调整所述运动轨迹得到运动路径； 按照所述运动路径驱动所述末端执行器。
2.根据权利要求I所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，所述按照所述运动路径驱动所述末端执行器的步骤之前还包括 通过拖拽操作触发采集施力信息； 处理所述施力信息，并映射为所述末端执行器的运动指令； 根据所述作业点和患者所在位置将所述运动指令生成运动路径。
3.根据权利要求I所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，所述对手术机器人的末端执行器和患者进行定位分别得到末端执行器当前位置和患者所在位置的步骤为 分别采集所述末端执行器和患者中标记的图像； 根据所述标记的图像计算出末端执行器当前位置和患者所在位置。
4.根据权利要求3所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，所述根据患者所在位置 以及患者图像进行运算得到所述末端执行器以当前位置为起始，以作业点为目标的运动轨迹的步骤为 获取患者图像，将所述患者图像与患者中的标记进行配准处理得到所述患者中的标记在所述患者图像中的位置； 通过所述配准得到的位置、患者所在位置以及末端执行器当前位置进行运算得到所述末端执行器与患者之间的相对位置关系； 根据所述相对位置关系生成以当前位置为起始，以作业点为目标的运动轨迹。
5.根据权利要求2所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，所述施力信息为力和力矩，所述处理所述施力信息，并映射为所述末端执行器的运动指令的步骤为 去除所述力和力矩中零偏和重力的干扰，并根据预设比例映射为末端执行器的速度，按照所述速度生成运动指令。
6.—种手术机器人的控制系统,其特征在于,包括 定位装置，用于对手术机器人的末端执行器和患者进行定位分别得到末端执行器当前位置和患者所在位置； 主动控制装置，用于根据患者所在位置以及患者图像进行运算得到所述末端执行器以当前位置为起始，以作业点为目标的运动轨迹； 路径生成装置，用于根据所述作业点和末端执行器当前位置调整所述运动轨迹得到运动路径； 驱动装置，用于按照所述运动路径驱动所述末端执行器。
7.根据权利要求6所述的手术机器人的控制系统，其特征在于，还包括 力反馈设备，用于通过拖拽操作触发采集施力信息； 被动控制装置，用于处理所述施力信息，并映射为所述末端执行器的运动指令；所述路径生成装置还用于根据所述作业点和患者所在位置将所述运动指令生成运动路径。
8.根据权利要求6所述的手术机器人的控制系统，其特征在于，所述定位装置包括 图像采集模块，用于分别采集所述末端执行器和患者中标记的图像； 识别模块，用于根据所述标记的图像计算出末端执行器当前位置和患者所在位置。
9.根据权利要求8所述的手术机器人的控制系统，其特征在于，所述主动控制装置包括 配准处理模块，用于获取患者图像，将所述患者图像与患者中的标记进行配准处理得到所述患者中的标记在所述患者图像中的位置； 运算模块，用于通过所述配准得到的位置、患者所在位置以及末端执行器当前位置进行运算得到所述末端执行器与患者之间的相对位置关系； 轨迹生成模块，用于根据所述相对位置关系生成以当前位置为起始，以作业点为目标的运动轨迹。
10.根据权利要求7所述的手术机器人的控制系统，其特征在于，所述施力信息为力和力矩，所述被动控制装置还用于去除所述力和力矩中零偏和重力的干扰，并根据预设比例映射为末端执行器的速度，按照所述速度生成运动指令。
全文摘要
本发明提供了一种手术机器人的控制方法和系统。所述方法包括对手术机器人的末端执行器和患者进行定位分别得到末端执行器当前位置和患者所在位置；根据患者所在位置以及患者图像进行运算得到末端执行器以当前位置为起始，以作业点为目标的运动轨迹；根据作业点和末端执行器当前位置调整运动轨迹得到运动路径；按照运动路径驱动末端执行器。所述系统包括定位装置、主动控制装置、路径生成装置以及驱动装置。采用本发明提高了手术机器人的安全性。
文档编号G05D3/00GK102768541SQ20121013265
公开日2012年11月7日 申请日期2012年4月28日 优先权日2012年4月28日
发明者张建伟, 张朋, 田伟, 胡颖, 郑小丽, 靳海洋 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院