穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法及设备与流程

本发明涉及手术机器人领域，具体涉及一种穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法及设备。

背景技术：

1、在穿刺手术中，由于人手的定位精度有限，且无法避免抖动的问题，而机械臂可以很好地弥补这些缺陷，因此越来越多的机械臂被应用到穿刺手术中，它具有灵活的机械臂结构和精确的控制系统，该机械臂通常由多个关节和执行器组成，以模拟人手的动作和灵活性。穿刺手术机械臂的主要任务是完成准确的穿刺操作，为医生提供稳定而精确的手术工具。它可以在医生的指导下，通过执行器和关节实现细致而精确的动作，以完成手术中需要的穿刺动作。机械臂可以被程序化，使其能够执行预先设定的运动序列，以满足手术的需求。

2、但是在使用机械臂进行自主穿刺时，会对机械臂的运动轨迹进行跟踪控制，但在运动过程中会受到穿刺针及固定装置的重力干扰，传感器的测量精度和可靠性太差，导致机械臂的预设的运动轨迹不准确，穿刺位置达不到期望位置，因此，使得机械臂具备向穿刺力方向输出稳定且可控的恒力是十分重要的。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明一方面提供了一种穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法，穿刺手术机器人包括机械臂、力传感器和用于固定穿刺针的机械臂末端，所述方法包括：

2、获取机械臂末端坐标系相对于机械臂的基坐标系的姿态，以及所述力传感器输出的力和力矩；

3、根据负载质心在力传感器坐标系下的坐标、负载重力和姿态计算当前姿态下负载在力传感器坐标系下机械臂末端的重力和重力矩；

4、根据零漂、力和力矩、重力和重力矩计算所述穿刺针在力传感器坐标系下对人体施加的穿刺力；

5、获取用户输入的期望数据和当前控制周期的基础数据；

6、根据所述穿刺力和所述期望数据计算当前控制周期的基坐标系下的加速度；

7、根据所述基坐标系下的加速度和所述基础数据计算当前控制周期的基坐标系下的速度；

8、根据所述基坐标系下的速度计算当前控制周期的基坐标系下所述机械臂末端的期望移动位置。

9、可选地，根据所述零漂、力和力矩、重力和重力矩计算所述穿刺针在力传感器坐标系下对人体施加的穿刺力，包括：

10、将所述力传感器输出的力和力矩中力传感器产生的零漂、机械臂末端的重力和重力矩进行消除，得到穿刺针在力传感器坐标系下对人体施加的穿刺力。

11、可选地，根据所述穿刺力和所述期望数据计算基坐标系下的加速度前，还包括：

12、利用所述姿态将所述穿刺力和期望穿刺力转换到基坐标系下，得到所述穿刺针在基坐标系下对人体施加的穿刺力和期望穿刺力。

13、可选地，所述基础数据至少包括下列中的一个：期望穿刺力、期望阻尼、期望质量。

14、可选地，利用如下公式计算当前控制周期的基坐标系下的加速度：

15、，

16、其中，表示期望穿刺力，表示期望阻尼，表示机械臂末端坐标系的速度。

17、可选地，利用如下公式计算当前控制周期的基坐标系下的速度：

18、，

19、其中，表示机械臂末端在基坐标系下的实际速度，表示控制周期。

20、可选地，利用如下公式计算当前控制周期的基坐标系下所述机械臂末端的期望移动位置：

21、，

22、其中，为机械臂末端在基坐标系下的实际位置。

23、可选地，所述穿刺针在坐标系下对人体施加的穿刺力包括在坐标系下三个坐标轴方向的分力：

24、，

25、可选地，所述期望穿刺力包括在坐标系下三个坐标轴方向的分力：

26、，

27、本发明另一方面还提供了一种穿刺手术机器人末端移动位置的确定设备，该设备包括：处理器以及与所述处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器执行所述的穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法。

28、根据本发明提供的穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法，本发明不需要提前预设移动轨迹，只需根据给出的期望数据计算得到机械臂末端的期望移动位置，进而准确地控制机械臂上的穿刺针向前进针，直到使实际穿刺力与期望数值相等；同时，穿刺过程中，期望数据可以随时调整，进而来调整机械臂在自由运动和与人体接触时的表现的特征，以应对不同的穿刺场景。

技术特征：

1.一种穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法，其特征在于，穿刺手术机器人包括机械臂、力传感器和用于固定穿刺针的机械臂末端，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述零漂、力和力矩、重力和重力矩计算所述穿刺针在力传感器坐标系下对人体施加的穿刺力，包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述穿刺力和所述期望数据计算基坐标系下的加速度前，还包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基础数据至少包括下列中的一个：期望穿刺力、期望阻尼、期望质量。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，利用如下公式计算当前控制周期的基坐标系下的加速度：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，利用如下公式计算当前控制周期的基坐标系下的速度：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，利用如下公式计算当前控制周期的基坐标系下所述机械臂末端的期望移动位置：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述穿刺针在坐标系下对人体施加的穿刺力包括在坐标系下三个坐标轴方向的分力：

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述期望穿刺力包括在坐标系下三个坐标轴方向的分力：

10.一种穿刺手术机器人末端移动位置的确定设备，其特征在于，包括：处理器以及与所述处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器执行如权利要求1-9中任意一项所述的穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法。

技术总结
本发明涉及手术机器人领域，具体涉及一种穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法及设备，该方法包括计算当前姿态下负载在力传感器坐标系下机械臂末端的重力和重力矩；计算穿刺针在力传感器坐标系下对人体施加的穿刺力；根据穿刺力和期望数据计算加速度、速度、计算机械臂末端的期望移动位置。本发明不需要提前预设移动轨迹，只需根据给出的期望数据计算得到机械臂末端的期望移动位置，进而准确地控制机械臂上的穿刺针向前进针。

技术研发人员：张昊任,陈向前,徐坤,史纪鹏,张欢
受保护的技术使用者：真健康（北京）医疗科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15