一种腔镜手术机器人的手术臂初始位姿规划方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种腔镜手术机器人的手术臂初始位姿规划方法及装置，包括：获取设置的微创切口位置和手术区域位置；根据微创切口位置和手术区域位置获得多种手术臂关节的初始位置方案；根据手术区域位置分别计算每一种手术臂关节的初始位置方案的性能指标。本发明专利技术通过微创切口位置和手术区域位置获得多种手术臂关节的初始位置方案，并计算每一种手术臂关节的初始位置方案的性能指标。医护人员通过观察性能指标可以直观地分析多种手术臂关节的初始位置方案的优劣，因此，该方法一方面可以减轻医护人员的工作负担，另一方面可以快速完成手术机器人辅助微创手术的术前准备工作，加快医护人员对手术臂初始位姿摆位的设置速度。

【技术实现步骤摘要】
一种腔镜手术机器人的手术臂初始位姿规划方法及装置
本专利技术涉及腔镜手术
，具体而言，涉及一种腔镜手术机器人的手术臂初始位姿规划方法及装置。
技术介绍
不同于传统微创手术，采用腔镜外科手术机器人进行微创手术操作时，在选择微创切口位置的同时，还需要对手术臂的初始位姿进行调整设置，需要考虑手术臂的运动性能以及各手术臂之间的干涉情况，不合理的手术臂初始位姿会导致体内微器械工作空间不足，难以到达目标区域甚至发生手术臂碰撞，致使手术无法继续进行。基于现有的腔镜外科手术机器人，由于医护人员并不了解机器人学相关知识，在进行机器人辅助微创手术的术前准备时，只能依靠长期的临床经验做出主观判断，无法快速完成对手术臂的术前规划准备。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是如何快速完成对手术臂的术前规划准备。为解决上述问题，本专利技术提供一种腔镜手术机器人的手术臂初始位姿规划方法，包括：获取设置的微创切口位置和手术区域位置；根据所述微创切口位置和所述手术区域位置获得多种手术臂关节的初始位置方案；根据所述手术区域位置分别计算每一种所述手术臂关节的初始位置方案的性能指标。可选地，所述性能指标包括微器械末端灵巧度、微器械体内协作空间以及手眼协调性。可选地，所述微器械末端灵巧度用于反应所述手术臂由关节空间至末端任务空间的速度与力的转换能力，所述微器械末端灵巧度通过如下公式获得：其中，μσ、σσ分别是微器械末端位姿对应的雅克比矩阵奇异值的均值及标准差；r>σGmin是手术区域内的最小雅克比矩阵奇异值；w是微创手术区域空间。可选地，所述微器械末端灵巧度的数值越大，所述手术臂由所述关节空间至所述末端任务空间的速度与力的转换能力越均衡。可选地，所述微器械体内协作空间用于反应左、右手术臂在所述手术区域位置的无碰撞工作空间的基础上，所述左、右微器械在所述手术区域位置内的合作空间，所述微器械体内协作空间通过如下公式获得：其中，vc是手术区域位置空间；vcr是所述左、右微器械在所述手术区域位置内的合作空间；vcc是所述左、右手术臂在所述手术区域位置的无碰撞工作空间。可选地，所述微器械体内协作空间的数值越大，在所述左、右手术臂在所述手术区域位置的无碰撞工作空间的基础上，所述左、右微器械在所述手术区域位置内的合作空间越大。可选地，所述手眼协调性用于反应所述左、右微器械之间的位置关系以及所述左、右微器械与腔镜之间的视野关系，所述左、右微器械之间的位置关系包括所述左、右微器械的操作角，所述左、右微器械的仰角；所述左、右微器械与腔镜之间的视野关系包括所述左、右微器械相对于视野方向的方位角。可选地，所述左、右微器械的操作角为60°，所述左、右微器械的仰角为60°，所述左、右微器械相对于视野方向的方位角相同。可选地，所述根据所述微创切口位置获得多种手术臂关节的初始位置方案包括：根据所述微创切口位置和所述手术区域位置进行运动学逆运算获得多个所述手术臂关节位置组合；对多个所述手术臂关节位置组合进行臂间碰撞检验获得多种不产生臂间碰撞的所述手术臂关节的初始位置方案。本专利技术还提供了一种腔镜手术机器人的手术臂初始位姿规划装置，包括：获取模块，所述获取模块用于获取设置的微创切口位置和手术区域位置；方案生成模块，所述方案生成模块用于根据所述微创切口位置和所述手术区域位置获得多种手术臂关节的初始位置方案；计算模块，所述计算模块用于分别计算每一种所述手术臂关节的初始位置方案的性能指标。本专利技术的技术效果：本专利技术通过微创切口位置和手术区域位置获得多种手术臂关节的初始位置方案，并分别计算每一种手术臂关节的初始位置方案的性能指标，医护人员通过观察性能指标可以直观地分析多种手术臂关节的初始位置方案的优劣，无需了解机器人结构及相应运动学的解算过程，因此，该方法一方面可以减轻医护人员的工作负担，另一方面可以快速完成手术机器人辅助微创手术的术前准备工作，加快医护人员对手术臂初始位姿摆位的设置速度。同时，医护人员可以根据需要选择合适的手术臂关节的初始位置方案以对手术臂初始位姿进行调节，可以确保手术机器人的操作性能，从而可以在手术过程中更好地发挥手术机器人的整体性能，进而可以增强手术臂在手术过程中的工作效率。附图说明图1为本专利技术实施例的腔镜手术机器人的手术臂初始位姿规划方法的流程图；图2为本专利技术实施例的左、右微器械之间的位置关系以及左、右微器械与腔镜之间的视野关系的结构示意图；图3为本专利技术实施例的根据微创切口位置和手术区域位置获得多种手术臂关节的初始位置方案的流程图；图4为本专利技术实施例的根据术前影像设置微创切口位置和手术区域位置的操作示意图；图5为本专利技术实施例的腔镜手术机器人的手术臂初始位姿规划装置的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施例做详细的说明。如图1所示，本专利技术实施例的一种腔镜手术机器人的手术臂初始位姿的规划方法包括：步骤S1：获取设置的微创切口位置和手术区域位置；步骤S2：根据微创切口位置和手术区域位置获得多种手术臂关节的初始位置方案；步骤S3：根据手术区域位置分别计算每一种手术臂关节的初始位置方案的性能指标。在本实施例中，控制系统获取设置的微创切口位置和手术区域位置，其中，微创切口位置和手术区域位置可由医护人员通过人机交互界面进行设置，同时，医护人员可对手术臂的介入位置进行微调。之后，控制系统通过微创切口位置进行计算以获得多个手术臂关节的初始位置方案(即手术臂的初始位姿或手术臂与病患建立对接的形态)。之后，控制系统根据手术区域位置计算每一种手术臂关节的初始位置方案的性能指标，以供医护人员根据性能指标选择合适的手术臂关节的初始位置方案。医护人员根据需求自行选取性能指标对应的手术臂关节的初始位置方案，并按照该手术臂关节的初始位置方案调整手术臂关节的初始位姿以完成手术机器人的术前摆位准备过程。综上，控制系统通过微创切口位置和手术区域位置获得多种手术臂关节的初始位置方案，并分别计算每一种手术臂关节的初始位置方案的性能指标，医护人员通过观察性能指标可以直观地分析多种手术臂关节的初始位置方案的优劣，无需了解机器人结构及相应运动学的解算过程，因此，该方法一方面可以减轻医护人员的工作负担，另一方面可以快速完成手术机器人辅助微创手术的术前准备工作，加快医护人员对手术臂初始位姿摆位的设置速度。同时，医护人员可以根据需要选择合适的手术臂关节的初始位置方案以对手术臂初始位姿进行调节，可以确保手术机器人的操作性能，从而可以在手术过程中更好地发挥手术机器人的整体性能，进而可以增强手术臂在手术过程中的工作效率。可选地，性能指标包括微器械末端灵巧度、微器械体内协作空间以及手眼协调性。在本实施例中，通过手术区域位置分别计算每一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种腔镜手术机器人的手术臂初始位姿规划方法，其特征在于，包括：/n获取设置的微创切口位置和手术区域位置；/n根据所述微创切口位置和所述手术区域位置获得多种手术臂关节的初始位置方案；/n根据所述手术区域位置分别计算每一种所述手术臂关节的初始位置方案的性能指标。/n

【技术特征摘要】
1.一种腔镜手术机器人的手术臂初始位姿规划方法，其特征在于，包括：
获取设置的微创切口位置和手术区域位置；
根据所述微创切口位置和所述手术区域位置获得多种手术臂关节的初始位置方案；
根据所述手术区域位置分别计算每一种所述手术臂关节的初始位置方案的性能指标。


2.如权利要求1所述的腔镜手术机器人的手术臂初始位姿规划方法，其特征在于，所述性能指标包括微器械末端灵巧度、微器械体内协作空间以及手眼协调性。


3.如权利要求2所述的腔镜手术机器人的手术臂初始位姿规划方法，其特征在于，所述微器械末端灵巧度用于反应所述手术臂由关节空间至末端任务空间的速度与力的转换能力，所述微器械末端灵巧度通过如下公式获得：



其中，μσ、σσ分别是微器械末端位姿对应的雅克比矩阵奇异值的均值及标准差；
σGmin是手术区域内的最小雅克比矩阵奇异值；
w是微创手术区域空间。


4.如权利要求3所述的腔镜手术机器人的手术臂初始位姿规划方法，其特征在于，所述微器械末端灵巧度的数值越大，所述手术臂由所述关节空间至所述末端任务空间的速度与力的转换能力越均衡。


5.如权利要求2所述的腔镜手术机器人的手术臂初始位姿规划方法，其特征在于，所述微器械体内协作空间用于反应在左、右手术臂在所述手术区域位置的无碰撞工作空间的基础上，左、右微器械在所述手术区域位置内的合作空间，所述微器械体内协作空间通过如下公式获得：



其中，vc是所述手术区域位置空间；
vcr是所述左、右微器械在所述手术区域位置内的合作空间；
vcc是所述左、右手术臂在所述手术区域位置的无碰撞工作空间。

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，
申请(专利权)人：哈尔滨思哲睿智能医疗设备有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23