一种外科手术的主动导航系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种外科手术的主动导航系统及其控制方法。所述系统包括：控制主机、任意自由度的串联机械臂、定位传感器及其适配的一个或多个定位工具、环境感知传感器。控制方法包括：步骤1、测量视角多目标优化：输入定位工具的位置参数并设置其他相关参数，通过多目标优化求解出最优测量视角的集合；步骤2、机械臂位姿的多目标决策：根据最优测量视角的集合，采用多目标决策算法向用户推荐手术各环节中机械臂的最优位姿方案；或者根据用户根据偏好选择手术各环节中机械臂的最优位姿方案；步骤3、机械臂路径规划与执行：根据所选择的手术各环节中机械臂的最优位姿方案，规划出机械臂从当前位姿到达最优位姿方案的路径。本发明专利技术解决了手术导航定位的机器人最优的观测位姿的获取，以及实时主动调整位置，避免定位工具被遮挡，提高导航过程的定位精度等问题。提高导航过程的定位精度等问题。提高导航过程的定位精度等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种外科手术的主动导航系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及医疗设备
，具体涉及外科手术机器人领域，尤其涉及一种外科手术的主动导航系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]依靠图像导航技术，辅助手术系统可以对手术部位以及操作工具进行精确的定位，以辅助医生开展微创手术、远程手术或者由机器人辅助执行外科手术。目前，手术导航依赖光学导航设备通过检测识别光学定位工具，并进行图像以及位置的结算实现对手术部位或者手术工具的定位功能。实际操作时，手术导航设备由辅助手术的医生根据手术需要进行人手调整。具体的，通过拖动设备的手柄，把光学导航设备调整到合适的观测位置。然而，这种交互方式在实际手术过程中带来诸多不便，而且对于一些特殊的手术位置设计，单靠人手难以调整出合适的测量位置，无法保证位置精度。
[0003]赋予光学导航设备运动能力，成为新的趋势。需要实现光学导航的主动导航，不仅要求机器人具备用于定位的光学导航传感器，还需要具备其他环境感知功能的传感器，来感知手术室内发生的人为或者设备位置变动的事件发生，由此触发响应的主动运动。因此需要特定的硬件构成系统；同时，机器人主动调整到的目标位姿需要综合考虑多种因素，包括但仅限于：测量的精度、靶标定位的可测量条件、机器人的可达性等，并且在术中调整位姿时还不能丢失任何一个光学定位工具，因此需要特定的机器人位姿优化以及路径规划的控制算法。

技术实现思路

[0004]考虑到上述因素，本专利技术提供一种外科手术的主动导航系统及其控制方法。本专利技术的技术方案解决了手术导航定位的机器人最优的观测位姿的获取，以及实时主动调整位置，避免导航靶标定位器被遮挡，提高导航过程的定位精度等问题。
[0005]一种外科手术的主动导航系统，该系统包括：控制主机、任意自由度的串联机械臂、定位传感器及其适配的一个或多个定位工具、环境感知传感器；环境感知传感器与定位传感器的重合测量区域为外科手术的主动导航系统的可测量区域；定位工具的数量为一个或多个；每个定位工具上有K个按照一定位置关系分布形成的定位部件；所述定位部件为能够反光或发光的特异性标志物、和/或由若干个特定图案按一定位置关系排列后形成的部件；能够反光的特异性标志物至少包括：表面覆盖有高反光度涂层的小球；能够发光的特异性标志物至少包括：LED灯；所述特定图案为经过专门编码设计的图案，至少包括二维码、格雷码；每个定位工具上各个定位部件的位置与/或数量不相同，用以区分定位工具；同一个定位工具的K个定位部件的质心都在同一个平面上；每个定位工具中心处设计有特异的形状特征，把特征轴线与定位部件质心所在的平面交点作为坐标原点；所述形状特征至少可以为圆孔、半球、凸台、圆锥；以所述坐标原点
为球心，为每个定位工具构造包络该定位工具上K个定位部件的最小外接球，所述最小外接球的半径为；以K个定位部件的质心所在平面的法线方向为z轴方向；且朝K个定位部件附着的一侧的方向为z轴正向；以垂直于z轴且指向离坐标原点最远的定位部件的方向为x轴正向，建立三维直角坐标系；将所有定位工具的集合记为S，对于第个定位工具，其坐标系圆心为，即。
[0006]实际应用中，会在的基础上增加一定的裕度，即球面大小估算时设定比稍大一些，例如：将乘以一个大于1的裕度系数，得到，以避免实际操作中的一些细小误差导致方法失效。
[0007]一种用于上述外科手术的主动导航系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：步骤1、测量视角多目标优化：输入定位工具的位置参数并设置其他相关参数，通过多目标优化求解出最优测量视角的集合；步骤2、机械臂位姿的多目标决策：根据所述最优测量视角的集合，采用多目标决策算法向用户推荐手术各环节中机械臂的最优位姿方案；或者根据用户根据偏好选择手术各环节中机械臂的最优位姿方案；步骤3、机械臂路径规划与执行：根据所选择的手术各环节中机械臂的最优位姿方案，规划出机械臂从当前位姿到达最优位姿方案的路径。
[0008]可选地，所述步骤1包括以下步骤：步骤1.1、获取手术过程中各个环节的所有定位工具的信息及其所在的位置，建立基于决策变量x的多目标最小化问题：
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（公式1）上式中：关节变量；N为关节变量的数量；决策变量x表示机械臂的N个关节变量组成的向量，其取值范围为机械臂各关节可实现的关节值范围Q，即；步骤1.2、定义最小化优化的至少两个目标函数和，具体如下：
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（公式2）
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（公式3）其中，表示第m个定位工具的坐标原点与定位传感器的坐标原点之间的距离；表示所有定位工具的坐标原点与定位传感器的坐标原点之间的最大距离；表示对于给定的一对定位工具j与k，其在定位传感器各个相机坐标中较小的无遮挡裕度函数；表示在决策变量x所决定的机械臂位姿下，在定位传感器所有相机中，测量到的所有定位工具的二元组合中，最小的无遮挡裕度函数值；
通过以下公式计算所述较小的无遮挡裕度函数：
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（公式4）
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（公式5） ， 且
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（公式6）
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（公式7） ， 且
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（公式8）
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（公式9）
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（公式10）
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（公式11）=min(,)
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（公式12）上述公式中：G为定位传感器中左侧或右侧摄像头的坐标原点；L、R分别为定位传感器中左侧、右侧摄像头的坐标原点；和分别为任意两个定位工具与的半径分别为、的最小外接球的球心，即定位工具与的坐标原点；和分别为定位工具与的扩展半径；裕度系数为大于1的常数；向量长度和通过定位传感器测量获得；表示向量点乘；步骤1.3、设置以下约束条件，在保证以下约束条件的到满足的同时，使至少两个目标函数和同时实现最小化：约束条件1：约束条件2：约束条件3：
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其中，约束条件1表示任意定位工具都要处于定位传感器与环境感知传感器共同可检测的范围内；约束条件2表示从定位传感器的任意一侧摄像头向任意一个定位工具的连线与该
定位工具的z轴方向之间的夹角不能大于既定的阈值；表示第i个定位工具的坐标原点向指向定位传感器中左侧或右侧摄像头坐标原点的向量与第i个定位工具的z轴方向向量之间的夹角；Th为预设阈值；约束条件3表示任意两个定位工具之间互不遮挡，即任意两个定位工具之间的无遮挡裕度函数的最小值为非负。
[0009]可选地，所述步骤2中，所述根据所述最优测量视角的集合，采用多目标决策算法向用户推荐手术各环节中机械臂的最优位姿方案，包括以下步骤：步骤2.1：找出所述最优测量视角的集合中，在单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种外科手术的主动导航系统，其特征在于，该系统包括：控制主机、多自由度的串联机械臂、定位传感器及其适配的一个或多个定位工具、环境感知传感器；环境感知传感器与定位传感器的重合测量区域为外科手术的主动导航系统的可测量区域；定位工具的数量为一个或多个；每个定位工具上有K个按照一定位置关系分布形成的定位部件；所述定位部件为能够反光或发光的特异性标志物、和/或由若干个特定图案按一定位置关系排列后形成的部件；能够反光的特异性标志物至少包括：表面覆盖有高反光度涂层的小球；能够发光的特异性标志物至少包括：LED灯；所述特定图案为经过专门编码设计的图案，至少包括二维码、格雷码；每个定位工具上各个定位部件的位置与/或数量不相同，用以区分定位工具；同一个定位工具的K个定位部件的质心都在同一个平面上；每个定位工具中心处设计有特异的形状特征，把特征轴线与定位部件质心所在的平面交点作为坐标原点；所述形状特征至少可以为圆孔、半球、凸台、圆锥；以所述坐标原点为球心，为每个定位工具构造包络该定位工具上K个定位部件的最小外接球，所述最小外接球的半径为；以K个定位部件的质心所在平面的法线方向为z轴方向；且朝K个定位部件附着的一侧的方向为z轴正向；以垂直于z轴且指向离坐标原点最远的定位部件的方向为x轴正向，建立三维直角坐标系；将所有定位工具的集合记为S，对于第个定位工具，其坐标系圆心为，即。2.一种用于如权利要求1所述的外科手术的主动导航系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：步骤1、测量视角多目标优化：输入定位工具的位置参数并设置其他相关参数，通过多目标优化求解出最优测量视角的集合；步骤2、机械臂位姿的多目标决策：根据所述最优测量视角的集合，采用多目标决策算法向用户推荐手术各环节中机械臂的最优位姿方案；或者根据用户根据偏好选择手术各环节中机械臂的最优位姿方案；步骤3、机械臂路径规划与执行：根据所选择的手术各环节中机械臂的最优位姿方案，规划出机械臂从当前位姿到达最优位姿方案的路径。3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：步骤1.1、获取手术过程中各个环节的所有定位工具的信息及其所在的位置，建立基于决策变量x的多目标最小化问题：
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（公式1）上式中：关节变量；N为关节变量的数量；决策变量x表示机械臂的N个关节变量组成的向量，其取值范围为机械臂各关节可实现的关节值范围Q，即；步骤1.2、定义最小化优化的至少两个目标函数和，具体如下：
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（公式2）
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（公式3）其中，表示第m个定位工具的坐标原点与定位传感器的坐标原点之间的距离；表示所有定位工具的坐标原点与定位传感器的坐标原点之间的最大距离；表示对于给定的一对定位工具j与k，其在定位传感器各个相机坐标中较小的无遮挡裕度函数；表示在决策变量x所决定的机械臂位姿下，在定位传感器所有相机中，测量到的所有定位工具的二元组合中，最小的无遮挡裕度函数值；通过以下公式计算所述较小的无遮挡裕度函数：
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（公式4）
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（公式5） ，且
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（公式7） ，且
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【专利技术属性】
技术研发人员：秦岩丁，韩建达，王鸿鹏，游煜根，宋志超，蒙一扬，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：