穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法及设备技术

技术编号:39146128 阅读:20 留言:0更新日期:2023-10-23 14:56
本发明专利技术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。本发明专利技术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。穿刺针向前进针。穿刺针向前进针。

【技术实现步骤摘要】
穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法及设备


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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

[0004]有鉴于此,本专利技术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: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;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;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;获取用户输入的期望数据和当前控制周期的基础数据;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;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;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。
[0005]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: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。
[0006]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: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。
[0007]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。
[0008]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:,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。
[0009]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:,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。
[0010]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:,其中,为机械臂末端在基坐标系下的实际位置。
[0011]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:,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:,本专利技术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。
[0012]根据本专利技术提供的穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法,本专利技术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。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0014]图1为本专利技术实施例提供的一种穿刺手术机器人的结构示意图;图2为本专利技术实施例提供的一种穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法流程示意图。
具体实施方式
[0015]下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本专利技术一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本专利技术保护的范围。
[0016]此外,下面所描述的本专利技术不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0017]如图1所示,本专利技术实施例提供的一种穿刺手术机器人,包括机械臂11、力传感器13和用于固定穿刺针的机械臂末端12,机械臂末端与力传感器的距离为固定值d。
[0018]本专利技术的一个实施例,提供了一种穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法,在执行本方法前,如图1所示,建立机械臂的基坐标系、机械臂末端的坐标系和六维力传感器的坐标系,坐标系与坐标系的姿态相同;如图2所示,本专利技术提供的一种穿刺手术机器人末端移动位置的确定方法,包括:S201,获取机械臂末端坐标系相对于机械臂的基坐标系的姿态,以及力传感器输出的力和力矩。
[0019]本实施例中,姿态可由上位机通过机械臂厂商提供的接口与机械臂进行通信获得;力传感器输出的力和力矩表示为:,其中,、、分别表示在坐标系下三个坐标轴方向的力,、、分别表示在坐标系下三个坐标轴方向的力矩。
[0020]S202,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。
[0021]本实施例中,负载质心中的负载是指穿刺针和固定装置;根据姿态,结合负载辨识得到的质心坐标和重力大小得到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,可以表示为:
,其中,、、分别表示坐标系下机械臂末端在三个坐标轴方向的重力,、、分别表示坐标系下机械臂末端在三个坐标轴方向的重力矩。
[0022]S203,根据零漂、力和力矩、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。
[0023]本实施例中,零漂是由预先负载辨识得到,可以表示为:,其中,、、分别表示坐标系下力传感器输出力与原始力(或上一周期力)的误差值,、、分别表示坐标系下力传感器输出力矩与原始力矩(或上一周期力矩)的误差值。
[0024]S204,获取用户输入的期望数据和当前控制周期的基础数据。
[0025]S205,根据穿刺本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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: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;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;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;获取用户输入的期望数据和当前控制周期的基础数据;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;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;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。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: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。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: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...

【专利技术属性】
技术研发人员:张昊任陈向前徐坤史纪鹏张欢
申请(专利权)人:真健康北京医疗科技有限公司
类型:发明
国别省市:

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