【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及医疗手术器械，特别地，涉及一种脊柱外科穿刺机器人控制方法、系统及存储介质。
技术介绍
1、传统的脊柱穿刺手术是确定病灶位置后，医生根据医学图像显示的位置和成像形态信息，手动调整穿刺针的姿态和位置插入患者体内。一方面，手动穿刺过程耗时较长，对医生的手部精细操作经验和耐力挑战大，如存在多次穿刺场合，不仅穿刺效率低，还对患者身心状态造成影响；另一方面，由于手术现场需要x线机提供在线影像信息，辅助医生完成穿刺操作，医生处于射线辐射暴露环境，对医生身体健康造成危险。
2、为了解决以上问题，使用机器人辅助医生完成穿刺手术，设计专用操控系统和控制方法，不仅可以减少医生在x射线下的暴露风险，提高穿刺效率，同时机器人具有高精度稳定反馈控制功能，既保证了性能稳定性，又降低了患者的安全风险。
技术实现思路
1、本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种脊柱外科穿刺机器人控制方法，具有穿刺操控效率高、控制精度高、操作性强等优点。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种脊柱外科穿刺机器人控制方法，包括如下步骤：s1，人机交互手柄或自动控制接收模块接收控制信号并将控制信号传输给多轴运动控制器；s2，多轴运动控制器根据控制信号控制多轴机器人进行运动；s3，获得待穿刺区域的实时医学影像；s4，通过医学影像判断穿刺针或抓手的姿态是否符合要求：若是，则进入下一步骤；若否，则控制抓手调整姿态，返回步骤s4；s5，判
4、进一步地，当步骤s1是自动控制接收模块输入控制信号时；步骤s2，具体包括：s21，所述多轴运动控制器接收自动控制接收模块输入的控制信号，所述控制信号包括穿刺针或抓手的目标位置；s22，建立机械臂的总变换矩阵和机械臂抓手位姿矩阵；s23，获得机械臂的运动学方程，并通过运动学方程获得机械臂的总运动量；s24，通过运动件的运动量与机械臂的总运动量的关系计算获得运动件的运动量。
5、进一步地，所述机械臂包括第一运动件、第二运动件、第三运动件和第四运动件；所述机械臂的总变换矩阵为
6、
7、d1为第一运动件和第二运动件的活动距离；d2为第三运动件和第四运动件的活动距离；θ1为穿刺针相对第一平面的投影的旋转角度，θ2为穿刺针相对第二平面的投影的旋转角度；所述机械臂抓手位姿矩阵为t，
8、
9、nx、ny和nz为机械臂抓手自身的坐标系中x轴的单位方向矢量在基准坐标系x、y、z轴上的投影；ox、oy和oz为机械臂抓手自身的坐标系中y轴的单位方向矢量在基准坐标系x、y、z轴上的投影；ax、ay和az为机械臂抓手自身的坐标系中z轴的单位方向矢量在基准坐标系x、y、z轴上的投影；px、py和pz为基准坐标系原点指向机械臂抓手自身的坐标系原点的矢量在基准坐标系x、y、z轴上的投影。
10、进一步地，所述运动学方程为：nx＝cosθ1cosθ2；ny＝sinθ1cosθ2；nz＝-sinθ2；ox＝-sinθ1；oy＝cosθ1；oz＝0；ax＝cosθ1sinθ2；ay＝sinθ1sinθ2；az＝cosθ2；px＝d1sinθ1+d2cosθ1sinθ2；py＝-d1cosθ1-d2sinθ1sinθ2；pz＝d2cosθ2；
11、所述机械臂的总运动量为：θ1＝arctan2(-ox,oy)；θ2＝arctan2(-nz,az)；
12、运动件的运动量与机械臂的总运动量的关系为：x11为第一运动件的伸缩量，x12为第二运动件的伸缩量，x21为第三运动件的伸缩量，x22为第四运动件的伸缩量。
13、进一步地，步骤s23之后，还包括：
14、对运动件的运动轨迹进行轨迹规划。
15、进一步地，步骤s23具体包括：
16、s231，将起始点设为a点，终止点为b点，在a点和b点的连线中取c点和d点；
17、s232，生成两个轨迹插值点：
18、
19、其中，xji表示第j运动件在第i个轨迹点的运动情况，j为运动件的序号，i为轨迹点的序号；xj1为第j运动件的在a点的运动情况，xj4为第j运动件的在b点的运动情况；
20、s233，建立轨迹规划函数：
21、
22、其中hj1(t)表示第j运动件的第一段轨迹的三次多项式插值函数；hj2(t)表示第j运动件的第二段轨迹的五次多项式插值函数；hj3(t)表示第j运动件的第三段轨迹的三次多项式插值函数；aj10、aj11、aj12和aj13为第j运动件第一段轨迹的常数参数；aj20、aj21、aj22、aj23、aj24和aj25为第j运动件第二段轨迹的常数参数；aj30、aj31、aj32和aj33分别为第j运动件第三段轨迹的常数参数。
23、s234，获得轨迹规划函数的参数。
24、进一步地，所述轨迹规划函数的约束条件为：
25、
26、t0为机器人运动起始时刻，t1、t2、t3分别为ac、cd、db段机器人运动所需时间。
27、进一步地，所述通过医学影像判断穿刺针或抓手的姿态是否符合要求，具体包括：c形臂医学影像识别出穿刺针，获得穿刺针在c形臂医学影像中的形状，若穿刺针在c形臂医学影像中呈点状，则判断穿刺针或抓手的姿态符合要求，若穿刺针在c形臂医学影像中是一条直线，则判断穿刺针或抓手的姿态不符合要求。
28、本专利技术还提供一种脊柱外科穿刺机器人控制系统，用于实施所述的脊柱外科穿刺机器人控制方法，包括：人机交互手柄，用于接收控制信号并将控制信号传输给所述多轴运动控制器；自动控制接收模块，用于接收控制信号并将控制信号传输给所述多轴运动控制器；数据采集单元，采集位移数据，并将位移数据处理后发送给多轴运动控制器；多轴运动控制器，用于接收并处理人机交互手柄的控制信号或数据采集单元采集发送的数据后，给多轴机器人的驱动单元发送指令以控制抓手运动；医学影像采集单元用于采集并显示多轴机器人的机械臂抓手的医学影像。
29、本专利技术还提供一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的脊柱外科穿刺机器人控制方法。
30、本专利技术具有以下有益效果：
31、利用多轴运动控制器根据控制信号控制多轴机器人进行运动；并通过待穿刺区域的实时医学影像，判断穿刺针或抓手的姿态是否符合要求，若不符合则控制抓手调整姿态，直至穿刺针或抓手的姿态符合要求且穿刺针到达目标位置，随后发出穿刺预备完成指令，提醒操作者已经完成穿刺准备，可进行穿刺操作了。增加了脊柱外科穿刺机器人的稳定性、可靠性，同时使得脊柱外科穿刺机器人具有极高的定位精度。本专利技术采用实时医学影像判断和调整穿刺针状态，具有直观易操作的优点，有利于提高效率和安全本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种脊柱外科穿刺机器人控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的脊柱外科穿刺机器人控制方法，其特征在于，当步骤S1是自动控制接收模块输入控制信号时；
3.根据权利要求2所述的脊柱外科穿刺机器人控制方法，其特征在于，所述机械臂包括第一运动件、第二运动件、第三运动件和第四运动件；所述机械臂的总变换矩阵为
4.根据权利要求3所述的脊柱外科穿刺机器人控制方法，其特征在于，所述运动学方程为：
5.根据权利要求2所述的脊柱外科穿刺机器人控制方法，其特征在于，步骤S23之后，还包括：
6.根据权利要求5所述的脊柱外科穿刺机器人控制方法，其特征在于，步骤S23具体包括：
7.根据权利要求6所述的脊柱外科穿刺机器人控制方法，其特征在于，所述轨迹规划函数的约束条件为：
8.根据权利要求1所述的脊柱外科穿刺机器人控制方法，其特征在于，所述通过医学影像判断穿刺针或抓手的姿态是否符合要求，具体包括：
9.一种脊柱外科穿刺机器人控制系统，用于实施权利要求1至8任一项所述的脊柱外科穿刺机器人
10.一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述的脊柱外科穿刺机器人控制方法。
...【技术特征摘要】
1.一种脊柱外科穿刺机器人控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的脊柱外科穿刺机器人控制方法，其特征在于，当步骤s1是自动控制接收模块输入控制信号时；
3.根据权利要求2所述的脊柱外科穿刺机器人控制方法，其特征在于，所述机械臂包括第一运动件、第二运动件、第三运动件和第四运动件；所述机械臂的总变换矩阵为
4.根据权利要求3所述的脊柱外科穿刺机器人控制方法，其特征在于，所述运动学方程为：
5.根据权利要求2所述的脊柱外科穿刺机器人控制方法，其特征在于，步骤s23之后，还包括：
6.根据权利要求5所述的脊柱外科穿...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘晴，苗泽阳，李启明，江兴华，陈超，黄明辉，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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