【技术实现步骤摘要】
本公开涉及手术导航，具体涉及一种手术机器人的自动避障方法及系统。
技术介绍
1、近年来手术导航系统在外科手术中得到了广泛的应用，作为辅助外科医生完成手术任务最为得力的助手。手术机器人自主安全的到达手术位置可以提高手术机器人辅助手术任务的效率，其中如何安全避障对手术机器人自主控制具有积极意义。
2、当前的手术机器人系统主要在骨科、神经外科、腹腔微创以及心血管领域。在这些手术中手术机器人大多由熟练的外科医生通过主从遥操作、协作模式下的拖动使机器人到达手术目标。这两类手术机器人的操作方式复杂，长时间的手术操作给外科医生带来极大的身心负担。因此，如果手术机器人能够有效的实现自主安全的避障，并根据手术规划自动到达期望的手术位姿能有效的提高手术效率。
3、手术机器人在传统的辅助过程中主要用于定位导向以给外科医生提供较为一致的手术定位能力，外科医生再把持手术工具经由手术机器人末端导向套筒执行手术操作，比如脊柱减压内固定术，神经外科手术中的脑活检、消融、引流、电极植入等手术操作前的定位。然而，手术机器人在自动到达手术位姿的对准过程中，需要具备及时安全的避障操作能力。此外，手术机器人还可以用于自动跟踪手术器械。例如，在腹腔镜手术任务中，手术机器人的末端执行器通过微小创口进入腹腔环境。在这一过程中，手术器械往往需要腹腔镜进行实时跟踪。这要求搭载腹腔镜的蛇形操作器具备自主避障的能力，以便在提供可靠手术视野的同时，避免与腹腔环境中的重要组织发生碰撞。可靠且安全的实时反应性自动避障算法能够减少医生对手术机器人的操作学习曲线和手术负
4、现有的避障运动规划大多针对静态场景，如基于采样和搜索算法需要通过全局信息进行，一旦环境变化则需要重新采样或搜索出避障路径，无法满足手术机器人自主控制的实时反应性要求。传统的人工势场法可以实现局部避障并根据实时变化的环境作出及时的反应，然而由于固有存在的避障局部区域震荡、多个速度场叠加易陷入局部最小、障碍物附近目标点不可达等缺陷，难以满足手术场景下的避障需求。
技术实现思路
1、有鉴于此，本公开针对现有避障技术的不足，提供了一种手术机器人的自动避障方法及系统。使手术机器人在复杂的手术环境中根据手术目标与障碍物之间的空间位置关系，更好的利用手术环境的自由运动空间，以高效简单的方式实时地实现避障规划与手术目标到达。
2、本公开第一方面实施例提出了一种手术机器人的自动避障方法，所述方法包括：
3、在控制手术机器人移动至目标位置的过程中，如果所述手术机器人满足避障条件，则确定所述手术机器人到所述目标位置的方向矢量，以及确定所述手术机器人到目标障碍物的最短距离点的单位矢量；所述目标障碍物为多个障碍物中距离所述手术机器人最近的障碍物；
4、根据所述方向矢量和所述单位矢量计算所述手术机器人的避障方向和避障速度；
5、根据所述方向向量和所述目标位置的位姿信息计算所述手术机器人的吸引速度；所述吸引速度是指所述手术机器人指向所述目标位置的速度分量；
6、根据所述避障速度和所述吸引速度计算所述手术机器人的合速度，通过所述合速度控制所述手术机器人实现自动避障运动和手术目标到达。
7、本公开实施例通过计算避障速度和吸引速度，以及根据避障速度和吸引速度计算手术机器人的合速度，并通过合速度控制手术机器人实现自动避障运动和手术目标到达，进而提高手术效率。在本公开实施例中，所述避障条件包括角度条件、第一距离条件和第二距离条件；在确定所述手术机器人到所述目标位置的方向矢量之前，所述方法还包括：
8、判断所述手术机器人是否同时满足角度条件、第一距离条件和第二距离条件；其中，所述角度条件是指所述单位矢量与所述方向矢量之间的夹角小于预设角度；所述第一距离条件是指所述手术机器人与目标障碍物之间的距离小于自适应避障距离；所述第二距离条件是指所述手术机器人与所述目标位置之间的距离大于所述自适应避障距离；
9、如果所述手术机器人同时满足所述角度条件、所述第一距离条件和所述第二距离条件，则确定所述手术机器人满足所述避障条件。
10、在本公开实施例中，所述自适应避障距离是根据所述目标障碍物的最短距离点和所述目标位置确定的；所述最短距离点是指所述障碍物表面上距离所述手术机器人最近的点。
11、本公开实施例中的避障距离是根据目标障碍物的最短距离点和目标位置进行确定的，是自适应调整的；能够有效避免由于传统激活避障功能恒定距离可能导致的目标不可达以及避免处理局部避障时可能发生的运动震荡现象。
12、在本公开实施例中，所述方法还包括：
13、根据所述手术机器人的运动学参数构建运动学等效模型；
14、根据视觉传感器获取到的点云数据建立手术环境中的多个障碍物等效模型；
15、根据所述运动学等效模型和所述多个障碍物等效模型计算所述手术机器人与各个障碍物之间的距离，以及每个障碍物上的最短距离点；所述最短距离点是指所述障碍物表面上距离所述手术机器人最近的点；
16、根据所述手术机器人与各个障碍物之间的距离，从所述多个障碍物中筛选出所述目标障碍物。
17、在本公开实施例中，根据所述方向矢量和所述单位矢量计算所述手术机器人的避障方向和避障速度，包括：
18、根据所述单位矢量构建法平面；所述法平面垂直于所述单位矢量；
19、将所述方向矢量投影到所述法平面上，得到所述方向矢量在所述法平面的投影矢量；
20、根据所述投影矢量确定所述避障方向。
21、在本公开实施例中，在确定所述手术机器人满足所述避障条件之后时，所述方法还包括：
22、如果所述手术机器人的位置坐标、所述目标障碍物的最短距离点和所述目标位置处于同一方向矢量上，则计算所述目标位置到障碍物投影面边界的最近距离，以及计算所述目标位置在障碍物投影面中到最近边界点的第二方向矢量；
23、基于所述最近距离、所述第二方向矢量和所述目标位置，得到虚拟目标位置；
24、将所述虚拟目标位置作为新的目标位置，执行确定所述手术机器人到所述目标位置的方向矢量的步骤，直至通过所述合速度控制所述手术机器人实现自动避障运动和所述手术目标到达。
25、在本公开实施例中，计算所述目标位置到障碍物投影面边界的最近距离，包括：
26、计算所述目标障碍物的所有顶点在投影面上的第一平面坐标点；其中，所有顶点对应的多个第一平面坐标点组成所述障碍物投影面的边界；
27、计算所述目标位置在所述障碍物投影面边界上的第二平面坐标点；
28、根据所述多个第一平面坐标点和所述第二平面坐标点，计算所述目标位置到障碍物投影面边界的最近距离。
29、本公开第二方面的实施例提供了一种手术机器人的自动避障系统，包括：
30、矢量确定模块，用于在控制手术机器人本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种手术机器人的自动避障方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述避障条件包括角度条件、第一距离条件和第二距离条件；在确定所述手术机器人到所述目标位置的方向矢量之前，所述方法还包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述自适应避障距离是根据所述目标障碍物的最短距离点和所述目标位置确定的；所述最短距离点是指所述障碍物表面上距离所述手术机器人最近的点。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所述方向矢量和所述单位矢量计算所述手术机器人的避障方向和避障速度，包括：
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在确定所述手术机器人满足所述避障条件之后时，所述方法还包括：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，计算所述目标位置到障碍物投影面边界的最近距离，包括：
8.一种手术机器人的自动避障系统，其特征在于，所述装置包括：
9.一种计算机设备，其特征在于，包括：>
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行权利要求1至7中任一项所述的手术机器人的自动避障方法。
...【技术特征摘要】
1.一种手术机器人的自动避障方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述避障条件包括角度条件、第一距离条件和第二距离条件；在确定所述手术机器人到所述目标位置的方向矢量之前，所述方法还包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述自适应避障距离是根据所述目标障碍物的最短距离点和所述目标位置确定的；所述最短距离点是指所述障碍物表面上距离所述手术机器人最近的点。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所述方向矢量和所述单...
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