【技术实现步骤摘要】
本申请主要涉及手术机器人领域，尤其涉及一种主从手术机器人控制方法与主从手术机器人系统。
技术介绍
1、主从控制是一种通过主端设备远程控制从端设备跟踪主端设备轨迹运动的控制技术。主从控制通过建立主手和从手之间的映射关系，并根据此映射关系涉及的相应的控制方法实现主手对从手的完全控制。主从控制技术的存在使得医生能够在主端进行操作，控制从端的末端机构完成相关手术操作，提升了手术的效率。目前，主从控制手术机器人已经广泛应用于医疗领域中，例如腹腔手术机器人等。对于医生而言，力反馈功能可以使医生在控制手柄端收到实时的力反馈进而保障手术安全、有效的进行。但目前的手术机器人多数都不具备力反馈功能。部分具备力反馈的主从控制手术机器人都无法适用于骨科这样的高刚度手术环境，主要原因有三点：一、在主从控制中，没有充分利用从手端冗余的自由度；二、没有合理利用手术臂自身的工作空间，从手整体庞大；三、在骨科高刚性的环境下发生碰撞时，控制系统的稳定性会被破坏。当主从设备存在信息传递的延迟时，不可避免的会导致从端先接触环境而主端后收到力反馈。而当从端严格跟随主端发送的移动指令进行运动时，一旦从端手术器械碰撞刚性较大的环境如患者的骨头将有可能造成严重的损伤，同时会触发主从的共振。因此，当前亟需一种具备力反馈且适用于骨科高刚度环境的主从控制手术机器人。
技术实现思路
1、本申请针对主从控制手术机器人无法适用于骨科这样的高刚度手术环境的技术问题，提供一种主从手术机器人系统的控制方法与主从手术机器人系统，能够使主从控制手术机
2、为解决上述技术问题，本申请提供了一种主从手术机器人系统的控制方法，所述手术机器人系统包括主控制平台和手术平台，所述主控制平台包括主手，所述手术平台包括从手。该控制方法包括：配准所述主手和所述从手，获得主手映射位姿，使得所述主手的朝向与所述从手的朝向一致；将所述主手映射位姿通过坐标变换获得从手映射位姿；根据所述从手映射位姿计算所述从手的输出能量；比较所述主手的输入能量和所述从手的输出能量，根据比较结果确定是否需要修正所述从手的速度。
3、在本申请的一实施例中，所述配准所述主手和所述从手包括：获得所述主手的第一主手末端坐标系和所述从手的从手末端坐标系；将所述从手的朝向映射到所述主手的主手空间，获得主手配准坐标系；调整所述主手的朝向使所述主手在所述主手配准坐标系中的朝向与所述从手在所述从手末端坐标系中的朝向一致。
4、在本申请的一实施例中，所述调整所述主手的朝向使所述主手在所述主手配准坐标系中的朝向与所述从手的朝向一致包括：调整所述第一主手末端坐标系的朝向，使所述主手绕所述第一主手末端坐标系的x轴和绕y轴旋转的方位，使所述第一主手末端坐标系主手的z轴与所述从手映射到主手空间下的主手配准坐标系的z轴朝向一致，并成为第二主手末端坐标系。
5、在本申请的一实施例中，所述的控制方法还包括：在所述第一主手末端坐标系主手的z轴与所述从手的z轴朝向一致成为第二主手末端坐标系之后，使所述主手绕第二主手末端坐标系的z轴旋转，使所述第二主手末端坐标系主手的x轴和y轴分别与所述主手配准坐标系从手的x轴和y轴一致，获得主手姿态优化矩阵。
6、在本申请的一实施例中，将所述主手映射位姿通过坐标变换获得从手映射位姿之后还包括：使所述从手绕自身x轴和y轴旋转，使所述从手自身的z轴与所述从手映射位姿一致，根据所述从手映射位姿和所述从手参考位姿，获得从手姿态优化矩阵。
7、在本申请的一实施例中，所述根据所述从手映射位姿计算所述从手的输出能量包括：根据所述从手参考位姿计算从手参考速度；根据所述从手参考速度、所述从手的末端力传感器的力信号计算所述从手的输出能量。
8、在本申请的一实施例中，所述的控制方法还包括：采用下面的公式计算所述从手的输出能量：
9、
10、其中，tk表示当前时刻，表示所述从手的输出能量，vref表示所述从手参考速度，fext表示所述从手的末端力传感器的力信号。
11、在本申请的一实施例中，所述的控制方法还包括：根据所述从手参考位姿和主手的输入能量计算从手关节位置指令；根据从手正运动学通过所述从手关节位置指令获得虚拟从手的位置反馈值；对所述位置反馈值进行离散微分获得所述虚拟从手的反馈速度；所述根据所述从手参考位姿计算从手参考速度包括：对所述从手参考位姿进行离散微分，获得初始从手参考速度；对所述虚拟从手的反馈速度和所述初始从手参考速度做比例积分控制，生成所述从手参考速度。
12、在本申请的一实施例中，根据比较结果确定是否需要修正所述从手的速度包括：响应于所述主手的输入能量大于所述从手的输出能量，确定无需修正所述从手的速度；响应于所述主手的输入能量小于等于所述从手的输出能量，确定需要修正所述从手的速度。
13、在本申请的一实施例中，所述的控制方法还包括：采用下面的公式修正所述从手的速度：
14、
15、vrefnew(tk)＝vref(tk)+β(tk)
16、其中，vrefnew(tk)表示修正后的从手参考速度，表示所述主手的输入能量，td表示主从通讯的延迟，δt表示系统运算线程周期。
17、在本申请的一实施例中，所述的控制方法还包括：使所述修正后的从手参考速度满足笛卡尔空间下的约束条件，当所述从手的位置接近边界时，采用下面的公式约束所述从手参考速度：
18、
19、其中，plim表示在从手在所述笛卡尔空间下的位置约束边界，p(tk)表示所述从手的位置，tbreak表示所述从手停止运动所需要的最短时间。
20、在本申请的一实施例中，所述的控制方法还包括：获得主手反馈力和主手末端速度；根据所述主手反馈力和所述主手末端速度计算所述主手的输出能量；比较所述主手的输出能量和所述从手的输入能量，根据比较结果确定是否需要修正所述主手反馈力。
21、在本申请的一实施例中，所述的控制方法还包括：将所述从手映射位姿通过反向坐标变换获得主手映射位姿；根据主手姿态优化矩阵重建所述主手映射位姿，获得主手参考位姿；根据所述主手参考位姿、主手末端位姿和所述从手的输出能量计算主手反馈力；根据所述主手反馈力和所述主手末端速度计算所述主手的输出能量；比较所述主手的输出能量和所述从手的输入能量，根据比较结果确定是否需要修正所述主手反馈力。
22、在本申请的一实施例中，所述的控制方法还包括：所述主手反馈力包括主从位姿偏差力和主手本地阻尼力，所述主从位姿偏差力是主手参考位姿和主手末端位姿之间的位置与朝向的偏差，所述主手本地阻尼力是动态阻尼系数与主手末端速度的乘积。
23、在本申请的一实施例中，所述的控制方法还包括：采用下面的公式计算所述主从位姿偏差力：
24、f＝kcδp
25、fpose＝max(fmin,min(f,fma本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种主从手术机器人系统的控制方法，所述手术机器人系统包括主控制平台和手术平台，所述主控制平台包括主手，所述手术平台包括从手，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述配准所述主手和所述从手包括：
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述调整所述主手的朝向使所述主手在所述主手配准坐标系中的朝向与所述从手的朝向一致包括：调整所述第一主手末端坐标系的朝向，使所述主手绕所述第一主手末端坐标系的x轴和y轴旋转，使所述第一主手末端坐标系的z轴与所述从手映射到主手空间下的主手配准坐标系的z轴朝向一致，并成为第二主手末端坐标系。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，还包括：在所述第一主手末端坐标系成为第二主手末端坐标系之后，使所述主手绕第二主手末端坐标系的z轴旋转，使所述第二主手末端坐标系的x轴和y轴分别与所述主手配准坐标系的x轴和y轴一致，获得主手姿态优化矩阵。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，将所述主手映射位姿通过坐标变换获得从手映射位姿之后还包括：
6.如权利要求5所述的控
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，采用下面的公式计算所述从手的输出能量：
8.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括：
9.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，根据比较结果确定是否需要修正所述从手的速度包括：
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，采用下面的公式修正所述从手的速度：
11.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，还包括：使所述修正后的从手参考速度满足笛卡尔空间下的约束条件，当所述从手的位置接近边界时，采用下面的公式约束所述从手参考速度：
12.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，还包括：
13.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，还包括：
14.如权利要求13所述的控制方法，其特征在于，所述主手反馈力包括主从位姿偏差力和主手本地阻尼力，所述主从位姿偏差力是主手参考位姿和主手末端位姿之间的位置与朝向的偏差，所述主手本地阻尼力是动态阻尼系数与主手末端速度的乘积。
15.如权利要求14所述的控制方法，其特征在于，采用下面的公式计算所述主从位姿偏差力：
16.如权利要求14所述的控制方法，其特征在于，采用下面的公式计算所述主手本地阻尼力：
17.如权利要求13所述的控制方法，其特征在于，比较所述主手的输出能量和所述从手的输入能量，根据比较结果确定是否需要修正所述主手反馈力，包括：
18.如权利要求17所述的控制方法，其特征在于，采用下面的公式修正所述主手反馈力：
19.一种主从手术机器人系统，其特征在于，包括：
20.如权利要求19所述的主从手术机器人系统，其特征在于，还包括：
21.一种主从手术机器人系统，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种主从手术机器人系统的控制方法，所述手术机器人系统包括主控制平台和手术平台，所述主控制平台包括主手，所述手术平台包括从手，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述配准所述主手和所述从手包括：
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述调整所述主手的朝向使所述主手在所述主手配准坐标系中的朝向与所述从手的朝向一致包括：调整所述第一主手末端坐标系的朝向，使所述主手绕所述第一主手末端坐标系的x轴和y轴旋转，使所述第一主手末端坐标系的z轴与所述从手映射到主手空间下的主手配准坐标系的z轴朝向一致，并成为第二主手末端坐标系。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，还包括：在所述第一主手末端坐标系成为第二主手末端坐标系之后，使所述主手绕第二主手末端坐标系的z轴旋转，使所述第二主手末端坐标系的x轴和y轴分别与所述主手配准坐标系的x轴和y轴一致，获得主手姿态优化矩阵。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，将所述主手映射位姿通过坐标变换获得从手映射位姿之后还包括：
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述从手映射位姿计算所述从手的输出能量包括：
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，采用下面的公式计算所述从手的输出能量：
8.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括：
9.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，根据比较结果确定是否需要修正所述从手...
【专利技术属性】
技术研发人员：王乾，邵明昊，朱志军，张嘉伟，宓海，蔡宁，吕飞舟，姜建元，
申请(专利权)人：上海极睿医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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