[发明专利]具有人机协同功能的开颅手术机器人系统

说明书

本发明涉及一种具有人机协同功能的开颅手术机器人系统，包括人机协同控制器，所述人机协同控制器包括导纳控制单元、位置控制单元和力矩控制单元；所述导纳控制单元的输入为外部施加的力矩和关节当前角度位置，用于输出关节运动角度变化量；所述位置控制单元的输入为所述关节运动角度变化量，用于输出关节运动速度；所述力矩控制单元的输入为所述关节运动速度，用于产生关节电机力矩；其中，所述外部施加的力矩越大所述导纳控制单元产生的关节运动角度变化量越大。本发明保证操作者可以自由拖动手术机器人在工作空间内运动。

技术领域

本发明涉及医疗机器人技术领域，特别是涉及一种具有人机协同功能的开颅手术机器人系统。

背景技术

医生再进行开颅手术时，无法直视颅骨和脑膜之间的区域，完全凭借医生的手术经验，同时由于手部的震颤不可避免的会造成铣削轨迹的误差，操作不当容易破坏脑膜产生脑组织损伤。因此在进行开颅手术时，需要有经验的医生来进行开颅手术操作，对医生具有较高的要求。

现在商业化的手术机器人多应用在腹腔镜手术、神经外科立体定向手术和关节置换手术当中。比如说达芬奇手术机器人主要用在腹腔镜手术当中，ROSA手术机器人主要用在脑部神经手术，MAKO手术机器人主要是用在关节置换手术当中。同时，以上手术机器人在手术过程中也没有加入力反馈功能，医生在操作过程中完全凭借自己的经验，不能形成直接的力感知，容易产生误操作的风险。

现在的神经外科手术机器人都是通过术前手术规划，操纵机器人运动到设定的位置，从而实现立体定向手术，整个过程由机器人自己运动。而开颅手术机器人由于操作复杂，手术中需要进行骨膜和颅骨的分离，同时还要灵活的由医生用手操纵机器人在选取的骨窗位置进行开孔操作，需要采用人机协作的方式来操控机器人。因此为了解决以上机器人存在的技术难题，同时结合开颅的技术特点，需要开发一款开颅手术机器人。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有人机协同功能的开颅手术机器人系统，保证操作者可以自由拖动手术机器人在工作空间内运动。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种具有人机协同功能的开颅手术机器人系统，包括人机协同控制器，所述人机协同控制器包括导纳控制单元、位置控制单元和力矩控制单元；所述导纳控制单元的输入为外部施加的力矩和关节当前角度位置，用于输出关节运动角度变化量；所述位置控制单元的输入为所述关节运动角度变化量，用于输出关节运动速度；所述力矩控制单元的输入为所述关节运动速度，用于产生关节电机力矩；其中，所述外部施加的力矩越大所述导纳控制单元产生的关节运动角度变化量越大。

所述的具有人机协同功能的开颅手术机器人系统还包括钻孔安全保护控制器，所述钻孔安全保护控制器的输入为钻/铣颅骨过程中钻孔力，当F_钻n+1-F_钻n＜α并且钻孔的深度达到预测值H时控制机器人停止钻孔方向的移动，其中，F_钻n+1为N+1时刻的钻孔力，F_钻n为N时刻的钻孔力，α为钻孔力的临界阈值。

所述的具有人机协同功能的开颅手术机器人系统还包括手术操作意图辨识控制器，所述手术操作意图辨识控制器的输入为执行器采集到的操作力，当dF＜0时，控制机器人沿着轨迹方向做加速运动，当dF＞0时，控制机器人沿着轨迹方向做减速运动，其中，表示操作力微分，F_合N+1表示N+1时刻的操作力信息，F_合N表示N时刻的操作力信息，T表示操作力的单位采集周期。

所述的具有人机协同功能的开颅手术机器人系统还包括安全边界控制器，所述安全边界控制器用于在非手术区域设定机器人运动空间范围保证机器人在限定的工作空间范围内自由拖动，当机器人离工作范围边界小于安全值时，控制机器人增加运动阻抗，当机器人到达边界值时，控制机器人停止运动。

所述的具有人机协同功能的开颅手术机器人系统还包括防碰撞控制器，所述防碰撞控制器的输入为关节力矩变化量，当突然有外在的冲击力时，控制机器人停止运动。