[发明专利]基于旋量理论的手术机器人约束运动控制方法

说明书

基于旋量理论的手术机器人约束运动控制方法，所述基于旋量理论的手术机器人约束运动控制方法包括：S1，RCM点标定；S2，虚拟RCM点与切口孔对准；S3，生成RCM约束；S4，控制末端执行器运动。其中，步骤S1包括：子流程S11：双目相机和机器人基坐标位姿的确定；S12；工具轴线在末端执行器坐标中的确定；S13：定义RCM点在轴线上的位置确定，采用双目相机、视觉辅助标记物和视觉探针对虚拟RCM点在工具轴上的位置进行标定。

技术领域

本发明涉及医疗器械，特别涉及手术器械在微创手术期间进行定点转动时手术机器人的运动控制，更具体地说涉及一种基于旋量理论的具有远程运动中心约束(“RCM”)的手术机器人的运动控制方法。

背景技术

在微创手术中，通过患者体表切开的小孔，将手术工具(例如手术器械、内窥镜等)插入体内，在内窥镜摄像头的引导下从身体外部操作手术工具完成手术。相对于以往的开放手术，这些手术条件的引入给患者带来巨大的益处，但手术视野有限，对术者要求较高且耗费体力。

微创手术中引入机器人能够为外科医生提供准确性和舒适性方面的重要支持，以提高手术质量缩短患者恢复时间。在机器人辅助微创手术中，机器人机械臂搭载手术工具在通过患者体表的小切口进入体内后，手术工具的运动必须围绕该切口孔进行，不能在该切口处产生非轴线方向的平移，避免对患者引起损伤。更具体地说，固定有手术工具的机器人连杆只能沿其轴线平移并以该切口孔作为支点进行旋转。该手术工具轴线上与切口重合的支点即所谓的远程运动中心(“RCM”)。目前在本领域内，手术机器人的RCM约束可通过机械设计来保证，例如，da手术机器人、Hugo Ras手术机器人、Raven手术机器人等。该类机器人的RCM机构具有较高的安全性，但成本高且针对特定应用设计。

RCM约束也可以通过对串联机械臂进行运动控制以实现可编程RCM约束，随着该类机器人的不断发展，其安全性已到达机械RCM约束的相同水平，这种方式不仅更加灵活、节省空间，而且虚拟RCM点的位置可在合理的轴线范围内任意选取。文献“Task Control withRemote Center of Motion Constraint for Minimally Invasive Robotic Surgery”提出了可编程RCM约束的一般运动学表达形式，但该机器人的RCM运动控制通过雅可比矩阵获得关节速度后再进行积分得到关节向量，该方法针对所有构型的串联机械臂。这种方法计算量大，计算时间长，存在累计误差。对于运动学结构上满足Pieper准则的串联机械臂，由于其运动学逆解存在解析解，可直接通过在笛卡尔空间基于位置RCM约束实现机器人运动控制，即直接得到机器人的关节向量。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于旋量理论的手术机器人RCM约束的运动控制方法，用于在机器人的基坐标系下限定虚拟RCM点与患者体表的切口以简单和安全的方式配准，同时保证手术工具的尖端在患者体内到达指定的位置和实现指定的姿态。

本发明一个方面，提供一种机器人手术系统，该系统包括：人机交互设备、手术机器人和手术工具。所述人机交互设备用于将医生的操作传递给手术机器人，所述手术机器人用于在机器人的基坐标系内控制手术工具围绕虚拟RCM点在患者体内进行球形旋转运动。

本发明第二方面，提供一种运动控制方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：虚拟RCM点的标定；

通过标定设备确定虚拟RCM点在手术工具轴线上的位置；

步骤二：虚拟RCM点与切口孔对准；

在重力补偿拖动下，将所述手术机器人的机械臂末端执行器经由患者体表切口孔插入患者体内并将虚拟RCM点与切口孔对准；

步骤三：设置虚拟RCM点，生成RCM约束；