[發明專利]一種手術機器人末端工具碰撞位置檢測方法

有效

• 申請號: 201710081187.6
• 申請日: 2017-02-15
• 公開（公告）號: CN106725861B
• 公開（公告）日: 2019-12-10
• 發明（設計）人: 宋銳;李倩倩;王懂;劉哲;孟超;高峰
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: A61B34/30
• 分類號: A61B34/30;A61B34/20;A61B34/10
• 代理公司: 11562 北京東方盛凡知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 張雪

本發明公開一種手術機器人末端工具碰撞位置檢測方法，包括末端工具的重力校準、動態誤差補償和碰撞點坐標求解，在基本的力學公式M＝F×L的基礎上，結合碰撞物體的三位點云信息，最終搜索出誤差最小的碰撞點坐標，并將其顯示在三維導航圖像上。本發明使用六維腕力傳感器結合術前三維手術設計信息來計算碰撞位置，既可以在沒有視覺系統的條件下實現碰撞位置檢測，又可以結合視覺系統完成更精確的術中碰撞位置檢測，方法合理實用。

技術領域

本發明涉及骨科手術機器人領域，尤其涉及一種手術機器人末端工具碰撞位置檢測方法。

背景技術

碰撞檢測是手術機器人系統的基本要素和重要安全保障。目前，手術機器人末端碰撞檢測主要還是依靠視覺的方式，通過圖像導航系統來輔助檢測碰撞位置，這種方式除了存在一定的延時以外，其主要的缺陷是無法檢測視覺不可見或有遮擋的區域。而在骨科手術中，大部分碰撞都發生在不可見的區域。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種手術機器人末端工具碰撞位置檢測方法，通過六維腕力傳感器檢測到的力和力矩并結合所把持的骨塊表面的三維點云信息，可以反求出碰撞點的位置信息，與圖像導航信息結合，提供更為精確和完整的碰撞位置檢測信息。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種手術機器人末端工具碰撞位置檢測方法，包括末端工具的重力校準、動態誤差補償和碰撞點坐標求解，具體包括以下步驟：

步驟1在手術機器人末端通過法蘭盤安裝六維腕力傳感器，所述的六維腕力傳感器上安裝能夠連接多種骨科手術器械的特制法蘭；所述的特制法蘭安裝在六維腕力傳感器的原點，其軸線方向為六維腕力傳感器的Z軸方向；

步驟2手術機器人末端工具通過六維腕力傳感器采集力F和力矩M的值；

步驟3手術機器人末端工具的重力校準，即在術前手術設計和機器人路徑規劃階段，計算出在整個路徑中的各位置處，六維腕力傳感器的力F和力矩M的預測值F’和M’；當手術機器人末端位置不發生移動，且F和M的真實值不斷增加，并與預測值之間的插值超過一定閾值即視為發生碰撞；

步驟4當發生碰撞時，連續采集3組以上的F和M的值，并計算出相鄰兩組值之間的差值ΔF和ΔM，即力和力矩的導數，并將ΔF和ΔM用于力學公式“M＝F×L”中，構成方程組：

及

其中，F_x、F_y、F_z分別為六維腕力傳感器檢測碰撞位置X、Y、Z方向的力，M_x、M_y、M_z分別為X、Y、Z方向的力矩；F_x1……F_xn，F_y1……F_yn，F_z1……F_zn分別為采集n組X、Y、Z方向的力；M_x1……M_xn，M_y1……M_yn，M_z1……M_zn分別為采集n組X、Y、Z方向的力矩；

根據碰撞點三維坐標解算方法，在術前設計中預測的碰撞點云范圍內，搜索上述方程組誤差最小的點坐標，即為所求出的碰撞位置坐標；在基本的力學公式M＝F×L的基礎上，結合碰撞物體的三位點云信息，最終搜索出誤差最小的碰撞點坐標，并將其顯示在三維導航圖像上。

步驟5將碰撞位置坐標及時的反饋到術中三維導航的圖像上，實現于圖像導航結合的碰撞位置檢測及引導功能。

所述的六維腕力傳感器的力F和力矩M的真實值為六維腕力傳感器的讀數值，預測值F’和M’為通過對六維腕力傳感器及所有負載做完重力補償后的理論值。