[發(fā)明專利]一種開(kāi)顱機(jī)器人的協(xié)同交互控制系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710182375.8
• 申請(qǐng)日: 2017-03-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106965175B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-07-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 段星光;韓定強(qiáng);崔騰飛;李浩源
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J9/16
• 分類號(hào): B25J9/16;A61B34/30
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 仇蕾安;郭德忠

1.一種開(kāi)顱機(jī)器人的協(xié)同交互控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)限制模塊、醫(yī)生-機(jī)器人交互模塊、機(jī)器人-患者交互模塊和求解器；其中，所述運(yùn)動(dòng)限制模塊用于實(shí)時(shí)追蹤機(jī)器人的位置，并和限定的區(qū)域進(jìn)行對(duì)比，從而將機(jī)器人限制在一定區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)；所述醫(yī)生-機(jī)器人交互模塊用于完成醫(yī)生對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)速度控制，即醫(yī)生拖動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；所述機(jī)器人-患者交互模塊在顱骨銑削過(guò)程中，銑刀的末端和顱骨底面保持一定的接觸力，以及在顱骨鉆孔的過(guò)程中保持一定的鉆進(jìn)力；所述求解器用于完成機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算，輸入為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度，輸出為機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；

所述運(yùn)動(dòng)限制模塊的輸入為術(shù)前或術(shù)中實(shí)時(shí)規(guī)劃的安全區(qū)域范圍yr以及安全姿態(tài)角θ_r，θ_r為顱銑或顱鉆的軸線方向和接觸面法向的夾角，通過(guò)求和運(yùn)算器與實(shí)時(shí)的機(jī)器人的位置姿態(tài)進(jìn)行對(duì)比，從而由控制器Cr生成控制速度再與權(quán)重矩陣I-W相乘得到輸出速度來(lái)限制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置姿態(tài)由正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算C(q)來(lái)完成；

醫(yī)生-機(jī)器人交互模塊的輸入f_h為醫(yī)生施加在機(jī)器人操作手把上的操作力，通過(guò)與剛度矩陣K_h相乘，從而得到由醫(yī)生的操作力所產(chǎn)生的速度即醫(yī)生的期望速度，通過(guò)力和機(jī)器人末端速度一一對(duì)應(yīng)的方式來(lái)完成醫(yī)生和機(jī)器人的交互，通過(guò)射影算子P_p對(duì)速度進(jìn)行切向或法向上的分解，再與權(quán)重矩陣W相乘調(diào)節(jié)其輸出速度的大小；

機(jī)器人-患者交互模塊的輸入為接觸力f_{c_d}，通過(guò)求和運(yùn)算器完與實(shí)時(shí)反饋力f_c對(duì)比，從而得到控制的偏差，將控制偏差輸入到比例控制器K_pC_y中，其中C_y為系統(tǒng)柔順度，用于建立起速度和接觸力的關(guān)系，K_p為比例控制系數(shù)矩陣，然后將輸出的速度通過(guò)射影算子P_f進(jìn)行法向上的分解，最后輸出的速度與其它速度進(jìn)行求和，另外控制偏差通過(guò)微分運(yùn)算器d/dt得到偏差的導(dǎo)數(shù)，將導(dǎo)數(shù)輸入到微分控制器中K_dC_y，K_d為微分控制系數(shù)矩陣，然后將輸出的速度通過(guò)射影算子P_f進(jìn)行法向上的分解，最后輸出的速度與運(yùn)動(dòng)限制模塊和醫(yī)生-機(jī)器人交互模塊的輸出速度進(jìn)行求和得到速度再通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解器完成關(guān)節(jié)速度的求解，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

2.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)顱機(jī)器人的協(xié)同交互控制系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)權(quán)重矩陣W＝1時(shí)，機(jī)器人由醫(yī)生的施加的力控制，其控制剛度為K_h，即機(jī)器人跟隨人手的運(yùn)動(dòng)；當(dāng)W＝0時(shí)，機(jī)器人為純位置控制，其剛度可認(rèn)為無(wú)窮大；當(dāng)機(jī)器人末端偏離安全區(qū)域越遠(yuǎn)時(shí)，W的值越小，此時(shí)速度所占的比重增加，所占比重減小，對(duì)醫(yī)生產(chǎn)生的反饋力增加，即偏離安全區(qū)域的距離和機(jī)器人對(duì)醫(yī)生產(chǎn)生的反饋力成正比，從而達(dá)到阻抗控制的效果，將機(jī)器人限定在安全區(qū)域內(nèi)。

3.如權(quán)利要求2所述的開(kāi)顱機(jī)器人的協(xié)同交互控制系統(tǒng)，其特征在于，在顱骨銑削的過(guò)程共有三個(gè)控制任務(wù)同時(shí)進(jìn)行，一是根據(jù)術(shù)前的醫(yī)學(xué)圖像采集到的顱骨三維數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前顱骨表面的法線矢量，從而控制銑刀和顱骨表面垂直，安全姿態(tài)角θ_r為0°；二是在法線方向上實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的力矩控制，保持銑刀末端和顱骨一定的接觸力，分開(kāi)粘合在一起的硬膜；三是醫(yī)生通過(guò)把持末端實(shí)現(xiàn)銑刀在顱骨表面切向上的運(yùn)動(dòng)控制；每個(gè)控制任務(wù)都會(huì)生成一條實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡，最后基于安全區(qū)域的約束帶完成這三條軌跡的疊加得；

從醫(yī)學(xué)圖像上可以得到顱骨表面的法線矢量為n，因此可以得到力控的射影算子為P_p＝nn^T，位置控制的射影算子為P_f＝I-nn^T，位置控制和力控任務(wù)可以被解耦為：

其中和為位置控制和力控任務(wù)所生成的速度，在交互過(guò)程中，安全性不僅僅體現(xiàn)在機(jī)器人與接觸力的控制上，同時(shí)也體現(xiàn)在機(jī)器人本身位置、姿態(tài)的約束上；通過(guò)正運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)時(shí)計(jì)算出機(jī)械臂當(dāng)前的位姿，并通過(guò)和安全區(qū)域y_r的對(duì)比來(lái)決定權(quán)重矩陣W的值，從而在速度上限制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；因此最終生成的速度軌跡為：

4.如權(quán)利要求2所述的開(kāi)顱機(jī)器人的協(xié)同交互控制系統(tǒng)，其特征在于，在顱骨鉆孔的過(guò)程中有三個(gè)控制任務(wù)同時(shí)進(jìn)行，一是為了保證孔的位置不偏，需要控制鉆頭的軸線與顱骨表面垂直，設(shè)定安全姿態(tài)角θ_r為0°；二是通過(guò)設(shè)定接觸力f_{c_d}，由機(jī)器人來(lái)控制進(jìn)鉆力的大小；三是將醫(yī)生實(shí)時(shí)對(duì)機(jī)器人的控制產(chǎn)生的速度沿著顱骨表面法線的方向上進(jìn)行分解；此時(shí)P_p＝P_f＝nn^T，位置控制和力控通過(guò)解耦進(jìn)行疊加；為了防止鉆透硬膜，當(dāng)顱骨鉆透后令求解器的輸入速度從而使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)停止。