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

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710182375.8
• 申請日: 2017-03-24
• 公開（公告）號: CN106965175B
• 公開（公告）日: 2019-07-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 段星光;韓定強(qiáng);崔騰飛;李浩源
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: 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

本發(fā)明公開了一種開顱機(jī)器人的協(xié)同交互控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括運動限制模塊、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；運動限制模塊用于實時追蹤機(jī)器人的位置，并和限定的區(qū)域進(jìn)行對比，從而將機(jī)器人限制在一定區(qū)域內(nèi)運動；醫(yī)生?機(jī)器人交互模塊用于完成醫(yī)生對機(jī)器人的實時速度控制；機(jī)器人?患者交互模塊在顱骨銑削過程中，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程中保持一定的鉆進(jìn)力；求解器用于完成機(jī)器人的逆運動學(xué)解算，輸入和輸出分別為機(jī)器人運動和關(guān)節(jié)運動速度，從而驅(qū)動機(jī)器人運動。本發(fā)明綜合醫(yī)生靈活度高與機(jī)器人精度高的優(yōu)點，提高手術(shù)安全性的同時提高手術(shù)效率與質(zhì)量，降低醫(yī)生開顱手術(shù)疲勞程度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種交互控制系統(tǒng)，具體涉及一種開顱機(jī)器人的協(xié)同交互控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)

神經(jīng)外科疾病治療方法主要以手術(shù)為主。目前，神經(jīng)外科手術(shù)中開顱手術(shù)所占比例最高，僅解放軍總醫(yī)院每年開顱手術(shù)達(dá)三千例以上。而且神經(jīng)外科手術(shù)為外科手術(shù)中最費時費力的手術(shù)之一，尤其是開顱手術(shù)。傳統(tǒng)開顱手術(shù)均為人來完成，醫(yī)生在開顱手術(shù)中所使用的顱鉆/顱銑有兩類：一類是電動氣動式，另一類是手動式?，F(xiàn)有的顱鉆/顱銑均為手持進(jìn)鉆設(shè)備，重量在1kg左右，醫(yī)生長時間負(fù)重操作，并且需要保證鉆銑的高精度，保障手術(shù)安全，這種傳統(tǒng)的開顱方法大大消耗醫(yī)生的體力與精力,并且還需要有經(jīng)驗的醫(yī)生方可實施。一般開顱需要1小時，清除腫瘤需要2小時，由此可見開顱在神經(jīng)外科手術(shù)中無論是時間還是數(shù)量上都占據(jù)較大比重，消耗醫(yī)生精力很多，更何況在開顱之后尚需完成更復(fù)雜、精細(xì)及耗時的進(jìn)一步手術(shù)操作。因此把開顱這項兼具復(fù)雜性與高風(fēng)險性的任務(wù)由機(jī)器人來輔助執(zhí)行，通過人機(jī)協(xié)同控制算法來提高安全性和時效性，具有十分重要的意義。

協(xié)同交互控制主要體現(xiàn)在機(jī)械臂的逆向驅(qū)動上，即機(jī)械臂能對外界施加的力做出相應(yīng)的運動。目前實現(xiàn)機(jī)械臂逆向驅(qū)動的方式有以下幾種：(1)通過檢測電機(jī)的電流突變來實現(xiàn)，但該方式需要比較精確的動力學(xué)模型和關(guān)節(jié)的摩擦力補(bǔ)償，對于輕型機(jī)械臂(慣性小，關(guān)節(jié)摩擦力小)一般采用該方法，如巴瑞特全絲傳動機(jī)械臂能達(dá)到較好的交互控制效果(絲傳動摩擦力的影響可忽略不計)，但對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂效果較差；(2)通過在每個關(guān)節(jié)增加扭矩傳感器，直接避開了對減速器、電機(jī)轉(zhuǎn)子的建模，可以精確的檢測關(guān)節(jié)力矩，并且效果較好，如kuka iiwa的七自由度機(jī)械臂，但是成本較高。(3)僅使用電機(jī)編碼器，通過編碼返回的關(guān)節(jié)角度的變化，從而預(yù)測施加在機(jī)械臂上的力，驅(qū)動機(jī)械臂運動；(4)通過在末端加力傳感器，該方式能在不需要知道機(jī)械臂動力學(xué)的情況下直接實現(xiàn)其逆向驅(qū)動，而且不受末端負(fù)載的影響。

然而在現(xiàn)有的技術(shù)中，側(cè)重于單方面的交互控制，前三種實現(xiàn)交互操作的方式多用于拖動示教或者碰撞檢測，但當(dāng)末端負(fù)載變化時，負(fù)載對機(jī)械臂施加的力和人對機(jī)械臂施加的力直接耦合在一起，無法分辨，第四種方式也只用于機(jī)器人柔性裝配或者拖動示教上，使用場景比較受限制。對于開顱手術(shù)機(jī)器人人，不僅僅需要解決醫(yī)生和機(jī)器人之間的交互，而且需要解決機(jī)器人和患者以及患者和醫(yī)生的交互，這對算法的安全性以及功能實現(xiàn)的要求更加苛刻，是現(xiàn)有的技術(shù)難以解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有交互控制算法的不足，提供了一種開顱機(jī)器人的協(xié)同交互控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過力/位/阻抗混合控制的方式實現(xiàn)開顱手術(shù)機(jī)器人、醫(yī)生以及病患三者之間的安全交互控制，手術(shù)過程中醫(yī)生通過操控手把來實現(xiàn)對機(jī)器人的牽引并進(jìn)行顱骨切割鉆銑，綜合醫(yī)生靈活度高與機(jī)器人精度高的優(yōu)點，提高手術(shù)安全性的同時提高手術(shù)效率與質(zhì)量，最大程度降低醫(yī)生開顱手術(shù)疲勞程度。