[發明專利]醫療機器人及其控制方法

在審

• 申請號: 201710432983.X
• 申請日: 2017-06-09
• 公開（公告）號: CN107009363A
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發明（設計）人: 師云雷;何超;王家寅;朱祥;袁帥;姜逸之
• 申請（專利權）人: 微創（上海）醫療機器人有限公司
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 上海思微知識產權代理事務所(普通合伙)31237
• 代理人: 王仙子

技術領域

本發明涉及醫療設備設計領域，尤其涉及一種醫療機器人及其控制方法。

背景技術

脊柱外科是以手術為主要方式處理脊柱脊髓疾患的臨床學科，其核心操作包括置釘和切削兩大操作，置釘強調進釘點和角度。傳統徒手置釘方式需要術者通過手術經驗選擇進釘點，依賴于空間感覺和術中透視判斷進釘角度；切削包括截骨和對軟組織的切除，操作時對神經的不當刺激或損傷極易引起術后神經功能的不可逆損傷。傳統切削方式常使用骨鑿、磨鉆或咬骨鉗，在過程中需在狹小的空間內嚴格控制操作范圍，操作的安全依賴于術者的空間感覺、靈敏的手感和精細操作能力。據統計，由醫師徒手置釘導致的神經損傷的發生率約為3-55％；在切削過程中損傷神經的發生率為3.2-12.8％。如何利用新技術提高手術的精度，減少徒手操作的限制或人為失誤造成的損失，是目前精準醫療環境下脊柱外科研究的發展方向。

為解決定位置釘操作的精度問題，以色列研發了SpineAssist系統，該系統是目前國際唯一通過FDA和CFDA認證的脊柱定位置釘機器人，其核心控制技術為并聯機械臂的精確位置指令控制，安全策略為術中透視與術前CT配準的導航技術。該系統能在減少透視次數的同時顯著提高置釘操作的效率和安全性，誤差在1mm以內。韓國漢陽大學開發的SPINEBOT系統同樣針對定位置釘操作，在控制模式上采用串聯機械臂的位置指令控制，安全策略為紅外線光學定位與術前CT配準的導航技術，其誤差在1-2mm。同樣采用紅外線導航和采用串聯機械臂的位置指令控制的脊柱置釘機器人還有瑞士的Neuroglide系統和積水潭醫院的TiRobot系統。

目前上市的脊柱手術機器人的手術目標為定位置釘操作，主要采用機器人關節的直接位置指令控制或采用主從遙操作控制方式。盡管這些機器人在位置信息層面都可以達到較高的精確度，但使用場景十分局限，無法滿足臨床切削操作對于機器人輔助的需求。切削操作中術者需要實時感知操作位置和力的變化，根據情況隨時調整動作。單純的指令位置控制與主從控制模式機器人雖可以達到較高位置精度，但在實際使用中直接喪失了手術操作力的信息交互，完全依賴于操作者操作的精確度。而手術系統受到配準誤差，特別是解剖結構非完全固定造成運動的影響，難以滿足切磨操作的安全性與精確性的要求。

發明內容

本發明提供一種醫療機器人及其控制方法，以提高醫療機器人操作的安全性與精確性。

為了達到上述目的，本發明提供一種醫療機器人，其包括：

操作者操作力獲取模塊，其用于得到操作者操作力；

機器人操作力獲取模塊，其用于根據機器人末端所在區域的危險程度得到機器人操作力；

控制模塊，其用于通過所述操作者操作力和所述機器人操作力共同確定所述機器人末端的運動速度及運動方向，并將所述運動速度及運動方向的信息轉換為控制指令；

驅動模塊，其用于接收所述控制指令，并帶動機器人末端運動；

機器人末端，其通過所述驅動模塊帶動，并按照所述運動速度進行運動。

可選的，所述操作者操作力獲取模塊得到操作者操作力的步驟包括：

通過力傳感器采集操作者的輸入力；

依據機器人力控制模型將力傳感器中的所述輸入力轉換為笛卡爾空間中的所述操作者操作力。

可選的，所述操作者操作力獲取模塊得到操作者操作力的步驟包括：

檢測得到機器人關節力矩；

通過力雅克比變換所述機器人關節力矩，得到所述操作者操作力。

進一步的，所述醫療機器人還包括濾波模塊，其用于對所述操作者操作力進行濾波，以濾除操作者操作時的抖動。

進一步的，所述機器人操作力獲取模塊根據機器人末端所在區域的危險程度得到機器人操作力的步驟包括：

建立醫療對象模型；

在所述醫療對象模型中按照危險程度劃分區域，并針對不同區域設定不同的機器人操作力系數；

將所述醫療對象模型與所述機器人末端的坐標相匹配；

獲取所述機器人末端的坐標，判斷其所在區域，以得到對應的機器人操作力。

進一步的，所述在所述醫療對象模型中按照危險程度劃分區域具體包括：

將所述醫療對象模型中的區域劃分為推薦運動區域、安全運動區域和禁止運動區域。

進一步的，所述并針對不同區域設定不同的機器人操作力具體包括：

在所述推薦運動區域不產生機器人操作力；

在所述安全運動區域產生與所述操作者操作力方向相反的阻尼力，降低機器人末端的運動速度；