[發(fā)明專利]一種微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710630714.4
• 申請(qǐng)日: 2017-07-28
• 公開（公告）號(hào): CN107374727B
• 公開（公告）日: 2019-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖喬木;梁東;徐登
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶金山醫(yī)療器械有限公司;重慶金山醫(yī)療機(jī)器人有限公司
• 主分類號(hào): A61B34/10
• 分類號(hào): A61B34/10;A61B34/30;G06F17/50
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 王學(xué)強(qiáng)

本發(fā)明公開了一種微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建模方法，包括：建立主手腕點(diǎn)相對(duì)于主手基坐標(biāo)系的齊次變換矩陣；根據(jù)預(yù)設(shè)的主從手之間的基座標(biāo)旋轉(zhuǎn)映射矩陣、比例映射系數(shù)和所述主手齊次變換矩陣得到從手相對(duì)于其基坐標(biāo)系的腕點(diǎn)位置；根據(jù)從手中控制位置運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的齊次變換矩陣與從手腕點(diǎn)的位置建立等式，求解出從手中控制位置運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的角度值和/或位置值；根據(jù)主手在腕點(diǎn)位置的姿態(tài)角度和從手在其腕點(diǎn)的姿態(tài)角度一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系建立等式，求解出從手控制姿態(tài)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的角度值和/或位置值。上述建模方法，依據(jù)位置和姿態(tài)分離的思路，簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算的復(fù)雜程度，提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性指標(biāo)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人建模技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建模方法。

背景技術(shù)

微創(chuàng)手術(shù)(Minimally Invasive Surgery)是指醫(yī)生通過進(jìn)入人體內(nèi)的腹腔鏡、胸腔鏡等內(nèi)窺鏡觀察體內(nèi)病灶器官，并操作通過微小創(chuàng)口進(jìn)入體內(nèi)的特殊手術(shù)器械，在人體腔內(nèi)進(jìn)行手術(shù)的一種手術(shù)方式。

與傳統(tǒng)的開放手術(shù)相比，微創(chuàng)手術(shù)具有體表創(chuàng)傷小、術(shù)中出血量少、疼痛感輕、手術(shù)時(shí)間短、術(shù)后恢復(fù)快、感染風(fēng)險(xiǎn)低的優(yōu)勢(shì)，因而在外科手術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡微創(chuàng)外科手術(shù)也在臨床應(yīng)用中暴露出一些問題，例如：醫(yī)生長(zhǎng)時(shí)間以相同姿勢(shì)站立手術(shù)很容易產(chǎn)生疲勞；情緒或生理活動(dòng)等不穩(wěn)定因素導(dǎo)致的手部抖動(dòng)會(huì)影響手術(shù)精度；器械在操作過程中手眼協(xié)調(diào)性差容易引起手術(shù)誤操作等。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，人們嘗試將傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備(器械)與機(jī)械電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)等現(xiàn)代前沿技術(shù)相結(jié)合，開創(chuàng)新型的醫(yī)療設(shè)備(器械)；特別是機(jī)器人技術(shù)的日臻完善及在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，醫(yī)療機(jī)器人已在傳統(tǒng)醫(yī)療領(lǐng)域逐漸滲透，正是在這樣的技術(shù)背景下微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的出現(xiàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)的缺陷，主要表現(xiàn)在：運(yùn)動(dòng)分辨率高手術(shù)中可對(duì)病灶區(qū)域精準(zhǔn)定位操作、良好的穩(wěn)定性消除了醫(yī)生手抖動(dòng)防止出現(xiàn)誤動(dòng)作、手眼協(xié)調(diào)的一致性使手術(shù)安全性上大為提高，消除了醫(yī)生長(zhǎng)時(shí)間站立的疲勞感，提高微創(chuàng)手術(shù)的手術(shù)效果，拓展了醫(yī)生的手術(shù)能力。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建模方法，該建模方法依據(jù)位置和姿態(tài)分離的思路，簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算的復(fù)雜程度，提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性指標(biāo)。與此同時(shí)，簡(jiǎn)化的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算模型中，其后端姿態(tài)控制的關(guān)節(jié)變量計(jì)算，利用了歐拉角旋轉(zhuǎn)法的思路，旋轉(zhuǎn)角可以通過計(jì)算模型簡(jiǎn)單求出，之后在根據(jù)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)系得出關(guān)節(jié)角控制變量。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建模方法，其特征在于，包括：

建立主手末端腕點(diǎn)相對(duì)于基坐標(biāo)系的主手齊次變換矩陣；

根據(jù)預(yù)設(shè)的主從手之間的基座標(biāo)旋轉(zhuǎn)映射矩陣、比例映射系數(shù)和所述主手齊次變換矩陣得到從手位置；

根據(jù)從手中控制位置運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的齊次變換矩陣與從手腕點(diǎn)的位置建立等式，求解出從手中控制位置運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的角度值和/或位置值；

根據(jù)主手在其腕點(diǎn)的姿態(tài)角度與從手腕點(diǎn)的姿態(tài)角度一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系建立等式，求解出從手中控制姿態(tài)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的角度值和/或位置值。