[發明專利]微創手術機器人柔性絲傳動手術器械高精度離線控制方法

有效

• 申請號: 202011390261.0
• 申請日: 2020-12-02
• 公開（公告）號: CN112545652B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 潘博;郭勇辰;付宜利
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: A61B34/30
• 分類號: A61B34/30;A61B34/37;A61B34/00
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產權代理有限公司 23213
• 代理人: 孟憲會

微創手術機器人柔性絲傳動手術器械高精度離線控制方法，涉及醫療機器人領域。為解決現有的微創手術機器人柔性絲傳動手術器械控制方法控制精度有限，操作粗糙，使用不便的問題。采用簡單便捷的方式進行手術器械的離線辨識，并且補償準確度高。具體地說，本發明事先測量多把器械的滯回曲線，利用多項式擬合和極大似然估計得到該器械通用的滯回模型，再在實際使用之前用FCN網絡對電機勻速往返運動時地電流數據進行辨識，準確地提取出回差大小以調整滯回模型的幅值，進而實現對手術器械的細膩控制。使用本發明時，只需要提前讓致動電機勻速往返運動若干次即可，十分方便，且補償細膩準確度高，使用方便。本發明適用于醫療機器人領域。

技術領域

本發明涉及醫療機器人領域，具體涉及一種微創手術機器人柔性絲傳動手術器械高精度離線控制方法。

背景技術

近年來，腔鏡微創手術機器人的應用提高了手術效果，減輕了患者病痛。醫生通過主操作手控制伸入患者腔體內的細長手術器械來實現各種手術操作。然而，由于緊湊設計，手術器械通常使用遠距離致動柔性絲傳動，進而導致致動端與輸出端之間的運動存在遲滯現象，影響外科醫生的精細操作。

目前業界主要通過“辨識-補償”的思路來解決該問題。補償方面，有直接補償和基于模型補償兩種方式。直接補償一般通過在器械回差階段前饋位置信號來實現，此方法簡單但比較粗糙，位置控制細膩度較差。而基于模型補償測試按照器械滯回模型或者動力學模型來補償回差，準確度較高。而辨識方面，有在線辨識與離線辨識兩種方式。在線辨識一般通過卡爾曼濾波或者支持向量分類等智能算法借助實際使用時采集到的電機編碼器讀數和電機電流來判斷當前是否處于滯回狀態，借此辨識結果指導補償算法進行回差補償。這種方式無需事先辨識，便于使用，但由于實際使用中的負載變化不可預知，該類方法的辨識準確度仍不能滿足要求。而離線辨識主要通過對手術器械的運動或者動力學特性進行建模，在實際使用之前事先利用復雜的參考軌跡來辨識模型或者使用額外的三維位置測量儀器(比如NDI光學定位系統)測量模型，進而對辨識好的這一把器械進行前饋補償。這種方式雖然辨識準確度較高，但需要對每一把器械提前進行辨識，使用不方便。此外，由于加工裝配誤差的影響，每一把器械滯回曲線的形狀和幅值略有不同，如果在實際使用中只使用對某一把器械測量的模型來進行補償，會產生較大的誤差。

總之，現有的微創手術機器人柔性絲傳動手術器械控制方法控制精度有限，操作粗糙，使用不便的問題。

發明內容

本發明為解決現有的微創手術機器人柔性絲傳動手術器械控制方法控制精度有限，操作粗糙，使用不便的問題，而提出一種微創手術機器人柔性絲傳動手術器械高精度離線控制方法。

本發明的一種微創手術機器人柔性絲傳動手術器械高精度離線控制方法，其具體步驟如下：

步驟一、微創手術機器人系統開始主從控制，在每個控制周期循環判斷致動電機是否反向運動；

步驟二、致動電機反向運動后，判斷反向運動后的電機轉向，如果正向轉動則令電機目標位置q_d

q_d＝q_d+ΔS₁ (1)

利用電機目標位置q_d來補償機械間隙回差；

如果反向轉動則令電機目標位置q_d

q_d＝q_d-ΔS₁ (2)

利用電機目標位置q_d來補償機械間隙回差，式(1)和式(2)中ΔS₁是該手術器械的機械間隙回差；

步驟三、使用該手術器械的柔性絲形變回差ΔS₂和手術器械通用滯回模型f(x；μ_ω) (3a)得到反歸一化的電機補償曲線：