【技術實現步驟摘要】
本公開涉及手術導航，具體涉及一種手術機器人的自動避障方法及系統。
技術介紹
1、近年來手術導航系統在外科手術中得到了廣泛的應用，作為輔助外科醫生完成手術任務最為得力的助手。手術機器人自主安全的到達手術位置可以提高手術機器人輔助手術任務的效率，其中如何安全避障對手術機器人自主控制具有積極意義。
2、當前的手術機器人系統主要在骨科、神經外科、腹腔微創以及心血管領域。在這些手術中手術機器人大多由熟練的外科醫生通過主從遙操作、協作模式下的拖動使機器人到達手術目標。這兩類手術機器人的操作方式復雜，長時間的手術操作給外科醫生帶來極大的身心負擔。因此，如果手術機器人能夠有效的實現自主安全的避障，并根據手術規劃自動到達期望的手術位姿能有效的提高手術效率。
3、手術機器人在傳統的輔助過程中主要用于定位導向以給外科醫生提供較為一致的手術定位能力，外科醫生再把持手術工具經由手術機器人末端導向套筒執行手術操作，比如脊柱減壓內固定術，神經外科手術中的腦活檢、消融、引流、電極植入等手術操作前的定位。然而，手術機器人在自動到達手術位姿的對準過程中，需要具備及時安全的避障操作能力。此外，手術機器人還可以用于自動跟蹤手術器械。例如，在腹腔鏡手術任務中，手術機器人的末端執行器通過微小創口進入腹腔環境。在這一過程中，手術器械往往需要腹腔鏡進行實時跟蹤。這要求搭載腹腔鏡的蛇形操作器具備自主避障的能力，以便在提供可靠手術視野的同時，避免與腹腔環境中的重要組織發生碰撞。可靠且安全的實時反應性自動避障算法能夠減少醫生對手術機器人的操作學習曲線和手術負
4、現有的避障運動規劃大多針對靜態場景，如基于采樣和搜索算法需要通過全局信息進行，一旦環境變化則需要重新采樣或搜索出避障路徑，無法滿足手術機器人自主控制的實時反應性要求。傳統的人工勢場法可以實現局部避障并根據實時變化的環境作出及時的反應，然而由于固有存在的避障局部區域震蕩、多個速度場疊加易陷入局部最小、障礙物附近目標點不可達等缺陷，難以滿足手術場景下的避障需求。
技術實現思路
1、有鑒于此，本公開針對現有避障技術的不足，提供了一種手術機器人的自動避障方法及系統。使手術機器人在復雜的手術環境中根據手術目標與障礙物之間的空間位置關系，更好的利用手術環境的自由運動空間，以高效簡單的方式實時地實現避障規劃與手術目標到達。
2、本公開第一方面實施例提出了一種手術機器人的自動避障方法，所述方法包括：
3、在控制手術機器人移動至目標位置的過程中，如果所述手術機器人滿足避障條件，則確定所述手術機器人到所述目標位置的方向矢量，以及確定所述手術機器人到目標障礙物的最短距離點的單位矢量；所述目標障礙物為多個障礙物中距離所述手術機器人最近的障礙物；
4、根據所述方向矢量和所述單位矢量計算所述手術機器人的避障方向和避障速度；
5、根據所述方向向量和所述目標位置的位姿信息計算所述手術機器人的吸引速度；所述吸引速度是指所述手術機器人指向所述目標位置的速度分量；
6、根據所述避障速度和所述吸引速度計算所述手術機器人的合速度，通過所述合速度控制所述手術機器人實現自動避障運動和手術目標到達。
7、本公開實施例通過計算避障速度和吸引速度，以及根據避障速度和吸引速度計算手術機器人的合速度，并通過合速度控制手術機器人實現自動避障運動和手術目標到達，進而提高手術效率。在本公開實施例中，所述避障條件包括角度條件、第一距離條件和第二距離條件；在確定所述手術機器人到所述目標位置的方向矢量之前，所述方法還包括：
8、判斷所述手術機器人是否同時滿足角度條件、第一距離條件和第二距離條件；其中，所述角度條件是指所述單位矢量與所述方向矢量之間的夾角小于預設角度；所述第一距離條件是指所述手術機器人與目標障礙物之間的距離小于自適應避障距離；所述第二距離條件是指所述手術機器人與所述目標位置之間的距離大于所述自適應避障距離；
9、如果所述手術機器人同時滿足所述角度條件、所述第一距離條件和所述第二距離條件，則確定所述手術機器人滿足所述避障條件。
10、在本公開實施例中，所述自適應避障距離是根據所述目標障礙物的最短距離點和所述目標位置確定的；所述最短距離點是指所述障礙物表面上距離所述手術機器人最近的點。
11、本公開實施例中的避障距離是根據目標障礙物的最短距離點和目標位置進行確定的，是自適應調整的；能夠有效避免由于傳統激活避障功能恒定距離可能導致的目標不可達以及避免處理局部避障時可能發生的運動震蕩現象。
12、在本公開實施例中，所述方法還包括：
13、根據所述手術機器人的運動學參數構建運動學等效模型；
14、根據視覺傳感器獲取到的點云數據建立手術環境中的多個障礙物等效模型；
15、根據所述運動學等效模型和所述多個障礙物等效模型計算所述手術機器人與各個障礙物之間的距離，以及每個障礙物上的最短距離點；所述最短距離點是指所述障礙物表面上距離所述手術機器人最近的點；
16、根據所述手術機器人與各個障礙物之間的距離，從所述多個障礙物中篩選出所述目標障礙物。
17、在本公開實施例中，根據所述方向矢量和所述單位矢量計算所述手術機器人的避障方向和避障速度，包括：
18、根據所述單位矢量構建法平面；所述法平面垂直于所述單位矢量；
19、將所述方向矢量投影到所述法平面上，得到所述方向矢量在所述法平面的投影矢量；
20、根據所述投影矢量確定所述避障方向。
21、在本公開實施例中，在確定所述手術機器人滿足所述避障條件之后時，所述方法還包括：
22、如果所述手術機器人的位置坐標、所述目標障礙物的最短距離點和所述目標位置處于同一方向矢量上，則計算所述目標位置到障礙物投影面邊界的最近距離，以及計算所述目標位置在障礙物投影面中到最近邊界點的第二方向矢量；
23、基于所述最近距離、所述第二方向矢量和所述目標位置，得到虛擬目標位置；
24、將所述虛擬目標位置作為新的目標位置，執行確定所述手術機器人到所述目標位置的方向矢量的步驟，直至通過所述合速度控制所述手術機器人實現自動避障運動和所述手術目標到達。
25、在本公開實施例中，計算所述目標位置到障礙物投影面邊界的最近距離，包括：
26、計算所述目標障礙物的所有頂點在投影面上的第一平面坐標點；其中，所有頂點對應的多個第一平面坐標點組成所述障礙物投影面的邊界；
27、計算所述目標位置在所述障礙物投影面邊界上的第二平面坐標點；
28、根據所述多個第一平面坐標點和所述第二平面坐標點，計算所述目標位置到障礙物投影面邊界的最近距離。
29、本公開第二方面的實施例提供了一種手術機器人的自動避障系統，包括：
30、矢量確定模塊，用于在控制手術機器人本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種手術機器人的自動避障方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述避障條件包括角度條件、第一距離條件和第二距離條件；在確定所述手術機器人到所述目標位置的方向矢量之前，所述方法還包括：
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述自適應避障距離是根據所述目標障礙物的最短距離點和所述目標位置確定的；所述最短距離點是指所述障礙物表面上距離所述手術機器人最近的點。
4.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法還包括：
5.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，根據所述方向矢量和所述單位矢量計算所述手術機器人的避障方向和避障速度，包括：
6.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，在確定所述手術機器人滿足所述避障條件之后時，所述方法還包括：
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，計算所述目標位置到障礙物投影面邊界的最近距離，包括：
8.一種手術機器人的自動避障系統，其特征在于，所述裝置包括：
9.一種計算機設備，其特征在于，包括：>
10.一種計算機可讀存儲介質，其特征在于，所述計算機可讀存儲介質上存儲有計算機指令，所述計算機指令用于使計算機執行權利要求1至7中任一項所述的手術機器人的自動避障方法。
...【技術特征摘要】
1.一種手術機器人的自動避障方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述避障條件包括角度條件、第一距離條件和第二距離條件；在確定所述手術機器人到所述目標位置的方向矢量之前，所述方法還包括：
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述自適應避障距離是根據所述目標障礙物的最短距離點和所述目標位置確定的；所述最短距離點是指所述障礙物表面上距離所述手術機器人最近的點。
4.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法還包括：
5.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，根據所述方向矢量和所述單...
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