【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于腹腔鏡運鏡，更具體地，涉及一種結合導納控制器的腹腔鏡運鏡方法及系統。
技術介紹
1、在傳統的腹腔微創手術中，外科醫生首先使用手術器械在患者腹部鉆出若干個微小的切口，使細長的手術器械的一端能夠通過切口到達患者的內臟器官附近，手術器械的另一端則由外科醫生進行操作。腹腔鏡是腹腔手術中必不可少的醫療器械，可經過rcm點伸入患者腹腔內為主刀醫生提供視野。為了配合主刀醫生的手術進程，需要一位持鏡助手持續調整腹腔鏡姿態和鏡頭到器官的距離，從而提供一個合適、良好的視野以保證手術的順利進行。但在實際手術過程中，存在有以下幾點問題：(1)當長時間的手術過程中，持鏡醫生就會出現生理性抖動或小幅度運鏡，這給腹腔微創手術帶來了干擾和挑戰。(2)難以做到頻繁細微移動腹腔鏡，當主刀醫生需要細微操作時無法保證能提供最合適的視野。(3)手持腹腔鏡會對患者腹部切口產生切向力，導致傷口擴大甚至危及病人生命安全。
2、為了解決上述問題，kim在文章“design?of?a?compact?5-dof?surgical?robotof?a?spherical?mechanism”中設計了一個始終滿足rcm約束的串聯式球面機構，可以使機構末端的器械始終保持rcm約束，避免對切口產生切力，從而提高手術安全程度。azimian在文章“on?constrained?manipulation?in?robotics-assisted?minimally?invasivesurgery”中采用了一種任務優先級的方法，即rcm約束位于第一優先級，第二優先級是
3、但kim設計的機構會占用大量的手術空間，會對主刀醫生的操作產生干擾，并且該機構僅存在5個自由度難以實現rcm約束以外的其他控制任務。而azimian的方法僅采用位置控制，會導致在剛性相互作用的情況下產生較大的接觸力，這會對腹腔微創手術產生安全隱患。此外，現有技術中僅能保證末端執行器在接觸外部環境時做出反饋，這會導致手術過程中僅能通過移動末端才能實現運鏡，需要醫生具備準確的空間認知，并且難以通過移動末端執行器來實現期望的機器人姿態。
技術實現思路
1、針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本專利技術提供了一種結合導納控制器的腹腔鏡運鏡方法及系統，其中結合冗余機器人自身的特征及腹腔鏡運鏡控制特點，相應設計了融合主刀醫生意圖和扶鏡助手意圖偏差的結合導納控制器的腹腔鏡運鏡方法，其使用冗余機器人實現rcm約束下的腹腔鏡姿態控制，同時通過機器人的關節力矩傳感器實現對醫生施加力矩的監測，結合導納控制器輸出冗余機器人的期望位姿；設置s-r-s構型冗余機器人的運動學模型，建立非阻塞進程下的機器人關節控制框架，對機器人的關節進行位置控制，從而完成所述腹腔鏡運鏡任務。既能保持腹腔鏡始終滿足rcm約束，也能實現冗余機器人的自由運動的被動性和有界性。
2、為實現上述目的，按照本專利技術的一個方面，提出了一種結合導納控制器的腹腔鏡運鏡方法，包括以下步驟：
3、步驟一，使用機器人實現rcm約束下的腹腔鏡姿態控制；
4、步驟二，獲取醫生施加的關節力矩，若關節力矩大于閾值，則結合導納控制器和當前位姿計算出機器人的期望位姿，否則，結合當前位姿和運鏡指令計算出機器人的期望位姿；
5、步驟三，根據所述期望位姿計算期望關節角，并據此構建以臂角為冗余參數的機器人運動學模型；
6、步驟四，根據所述運動學模型建立非阻塞進程下的機器人關節控制框架，以對機器人的關節進行位置控制，從而實現腹腔鏡運鏡。
7、作為進一步優選的，步驟一具體包括：
8、使用機器人實現rcm約束下的腹腔鏡姿態控制，同時對機器人末端負載的重力補償以及腹腔鏡在笛卡爾空間內的直觀運鏡。
9、作為進一步優選的，步驟一還包括：采集運鏡指令，所述運鏡指令包括：
10、沿x方向運鏡、沿y方向運鏡、沿軸線平移運鏡以及沿軸線旋轉運鏡。
11、作為進一步優選的，實現rcm約束下的腹腔鏡姿態控制的條件矩陣h包括：
12、
13、其中，為矩陣c對時間的一階導數，c為機器人約束任務空間中的一個任意的基矩陣，κ1、κ2為設定的收斂參數，xc為rcm點與機器人末端tcp連線所構成的有向向量在垂直于機器人末端軸線的平面上的投影，為xc對時間的一階導數。
14、作為進一步優選的，步驟二中，根據期望的機器人關節角加速度機器人約束任務空間中的基矩陣c、機器人實現rcm約束的條件矩陣h、機器人自由運動空間中一個滿足cft＝0的任意的基矩陣f、機器人自由運動空間中設定的阻尼矩陣df、上一時刻的機器人關節角速度機器人關節力矩傳感器在時刻t測量的關節力矩值τ(t)構建導納控制器。
15、作為進一步優選的，步驟二中，所述納控制器包括：
16、
17、??????????
18、其中，m為導納控制器中設定的加權系數矩陣，為矩陣c的加權右偽逆矩陣，為矩陣f的加權右偽逆矩陣。
19、作為進一步優選的，步驟二中，重力補償后的關節力矩的計算模型包括：
20、τ＝τ(t)-τ0,τ0＝jt[gx?gy?gz?mgx?mgy?mgz]t
21、
22、其中，τ為實現重力補償后的關節力矩值，τ0為機器人末端剛性鏈接腹腔鏡時腹腔鏡及機器人末端負載因重力而產生的關節力矩值，jt是機器人的雅可比矩陣的轉置矩陣，gx、gy和gz分別是腹腔鏡及機器人末端負載的重力向量在機器人tcf下沿x、y和z方向的分量，lx、ly和lz分別是腹腔鏡及機器人末端負載的質心與tcp之間的距離在機器人tcf下沿x、y和z方向的分量，mgx、mgy和mgz分別是腹腔鏡及機器人末端負載的重力向量對機器人產生的力矩在機器人tcf下沿x、y和z方向的分量。
23、作為進一步優選的，步驟四還包括：
24、(401)設定臂角位冗余參數，設置機器人運動學模型，結合期望位姿，獲取多個關節角；
25、(402)結合當前關節角，根據最小能量原則，在所述多個關節角中篩選出最優關節角最為期望關節角。
26、按照本專利技術的另一個方面，還提供了一種結合導納控制器的腹腔鏡運鏡系統，包括：
27、第一控制模塊，用于使用機器人實現rcm約束下的腹腔鏡姿態控制；
28、第二控制模塊，用于獲取醫生施加的關節力矩，若關節力矩大于閾值，則結合導納控制器和當前位姿計算出機器人的期望位姿，否則，結合當前位姿和運鏡指令計算出機器人的期望位姿；
29、第三控制模塊，根據所述期望位姿計算期望關節角，并據此構建以臂角為冗余參數的機器人運動學模型；
30、第四控制模塊本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種結合導納控制器的腹腔鏡運鏡方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種結合導納控制器的腹腔鏡運鏡方法，其特征在于，步驟一具體包括：
3.根據權利要求2所述的一種結合導納控制器的腹腔鏡運鏡方法，其特征在于，步驟一還包括：采集運鏡指令，所述運鏡指令包括：
4.根據權利要求1所述的一種結合導納控制器的腹腔鏡運鏡方法，其特征在于，步驟一中，實現RCM約束下的腹腔鏡姿態控制的條件矩陣H包括：
5.根據權利要求1所述的一種結合導納控制器的腹腔鏡運鏡方法，其特征在于，步驟二中，根據期望的機器人關節角加速度機器人約束任務空間中的基矩陣C、機器人實現RCM約束的條件矩陣H、機器人自由運動空間中一個滿足CFT＝0的任意的基矩陣F、機器人自由運動空間中設定的阻尼矩陣Df、上一時刻的機器人關節角速度機器人關節力矩傳感器在時刻t測量的關節力矩值τ(t)構建導納控制器。
6.根據權利要求5所述的一種結合導納控制器的腹腔鏡運鏡方法，其特征在于，步驟二中，所述納控制器包括：
7.根據權利要求6所述的一種結合導納控制
8.根據權利要求1所述的一種結合導納控制器的腹腔鏡運鏡方法，其特征在于，步驟四還包括：
9.一種結合導納控制器的腹腔鏡運鏡系統，其特征在于，包括：
10.根據權利要求9所述的一種結合導納控制器的腹腔鏡運鏡系統，其特征在于，所述納控制器包括：
...【技術特征摘要】
1.一種結合導納控制器的腹腔鏡運鏡方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種結合導納控制器的腹腔鏡運鏡方法，其特征在于，步驟一具體包括：
3.根據權利要求2所述的一種結合導納控制器的腹腔鏡運鏡方法，其特征在于，步驟一還包括：采集運鏡指令，所述運鏡指令包括：
4.根據權利要求1所述的一種結合導納控制器的腹腔鏡運鏡方法，其特征在于，步驟一中，實現rcm約束下的腹腔鏡姿態控制的條件矩陣h包括：
5.根據權利要求1所述的一種結合導納控制器的腹腔鏡運鏡方法，其特征在于，步驟二中，根據期望的機器人關節角加速度機器人約束任務空間中的基矩陣c、機器人實現rcm約束的條件矩陣h、機器人自由運動空間中一個滿足cft＝0的...
【專利技術屬性】
技術研發人員：汪一葦，趙歡，丁海南，盛宇博，楊司航，丁漢，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：
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