[发明专利]医疗机器人及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及医疗设备设计领域，尤其涉及一种医疗机器人及其控制方法。

背景技术

脊柱外科是以手术为主要方式处理脊柱脊髓疾患的临床学科，其核心操作包括置钉和切削两大操作，置钉强调进钉点和角度。传统徒手置钉方式需要术者通过手术经验选择进钉点，依赖于空间感觉和术中透视判断进钉角度；切削包括截骨和对软组织的切除，操作时对神经的不当刺激或损伤极易引起术后神经功能的不可逆损伤。传统切削方式常使用骨凿、磨钻或咬骨钳，在过程中需在狭小的空间内严格控制操作范围，操作的安全依赖于术者的空间感觉、灵敏的手感和精细操作能力。据统计，由医师徒手置钉导致的神经损伤的发生率约为3-55％；在切削过程中损伤神经的发生率为3.2-12.8％。如何利用新技术提高手术的精度，减少徒手操作的限制或人为失误造成的损失，是目前精准医疗环境下脊柱外科研究的发展方向。

为解决定位置钉操作的精度问题，以色列研发了SpineAssist系统，该系统是目前国际唯一通过FDA和CFDA认证的脊柱定位置钉机器人，其核心控制技术为并联机械臂的精确位置指令控制，安全策略为术中透视与术前CT配准的导航技术。该系统能在减少透视次数的同时显著提高置钉操作的效率和安全性，误差在1mm以内。韩国汉阳大学开发的SPINEBOT系统同样针对定位置钉操作，在控制模式上采用串联机械臂的位置指令控制，安全策略为红外线光学定位与术前CT配准的导航技术，其误差在1-2mm。同样采用红外线导航和采用串联机械臂的位置指令控制的脊柱置钉机器人还有瑞士的Neuroglide系统和积水潭医院的TiRobot系统。

目前上市的脊柱手术机器人的手术目标为定位置钉操作，主要采用机器人关节的直接位置指令控制或采用主从遥操作控制方式。尽管这些机器人在位置信息层面都可以达到较高的精确度，但使用场景十分局限，无法满足临床切削操作对于机器人辅助的需求。切削操作中术者需要实时感知操作位置和力的变化，根据情况随时调整动作。单纯的指令位置控制与主从控制模式机器人虽可以达到较高位置精度，但在实际使用中直接丧失了手术操作力的信息交互，完全依赖于操作者操作的精确度。而手术系统受到配准误差，特别是解剖结构非完全固定造成运动的影响，难以满足切磨操作的安全性与精确性的要求。

发明内容

本发明提供一种医疗机器人及其控制方法，以提高医疗机器人操作的安全性与精确性。

为了达到上述目的，本发明提供一种医疗机器人，其包括：

操作者操作力获取模块，其用于得到操作者操作力；

机器人操作力获取模块，其用于根据机器人末端所在区域的危险程度得到机器人操作力；

控制模块，其用于通过所述操作者操作力和所述机器人操作力共同确定所述机器人末端的运动速度及运动方向，并将所述运动速度及运动方向的信息转换为控制指令；

驱动模块，其用于接收所述控制指令，并带动机器人末端运动；

机器人末端，其通过所述驱动模块带动，并按照所述运动速度进行运动。

可选的，所述操作者操作力获取模块得到操作者操作力的步骤包括：

通过力传感器采集操作者的输入力；

依据机器人力控制模型将力传感器中的所述输入力转换为笛卡尔空间中的所述操作者操作力。

可选的，所述操作者操作力获取模块得到操作者操作力的步骤包括：

检测得到机器人关节力矩；

通过力雅克比变换所述机器人关节力矩，得到所述操作者操作力。

进一步的，所述医疗机器人还包括滤波模块，其用于对所述操作者操作力进行滤波，以滤除操作者操作时的抖动。

进一步的，所述机器人操作力获取模块根据机器人末端所在区域的危险程度得到机器人操作力的步骤包括：

建立医疗对象模型；

在所述医疗对象模型中按照危险程度划分区域，并针对不同区域设定不同的机器人操作力系数；

将所述医疗对象模型与所述机器人末端的坐标相匹配；

获取所述机器人末端的坐标，判断其所在区域，以得到对应的机器人操作力。

进一步的，所述在所述医疗对象模型中按照危险程度划分区域具体包括：

将所述医疗对象模型中的区域划分为推荐运动区域、安全运动区域和禁止运动区域。

进一步的，所述并针对不同区域设定不同的机器人操作力具体包括：

在所述推荐运动区域不产生机器人操作力；

在所述安全运动区域产生与所述操作者操作力方向相反的阻尼力，降低机器人末端的运动速度；