[发明专利]一种远程操控的骨折复位手术机器人系统及复位控制方法

权利要求书

1.一种远程操控的骨折复位手术机器人系统，包括：手术图像采集设备，骨折复位机器人和远程控制工作站；所述手术图像采集设备通过数据线或无线网络连接远程控制工作站，远程控制工作站通过数据线或者无线网络连接骨折复位机器人；其特征在于，所述远程控制工作站上安装有规划复位路径的图形界面。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述规划复位路径的图形界面包含以下内容：

1)透视图像显示区，用于显示手术中通过手术图像采集设备实时采集到的正位透视图像和侧位透视图像；

2)路径规划相关标志线段和箭头，显示在每张透视图像上的相应位置，包括：代表固定端骨头中线的线段，代表移动端骨头中线的线段，代表机器人运动后移动端骨头的中线将到达的位置的线段，以及代表机器人运动后移动端沿骨头轴线转动角度的双向箭头；

3)路径规划相关按钮：包括位于透视图像显示区的正位图像下方和侧位图像下方各六个按钮，分别代表向上移动、向下移动、向左移动、向右移动、顺时针转动和逆时针转动，按下后，所述代表机器人运动后移动端骨头的中线将到达的位置的线段的位置会按照按钮对应的方向进行平移或转动；还包括位于代表机器人运动后移动端沿骨头轴线转动角度的双向箭头下方的两个按钮，分别代表顺时针转动和逆时针转动，按下后，代表机器人运动后移动端沿骨头轴线转动角度的双向箭头会按照按钮对应的方向进行旋转；

4)Reset按钮，按下后，路径规划相关标志线段和箭头回到初始位置，即代表机器人运动后移动端骨头的中线将到达的位置的线段回到和代表移动端骨头中线的线段重合的位置，代表机器人运动后移动端沿骨头轴线转动角度的双向箭头回到竖直位置；

5)Flip按钮，按下后，代表移动端骨头中线的线段和代表移动端骨头的中线的线段的位置进行互换；

6)Run按钮，按下后，计算得到控制误差e，并将该控制误差发送给远程控制工作站中的机器人控制程序。

3.一种基于如权利要求1所述系统的复位控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)手术图像采集设备实时采集骨折患处的正位透视图像和侧位透视图像各一张，通过数据线或无线网络发送到远程控制工作站上，远程控制工作站生成相应的规划复位路径的图形界面；

2)操作者通过图形界面上显示的正位透视图像和侧位透视图像判断骨折是否需要继续复位：若不需要，则骨折复位结束；若需要继续复位，则在图形界面上通过点击相应按钮进行复位路径规划，完成后用鼠标箭头按下Run按钮，计算控制误差e；

3)利用步骤2)得到的控制误差e，按照基于图像的免标定视觉伺服控制律计算相应的机器人控制量r，表达式如下：

其中，控制量r为骨折复位机器人中六个杆的杆长改变量，为矢量；k_P,k_I,k_D分别为视觉伺服控制律的比例系数、积分系数、微分系数；J为雅克比矩阵；∫edt为控制误差e对时间t的积分，为控制误差e对时间t的导数；

4)远程控制工作站将步骤3)中计算得到的控制量r发送给骨折复位机器人，机器人根据该控制量进行运动；运动完成后，重新返回步骤1)。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制误差e计算方法如下：

令图形界面中正位透视图像中代表固定端骨头中线的线段的斜率为k₁，其靠近骨折断端一侧的端点的像素坐标为(x₁,y₁)，代表机器人运动后移动端骨头的中线将到达的位置的线段的斜率为其靠近骨折断端一侧的端点的像素坐标为侧位透视图像中代表固定端骨头中线的线段的斜率为k₂，其靠近骨折断端一侧的端点的像素坐标为(x₂,y₂)，代表机器人运动后移动端骨头的中线将到达的位置的线段的斜率为其靠近骨折断端一侧的端点的像素坐标为代表机器人运动后移动端沿骨头轴线转动角度的双向箭头和竖直方向的夹角为α；则控制误差e的计算表达式为：

e=x^1-x1y^1-y1k^1-k1x^2-x2y^2-y2k^2-k2α.]]>