[发明专利]基于狼群算法的穿刺机器人柔性针运动路径规划装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于狼群算法的穿刺机器人柔性针运动路径规划装置及方法，属于智能医疗机器人控制与决策领域。本发明路径规划装置主要包括图像采集器和位于计算机上的路径规划模块。路径规划模块包括路径模型和目标函数构建模块、狼群算法参数输入和初始化模块、狼群算法执行模块和最优路径判断模块。本发明方法基于图像采集器及计算机程序模块，建立柔性针的穿刺路径模型和路径优化的目标函数，生成到靶点的路径作为人工狼，以路径的目标函数值作为更新标准，更新头狼位置，根据设置的最大迭代次数和穿刺路径模型的约束条件，来获得最优路径。本发明快速解决了应用于穿刺针的路径规划问题，缩短了路径规划耗时，获得满足要求的规划路径。

技术领域

本发明属于智能医疗机器人控制与决策领域，涉及一种应用于智能医疗中的穿刺机器人柔性针运动路径规划的装置及方法。

背景技术

随着智能医疗技术的快速发展，手术医疗机器人得到广泛应用。基于计算机视觉传感器的手术导航在近十年来逐渐发展成熟，尤其是在外科手术中，医疗机器人可以借助影像技术最大程度提高穿刺的精准度并减少病人痛苦。

柔性针路径规划是穿刺医疗机器人系统控制的基础，机器人在实施穿刺手术过程中，要借助视觉图像根据目标靶点规划出一条柔性穿刺针的运动路径。柔性针的运动路径规划问题实际上是从穿刺针入口到靶标两点的路径规划问题，其一般描述为：在给定的存在骨骼或者器官为障碍的环境中，穿刺针路径轨迹要合理地避开障碍物，确保在满足精准到达靶目标的要求下，还要不威胁伤害病人其他器官等生理组织，并尽可能让穿刺路径的长度尽量短以减轻患者痛苦。

目前，参考文献[1]提出一种改进的人工势能场法以提高算法的高效性。参考文献[2]考虑了在二维有障碍的环境下的弧线路径规划算法和三维下快速搜索随机树(RTT)来搜索可行性路径。参考文献[3]运用柔性针的运动学模型基于RTT算法的三维路径规划方法实现了三段圆弧的柔性针的轨迹规划。参考文献[4]和参考文献[8]基于环境特征在RTT算法下得到样本路径并通过评价函数得到了最优路径。参考文献[5]用贪婪启发和可达引导改进了RTT算法进行路径规划。参考文献[6]则采用多目标粒子群优化方法对运动学模型进行了优化求解。参考文献[7]建立针-组织互相作用力模型采用遗传模拟退火算法规划初始路径通过迭代学习进行优化。基于柔性针穿刺路径规划涉及运动学模型和针的形变，影响因素较多且互相制约，现有路径规划方法对模型进行了简化，精确度相对较差，算法的计算量和复杂程度较大，难以实现较为实时的路径规划。

狼群算法是一种新的群体智能搜索算法，能够模拟游走、召唤、围攻等智能行为的狼群捕食和猎物分配方式，参考文献[10-12]证明狼群算法具有较好的全局收敛性和鲁棒性，适用于高维、多峰的复杂函数求解和路径规划优化问题。但是，对于穿刺机器人柔性针运动路径规划优化问题，还要求其路径能够合理避开障碍，并缩短路径长度，减少计算量和计算耗时，以减轻病人痛苦；尤其是，穿刺针自身的因其材料、刚度、变形等属性的影响，运动的路径必须符合自身的运动规律，现有狼群算法没有针对此类问题的方法改进和处理方案，因此需要建立用于穿刺手术的路径规划场景和穿刺路径模型，改进狼群算法以达到在此场景下的路径最优规划和实际应用的目的。

参考文献如下：

[1]梁东.图像导向手术穿刺针路径规划的研究[D].2017.

[2]周丽,康剑灵,詹洁,冯金阳.柔性针在有障碍环境中的穿刺路径规划[J].东华大学学报(自然科学版),2015,41(1):130-134.

[3]孔德聪.柔性针穿刺系统路径规划方法研究[D].2014.

[4]李霞,李鹏,熊璟.基于环境特征和随机方法的柔性针路径规划[J].计算机工程与应用,2017(16).

[5]赵燕江,黄磊,杜海艳,张永德，胡海龙.基于改进RRT算法的套管柔性针运动规划[J].仪器仪表学报,2017(3).