[发明专利]基于手臂刚度的手术机器人遥操作比例控制方法

权利要求书

1.基于手臂刚度的手术机器人遥操作比例控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

进行同类型手术案例的收集，采集操作者手臂进行手术操作时关节旋转及运动的相关信息，进而得到此类手术手臂刚度变化水平的取值范围；

针对于手术操作过程中获取的操作者手臂关节旋转及运动的相关信息，计算手臂刚度随手腕处的关节旋转角速度、关节旋转角加速度的变化水平与关节旋转角速度和关节旋转角加速度的关系；然后得到手臂刚度随手臂运动轨迹曲率的变化水平与曲率的变化率的关系，在此基础上，建立手臂刚度的变化水平随手腕关节角速度、角加速度、运动轨迹曲率变化率的模型关系，利用所述的手臂刚度变化水平的取值范围对所述的模型关系进行归一化，即得到遥操作比例。

2.如权利要求1所述的基于手臂刚度的手术机器人遥操作比例控制方法，其特征在于，所述的方法采用的设备包括：

设备1：具有多个方向自由度的串联机器人，将串联机器人作为操作者的执行机构，操作者通过控制该串联机器人的末端效应器进行手术操作；

设备2：显示器，设置在操作者前方，用于显示操作者的操作部位；

设备3：设置在所述显示器上方，包括一个或多个用于捕获视觉图像信息以获得操作者胸部位置的相机；

设备4：一个或多个贴在操作者右侧肩缝和左侧肩峰的、用于获得操作者关节的运动情况的光学反射标记，与设备3配合使用，利用反射标记物在相机图像中的位置变化获得操作者关节的运动情况；

设备5：一个用于测量手臂位置与运动情况的电磁跟踪器；

设备6：一个或多个用于记录手腕运动的电磁传感器，贴于操作者手腕，用于校准设备5；

设备7：用于获取操作者手臂肌电信号的双极电极。

3.如权利要求2所述的基于手臂刚度的手术机器人遥操作比例控制方法，其特征在于，所述的设备7采用三对电极来分别获取的前、外和后三角肌纤维带的肌电信号，使用两对电极来分别获取的长和侧肱三头肌电信号，使用一对电极获取的二头肌肌电信号，前臂使用四对电极获取的肱桡肌、尺侧腕屈肌、桡神经和伸肌腱的活化情况，用作参考的单极电极连接到外科医生进行操作的手臂。

4.如权利要求1所述的基于手臂刚度的手术机器人遥操作比例控制方法，其特征在于，所述的采集操作者手臂进行手术操作时关节旋转及运动的相关信息，包括：

信息采集过程：

利用光学反射标记和相机的配合，获取操作者各个关节的关节旋转角速度；

利用电磁跟踪器获取操作者各个关节的位移与关节线速度，并利用电磁传感器进行校准。

5.如权利要求4所述的基于手臂刚度的手术机器人遥操作比例控制方法，其特征在于，所述的采集操作者手臂进行手术操作时关节旋转及运动的相关信息，还包括：

数据预处理过程：

对于获取的关节旋转角速度、关节的位移与关节线速度，采用两次二阶巴特沃兹滤波器来过滤数据，在第二次滤波中倒转时间以消除非线性相移；

将关节的关节线速度、关节旋转角速度在不同方向上进行数值微分并进行滤波，得到对应的关节线加速度和关节旋转角加速度。

6.如权利要求1所述的基于手臂刚度的手术机器人遥操作比例控制方法，其特征在于，所述的进而得到此类手术手臂刚度变化水平的取值范围，包括：

利用关节的旋转角速度、位移与关节线速度，以及关节线加速度、关节旋转角加速度创建空间权重矩阵，并建立操作者手臂上的关节转矩动态方程，由此计算关节转矩矢量；

采集操作者在进行手术操作过程中手臂的肌肉运动时产生的肌电信号，得到肌电图并输入到CEINMS建模工具箱中，以所述关节转矩矢量作为校准值，从而得到关节转矩矢量的精确估计值；

利用关节转矩矢量的精确估计值和关节位移矢量，得到关节的刚度矩阵；使用手臂运动的雅可比矩阵以及所述的关节的刚度矩阵，计算手臂的笛卡尔刚度；再通过对笛卡尔刚度的奇异值分解，得到左奇异向量和非零奇异值，由此得出手臂刚度；

通过对多个术前案例计算出来的手臂刚度值，取其最小值、最大值分别作为a、b，由得出了手臂刚度的变化水平取值范围[a,b]。