[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

说明书

本发明公开了基于手臂刚度的手术机器人遥操作比例控制方法，该方法在进行手术操作之前，进行同类型手术案例的收集，进而得到此类手术手臂刚度变化水平的取值范围；在进行手术操作时，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。

技术领域

本发明涉及机器人遥操作领域，具体涉及一种基于手臂刚度的手术机器人遥操作比例控制方法。

背景技术

用于外科手术机器人的遥操作技术，在遥操作过程中，操作者直接操作主机器人在从机器人侧执行任务，这种交互是保证系统稳定性和任务执行性能的基础。

当进行精细或复杂的外科手术遥操作时，操作者需要保持精确的控制，可通过自适应运动缩放框架自动调整比例，到达远程目标。运动缩放是主从范式的重要组成部分。为了完成精细的任务，主机器人的手部运动被缩小，并由从机器人进行复制。运动缩放使得操作者能够在遥操作时进行精确的操作。然而，较小的运动缩放使操作者无法在不紧抓的情况下到达远距离目标，这非常耗时。

现有技术中的一种用于无缝操作的自适应运动缩放机制(2019年IEEE论文“ASelf-Adaptive Motion Scaling Framework for Surgical Robot Remote Control”，一种用于手术机器人远程控制的自适应运动定标框架)，当进行精细或复杂的操作时，操作者可以保持精确的控制，同时通过自适应运动缩放加速到远程目标的运动；该框架由三个部分组成：1)情景意识，2)技能水平意识，3)任务意识。按照每个部分的实时监控，调整缩放比例。该运动缩放机制的参数，利用模糊贝叶斯网络进行拟合，受试者需要在实验中执行相同的任务，这在临床上的应用显然是不现实的，并且该框架尚未充分考虑人体手臂的动态特征。

现有技术中的一种基于眼球注视辅助的意图识别方案(2017年IEEE论文“Implicit gaze-assisted adaptive motionscaling for highly articulatedinstrument manipulation”，隐式注视辅助自适应运动缩放的高度清晰的仪器操作)，实现自适应运动缩放。通过眼动跟踪并且结合其他传感器，来推断操作者试图到达的目标位置，从而相应地改变运动缩放比例。然后利用这些信息来调节运动比例，使操作者能够更快地到达目标。然而，眼动跟踪的自适应运动定标仍然难以完全集成到一般外科系统中，当操作人员佩戴眼镜时，眼球注视辅助的意图识别的有效性并不高，而且，术中医生带着眼镜可能无法观察全部手术部位状况。因此，为了构造自适应框架，需要将运动学数据与视觉数据相结合，得到一个更通用的解。而现有的研究中，这些参数可以利用贝叶斯定理以用户特定的方式自动优化，受试者被要求在多项实验中执行相同的任务，以评估机器人的行为，并选择首选参数，这在临床是不能现实的。

发明内容

本发明提出一种基于手臂刚度的手术机器人遥操作比例控制方法，通过实时监控操作者进行遥操作时，预期轨迹的曲率、轨迹的执行区域和手部肌肉的实时变化情况，进而实时调整手术机器人遥操作的缩放比例。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

基于手臂刚度的手术机器人遥操作比例控制方法，包括以下步骤：

在进行手术操作之前，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；