[发明专利]一种血管介入手术机器人的手术仿真方法及系统

权利要求书

1.一种血管介入手术机器人的手术仿真的方法，其特征在于，包括：

步骤M1：对导丝进行建模，得到导丝模型，完成导丝在人体血管内运动的模拟和环境的交互；

步骤M2：将血管的CTA医疗影像导入计算机中，对血管进行个性化建模；根据临床经验以及血管三维模型对医疗器械在血管三维模型内的路径进行规划，选择最优路径；

步骤M3：机器人机械臂碰撞检测，根据机器人机械臂碰撞检测，确定实时在线自适应模型；

步骤M4：完成机器人对包括前端导丝的加持、推送和旋转及复合运动的动作分解；

步骤M5：实现机器人利用导丝模型在血管三维模型中进行手术的仿真，同时在机器人手术时通过显示屏实时监控机械臂的运动状态和可视化运动数据；

所述步骤M3包括：

步骤M3.1：确定机器人机械臂的动力学模型；

步骤M3.2：机器人机械臂动力学模型参数通过包括CAD软件进行建模标定；

步骤M3.3：对机器人机械臂动力学模型参数标定后，对机器人机械臂进行碰撞检测；

步骤M3.4：根据机器人机械臂碰撞检测，确定实时在线自适应模型；

所述步骤M3.1包括，动力学公式如下：

τ_m＝τ_body+τ_fric                    (11)

I_motor＝k_tτ_m                       (12)

其中，q,分别代表机械臂各关节电机的位移，速度，加速度；f_c代表摩擦力系数，f_v代表粘滞摩擦力系数，τ_fric代表关节驱动电机中减速器齿轮引起的摩擦力力矩；M(q)代表转动惯量系数矩阵，表示科式力系数矩阵，g(q)代表重力系数矩阵；τ_body代表机械臂刚体动力学模型部分力矩，τ_m电机的输出力矩，I_motor表示电机的理论输入电流；k_t电机的力矩-电流系数；

所述步骤M3.3包括：在机器人手臂未发生碰撞的情况下，通过传感器测量机械臂关节电机的位移，速度，加速度；并通过机械臂的动力学模型公式计算出电机的输出力矩τ_m，计算出电机的理论输入电流I_motor；在引入外力矩时电机的实际输入电流I_real通过电机上配备的电流传感器测量并反馈给机器人的控制系统，计算电机的实际输入电流和电机的理论输入电流的差值：

I_Δ＝I_real-I_motor (13)

根据公式(13)计算得到I_Δ是否超过阈值来判断机械手臂是否发生碰撞；当I_Δ超过阈值则机械手臂发生了碰撞；当I_Δ没有超过阈值则机械手臂没有发生了碰撞；

所述步骤M3.4包括：在线自适应模型公式如下：

其中，I_Δ为驱动电机的理论输入电流和实际电流的误差补偿值，a,b,c为自适应模型的系数，为自适应模型的状态集；

利用自适应算法对自适应模型进行修正，所述的自适应算法包括递归二乘法和最小二乘法算法；

驱动电机产生的输入电流的变化会引起碰撞检测的触发而不能作为自适应算法时电流误差的补偿，所以需要时间延迟；在t时刻进行自适应补偿的数据是t-Δt时刻采集的，进行自适应补偿时就屏蔽碰撞检测的信息，Δt就是延时参数。