一种腹腔镜微创手术机器人的碰撞检测方法及装置

技术领域

本发明涉及碰撞检测技术领域，具体而言，涉及一种腹腔镜微创手术机器人的碰撞检测方法及装置。

背景技术

对于腹腔镜微创手术机器人而言，由于受手术环境和人体内空间所限，在体表建立微器械进出体内的通道位置彼此间距较小，手术环境周遭仪器设备较多对于体外运动的手术臂会有所干涉。手术臂之间的碰撞和手术臂与其它设备的干涉会产生诸如视野晃动、微器械末端抖动等问题，都会对微创手术操作产生较大影响。通常的处理方式主要有两种：第一种是通过术前规划进行被动预防。根据目标手术区域并结合手术机器人的自身特点，规划微创手术切口位置、确定机械臂初始形位并为手术机械臂预留足够的体外运动空间，以期望尽量减小术中臂与臂、臂与其它手术设备之间发生干涉的概率。第二种则是通过集成相应的检测传感器的方式，主动检测手术臂之间的距离，以达到干涉预判的目的。

然而，第一种处理方式不能主动进行碰撞检测预判，第二种处理方式过于依赖传感器，同时集成难度大、使用成本较高。

发明内容

本发明解决的问题是如何设计一种成本低且能主动对手术臂进行碰撞检测预判的腔镜微创手术机器人的碰撞检测方法及装置。

为解决上述问题，本发明提供一种腹腔镜微创手术机器人的碰撞检测方法，包括：

在连杆上建立包络体模型；

对所述包络体模型进行运动学建模；

获取电机码盘值并根据所述电机码盘值获得所述包络体模型的实时位置，根据所述包络体模型的实时位置获得不同手术臂之间的连杆间距；

根据所述连杆间距判断不同所述手术臂之间是否产生碰撞，并在不同所述手术臂之间产生碰撞时给出预警提示信息。

可选地，所述建立所述包络体模型的方式包括：

确定所述连杆上特征点的位置，通过所述特征点、预设的所述包络体模型的半径以及预设的所述包络体模型的长度建立所述包络体模型。

可选地，所述包络体模型的轴线段上任意一点至所述包络体模型的外壳的最短距离均是相等的。

可选地，所述获得所述包络体模型的实时位置的方式包括：根据电机码盘值进行运动学解算获得所述特征点的实时位置，根据所述特征点的实时位置和所述包络体模型的半径计算获得所述包络体模型的实时位置。

可选地，所述获得不同所述手术臂的连杆间距的方式包括：根据所述包络体模型特征点的实时位置获得两条不同所述轴线段之间的最短距离，根据所述最短距离获得所述连杆间距。

可选地，所述获得两条不同所述轴线段之间最短距离的方式包括：

确定两个不同所述包络体模型的轴线的公垂线；

判断所述公垂线与两个不同所述包络体模型的轴线的交点是否完全落在两条不同所述轴线段上；

当所述公垂线与两个不同所述包络体模型的轴线的交点完全落在两条不同所述轴线段上时，根据下式确定所述最短距离：

P

P

其中，P

当所述公垂线与两个不同所述包络体模型的轴线的交点不完全落在两条不同所述轴线段上时，根据下式确定所述最短距离：

其中，D

可选地，所述根据所述最短距离计算获得所述连杆间距包括：

D

r

可选地，所述腹腔镜微创手术机器人的碰撞检测方法还包括：通过激光标识装置定义所述手术臂的工作区间以对所述手术臂的活动范围进行限定。

可选地，所述根据所述连杆间距判断不同所述手术臂之间是否产生碰撞的判断方式包括：将所述连杆间距与预设的阈值进行比较，当所述连杆间距小于或等于所述阈值时，判断不同所述手术臂之间产生碰撞；当所述连杆间距大于所述阈值时，判断不同所述手术臂之间不产生碰撞。

本发明还公开了一种基于腹腔镜微创手术机器人的碰撞检测装置，包括：

包络模块，所述包络模块用于在连杆上建立包络体模型；

建模模块，所述建模模块用于对所述包络体模型建立运动学模型，以便于计算所述包络体模型的实时空间位置；

计算模块，所述计算模块用于获取电机码盘值并根据所述电机码盘值及建立的运动学模型获得所述包络体模型的实时位置，同时用于根据所述包络体模型的实时位置获得不同所述手术臂之间的连杆间距；

预警模块，所述预警模块用于根据所述连杆间距判断不同所述手术臂之间是否产生碰撞，并在不同所述手术臂之间产生碰撞时给出预警提示信息。

本发明的技术效果：基于手术臂的电机码盘值可以得到手术臂的实时空间位置，相对于使用测距等外置传感器对手术臂的实时空间位置进行检测，减少了对传感器等检测装置的依赖，消除了多个传感器使用过程中的集成问题并节省了成本。同时，在手术臂操作过程中主动对连杆间距进行检测，可有效预警手术臂之间的碰撞及与外界设备的干涉，避免了由碰撞引起的术中安全问题，有利于腹腔镜微创手术的操作。

附图说明

图1为本发明实施例的腹腔镜微创手术机器人的碰撞检测方法的流程图一；

图2为本发明实施例的腹腔镜微创手术机器人的碰撞检测方法的流程图二；

图3为本发明实施例的包络体模型的结构示意图；

图4为本发明实施例的腹腔镜微创手术机器人的碰撞检测模型的应用示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种腹腔镜微创手术机器人的碰撞检测方法，包括：

步骤S1：在连杆上建立包络体模型，由此，手术臂在空间内形态可看作是若干包络体模型的彼此串连；

步骤S2：对包络体模型进行运动学建模；

步骤S3：获取电机码盘值并根据电机码盘值获得包络体模型的实时位置，根据包络体模型的实时位置获得不同手术臂(具体地，可以是持镜臂和器械臂)之间的连杆间距；

步骤S4：根据连杆间距判断不同手术臂之间是否产生碰撞，并在不同手术臂之间产生碰撞时给出预警提示信息。

在本实施例中，对于不同手术臂上的可能发生碰撞的连杆分别建立包络体模型，并使包络体模型能够包裹整个连杆或可能发生碰撞的结构部分。之后，控制系统对包络体模型进行运动学建模，如图2所示，即完成碰撞检测模型的建立。控制系统获取器械臂和持镜臂的关节位置的电机码盘值并经过计算获得各包络体模型的实时空间位置，根据包络体模型的实时空间位置可以轻易地计算获得连杆间距，即两个不同包络体模型的距离，具体地，如图2所示，可以由执行机构获取电机码盘值并发送到控制系统中。最后，控制系统根据连杆间距判断两个不同手术臂之间是否碰撞，当发生碰撞时控制系统会及时发出预警提示信息通知工作人员进行调整。同时，控制系统还对手术臂是否与外界设备发生干涉发出预警。

综上，基于手术臂的电机码盘值可以得到手术臂的实时空间位置，相对于使用测距等外置传感器对手术臂的实时空间位置进行检测，减少了对传感器等检测装置的依赖，消除了多个传感器使用过程中的集成问题并节省了成本。同时，在手术臂操作过程中主动对连杆间距进行检测，可有效预警手术臂之间的碰撞及与外界设备的干涉，避免了由碰撞引起的术中安全问题，有利于腹腔镜微创手术的操作。

可选地，建立包络体模型的方式包括：确定连杆上特征点的位置，通过特征点、预设的包络体模型的半径以及预设的包络体模型的长度建立包络体模型，其中包络体模型的长度是两个特征点之间的距离长度。

在本实施例中，由于器械臂和持镜臂的连杆结构较为复杂，因此不易对器械臂和持镜臂的连杆的空间位置进行分析，通过将器械臂和持镜臂的连杆抽象为包络体模型便于进行分析。具体地，通过对连杆结构的评估，设计连杆上两个特征点的位置、包络体模型的半径以及包络体模型的长度，再以两个特征点、半径以及长度为基础建立包络体模型。具体地，如图3所示，在本实施例中，以一对可能发生碰撞的手术臂的连杆为例，对器械臂和持镜臂连杆分别建立包络体模型A和包络体模型B，其中，包络体模型A的特征点是P

可选地，如图3所示，包络体模型的轴线段上任意一点至该包络体模型的外壳(即包络体模型的外表面)的最短距离均相等。

在本实施例中，将包络体模型设置为一个圆柱体和两个半球体组合成的结构，其中圆柱体的半径和半球体的半径相同，具体地，类胶囊形状。其中，特征点P

可选地，如图2所示，获得包络体模型的实时位置的方式包括：根据电机码盘值进行运动学解算获得特征点的实时位置，根据特征点的实时位置和包络体模型的半径计算获得包络体模型的实时位置。

在本实施例中，控制系统根据电机码盘值通过运动学解算可以获得包络体模型A的两个不同特征点P

可选地，获得不同手术臂的连杆间距的方式包括：根据包络体模型A和包络体模型B的实时位置可以计算获得轴线段P

在本实施例中，由于通过包络体模型A和包络体模型B的实时位置直接计算连杆间距较为复杂，因此可以先通过包络体模型A和包络体模型B的实时位置计算轴线段P

可选地，获得轴线段P

确定包络体模型A的轴线和包络体模型B的轴线的公垂线；

判断公垂线与包络体模型A的轴线、包络体模型B的轴线的交点是否完全落在轴线段P

当公垂线与包络体模型A的轴线、包络体模型B的轴线的交点完全落在轴线段P

P

P

D

其中，P

当公垂线与包络体模型A的轴线、包络体模型B的轴线的交点不完全落在轴线段P

其中，D

在本实施例中，当公垂线与包络体模型A的轴线、包络体模型B的轴线的交点完全落在轴线段P

可选地，根据轴线段P

D

r

在本实施例中，由于连杆间距是包络体模型A的外壳与包络体模型B的外壳之间的最短距离，而两条不同轴线段P

可选地，如图2所示，腹腔镜微创手术机器人的碰撞检测方法还包括如下步骤：通过激光标识装置定义手术臂的工作区间以对手术臂的活动范围进行限定。

在本实施例中，通过机器人的激光标识装置可以设定器械臂和持镜臂的运行范围，从而使器械臂和持镜臂在指定的区域内运行，进而避免其受到外部设备和环境的干涉。当器械臂或持镜臂超出激光标识装置定义的工作区间时，此时碰撞检测模型会向控制系统发送预警信号，控制系统会根据预警信号将相应电机控制命令发送至执行机构，从而控制器械臂和持镜臂停止操作，进而便于操作人员进行调节。

可选地，如图1和图2所示，根据连杆间距判断不同手术臂之间是否产生碰撞的判断方式包括：将连杆间距与预设的阈值进行比较，当连杆间距小于或等于阈值时，判断不同手术臂之间产生碰撞；当连杆间距大于阈值时，判断不同手术臂之间不产生碰撞。

在本实施例中，当连杆间距大于阈值(阈值不是固定相同的，每一对可能发生碰撞的连杆组合都有一个与之对应的阈值)时，即表示此时器械臂和持镜臂不会产生碰撞，由此手术过程中不需要调节器械臂和持镜臂之间的距离，因此不需要产生预警信号；而当连杆间距小于或等于阈值时，即表示器械臂和持镜臂将会产生碰撞，此时碰撞检测模型会向控制系统发送预警信号，控制系统会根据该预警信号将相应电机控制命令发送至执行机构，从而控制器械臂和持镜臂停止手术操作，进而便于操作人员进行人为干预。

如图4所示，本发明另一实施例公开了一种基于腹腔镜微创手术机器人的碰撞检测装置，包括：

包络模块，包络模块用于在连杆上建立包络体模型；

建模模块，建模模块用于对包络体模型建立运动学模型；

计算模块，计算模块用于获取电机码盘值并根据电机码盘值获得包络体模型的实时位置，同时用于根据包络体模型的实时位置获得不同手术臂之间的连杆间距；

预警模块，预警模块用于根据连杆间距判断不同手术臂之间是否产生碰撞，并在不同所述手术臂之间产生碰撞时给出预警提示信息。

在本实施例中，包络模块对各手术臂(器械臂和持镜臂)的每个连杆分别建立包络体模型，并使包络体模型能够包裹整个连杆或可能发生碰撞的结构部分。之后，建模模块对包络体模型进行运动学建模，即建立碰撞检测模型。计算模块获取器械臂和持镜臂的关节位置的电机码盘值并经过计算获得包络体模型的实时空间位置，之后根据包络体模型的实时空间位置可以轻易地计算获得连杆间距，即两个不同包络体模型的最短距离。最后，预警模块根据连杆间距判断两个不同手术臂之间是否碰撞，当发生碰撞时控制系统会及时发出预警提示信息通知工作人员进行调整。同时，预警模块还对手术臂是否与外界设备发生干涉发出预警。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。