本發(fā)明涉及骨科手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域，尤其涉及一種手術(shù)機(jī)器人末端工具碰撞位置檢測方法。
背景技術(shù)：
碰撞檢測是手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的基本要素和重要安全保障。目前，手術(shù)機(jī)器人末端碰撞檢測主要還是依靠視覺的方式，通過圖像導(dǎo)航系統(tǒng)來輔助檢測碰撞位置，這種方式除了存在一定的延時以外，其主要的缺陷是無法檢測視覺不可見或有遮擋的區(qū)域。而在骨科手術(shù)中，大部分碰撞都發(fā)生在不可見的區(qū)域。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種手術(shù)機(jī)器人末端工具碰撞位置檢測方法，通過六維腕力傳感器檢測到的力和力矩并結(jié)合所把持的骨塊表面的三維點云信息，可以反求出碰撞點的位置信息，與圖像導(dǎo)航信息結(jié)合，提供更為精確和完整的碰撞位置檢測信息。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
一種手術(shù)機(jī)器人末端工具碰撞位置檢測方法，包括末端工具的重力校準(zhǔn)、動態(tài)誤差補(bǔ)償和碰撞點坐標(biāo)求解，具體包括以下步驟：
步驟1在手術(shù)機(jī)器人末端通過法蘭盤安裝六維腕力傳感器，所述的六維腕力傳感器上安裝能夠連接多種骨科手術(shù)器械的特制法蘭；所述的特制法蘭安裝在六維腕力傳感器的原點，其軸線方向為六維腕力傳感器的Z軸方向；
步驟2手術(shù)機(jī)器人末端工具通過六維腕力傳感器采集力F和力矩M的值；
步驟3手術(shù)機(jī)器人末端工具的重力校準(zhǔn)，即在術(shù)前手術(shù)設(shè)計和機(jī)器人路徑規(guī)劃階段，計算出在整個路徑中的各位置處，六維腕力傳感器的力F和力矩M的預(yù)測值F’和M’；當(dāng)手術(shù)機(jī)器人末端位置不發(fā)生移動，且F和M的真實值不斷增加，并與預(yù)測值之間的插值超過一定閾值即視為發(fā)生碰撞；
步驟4當(dāng)發(fā)生碰撞時，連續(xù)采集3組以上的F和M的值，并計算出相鄰兩組值之間的差值ΔF和ΔM，即力和力矩的導(dǎo)數(shù)，并將ΔF和ΔM用于力學(xué)公式“M＝F×L”中，構(gòu)成方程組：
及
其中，F(xiàn)x、Fy、Fz分別為六維腕力傳感器檢測碰撞位置X、Y、Z方向的力，Mx、My、Mz分別為X、Y、Z方向的力矩；Fx1……Fxn，F(xiàn)y1……Fyn，F(xiàn)z1……Fzn分別為采集n組X、Y、Z方向的力；Mx1……Mxn，My1……Myn，Mz1……Mzn分別為采集n組X、Y、Z方向的力矩；
根據(jù)碰撞點三維坐標(biāo)解算方法，在術(shù)前設(shè)計中預(yù)測的碰撞點云范圍內(nèi)，搜索上述方程組誤差最小的點坐標(biāo)，即為所求出的碰撞位置坐標(biāo)；在基本的力學(xué)公式M＝F×L的基礎(chǔ)上，結(jié)合碰撞物體的三位點云信息，最終搜索出誤差最小的碰撞點坐標(biāo)，并將其顯示在三維導(dǎo)航圖像上。
步驟5將碰撞位置坐標(biāo)及時的反饋到術(shù)中三維導(dǎo)航的圖像上，實現(xiàn)于圖像導(dǎo)航結(jié)合的碰撞位置檢測及引導(dǎo)功能。
所述的六維腕力傳感器的力F和力矩M的真實值為六維腕力傳感器的讀數(shù)值，預(yù)測值F’和M’為通過對六維腕力傳感器及所有負(fù)載做完重力補(bǔ)償后的理論值。
所述的碰撞點三維坐標(biāo)解算方法，是通過碰撞物體的表面點云信息或者表面幾何曲面信息作為約束條件，用以求解多解方程組的唯一解。
所述的能夠連接多種骨科手術(shù)器械的特制法蘭，是可以通過螺絲或者是插拔接口安裝不同手術(shù)器械的法蘭盤。
所述的手術(shù)機(jī)器人是任意結(jié)構(gòu)的能夠安裝末端法蘭的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通常為具有6或7自由度的機(jī)械臂，或者具有3個以上自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)手術(shù)機(jī)器人。
本發(fā)明的有益效果：
(1)本發(fā)明使用六維力傳感器結(jié)合術(shù)前三維手術(shù)設(shè)計信息來計算碰撞位置，既可以在沒有視覺系統(tǒng)的條件下實現(xiàn)碰撞位置檢測，又可以結(jié)合視覺系統(tǒng)完成更精確的術(shù)中碰撞位置檢測，方法合理實用；
(2)尤其適用于骨科輔助手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中，可以與圖像導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合，實時檢測出碰撞發(fā)生的位置，使機(jī)器人及時做出相應(yīng)的反應(yīng)，更好的實現(xiàn)機(jī)器人與醫(yī)生的有效交互，起到更加有效和智能的手術(shù)輔助作用。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的手術(shù)機(jī)器人末端工具的結(jié)構(gòu)圖；
其中，1-特制法蘭，2-六維腕力傳感器，3-法蘭盤。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明：
一種手術(shù)機(jī)器人末端工具碰撞位置檢測方法，包括末端工具的重力校準(zhǔn)、動態(tài)誤差補(bǔ)償和碰撞點坐標(biāo)求解，具體包括以下步驟：
步驟1在手術(shù)機(jī)器人末端通過法蘭盤3安裝六維腕力傳感器2，所述的六維腕力傳感器2上安裝能夠連接多種骨科手術(shù)器械的特制法蘭1；所述的特制法蘭1安裝在六維腕力傳感器2的原點，其軸線方向為六維腕力傳感器2的Z軸方向；
步驟2手術(shù)機(jī)器人末端工具通過六維腕力傳感器2采集力F和力矩M的值；
步驟3手術(shù)機(jī)器人末端工具的重力校準(zhǔn)，即在術(shù)前手術(shù)設(shè)計和機(jī)器人路徑規(guī)劃階段，計算出在整個路徑中的各位置處，六維腕力傳感器的力F和力矩M的預(yù)測值F’和M’；當(dāng)手術(shù)機(jī)器人末端位置不發(fā)生移動，且F和M的真實值不斷增加，并與預(yù)測值之間的插值超過一定閾值即視為發(fā)生碰撞；
步驟4當(dāng)發(fā)生碰撞時，連續(xù)采集3組以上的F和M的值，并計算出相鄰兩組值之間的差值ΔF和ΔM，即力和力矩的導(dǎo)數(shù)，并將ΔF和ΔM用于力學(xué)公式“M＝F×L”中，構(gòu)成方程組：
及
其中，F(xiàn)x、Fy、Fz分別為六維腕力傳感器檢測碰撞位置X、Y、Z方向的力，Mx、My、Mz分別為X、Y、Z方向的力矩；Fx1……Fxn，F(xiàn)y1……Fyn，F(xiàn)z1……Fzn分別為采集n組X、Y、Z方向的力；Mx1……Mxn，My1……Myn，Mz1……Mzn分別為采集n組X、Y、Z方向的力矩；
根據(jù)碰撞點三維坐標(biāo)解算方法，在術(shù)前設(shè)計中預(yù)測的碰撞點云范圍內(nèi)，搜索上述方程組誤差最小的點坐標(biāo)，即為所求出的碰撞位置坐標(biāo)；在基本的力學(xué)公式M＝F×L的基礎(chǔ)上，結(jié)合碰撞物體的三位點云信息，最終搜索出誤差最小的碰撞點坐標(biāo)，并將其顯示在三維導(dǎo)航圖像上。
步驟5將碰撞位置坐標(biāo)及時的反饋到術(shù)中三維導(dǎo)航的圖像上，實現(xiàn)于圖像導(dǎo)航結(jié)合的碰撞位置檢測及引導(dǎo)功能。
所述的六維腕力傳感器的力F和力矩M的真實值為六維腕力傳感器的讀數(shù)值，預(yù)測值F’和M’為通過對六維腕力傳感器及所有負(fù)載做完重力補(bǔ)償后的理論值。
所述的碰撞點三維坐標(biāo)解算方法，是通過碰撞物體的表面點云信息或者表面幾何曲面信息作為約束條件，用以求解多解方程組的唯一解。
所述的能夠連接多種骨科手術(shù)器械的特制法蘭2是可以通過螺絲或者是插拔接口安裝不同手術(shù)器械的法蘭盤，如圖1所示。
所述的手術(shù)機(jī)器人是任意結(jié)構(gòu)的能夠安裝末端法蘭的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通常為具有6或7自由度的機(jī)械臂，或者具有3個以上自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)手術(shù)機(jī)器人。
本發(fā)明使用六維力傳感器結(jié)合術(shù)前三維手術(shù)設(shè)計信息來計算碰撞位置，既可以在沒有視覺系統(tǒng)的條件下實現(xiàn)碰撞位置檢測，又可以結(jié)合視覺系統(tǒng)完成更精確的術(shù)中碰撞位置檢測，方法合理實用；本發(fā)明尤其適用于骨科輔助手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中，可以與圖像導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合，實時檢測出碰撞發(fā)生的位置，使機(jī)器人及時做出相應(yīng)的反應(yīng)，更好的實現(xiàn)機(jī)器人與醫(yī)生的有效交互，起到更加有效和智能的手術(shù)輔助作用。
上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。