本發(fā)明涉及一種交互控制系統(tǒng)，具體涉及一種開顱機器人的協(xié)同交互控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

神經(jīng)外科疾病治療方法主要以手術(shù)為主。目前，神經(jīng)外科手術(shù)中開顱手術(shù)所占比例最高，僅解放軍總醫(yī)院每年開顱手術(shù)達三千例以上。而且神經(jīng)外科手術(shù)為外科手術(shù)中最費時費力的手術(shù)之一，尤其是開顱手術(shù)。傳統(tǒng)開顱手術(shù)均為人來完成，醫(yī)生在開顱手術(shù)中所使用的顱鉆/顱銑有兩類：一類是電動氣動式，另一類是手動式?，F(xiàn)有的顱鉆/顱銑均為手持進鉆設(shè)備，重量在1kg左右，醫(yī)生長時間負重操作，并且需要保證鉆銑的高精度，保障手術(shù)安全，這種傳統(tǒng)的開顱方法大大消耗醫(yī)生的體力與精力,并且還需要有經(jīng)驗的醫(yī)生方可實施。一般開顱需要1小時，清除腫瘤需要2小時，由此可見開顱在神經(jīng)外科手術(shù)中無論是時間還是數(shù)量上都占據(jù)較大比重，消耗醫(yī)生精力很多，更何況在開顱之后尚需完成更復(fù)雜、精細及耗時的進一步手術(shù)操作。因此把開顱這項兼具復(fù)雜性與高風險性的任務(wù)由機器人來輔助執(zhí)行，通過人機協(xié)同控制算法來提高安全性和時效性，具有十分重要的意義。

協(xié)同交互控制主要體現(xiàn)在機械臂的逆向驅(qū)動上，即機械臂能對外界施加的力做出相應(yīng)的運動。目前實現(xiàn)機械臂逆向驅(qū)動的方式有以下幾種：(1)通過檢測電機的電流突變來實現(xiàn)，但該方式需要比較精確的動力學(xué)模型和關(guān)節(jié)的摩擦力補償，對于輕型機械臂(慣性小，關(guān)節(jié)摩擦力小)一般采用該方法，如巴瑞特全絲傳動機械臂能達到較好的交互控制效果(絲傳動摩擦力的影響可忽略不計)，但對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機械臂效果較差；(2)通過在每個關(guān)節(jié)增加扭矩傳感器，直接避開了對減速器、電機轉(zhuǎn)子的建模，可以精確的檢測關(guān)節(jié)力矩，并且效果較好，如kukaiiwa的七自由度機械臂，但是成本較高。(3)僅使用電機編碼器，通過編碼返回的關(guān)節(jié)角度的變化，從而預(yù)測施加在機械臂上的力，驅(qū)動機械臂運動；(4)通過在末端加力傳感器，該方式能在不需要知道機械臂動力學(xué)的情況下直接實現(xiàn)其逆向驅(qū)動，而且不受末端負載的影響。

然而在現(xiàn)有的技術(shù)中，側(cè)重于單方面的交互控制，前三種實現(xiàn)交互操作的方式多用于拖動示教或者碰撞檢測，但當末端負載變化時，負載對機械臂施加的力和人對機械臂施加的力直接耦合在一起，無法分辨，第四種方式也只用于機器人柔性裝配或者拖動示教上，使用場景比較受限制。對于開顱手術(shù)機器人人，不僅僅需要解決醫(yī)生和機器人之間的交互，而且需要解決機器人和患者以及患者和醫(yī)生的交互，這對算法的安全性以及功能實現(xiàn)的要求更加苛刻，是現(xiàn)有的技術(shù)難以解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有交互控制算法的不足，提供了一種開顱機器人的協(xié)同交互控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過力/位/阻抗混合控制的方式實現(xiàn)開顱手術(shù)機器人、醫(yī)生以及病患三者之間的安全交互控制，手術(shù)過程中醫(yī)生通過操控手把來實現(xiàn)對機器人的牽引并進行顱骨切割鉆銑，綜合醫(yī)生靈活度高與機器人精度高的優(yōu)點，提高手術(shù)安全性的同時提高手術(shù)效率與質(zhì)量，最大程度降低醫(yī)生開顱手術(shù)疲勞程度。

一種開顱機器人的協(xié)同交互控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括運動限制模塊、醫(yī)生-機器人交互模塊、機器人-患者交互模塊和求解器；其中，所述運動限制模塊用于實時追蹤機器人的位置，并和限定的區(qū)域進行對比，從而將機器人限制在一定區(qū)域內(nèi)運動；所述醫(yī)生-機器人交互模塊用于完成醫(yī)生對機器人的實時速度控制，即醫(yī)生拖動機器人進行運動；所述機器人-患者交互模塊在顱骨銑削過程中，銑刀的末端和顱骨底面保持一定的接觸力，以及在顱骨鉆孔的過程中保持一定的鉆進力；所述求解器用于完成機器人的逆運動學(xué)解算，輸入為機器人運動的速度，輸出為機器人的關(guān)節(jié)運動速度，從而驅(qū)動機器人運動。

進一步地，所述運動限制模塊的輸入為術(shù)前或術(shù)中實時規(guī)劃的安全區(qū)域范圍yr以及安全姿態(tài)角θr，θr為顱銑或顱鉆的軸線方向和接觸面法向的夾角，通過求和運算器與實時的機器人的位置姿態(tài)進行對比，從而由控制器cr生成控制速度再與權(quán)重矩陣i-w相乘得到輸出速度來限制機器人的運動，機器人的實時位置姿態(tài)由正運動學(xué)計算c(q)來完成；

醫(yī)生-機器人交互模塊的輸入fh為醫(yī)生施加在機器人操作手把上的操作力，通過與剛度矩陣kh相乘，從而得到由醫(yī)生的操作力所產(chǎn)生的速度即醫(yī)生的期望速度，通過力和機器人末端速度一一對應(yīng)的方式來完成醫(yī)生和機器人的交互，通過射影算子pp對速度進行切向或法向上的分解，再與權(quán)重矩陣w相乘調(diào)節(jié)其輸出速度的大?。?/p>

機器人-患者交互模塊的輸入為接觸力fc_d，通過求和運算器完與實時反饋力fc對比，從而得到控制的偏差，將控制偏差輸入到比例控制器kpcy中，其中cy為系統(tǒng)柔順度，用于建立起速度和接觸力的關(guān)系，kp為比例控制系數(shù)矩陣，然后將輸出的速度通過射影算子pf進行法向上的分解，最后輸出的速度與其它速度進行求和，另外控制偏差通過微分運算器d/dt得到偏差的導(dǎo)數(shù)，將導(dǎo)數(shù)輸入到微分控制器中kdcy，kd為微分控制系數(shù)矩陣，然后將輸出的速度通過射影算子pf進行法向上的分解，最后輸出的速度與運動限制模塊和醫(yī)生-機器人交互模塊的輸出速度進行求和得到速度再通過逆運動學(xué)求解器完成關(guān)節(jié)速度的求解，驅(qū)動機器人的運動。

進一步地，當權(quán)重矩陣w＝1時，機器人由醫(yī)生的施加的力控制，其控制剛度為kh，即機器人跟隨人手的運動；當w＝0時，機器人為純位置控制，其剛度可認為無窮大；當機器人末端偏離安全區(qū)域越遠時，w的值越小，此時速度所占的比重增加，所占比重減小，對醫(yī)生產(chǎn)生的反饋力增加，即偏離安全區(qū)域的距離和機器人對醫(yī)生產(chǎn)生的反饋力成正比，從而達到阻抗控制的效果，將機器人限定在安全區(qū)域內(nèi)。

進一步地，在顱骨銑削的過程共有三個控制任務(wù)同時進行，一是根據(jù)術(shù)前的醫(yī)學(xué)圖像采集到的顱骨三維數(shù)據(jù)實時計算出當前顱骨表面的法線矢量，從而控制銑刀和顱骨表面垂直，安全姿態(tài)角θr為0°；二是在法線方向上實現(xiàn)對機器人的力矩控制，保持銑刀末端和顱骨一定的接觸力，分開粘合在一起的硬膜；三是醫(yī)生通過把持末端實現(xiàn)銑刀在顱骨表面切向上的運動控制；每個控制任務(wù)都會生成一條實時運動軌跡，最后基于安全區(qū)域的約束帶完成這三條軌跡的疊加得；

從醫(yī)學(xué)圖像上可以得到顱骨表面的法線矢量為n，因此可以得到力控的射影算子為pp＝nn^t，位置控制的射影算子為pf＝i-nn^t，位置控制和力控任務(wù)可以被解耦為：

其中和為位置控制和力控任務(wù)所生成的速度，在交互過程中，安全性不僅僅體現(xiàn)在機器人與接觸力的控制上，同時也體現(xiàn)在機器人本身位置、姿態(tài)的約束上；通過正運動學(xué)實時計算出機械臂當前的位姿，并通過和安全區(qū)域yr(圓環(huán)狀區(qū)域，保證銑削的軌跡處于圓環(huán)之內(nèi))的對比來決定權(quán)重矩陣w的值，從而在速度上限制機器人運動，提高安全性；因此最終生成的速度軌跡為：

進一步地，在顱骨鉆孔的過程中有三個控制任務(wù)同時進行，一是為了保證孔的位置不偏，需要控制鉆頭的軸線與顱骨表面垂直，設(shè)定安全姿態(tài)角θr為0°；二是通過設(shè)定接觸力fc_d，由機器人來控制進鉆力的大小；三是將醫(yī)生實時對機器人的控制產(chǎn)生的速度沿著顱骨表面法線的方向上進行分解；此時pp＝pf＝nn^t，位置控制和力控通過解耦進行疊加；為了防止鉆透硬膜，當顱骨鉆透后令求解器的輸入速度從而使機器人運動停止。

有益效果：

1.本發(fā)明的控制系統(tǒng)能實現(xiàn)醫(yī)生與機器人的良好交互，形成醫(yī)生在環(huán)的控制模式，解決了醫(yī)生在機器人輔助手術(shù)中所處控制地位的問題。

2.本發(fā)明的控制系統(tǒng)綜合了醫(yī)生靈活度高與機器人精度高的優(yōu)點，提高手術(shù)安全性的同時提高手術(shù)效率與質(zhì)量，降低醫(yī)療機器人本身的復(fù)雜程度，充分利用人機交互模式，最大程度降低醫(yī)生開顱手術(shù)疲勞程度，減少醫(yī)生對經(jīng)驗的依賴。

3.先前手術(shù)機器人少有輔助完成開顱手術(shù)的功能，本發(fā)明技術(shù)方案實現(xiàn)了手術(shù)機器人復(fù)雜危險性高的開顱手術(shù)任務(wù)，減輕醫(yī)生手術(shù)的負擔，提高手術(shù)精度與效率，實現(xiàn)了醫(yī)療機器人的創(chuàng)新。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的控制邏輯框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。

如附圖1所示，本發(fā)明提供了一種開顱機器人的協(xié)同交互控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括虛線中的四個模塊，分別是：運動限制模塊ⅰ、醫(yī)生-機器人交互模塊ⅱ、機器人-患者交互模塊ⅲ和求解器ⅳ；

其中，運動限制模塊ⅰ用于實時追蹤機器人的位置，并和限定的區(qū)域進行對比，從而將機器人限制在一定區(qū)域內(nèi)運動；醫(yī)生-機器人交互模塊ⅱ用于完成醫(yī)生對機器人的實時速度控制，即醫(yī)生拖動機器人進行運動；機器人-患者交互模塊ⅲ在顱骨銑削過程中，銑刀的末端和顱骨底面保持一定的接觸力，以及在顱骨鉆孔的過程中保持一定的鉆進力；求解器ⅳ用于完成機器人的逆運動學(xué)解算，輸入為機器人運動的速度，輸出為機器人的關(guān)節(jié)運動速度，從而驅(qū)動機器人運動。

第一部分運動限制模塊ⅰ的控制輸入為術(shù)前或術(shù)中實時規(guī)劃的安全區(qū)域范圍yr以及安全姿態(tài)角θr(即為顱銑或顱鉆的軸線方向和接觸面法向的夾角)，通過求和運算器來與實時的機器人的位置姿態(tài)進行對比，從而由控制器cr生成控制速度再與權(quán)重矩陣i-w相乘得到輸出速度來限制機器人的運動，機器人的實時位置姿態(tài)由正運動學(xué)計算c(q)來完成；

中間部分醫(yī)生-機器人交互模塊ⅱ的控制輸入fh為醫(yī)生施加在機器人操作手把上的操作力，通過與剛度矩陣kh相乘，從而得到由醫(yī)生的操作力所產(chǎn)生的速度即醫(yī)生的期望速度，通過力和機器人末端速度一一對應(yīng)的方式來完成醫(yī)生和機器人的交互，通過射影算子pp對速度進行切向或法向上的分解，再與權(quán)重矩陣w相乘調(diào)節(jié)其輸出速度的大??；

第三部分機器人-患者交互模塊ⅲ的控制用于完成機器人和患者之間接觸力的控制，控制輸入為接觸力fc_d，通過求和運算器完與實時反饋力fc對比，從而得到控制的偏差，將控制偏差輸入到比例控制器kpcy中(其中cy為系統(tǒng)柔順度，用于建立起速度和接觸力的關(guān)系，kp為比例控制系數(shù)矩陣)，然后將輸出的速度通過射影算子pf進行法向上的分解，最后輸出的速度與其它速度進行求和，另外控制偏差通過微分運算器d/dt得到偏差的導(dǎo)數(shù)，將導(dǎo)數(shù)輸入到微分控制器中kdcy(其中kd為微分控制系數(shù)矩陣)，然后將輸出的速度通過射影算子pf進行法向上的分解，最后輸出的速度與其它速度進行求和。最后將i、ii、iii部分輸出的速度進行求和得到速度再通過第四部分逆運動學(xué)求解器ⅳ完成關(guān)節(jié)速度的求解，驅(qū)動機器人的運動。

當權(quán)重矩陣w＝1時，機器人由醫(yī)生的施加的力控制，其控制剛度為kh，即機器人跟隨人手的運動。當w＝0時，機器人為純位置控制，其剛度可認為無窮大。當機器人末端偏離安全區(qū)域越遠時，w的值越小，此時速度所占的比重增加，所占比重減小，對醫(yī)生產(chǎn)生的反饋力增加，即偏離安全區(qū)域的距離和機器人對醫(yī)生產(chǎn)生的反饋力成正比，從而達到阻抗控制的效果，將機器人限定在安全區(qū)域內(nèi)。

在顱骨銑削的過程共有三個控制任務(wù)同時進行。一是根據(jù)術(shù)前的醫(yī)學(xué)圖像采集到的顱骨三維數(shù)據(jù)實時計算出當前顱骨表面的法線矢量，從而控制銑刀和顱骨表面垂直(安全姿態(tài)角θr為0°)；二是在法線方向上實現(xiàn)對機器人的力矩控制，保持銑刀末端和顱骨一定的接觸力，分開粘合在一起的硬膜；三是，醫(yī)生通過把持末端實現(xiàn)銑刀在顱骨表面切向上的運動控制。每個控制任務(wù)都會生成一條實時運動軌跡，最后基于安全區(qū)域的約束帶完成這三條軌跡的疊加得。

從醫(yī)學(xué)圖像上可以得到顱骨表面的法線矢量為n，因此可以得到力控的射影算子為pp＝nn^t，位置控制的射影算子為pf＝i-nn^t，位置控制和力控任務(wù)可以被解耦為：

其中和為位置控制和力控任務(wù)所生成的速度。在交互過程中，安全性不僅僅體現(xiàn)在機器人與接觸力的控制上，同時也體現(xiàn)在機器人本身位置、姿態(tài)的約束上。通過正運動學(xué)可以實時計算出機械臂當前的位姿，并通過和安全區(qū)域yr(圓環(huán)狀區(qū)域，保證銑削的軌跡處于圓環(huán)之內(nèi))的對比來決定權(quán)重矩陣w的值，從而在速度上限制機器人運動，提高安全性。因此最終生成的速度軌跡為：

在顱骨鉆孔的過程中有三個控制任務(wù)同時進行。一是為了保證孔的位置不偏，需要控制鉆頭的軸線與顱骨表面垂直(設(shè)定安全姿態(tài)角θr為0°)；二是通過設(shè)定接觸力fc_d，由機器人來控制進鉆力的大??；三是將醫(yī)生實時對機器人的控制產(chǎn)生的速度沿著顱骨表面法線的方向上進行分解。此時pp＝pf＝nn^t，位置控制和力控通過解耦進行疊加，與顱骨的銑削控制過程類似。當顱骨鉆透后，反饋力fc瞬間減小，此時令求解器ⅳ的輸入速度從而使機器人運動停止，防止鉆透硬膜。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。