本發(fā)明屬于手術(shù)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多任務(wù)手術(shù)機(jī)器人的視覺伺服控制方法。

背景技術(shù)：

隨著技術(shù)進(jìn)步，手術(shù)機(jī)器人逐漸運(yùn)用到臨床上來(lái)。手術(shù)機(jī)器人根據(jù)專門的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)提供的坐標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的操作。其中常用的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)有ct，x光，紅外光學(xué)定位等等。這些手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)都是基于物理空間的絕對(duì)坐標(biāo)，即導(dǎo)航系統(tǒng)的任務(wù)是獲取手術(shù)器械，手術(shù)部位的位置和姿態(tài)在同一個(gè)絕對(duì)坐標(biāo)系下的表示，然后手術(shù)機(jī)器人根據(jù)絕對(duì)坐標(biāo)下的位置和姿態(tài)信息進(jìn)行操作。這種導(dǎo)航方法有如下三個(gè)缺點(diǎn)：其一是手術(shù)前需要對(duì)x光機(jī)等成像設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，不僅費(fèi)時(shí)，還可能由標(biāo)定誤差引起導(dǎo)航精度下降；其二是需要在手術(shù)器械和手術(shù)部位上安裝額外的標(biāo)志物，增加了手術(shù)步驟，也增加了對(duì)患者的創(chuàng)傷；其三是往往需要額外配置專用的導(dǎo)航設(shè)備，如術(shù)中ct和紅外光學(xué)定位系統(tǒng)等等，大大增加的手術(shù)成本。

另一方面，現(xiàn)有的大部分手術(shù)機(jī)器人使用的是開環(huán)控制。具體來(lái)說(shuō)，就是手術(shù)前先通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)獲取手術(shù)操作端，手術(shù)部位或手術(shù)操作端夾持的肢體在絕對(duì)坐標(biāo)下的位置信息，然后據(jù)此計(jì)算出機(jī)器人需要運(yùn)動(dòng)的軌跡，手術(shù)中按照事先計(jì)算好的軌跡進(jìn)行操作。簡(jiǎn)言之就是“術(shù)前規(guī)劃-術(shù)中執(zhí)行”，因此只能剛性地執(zhí)行任務(wù)，不具備手術(shù)過(guò)程中實(shí)時(shí)校正的能力。這樣一來(lái)，術(shù)前規(guī)劃的誤差，術(shù)中標(biāo)志物的錯(cuò)動(dòng)，乃至病人呼吸等原因引起的手術(shù)部位的運(yùn)動(dòng)都會(huì)大大降低手術(shù)精度，甚至導(dǎo)致手術(shù)失敗。如文獻(xiàn)[1](duh,hul,lic,etal.advancingcomputer-assistedorthopaedicsurgeryusingahexapoddeviceforcloseddiaphysealfracturereduction[j].internationaljournalofmedicalrobotics+computerassistedsurgerymrcas,2014,11(3):348-59.)中的骨折復(fù)位機(jī)器人采用的就是“術(shù)前規(guī)劃-術(shù)中執(zhí)行”的控制策略，通過(guò)術(shù)前的ct信息計(jì)算出骨折復(fù)位所需要的手術(shù)機(jī)器人操作端的運(yùn)動(dòng)量，術(shù)中按照實(shí)現(xiàn)計(jì)算好的方式運(yùn)動(dòng)，沒有通過(guò)視覺信息實(shí)時(shí)反饋校正的能力。

盡管部分手術(shù)機(jī)器人引入了術(shù)中實(shí)時(shí)反饋的手段，但都是通過(guò)紅外光學(xué)定位等間接手段而不是直接的圖像信息進(jìn)行反饋的。如文獻(xiàn)[2](westphalr,winkelbachs,wahlf,etal.robot-assistedlongbonefracturereduction[j].internationaljournalofroboticsresearch,2009,28(10):1259-78.)中介紹的骨折復(fù)位和髓內(nèi)釘固定機(jī)器人系統(tǒng)，采用術(shù)前的ct和x光圖像進(jìn)行規(guī)劃，術(shù)中采用紅外光學(xué)定位裝置進(jìn)行反饋(在骨頭上安裝了紅外標(biāo)志點(diǎn))，但術(shù)中沒有直接利用x光等圖像信息，在肌肉張力，骨骼的變形等因素原因的影響下標(biāo)志點(diǎn)可能發(fā)生位移，進(jìn)而導(dǎo)致定位精度下降。

近年來(lái)，視覺伺服在機(jī)器人領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注。所謂視覺伺服，即通過(guò)視覺傳感器獲取目標(biāo)和機(jī)器人的位置或運(yùn)動(dòng)信息，然后將這些信息實(shí)時(shí)地用于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，以引導(dǎo)機(jī)器人完成特定的任務(wù)。由于采用視覺反饋對(duì)機(jī)器人進(jìn)行閉環(huán)控制，機(jī)器人的定位精度相比開環(huán)控制更高，且能夠?qū)?shí)際任務(wù)中可能發(fā)生的目標(biāo)位置的變化做出相應(yīng)的調(diào)整。而視覺伺服技術(shù)中的一個(gè)分支，即“基于圖像的免標(biāo)定視覺伺服”技術(shù)，由于采用相對(duì)坐標(biāo)的概念，避免了傳統(tǒng)視覺伺服中的標(biāo)定步驟，使得使用流程大大簡(jiǎn)化。另外，隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的進(jìn)步，視覺伺服對(duì)目標(biāo)和機(jī)械手臂前端人為安裝的標(biāo)志物的依賴也越來(lái)越小，利用目標(biāo)和機(jī)械臂前端在圖像中的特征點(diǎn)和邊緣等圖像特征信息即可完成對(duì)機(jī)器人的控制。但目前該視覺伺服技術(shù)還未應(yīng)用在手術(shù)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的不足之處，提供一種多任務(wù)手術(shù)機(jī)器人的視覺伺服控制方法，該控制方法將機(jī)器人的操作端和手術(shù)部位之間的相對(duì)位置形態(tài)信息作為圖像特征進(jìn)行視覺伺服的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)手術(shù)操作，并可以通過(guò)更換操作端實(shí)現(xiàn)多任務(wù)功能。

本發(fā)明提出的一種多任務(wù)手術(shù)機(jī)器人的視覺伺服控制方法，其特征在于，該方法具體包括以下步驟：

1)根據(jù)具體的手術(shù)類型，確定需要采用的圖像采集設(shè)備以及執(zhí)行相應(yīng)手術(shù)任務(wù)的機(jī)器人；確定由圖像采集設(shè)備采集的圖像中用于表示目標(biāo)端或移動(dòng)端位置姿態(tài)的圖像特征，根據(jù)所采用的圖像特征定義用于表示目標(biāo)端與移動(dòng)端之間相對(duì)位置姿態(tài)關(guān)系的圖像特征相對(duì)坐標(biāo)f；根據(jù)具體的手術(shù)要求定義期望圖像特征相對(duì)坐標(biāo)f期望，用于表示目標(biāo)端與移動(dòng)端之間實(shí)際的相對(duì)位置已經(jīng)達(dá)到期望的狀態(tài)；其中，所述移動(dòng)端為與手術(shù)機(jī)器人前端或手術(shù)機(jī)器人前端夾持的手術(shù)部位，所述目標(biāo)端為按手術(shù)要求確定的所述移動(dòng)端期望達(dá)到的手術(shù)部位；所述f、f期望均為矢量；

2)通過(guò)步驟1)中所確定圖像采集設(shè)備采集手術(shù)中當(dāng)前時(shí)刻的圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、對(duì)比度增強(qiáng)的預(yù)處理；

3)將步驟2)中預(yù)處理過(guò)的圖像數(shù)據(jù)按照步驟1)所確定的圖像特征進(jìn)行提取，按照步驟1)定義的圖像特征相對(duì)坐標(biāo)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的圖像特征相對(duì)坐標(biāo)，記為f當(dāng)前，f當(dāng)前為矢量；

4)根據(jù)控制誤差e＝f當(dāng)前-f期望，按照“基于圖像的免標(biāo)定視覺伺服”控制律計(jì)算相應(yīng)的控制量r，r為矢量；然后使手術(shù)機(jī)器人的操作端按照該控制量r進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；

5)若||e||＞ε，重新返回步驟2)，采集下一時(shí)刻的圖像數(shù)據(jù)；若||e||≤ε，停止循環(huán)，手術(shù)機(jī)器人完成手術(shù)任務(wù)；所述ε是根據(jù)手術(shù)誤差要求設(shè)定的閾值。

所述步驟1)中的圖像特征包括目標(biāo)端或移動(dòng)端在所采集圖像中的特征點(diǎn)、特征線、特征輪廓中的一種或多種。

本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果：

1、本發(fā)明所述的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)采用“視覺伺服”的控制方式，可以利用手術(shù)過(guò)程中采集的視覺信息對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行反饋，可以有效避免術(shù)前規(guī)劃誤差和術(shù)中手術(shù)部位移動(dòng)等原因?qū)е碌氖中g(shù)精度下降，從而相比傳統(tǒng)的“術(shù)前規(guī)劃-術(shù)中執(zhí)行”的手術(shù)機(jī)器人工作模式能獲得更高的手術(shù)精度。

2、本發(fā)明所述的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)所用到的醫(yī)療影像設(shè)備為g型臂等手術(shù)室常用設(shè)備，無(wú)需額外添置術(shù)中ct或紅外光學(xué)系統(tǒng)等昂貴設(shè)備，不僅節(jié)約了成本也減少了培訓(xùn)醫(yī)務(wù)人員所需要的時(shí)間。

3、本發(fā)明所述的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)采用了“基于圖像的免標(biāo)定視覺伺服”技術(shù)，避免了額外標(biāo)志物的安裝以及標(biāo)定過(guò)程，可以有效減少手術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間，且“基于圖像的免標(biāo)定視覺伺服”技術(shù)能有效抑制患者手術(shù)部位位移，圖像采集設(shè)備位移等不確定因素帶來(lái)的誤差。

4、本發(fā)明所述的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)不依賴額外的標(biāo)志物，固有較好的通用性，因此基于此手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的功能不局限與某一種手術(shù)。通過(guò)更換機(jī)器人前端的手術(shù)工具、采集圖像中用于表示目標(biāo)端或移動(dòng)端位置姿態(tài)的圖像特征類型以及用于表示目標(biāo)端與移動(dòng)端之間相對(duì)位置姿態(tài)關(guān)系的圖像特征相對(duì)坐標(biāo)，就能實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1對(duì)于圖像特征的控制誤差進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整的示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例2對(duì)于圖像特征的控制誤差進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整的示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出的多任務(wù)手術(shù)機(jī)器人的視覺伺服控制方法，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明如下：

本發(fā)明提出的一種多任務(wù)手術(shù)機(jī)器人的視覺伺服控制方法，具體包括以下步驟：

1)根據(jù)具體的手術(shù)類型，確定需要采用的圖像采集設(shè)備(如g型臂)以及執(zhí)行相應(yīng)手術(shù)任務(wù)的機(jī)器人；確定由圖像采集設(shè)備采集的圖像中用于表示目標(biāo)端或移動(dòng)端位置姿態(tài)的圖像特征，所述移動(dòng)端為與手術(shù)機(jī)器人前端(該前端即為完成手術(shù)的手術(shù)器械)或手術(shù)機(jī)器人前端夾持的手術(shù)部位，所述目標(biāo)端為按手術(shù)要求確定的所述移動(dòng)端期望達(dá)到的手術(shù)部位，所述的圖像特征包括目標(biāo)端或移動(dòng)端在所采集圖像中的特征點(diǎn)、特征線、特征輪廓中的一種或多種，根據(jù)所采用的圖像特征定義用于表示目標(biāo)端與移動(dòng)端之間相對(duì)位置姿態(tài)關(guān)系的圖像特征相對(duì)坐標(biāo)f；根據(jù)具體的手術(shù)要求定義期望圖像特征相對(duì)坐標(biāo)f期望，用于表示目標(biāo)端與移動(dòng)端之間實(shí)際的相對(duì)位置已經(jīng)達(dá)到期望的狀態(tài)(該期望狀態(tài)也即手術(shù)要求的狀態(tài))；所述f、f期望均為矢量；

2)通過(guò)步驟1)所確定的圖像采集設(shè)備采集手術(shù)中當(dāng)前時(shí)刻的圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、對(duì)比度增強(qiáng)等預(yù)處理；

3)將步驟2)中預(yù)處理過(guò)的圖像數(shù)據(jù)按照步驟1)所確定的圖像特征進(jìn)行提取，按照步驟1)定義的圖像特征相對(duì)坐標(biāo)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的圖像特征相對(duì)坐標(biāo)，記為f當(dāng)前，為矢量；

4)根據(jù)控制誤差e＝f當(dāng)前-f期望，按照“基于圖像的免標(biāo)定視覺伺服”控制律計(jì)算相應(yīng)的控制量r，即：

其中，kp,ki,kd分別為視覺伺服控制律的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)，需根據(jù)具體的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行整定；j為雅克比矩陣，通過(guò)常規(guī)的在線估計(jì)方法得到，如卡爾曼濾波、粒子濾波、支持向量機(jī)等；∫edt為控制誤差e對(duì)時(shí)間t的積分，為控制誤差e對(duì)時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)；然后使手術(shù)機(jī)器人的操作端按照該控制量r進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；

5)若||e||＞ε，重新返回步驟2)，采集下一時(shí)刻的圖像數(shù)據(jù)；若||e||≤ε，停止循環(huán)，手術(shù)機(jī)器人完成手術(shù)任務(wù)；所述ε是根據(jù)手術(shù)誤差要求設(shè)定的閾值。

本發(fā)明方法可通過(guò)通過(guò)更換手術(shù)機(jī)器人、圖像特征以及圖像特征相對(duì)坐標(biāo)以實(shí)現(xiàn)不同手術(shù)任務(wù)的手術(shù)機(jī)器人的視覺伺服控制。

下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)上述技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明：

實(shí)施例1用于骨折復(fù)位的手術(shù)機(jī)器人的視覺伺服控制方法，具體包括以下步驟：

1)根據(jù)骨折復(fù)位的手術(shù)要求，選用g型臂作為圖像采集設(shè)備，該g型臂將從相互垂直的兩個(gè)方向采集透視圖像，所采用的手術(shù)機(jī)器人為一個(gè)具有六自由度的stewart平臺(tái)，以?shī)A具為該機(jī)器人前端，左側(cè)斷骨為移動(dòng)端，由夾具固定于stewart平臺(tái)上，通過(guò)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)左側(cè)斷骨移動(dòng)，右側(cè)斷骨為目標(biāo)端，由夾具與手術(shù)床相連；如圖1所示，設(shè)在所采集的圖像中左、右側(cè)斷骨的輪廓中心線(圖1中所示直線m、直線n)在骨折處的斜率分別為k移動(dòng)、k目標(biāo)，移動(dòng)端斷面中心點(diǎn)a、目標(biāo)端斷面中心點(diǎn)b在所采集圖像中的坐標(biāo)分別為(x移動(dòng),y移動(dòng))和(x目標(biāo),y目標(biāo))((x移動(dòng),y移動(dòng))和(x目標(biāo),y目標(biāo))均為像素坐標(biāo))，即采用k移動(dòng)、k目標(biāo)、(x移動(dòng),y移動(dòng))和(x目標(biāo),y目標(biāo))作為用于表示目標(biāo)端與移動(dòng)端之間的相對(duì)位置姿態(tài)關(guān)系的圖像特征；定義圖像特征相對(duì)坐標(biāo)f如下(每次g型臂從兩個(gè)方向采集兩張圖片，下標(biāo)中的1、2分別代表從圖片1和圖片2中提取到的圖像特征)：

根據(jù)手術(shù)要求定義期望圖像特征相對(duì)坐標(biāo)f期望為：

f期望對(duì)應(yīng)兩段斷骨處于已經(jīng)完全對(duì)接好的狀態(tài)；

2)通過(guò)步驟1)所確定的圖像采集設(shè)備采集手術(shù)中當(dāng)前時(shí)刻的圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、對(duì)比度增強(qiáng)等預(yù)處理；

3)將步驟2)中預(yù)處理過(guò)的圖像數(shù)據(jù)按照步驟1)所確定的圖像特征進(jìn)行提取，按照步驟1)定義的圖像特征相對(duì)坐標(biāo)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的圖像特征相對(duì)坐標(biāo)，記為f當(dāng)前；

4)根據(jù)控制誤差e＝f當(dāng)前-f期望，按照“基于圖像的免標(biāo)定視覺伺服”控制律計(jì)算出相應(yīng)的控制量r，即：

其中，控制量r為stewart平臺(tái)中六個(gè)桿的桿長(zhǎng)變化速度，為矢量；kp,ki,kd分別為視覺伺服控制律的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)，需根據(jù)具體的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行整定；j為雅克比矩陣，通過(guò)卡爾曼濾波方法得到；∫edt為控制誤差e對(duì)時(shí)間t的積分，為控制誤差e對(duì)時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)；然后使手術(shù)機(jī)器人的操作端按照該控制量r進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；

5)若||e||＞ε，重新返回步驟2)，采集下一時(shí)刻的圖像數(shù)據(jù)；若||e||≤ε，停止循環(huán)，手術(shù)機(jī)器人完成手術(shù)任務(wù)；所述ε是根據(jù)手術(shù)誤差要求設(shè)定的閾值。

本實(shí)施例通過(guò)更換不同的夾具達(dá)到多種規(guī)格骨的對(duì)接任務(wù)的目標(biāo)。

實(shí)施例2用于髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端鎖釘定位的手術(shù)機(jī)器人的視覺伺服控制方法，具體包括以下步驟：

1)根據(jù)髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端鎖釘定位的手術(shù)要求，選用g型臂作為圖像采集設(shè)備，該g型臂將從相互垂直的兩個(gè)方向采集透視圖像，所采用的手術(shù)機(jī)器人為一個(gè)具有六自由度并聯(lián)機(jī)器人，以穿孔器械和導(dǎo)向器為該機(jī)器人前端，前端夾持的導(dǎo)向器的端口為移動(dòng)端，髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端鎖孔為目標(biāo)端；如圖2所示，將圖像中移動(dòng)端和目標(biāo)端各自所形成橢圓的長(zhǎng)軸、短軸及中心點(diǎn)圖像坐標(biāo)作為圖像特征，記移動(dòng)端橢圓的長(zhǎng)軸斜率為k移動(dòng)、短軸長(zhǎng)軸長(zhǎng)度之比為α移動(dòng)、中心點(diǎn)圖像坐標(biāo)為(x移動(dòng)，y移動(dòng))；類似的，記目標(biāo)端橢圓的長(zhǎng)軸斜率為k目標(biāo)、短軸長(zhǎng)軸長(zhǎng)度之比為α目標(biāo)、中心點(diǎn)圖像坐標(biāo)為(x目標(biāo)，y目標(biāo))；定義圖像特征相對(duì)坐標(biāo)如下(每次g型臂從兩個(gè)方向采集兩張圖片，下標(biāo)中的1、2分別代表從圖片1和圖片2中提取到的圖像特征)：

根據(jù)手術(shù)要求定義期望圖像特征相對(duì)坐標(biāo)f期望為：

f期望對(duì)應(yīng)導(dǎo)向器和髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端鎖孔已經(jīng)達(dá)到共軸的狀態(tài)。

2)通過(guò)步驟1)中所述圖像采集設(shè)備采集手術(shù)中當(dāng)前時(shí)刻的圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、對(duì)比度增強(qiáng)等預(yù)處理；

3)將步驟2)中預(yù)處理過(guò)的圖像數(shù)據(jù)按照步驟1)所確定的圖像特征進(jìn)行提取，按照步驟1)定義的圖像特征相對(duì)坐標(biāo)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的圖像特征相對(duì)坐標(biāo)，記為f當(dāng)前；

4)根據(jù)控制誤差e＝f當(dāng)前-f期望，按照“基于圖像的免標(biāo)定視覺伺服”控制律計(jì)算出相應(yīng)的控制量r，即：

其中，控制量r為機(jī)器人六個(gè)關(guān)節(jié)的角速度；kp,ki,kd分別為視覺伺服控制律的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)，需根據(jù)具體的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行整定；j為雅克比矩陣，通過(guò)支持向量機(jī)方法得到，等；∫edt為控制誤差e對(duì)時(shí)間t的積分，為控制誤差e對(duì)時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)；然后使手術(shù)機(jī)器人的操作端按照該控制量r進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；

5)若||e||＞ε，重新返回步驟2)，采集下一時(shí)刻的圖像數(shù)據(jù)；若||e||≤ε，停止循環(huán)，手術(shù)機(jī)器人完成手術(shù)任務(wù)；所述ε是根據(jù)手術(shù)誤差要求設(shè)定的閾值。

實(shí)施例3用于軟組織切割的手術(shù)機(jī)器人的視覺伺服控制方法：

與實(shí)施例1不同的是，將手術(shù)機(jī)器人的前端更換為高頻電刀，將高頻電刀尖端點(diǎn)、刀身軸線作為移動(dòng)端的圖像特征，將軟組織上標(biāo)示線作為目標(biāo)端的圖像特征，高頻電刀尖端點(diǎn)將沿軟組織上標(biāo)示線運(yùn)動(dòng)，將執(zhí)行任務(wù)更改為軟組織切割操作；此時(shí)，f期望表示為高頻電刀尖端點(diǎn)與標(biāo)示線的相對(duì)位置關(guān)系，因而是隨時(shí)間變化的矢量。

類似于實(shí)施例3，通過(guò)更換手術(shù)機(jī)器人前端為動(dòng)力鋸、骨鑿、圓形磨頭可完成不同的關(guān)節(jié)置換手術(shù)。