一种基于操作者意图校正的人机交互系统及方法

摘要

本发明涉及一种基于操作者意图校正的人机交互系统及方法，包括机械臂、手术工具、六维力传感器、力传感器和控制器；六维力传感器安装在机械臂末端，手术工具通过固定装置安装在六维力传感器上，力传感器安装在手术工具上；操作者牵引手术工具上安装有力传感器的部分进行操作时，检测力传感器的读数是否到达预设阈值；如果没有达到，则机械臂不运动，否则，根据力传感器的读数以及六维力传感器与力传感器之间的位置关系对六维力传感器读出的力矩进行校正，根据六维力传感器的力信号和校正后的力矩信号控制机械臂的运动。与现有技术相比，本发明解决了在利用导纳控制的人机协作操作过程中，操作者意图与机械臂实际运动不一致的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及手术机器人领域，尤其是涉及一种基于操作者意图校正的人机交互系统及方法。

背景技术

手术机器人技术领域中，由于术中的情况千变万化，术前规划存在不适用的可能性，这就需要术者需要根据临床经验来调整手术方案，直接操控机械臂进行重新定位和操作。例如，在实际临床场景中，主动式的手术机器人无法完全满足口腔颌面外科手术需求，医生能够在术中不断调整机器人状态的被动式手术机器人更为需要。

人机协同控制通过基于力位混合的协调控制，实现机器人协作人类进行操作，将机器人的高精度控制与人的高动态决策能力相结合，是一种常见的机器人控制方式。它主要采用导纳控制或者阻抗控制，一般在机械臂末端安装力传感器，当操作者在末端施加力的时候，将机器人臂末端的受到的外力映射到机械臂的运动，能在人的操作输出力与机器人输出运动之间建立一个量化关系，以解决人机协作操控柔顺性问题，从而实现手术场合中医生对机器人的主动控制及维持医生技能水平的目的。

目前，在手术机器人领域，常见的交互方式包括直接牵引安装在机械臂末端的手术工具和牵引安装力传感器的手柄两种。

第一种交互方式，如美国医疗公司Neocis开发的Yomi牙科种植机器人导航系统，医生通过直接牵引安装在机械臂末端的手术工具进行交互。但由于种植钻的工作自由度只需要5个(不需要考虑钻的旋转，只需要确定其轴向和位置)，种植钻旋转运动的调整范围并不大，主要为平移运动。

第二种交互方式，如何玉成等在“鼻内镜手术辅助机器人机构设计与安全控制研究”中的相关研究，鼻内镜手术辅助机器人采用了两个力传感器，其中一个安装在手术工具上(鼻内镜)，用于操作时感知手术工具上的力；另一个位于操作手柄上，用于人机协作控制。医生通过牵引操作手柄，完成对机器人的控制。

但是，上述方式都有缺点。在第一种情况中，手术工具需要进行较大的旋转且操作者的手离传感器位置较远时，会导致机器人运动与操作者意图不同的现象。因为此时施力点与传感器之间存在一个位移，根据力的平移原理，虽然X、Y、Z方向上的力不会改变，但传感器与施力点受到的力矩则有所不同，导致机械臂的旋转与操作者的意图不同的问题。而对于第二种情况，因为操作者只捏着手柄上操作，可以认为机械臂能够可以按照操作者的意图来执行，但是该方案的实现需要两个六维力传感器来实现，成本较高，而且六维力传感器体积较大，在很多临床场景下，难以安装到手术工具的手柄上。

综上，现有的交互装置及方法存在精度较差、稳定性较差、技术成本过高等缺陷。因此，需要一个能够实现根据操作者意图实现机械臂运动的人机交互方案。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于操作者意图校正的人机交互系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

第一方面，本发明公开了一种基于操作者意图校正的人机交互系统，包括机械臂、手术工具、六维力传感器S1、力传感器S2和控制器；

所述六维力传感器S1安装在机械臂末端，手术工具通过固定装置安装在六维力传感器S1上，所述力传感器S2安装在手术工具上，所述控制器与机械臂、六维力传感器S1和力传感器S2通信连接；

操作者牵引手术工具上安装有力传感器S2的部分进行操作时，控制器检测力传感器S2的读数是否到达预设阈值；如果力传感器S2的读数没有达到预设阈值，则机械臂不运动，否则，所述控制器根据力传感器S2的读数以及六维力传感器S1与力传感器S2之间的位置关系对六维力传感器S1读出的力矩进行校正，根据六维力传感器S1的力信号和校正后的力矩信号控制机械臂的运动。

进一步地，所述预设阈值为操作者手部静止且稳定握持手术工具时力传感器S2的读数。

进一步地，六维力传感器S1与力传感器S2之间的位置关系是根据机械臂、手术工具和固定装置的机械尺寸确定的。

进一步地，根据力传感器S2的读数对六维力传感器S1的力矩进行校正具体为：

进一步地，控制器根据导纳控制，将六维力传感器S1的力信号和校正后的力矩信号转化为机械臂的运动信号，机械臂根据所述运动信号运动，机械臂的运动带动手术工具运动。

进一步地，所述六维力传感器S1固定安装在机械臂的末端，所述固定装置为夹具，手术工具通过夹具安装在六维力传感器S1上。

进一步地，所述力传感器S2安装在手术工具的手柄上，操作者牵引手术工具的手柄进行操作。

第二方面，本发明公开了一种基于操作者意图校正的人机交互方法，包括以下步骤：

检查机械臂、手术工具、六维力传感器S1、力传感器S2和控制器，所述六维力传感器S1安装在机械臂末端，手术工具通过固定装置安装在六维力传感器S1上，所述力传感器S2安装在手术工具上，所述控制器与机械臂、六维力传感器S1和力传感器S2通信连接；

操作者牵引手术工具上安装有力传感器S2的部分进行操作，控制器检测力传感器S2的读数是否到达预设阈值；

如果力传感器S2的读数没有达到预设阈值，则机械臂不运动，否则，根据力传感器S2的读数以及确定六维力传感器S1与力传感器S2之间的位置关系对六维力传感器S1的力矩进行校正，根据六维力传感器S1的力信号和校正后的力矩信号控制机械臂的运动。

进一步地，所述预设阈值为操作者手部静止且稳定握持手术工具时力传感器S2的读数。

进一步地，六维力传感器S1与力传感器S2之间的位置关系是根据机械臂、手术工具和固定装置的机械尺寸确定的。

进一步地，根据力传感器S2的读数对六维力传感器S1的力矩进行校正具体为：

进一步地，控制器根据导纳控制，将六维力传感器S1的力信号和校正后的力矩信号转化为机械臂的运动信号，机械臂根据所述运动信号运动，机械臂的运动带动手术工具运动。

进一步地，所述六维力传感器S1固定安装在机械臂的末端，所述固定装置为夹具，手术工具通过夹具安装在六维力传感器S1上。

进一步地，所述力传感器S2安装在手术工具的手柄上，操作者牵引手术工具的手柄进行操作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)通过预设阈值，在力传感器读数小于预设阈值时机械臂不运动，达到预设阈值后，对六维力传感器的力矩进行校正，以校正后的力矩为依据控制机械臂运动，解决了在利用导纳控制的人机协作操作过程中，操作者意图与机械臂实际运动不一致的问题。

(2)在手术工具上安装力传感器，预设阈值为操作者手部静止且稳定握持手术工具时力传感器的读数，可以比较力传感器受力与预设阈值判断操作者是否需要牵引机械臂，增加控制的安全性，只有当力传感器受力到达预设阈值时，机械臂才能根据受力情况运动，避免干扰破坏机械臂的正常运动。

(3)通过牵引手术工具手柄进行操作，充分考虑医生手术时的操作习惯，人机交互性良好，机械臂按照操作者意图运动，降低操作者的学习成本，能够精确地操作机器人，适用于多种手术过程，具有良好的通用性。

附图说明

图1为一种基于操作者意图校正的人机交互系统的结构示意图；

附图标记：1、机械臂，2、手术工具，S1、六维力传感器，S2、力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。

实施例1：

第一方面，本发明公开了一种基于操作者意图校正的人机交互系统，包括机械臂1、手术工具2、六维力传感器S1、力传感器S2和控制器；

如图1所示，六维力传感器S1安装在机械臂1末端，手术工具2通过固定装置安装在六维力传感器S1上，力传感器S2安装在手术工具2上，控制器与机械臂1、六维力传感器S1和力传感器S2通信连接；

操作者牵引手术工具2上安装有力传感器S2的部分进行操作时，控制器检测力传感器S2的读数是否到达预设阈值；如果力传感器S2的读数没有达到预设阈值，则机械臂1不运动，否则，控制器根据力传感器S2的读数以及六维力传感器S1与力传感器S2之间的位置关系对六维力传感器S1读出的力矩进行校正，根据六维力传感器S1的力信号和校正后的力矩信号控制机械臂1的运动。

其中，预设阈值为操作者手部静止且稳定握持手术工具2时力传感器S2的读数。可以在操作前多次测量，记录操作者手部静止且稳定握持手术工具2时力传感器S2的读数，再取平均值作为预设阈值。

根据力传感器S2的读数对六维力传感器S1的力矩进行校正具体为：

在使用时，过程如下：

(1)在机械臂1末端安装六维力传感器S1，六维力传感器S1通过螺钉等固定安装在机械臂1的末端；

(2)手术工具2通过固定装置安装在六维力传感器S1上，力传感器S2安装在手术工具2上，固定装置为夹具，手术工具2通过夹具安装在六维力传感器S1上，便于更换和调整手术工具2，力传感器S2安装在手术工具2的手柄上，操作者握持手术工具2的手柄，应保证操作者手握的位置为力传感器S2的中心；

(3)根据机械臂1、手术工具2和固定装置的机械尺寸确定六维力传感器S1与力传感器S2之间的位置关系，如图1所示，S和Doc分别为六维力传感S1与力传感器S2坐标系，O

(4)操作者牵引手术工具2上安装有力传感器S2的部分进行操作，即操作者牵引手术工具2的手柄进行操作；

(5)判断力传感器S2的读数是否达到预设阈值，如果没有达到，意为操作者的意图不是牵引机械臂1，则机械臂1不运动，否则，意为操作者的意图是牵引机械臂1，控制器根据力传感器S2的读数以及六维力传感器S1与力传感器S2之间的位置关系对六维力传感器S1读出的力矩进行校正，消除施力点与六维力传感器S1之间存在的位移，使得机械臂1的运动符合操作者意图，具体的，根据导纳控制，控制器根据导纳控制，将六维力传感器S1的力信号F和校正后的力矩信号T

本发明具有以下优点：

(1)通过预设阈值，在力传感器S2读数小于预设阈值时机械臂1不运动，达到预设阈值后，对六维力传感器S1的力矩进行校正，以校正后的力矩为依据控制机械臂1运动，解决了在利用导纳控制的人机协作操作过程中，操作者意图与机械臂1实际运动不一致的问题。

(2)在手术工具2上安装力传感器S2，预设阈值为操作者手部静止且稳定握持手术工具2时力传感器S2的读数，可以比较力传感器S2受力与预设阈值判断操作者是否需要牵引机械臂1，增加控制的安全性，只有当力传感器S2受力到达预设阈值时，机械臂1才能根据受力情况运动，避免干扰破坏机械臂1的正常运动。

(3)通过牵引手术工具2手柄进行操作，充分考虑医生手术时的操作习惯，人机交互性良好，机械臂1按照操作者意图运动，降低操作者的学习成本，能够精确地操作机器人，适用于多种手术过程，具有良好的通用性。

第二方面，本发明公开了一种基于操作者意图校正的人机交互方法，包括以下步骤：

①检查机械臂1、手术工具2、六维力传感器S1、力传感器S2和控制器，其中，六维力传感器S1安装在机械臂1末端，手术工具2通过固定装置安装在六维力传感器S1上，力传感器S2安装在手术工具2上，控制器与机械臂1、六维力传感器S1和力传感器S2通信连接；

②操作者牵引手术工具2上安装有力传感器S2的部分进行操作，控制器检测力传感器S2的读数是否到达预设阈值；

③如果力传感器S2的读数没有达到预设阈值，则机械臂1不运动，否则，根据力传感器S2的读数以及确定六维力传感器S1与力传感器S2之间的位置关系对六维力传感器S1的力矩进行校正，根据六维力传感器S1的力信号和校正后的力矩信号控制机械臂1的运动。

本发明所提供的一种基于操作者意图校正的人机交互方法与系统实施例基于相同的发明构思，详情请参考系统实施例，在此不再赘述。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。