CN114098960A - 医疗器械自动定位方法、装置、机械臂和可读存储介质 - Google Patents

医疗器械自动定位方法、装置、机械臂和可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种医疗器械自动定位方法、装置、机械臂和可读存储介质，该方法包括获取预定规划平面；在用户手持医疗器械的手持端工作时，实时确定所述医疗器械的工作端平面与所述预定规划平面之间的实时距离偏差，所述医疗器安装于机械臂的末端；根据所述实时距离偏差控制所述机械臂实时调整实时规划平面，以在所述用户手持所述手持端工作时，所述工作端平面维持在所述预定规划平面。实现了医疗器械的工作位置可以始终维持在预定规划平面，有效解决了医疗器械的工作端平面受到自身的重力和/或用户的手持力的动态变化的影响而偏离预定规划平面的问题，降低了误差率，提高工作效率。

Description

医疗器械自动定位方法、装置、机械臂和可读存储介质
技术领域
本发明涉及医疗器械控制领域，尤其涉及一种医疗器械自动定位方法、装置、机械臂和可读存储介质。
背景技术
随着机械臂技术的快速发展，目前，多数医疗器械在使用时，一般由机械臂和使用者协同控制，即将医疗器械安装在机械臂的末端上，并由使用者手持医疗器械的手持端，以控制医疗器械执行相应任务。
但是，由于机械臂的末端在实际使用时经常负载各种不一样型号、尺寸的医疗器械，而不同的医疗器械重量均有差异，使用者手握手持端控制医疗器械执行相应任务时，不同使用者的操作习惯也有很大差异。例如：有些人在利用摆锯截骨过程中，习惯于手握摆锯往上提的切割方式，有些人在利用摆锯截骨过程中，习惯于手握摆锯往下按的切割方式。因此，在阻抗模式下，机械臂模型参数的重力项存在不确定性，该不确定性将导致医疗器械的工作位置不能始终维持在预定的位置，严重时将影响医疗器械所执行的任务，导致任务失败。
发明内容
鉴于上述问题，本申请提出一种医疗器械自动定位方法、装置、机械臂和可读存储介质，以实现医疗器械的自动定位，降低失败率。
第一方面，本申请实施例提出一种医疗器械自动定位方法，所述方法包括：
获取预定规划平面；
在用户手持医疗器械的手持端工作时，实时确定所述医疗器械的工作端平面与所述预定规划平面之间的实时距离偏差，所述医疗器械安装于机械臂的末端；
根据所述实时距离偏差控制所述机械臂实时调整实时规划平面，以在所述用户手持所述手持端工作时，所述工作端平面维持在所述预定规划平面。
本申请实施例所述的医疗器械自动定位方法，在用户手持医疗器械的手持端工作之前，还包括：
控制所述机械臂将所述医疗器械的工作端平面移动至所述预定规划平面；
记录所述工作端平面在预定坐标系下的初始位姿。
本申请实施例所述的医疗器械自动定位方法，所述实时确定所述医疗器械的工作端平面与所述预定规划平面之间的实时距离偏差，包括：
实时获取所述工作端平面在所述预定坐标系下的实时位姿；
根据所述实时位姿和所述初始位姿确定所述工作端平面与所述预定规划平面之间的实时距离偏差。
本申请实施例所述的医疗器械自动定位方法，所述根据所述实时距离偏差控制所述机械臂实时调整实时规划平面，包括：
利用所述实时距离偏差确定所述实时规划平面的实时移动距离；
控制所述机械臂将所述实时规划平面向目标方向移动所述实时移动距离，所述目标方向为从所述工作端平面移动至所述预定规划平面的方向。
本申请实施例所述的医疗器械自动定位方法，所述根据所述实时距离偏差控制所述机械臂实时调整实时规划平面，包括：
利用所述实时距离偏差确定所述机械臂的实时控制信号；
根据所述实时控制信号调整所述机械臂的位姿，以使所述实时规划平面向目标方向移动，所述目标方向为从所述工作端平面移动至所述预定规划平面的方向。
本申请实施例所述的医疗器械自动定位方法，利用以下公式计算所述实时控制信号：
u(t)＝Kp*e(t)+Ki*∫e(t)dt+Kd*de(t)/dt
其中，u(t)为第t时刻的实时控制信号，Kp为比例参数，Ki为积分参数，Kd为微分参数，e(t)为第t时刻的实时距离偏差。
第二方面，本申请实施例还提出一种医疗器械自动定位装置，所述装置包括：
获取模块，用于获取预定规划平面；
确定模块，用于在用户手持医疗器械的手持端工作时，实时确定所述医疗器械的工作端平面与所述预定规划平面之间的实时距离偏差，所述医疗器械安装于机械臂的末端；
控制模块，用于根据所述实时距离偏差控制所述机械臂实时调整实时规划平面，以在所述用户手持所述手持端工作时，所述工作端平面维持在所述预定规划平面。
本申请实施例所述的医疗器械自动定位装置，在确定模块之前，还包括：记录模块，用于控制所述机械臂将所述医疗器械的工作端平面移动至所述预定规划平面，并记录所述工作端平面在预定坐标系下的初始位姿。
第三方面，本申请实施例还提出一种机械臂，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序在所述处理器上运行时执行本申请实施例所述的医疗器械自动定位方法。
第四方面，本申请实施例还提出一种可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序在处理器上运行时执行本申请实施例所述的医疗器械自动定位方法。
本申请通过获取预定规划平面；在用户手持医疗器械的手持端工作时，实时确定所述医疗器械的工作端平面与所述预定规划平面之间的实时距离偏差，所述医疗器安装于机械臂的末端；根据所述实时距离偏差控制所述机械臂实时调整实时规划平面，以在所述用户手持所述手持端工作时，所述工作端平面维持在所述预定规划平面。实现了医疗器械的工作位置可以始终维持在预定规划平面，有效解决了医疗器械的工作端平面受到自身的重力和/或用户的手持力的动态变化的影响而偏离预定规划平面的问题，降低了误差率，提高工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。
图1示出了本申请实施例提出一种医疗器械自动定位方法的流程示意图；
图2示出了本申请实施例提出一种预定规划平面、实时规划平面和工作端平面之间的位置关系；
图3示出了本申请实施例提出另一种预定规划平面、实时规划平面和工作端平面之间的位置关系；
图4示出了本申请实施例提出一种医疗器械自动定位装置的结构示意图；
图5示出了本申请实施例提出另一种医疗器械自动定位装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
实施例1
请参见图1，本申请的一个实施例，提出一种医疗器械自动定位方法，该方法包括以下步骤：
步骤S100，获取预定规划平面。
可以理解，一些医疗器械在工作时，一般需要医疗器械保持在一个固定平面，以在该固定平面执行相应的任务，例如，用于截骨的医疗器械在工作时，一般要保持医疗器械的锯片保持在一个固定平面，在该固定平面完成截骨任务后，再控制医疗器械的锯片移动到另一个固定平面，并保持在该固定平面以继续执行截骨任务。
本实施例中，机械臂需要获取预定规划平面，以使机械臂可以根据预定规划平面，调控医疗器械，使得医疗器械的工作端平面可以维持在预定规划平面，避免医疗器械的工作端平面受到自身的重力和/或用户的手持力的动态变化的影响而偏离预定规划平面。
其中，机械臂可以通过获取自身规划位姿的形式获取预定规划平面，即机械臂获取规划位姿后，可以将自己处于规划位姿时，当前的医疗器械的工作端平面作为预定规划平面。
可以理解，规划位姿可以与机械臂自由度、机械臂的各个连杆等机械臂的基本属性相关。
步骤S200，在用户手持医疗器械的手持端工作时，实时确定所述医疗器械的工作端平面与所述预定规划平面之间的实时距离偏差，所述医疗器械安装于机械臂的末端。
可以理解，医疗器安装于机械臂的末端，在用户手持医疗器械的手持端工作时，考虑到用户作用于医疗器械手持力是不断动态变化的，因此，在医疗器械的实际工作过程中，医疗器械的工作端平面与预定规划平面之间存在实时距离偏差。
本实施例中，机械臂需要实时确定医疗器械的工作端平面与预定规划平面之间的实时距离偏差，以基于实时距离偏差实时调整实时规划平面。
本实施例中，给出一种实时距离偏差的确定方式，即在用户手持医疗器械的手持端工作之前，控制所述机械臂将所述医疗器械的工作端平面移动至所述预定规划平面；记录所述工作端平面在预定坐标系下的初始位姿。进而可以根据工作端平面的初始位姿与工作端平面在所述预定坐标系下的实时位姿确定医疗器械的工作端平面与预定规划平面之间的实时距离偏差。
可以理解，上述预定坐标系可以是末端坐标系，医疗器械安装于机械臂的末端后，末端与医疗器械之间的位姿关系是可以确定的，基于机械臂各个连杆关节之间的齐次变换矩阵，机械臂可以末端坐标系下医疗器械的工作端平面的初始位姿和实时位姿。
当然，一些其他实时距离偏差的确定方式中，也可以在其他坐标系下获取医疗器械的工作端平面的初始位姿和实时位姿，只要保证初始位姿和实时位姿在同一坐标系下即可。
当然，一些其他实时距离偏差的确定方式中，还可以利用视觉传感器获取医疗器械的工作端平面的初始位姿和实时位姿，即需要在医疗器械的工作端平面安装一些反光标记或者视觉传感器可以识别的一些定位标记，以便视觉传感器可以基于反光标记或者视觉传感器可以识别的一些定位标记获取工作端平面的初始位姿和实时位姿。
需要说明的是，医疗器械的工作端平面的实时位姿的采集频率是非常快的，因此，实时距离偏差非常小，在医疗器械实际执行任务时，该实时距离偏差所产生的偏差可以忽略不计。
步骤S300，根据所述实时距离偏差控制所述机械臂实时调整实时规划平面，以在所述用户手持所述手持端工作时，所述工作端平面维持在所述预定规划平面。
可以理解，实时规划平面是一个虚拟平面，并不是医疗器械的工作端平面实际要到达的一个真实平面，本实施例，通过该实时规划平面与预定规划平面之间的距离差值，抵消用户手持作用力和/或医疗器械自身重力对医疗器械的影响，即本实施例，是为了保证医疗器械的工作端平面可以维持在预定规划平面，机械臂控制医疗器械的工作端平面向与手持作用力和/或医疗器械自身重力相反的方向移动，以实现抵消手持作用力和/或医疗器械自身重力的目的。
示例性的，以预定规划平面为基准，请参见图2，若医疗器械的工作端平面1向预定规划平面0下方移动，则实时规划平面2将位于预定规划平面0的上方，且O0与O2之间的距离等于O0与O1之间的距离。请参见图3，若医疗器械的工作端平面1向预定规划平面0上方移动，则实时规划平面2将位于预定规划平面0的下方，且O0与O2之间的距离等于O0与O1之间的距离。
示例性的，本实施例中，给出一种实时调整实时规划平面的实施例方式，即利用所述实时距离偏差确定所述实时规划平面的实时移动距离；控制所述机械臂将所述实时规划平面向目标方向移动所述实时移动距离，所述目标方向为从所述工作端平面移动至所述预定规划平面的方向。
上述实施例方式，是将实时距离偏差作为实时规划平面的实时移动距离，直接根据实时移动距离控制机械臂改变位姿，以更新机械臂对应的实时规划平面。
进一步的，考虑到比例-积分-微分调节的速度更快，调节效果更好，本实施例还提出一种调整实时规划平面的实施方式，即利用所述实时距离偏差确定所述机械臂的实时控制信号；根据所述实时控制信号调整所述机械臂的位姿，以使所述实时规划平面向目标方向移动，所述目标方向为从所述工作端平面移动至所述预定规划平面的方向。
其中，利用所述实时距离偏差确定所述机械臂的实时控制信号，可以利用比例调节方式确定实时控制信号，可以利用比例-积分调节方式确定实时控制信号，还可以利用比例-积分-微分调节方式确定实时控制信号。
示例性的，可以利用以下公式确定实时控制信号：
u(t)＝Kp*e(t)+Ki*∫e(t)dt+Kd*de(t)/dt
其中，u(t)为第t时刻的实时控制信号，Kp为比例参数，Ki为积分参数，Kd为微分参数，e(t)为第t时刻的实时距离偏差。
本实施例通过获取预定规划平面；在用户手持医疗器械的手持端工作时，实时确定所述医疗器械的工作端平面与所述预定规划平面之间的实时距离偏差，所述医疗器安装于机械臂的末端；根据所述实时距离偏差控制所述机械臂实时调整实时规划平面，以在所述用户手持所述手持端工作时，所述工作端平面维持在所述预定规划平面。实现了医疗器械的工作位置可以始终维持在预定规划平面，有效解决了医疗器械的工作端平面受到自身的重力和/或用户的手持力的动态变化的影响而偏离预定规划平面的问题，降低了误差率，提高工作效率。
进一步的，本实施例在调整实时规划平面时，还引入了调整实时规划平面，使得整个调节过程更快，调节效果更好，大大提高了工作效率。
实施例2
请参见图4，本申请的另一个实施例，提出一种医疗器械自动定位装置10，该装置包括：获取模块11、确定模块12和控制模块13。
获取模块11，用于获取预定规划平面；确定模块12，用于在用户手持医疗器械的手持端工作时，实时确定所述医疗器械的工作端平面与所述预定规划平面之间的实时距离偏差，所述医疗器械安装于机械臂的末端；控制模块13，用于根据所述实时距离偏差控制所述机械臂实时调整实时规划平面，以在所述用户手持所述手持端工作时，所述工作端平面维持在所述预定规划平面。
进一步的，请参见图5，医疗器械自动定位装置10中，在确定模块12之前还包括记录模块14，用于控制所述机械臂将所述医疗器械的工作端平面移动至所述预定规划平面，并记录所述工作端平面在预定坐标系下的初始位姿。
进一步的，所述实时确定所述医疗器械的工作端平面与所述预定规划平面之间的实时距离偏差，包括：实时获取所述工作端平面在所述预定坐标系下的实时位姿；根据所述实时位姿和所述初始位姿确定所述工作端平面与所述预定规划平面之间的实时距离偏差。
进一步的，所述根据所述实时距离偏差控制所述机械臂实时调整实时规划平面，包括：利用所述实时距离偏差确定所述实时规划平面的实时移动距离；控制所述机械臂将所述实时规划平面向目标方向移动所述实时移动距离，所述目标方向为从所述工作端平面移动至所述预定规划平面的方向。
进一步的，所述根据所述实时距离偏差控制所述机械臂实时调整实时规划平面，包括：利用所述实时距离偏差确定所述机械臂的实时控制信号；根据所述实时控制信号调整所述机械臂的位姿，以使所述实时规划平面向目标方向移动，所述目标方向为从所述工作端平面移动至所述预定规划平面的方向。
进一步的，利用以下公式计算所述实时控制信号：
u(t)＝Kp*e(t)+Ki*∫e(t)dt+Kd*de(t)/dt
其中，u(t)为第t时刻的实时控制信号，Kp为比例参数，Ki为积分参数，Kd为微分参数，e(t)为第t时刻的实时距离偏差。
本实施例公开的医疗器械自动定位装置10通过获取模块11、确定模块12、控制模块13和记录模块14的配合使用以执行上述医疗器械自动定位方法，上述实施例所涉及的实施方案以及有益效果在本实施例中同样适用，在此不再赘述。
实施例3
本申请的第三个实施例，提出一种机械臂，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序在所述处理器上运行时执行本申请上述实施例所述的医疗器械自动定位方法。
实施例4
本申请的第四个实施例，提出一种可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序在处理器上运行时执行本申请上述实施例所述的医疗器械自动定位方法。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的可读存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种医疗器械自动定位方法，其特征在于，所述方法包括：
获取预定规划平面；
在用户手持医疗器械的手持端工作时，实时确定所述医疗器械的工作端平面与所述预定规划平面之间的实时距离偏差，所述医疗器械安装于机械臂的末端；
根据所述实时距离偏差控制所述机械臂实时调整实时规划平面，以在所述用户手持所述手持端工作时，所述工作端平面维持在所述预定规划平面。
2.根据权利要求1所述的医疗器械自动定位方法，其特征在于，在用户手持医疗器械的手持端工作之前，还包括：
控制所述机械臂将所述医疗器械的工作端平面移动至所述预定规划平面；
记录所述工作端平面在预定坐标系下的初始位姿。
3.根据权利要求2所述的医疗器械自动定位方法，其特征在于，所述实时确定所述医疗器械的工作端平面与所述预定规划平面之间的实时距离偏差，包括：
实时获取所述工作端平面在所述预定坐标系下的实时位姿；
根据所述实时位姿和所述初始位姿确定所述工作端平面与所述预定规划平面之间的实时距离偏差。
4.根据权利要求1所述的医疗器械自动定位方法，其特征在于，所述根据所述实时距离偏差控制所述机械臂实时调整实时规划平面，包括：
利用所述实时距离偏差确定所述实时规划平面的实时移动距离；
控制所述机械臂将所述实时规划平面向目标方向移动所述实时移动距离，所述目标方向为从所述工作端平面移动至所述预定规划平面的方向。
5.根据权利要求1所述的医疗器械自动定位方法，其特征在于，所述根据所述实时距离偏差控制所述机械臂实时调整实时规划平面，包括：
利用所述实时距离偏差确定所述机械臂的实时控制信号；
根据所述实时控制信号调整所述机械臂的位姿，以使所述实时规划平面向目标方向移动，所述目标方向为从所述工作端平面移动至所述预定规划平面的方向。
6.根据权利要求5所述的医疗器械自动定位方法，其特征在于，利用以下公式计算所述实时控制信号：
u(t)＝Kp*e(t)+Ki*∫e(t)dt+Kd*de(t)/dt
其中，u(t)为第t时刻的实时控制信号，Kp为比例参数，Ki为积分参数，Kd为微分参数，e(t)为第t时刻的实时距离偏差。
7.一种医疗器械自动定位装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取预定规划平面；
确定模块，用于在用户手持医疗器械的手持端工作时，实时确定所述医疗器械的工作端平面与所述预定规划平面之间的实时距离偏差，所述医疗器械安装于机械臂的末端；
控制模块，用于根据所述实时距离偏差控制所述机械臂实时调整实时规划平面，以在所述用户手持所述手持端工作时，所述工作端平面维持在所述预定规划平面。
8.根据权利要求7所述的医疗器械自动定位装置，其特征在于，在确定模块之前，还包括：
记录模块，用于控制所述机械臂将所述医疗器械的工作端平面移动至所述预定规划平面，并记录所述工作端平面在预定坐标系下的初始位姿。
9.一种机械臂，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序在所述处理器上运行时执行权利要求1至6任一项所述的医疗器械自动定位方法。
10.一种可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序在处理器上运行时执行权利要求1至6任一项所述的医疗器械自动定位方法。
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