一种肠胃镜医疗机器人及方法与流程

本技术涉及生物医学工程，更具体地说，本技术涉及一种肠胃镜医疗机器人及方法。

背景技术：

1、肠胃镜医疗机器人作为生物医学工程领域的重要技术，在消化道疾病的诊断与治疗中发挥着关键作用，其通过微创介入方式减轻患者痛苦并提高手术精度；随着机器人技术的发展，肠胃镜机器人的柔顺控制成为研究热点，旨在模拟医生手感实现安全、精准的介入操作，避免组织损伤并提升手术效率。

2、现有肠胃镜机器人多采用基于力反馈或视觉反馈的控制方法，例如通过力传感器检测介入阻力或利用图像处理识别肠道形态，然而，这些方法存在力感知维度单一、形状重建精度不足等问题，难以实时准确反映肠胃镜与组织的交互状态和空间构型，导致控制响应滞后、过度弯曲或结褶风险，易引起组织损伤；因此，如何实现融合多维度力感知和高精度形状感知的自适应柔顺控制方法动态优化肠胃镜医疗机器人的运动姿态成为了业界面临的难题。

技术实现思路

1、本技术提供一种肠胃镜医疗机器人及方法，可实现融合多维度力感知和高精度形状感知的自适应柔顺控制方法动态优化肠胃镜医疗机器人的运动姿态。

2、第一方面，本技术提供一种用于肠胃镜医疗机器人的自适应柔顺控制方法，其中，所述自适应柔顺控制方法依据机器人在介入操作过程中的力感知和形状感知自动调整机器人的姿态进行柔顺控制，该方法包括：

3、通过肠胃镜医疗机器人上的多维力传感器获取介入操作过程中肠胃镜的轴向受力和旋转扭矩；

4、根据所述轴向受力和所述旋转扭矩确定肠胃镜医疗机器人在介入操作过程中与人体组织的交互作用力，进而将所述交互作用力输入导纳控制器进行交互力-速度映射，生成介入操作过程中对肠胃镜进行柔顺控制的力感知信号；

5、获取介入操作过程中肠胃镜进行渐进式往复运动时电磁传感器在消化道内的多个离散位姿点，对所有的离散位姿点进行基于三阶贝塞尔曲线的空间曲线重建，得到肠胃镜医疗机器人形状感知的三维空间构型；

6、根据所述三维空间构型的曲率分布与预设的曲率阈值确定介入操作过程中对肠胃镜进行柔顺控制的运动约束边界；

7、基于所述力感知信号和所述运动约束边界对肠胃镜医疗机器人的运动姿态进行复合约束优化的导纳控制。

8、在一些实施例中，通过肠胃镜医疗机器人上的多维力传感器获取介入操作过程中肠胃镜的轴向受力和旋转扭矩具体包括：

9、通过双向拉压传感器检测介入操作过程中肠胃镜与人体组织相互作用而产生的轴向受力；

10、通过力传感器测量介入操作过程中肠胃镜医疗机器人电机的负载反作用力；

11、基于所述负载反作用力和肠胃镜医疗机器人电机的安装半径确定肠胃镜所受的旋转扭矩。

12、在一些实施例中，根据所述轴向受力和所述旋转扭矩确定肠胃镜医疗机器人在介入操作过程中与人体组织的交互作用力具体包括：

13、对所述旋转扭矩进行自身弯曲阻力补偿，得到肠胃镜的末端弯曲交互力；

14、基于所述轴向受力、所述旋转扭矩和所述末端弯曲交互力构建多维交互作用力向量；

15、将所述多维交互作用力向量投影到肠胃镜医疗机器人末端执行器坐标系，得到肠胃镜医疗机器人在介入操作过程中与人体组织的交互作用力。

16、在一些实施例中，将所述交互作用力输入导纳控制器进行交互力-速度映射，生成介入操作过程中对肠胃镜进行柔顺控制的力感知信号具体包括：

17、根据肠胃镜当前的介入深度动态调整二阶导纳控制器的自由度导纳参数，得到符合当前介入操作的导纳控制器；

18、将所述交互作用力输入符合当前介入操作的导纳控制器，求解得到与当前交互力匹配的速度修正量；

19、对所述速度修正量进行带限滤波，生成介入操作过程中对肠胃镜进行柔顺控制的力感知信号。

20、在一些实施例中，对所有的离散位姿点进行基于三阶贝塞尔曲线的空间曲线重建，得到肠胃镜医疗机器人形状感知的三维空间构型具体包括：

21、通过所有的离散位姿点构建时空配准的有序空间路径；

22、对所述有序空间路径进行三阶贝塞尔曲线拟合，得到肠胃镜中心线的几何连续样条曲线；

23、基于所述几何连续样条曲线的控制点位置进行迭代修正，进而生成肠胃镜医疗机器人形状感知的三维空间构型。

24、在一些实施例中，根据所述三维空间构型的曲率分布与预设的曲率阈值确定介入操作过程中对肠胃镜进行柔顺控制的运动约束边界具体包括：

25、对所述三维空间构型进行微分几何解析，得到沿肠胃镜轴向的曲率分布；

26、将所述曲率分布与预设的曲率阈值进行安全比对，识别存在结褶风险或穿孔风险的临界区段；

27、根据所述临界区段的曲率特征生成介入操作过程中对肠胃镜进行柔顺控制的运动约束边界。

28、在一些实施例中，基于所述力感知信号和所述运动约束边界对肠胃镜医疗机器人的运动姿态进行复合约束优化的导纳控制具体包括：

29、基于所述力感知信号生成肠胃镜医疗机器人的初始期望运动轨迹；

30、将所述期望运动轨迹投影至所述运动约束边界定义的可行域，进而生成满足形状感知安全约束的运动控制指令；

31、通过所述运动控制指令自适应调整肠胃镜医疗机器人的运动姿态。

32、第二方面，本技术提供一种肠胃镜医疗机器人，该肠胃镜医疗机器人包括有自适应柔顺控制单元，所述自适应柔顺控制单元包括：

33、采集模块，用于通过肠胃镜医疗机器人上的多维力传感器获取介入操作过程中肠胃镜的轴向受力和旋转扭矩；

34、处理模块，用于根据所述轴向受力和所述旋转扭矩确定肠胃镜医疗机器人在介入操作过程中与人体组织的交互作用力，进而将所述交互作用力输入导纳控制器进行交互力-速度映射，生成介入操作过程中对肠胃镜进行柔顺控制的力感知信号；

35、所述处理模块，用于获取介入操作过程中肠胃镜进行渐进式往复运动时电磁传感器在消化道内的多个离散位姿点，对所有的离散位姿点进行基于三阶贝塞尔曲线的空间曲线重建，得到肠胃镜医疗机器人形状感知的三维空间构型；

36、所述处理模块，用于根据所述三维空间构型的曲率分布与预设的曲率阈值确定介入操作过程中对肠胃镜进行柔顺控制的运动约束边界；

37、执行模块，用于基于所述力感知信号和所述运动约束边界对肠胃镜医疗机器人的运动姿态进行复合约束优化的导纳控制。

38、第三方面，本技术提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有代码，所述处理器被配置为获取所述代码，并执行上述的用于肠胃镜医疗机器人的自适应柔顺控制方法。

39、第四方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的用于肠胃镜医疗机器人的自适应柔顺控制方法。

40、本技术公开的实施例提供的技术方案具有以下有益效果：

41、本技术提供的肠胃镜医疗机器人及方法中，首先通过肠胃镜医疗机器人上的多维力传感器获取介入操作过程中肠胃镜的轴向受力和旋转扭矩；根据所述轴向受力和所述旋转扭矩确定肠胃镜医疗机器人在介入操作过程中与人体组织的交互作用力，进而将所述交互作用力输入导纳控制器进行交互力-速度映射，生成介入操作过程中对肠胃镜进行柔顺控制的力感知信号；获取介入操作过程中肠胃镜进行渐进式往复运动时电磁传感器在消化道内的多个离散位姿点，对所有的离散位姿点进行基于三阶贝塞尔曲线的空间曲线重建，得到肠胃镜医疗机器人形状感知的三维空间构型；根据所述三维空间构型的曲率分布与预设的曲率阈值确定介入操作过程中对肠胃镜进行柔顺控制的运动约束边界；基于所述力感知信号和所述运动约束边界对肠胃镜医疗机器人的运动姿态进行复合约束优化的导纳控制。

42、由此可见，本技术基于所述力感知信号和所述运动约束边界对肠胃镜医疗机器人的运动姿态进行复合约束优化的导纳控制；首先，确定力感知信号可得到介入操作过程中由肠胃镜与人体组织交互作用力确定的标准化速度控制指令，力感知信号的确定可通过融合多维力传感器获取的轴向力与旋转扭矩并经由动态调参的导纳控制器映射为标准化速度指令，实现了对交互力的高频、高精度解析与响应，将原本孤立的力测量数据转化为可直接驱动控制律的实时感知信号，使肠胃镜医疗机器人能够根据组织阻力自适应调整介入速度与姿态，不仅显著提升了力交互的灵敏度和控制精度，有效避免了因响应滞后或力感知维度缺失导致的组织压迫或黏膜损伤，更为后续与形状感知生成的运动约束边界协同优化提供了稳定、可靠的力学输入，奠定了整个系统柔顺性与安全性的核心基础，最终实现了在复杂解剖环境下的自适应、低创伤介入操作；然后，确定三维空间构型可得到描述接入和操作过程中肠胃镜在消化道内的空间形态的数学模型，三维空间构型的确定可通过基于三阶贝塞尔曲线对电磁传感器离散位姿点进行空间曲线重建，实现了对肠胃镜在消化道内连续、光滑的形态复现，它将原本不可见的、依赖经验的器械形态，转化为一个可被算法实时处理与分析的精确数字化模型，该数字化模型不仅提供了器械的宏观形态，更重要的是，其衍生出的曲率分布为系统提供了量化的安全判据，使得肠胃镜医疗机器人能够主动识别出即将发生或正在发生的异常弯曲，并提前生成运动约束边界，从而将安全控制从事后的、被动的力响应，前置为先验的、主动的几何约束，可与力感知信号形成的力约束相辅相成，共同构成本方案自适应柔顺控制的感知双翼，从根本上解决了背景技术中因形状感知缺失导致的介入安全难题，显著降低了手术风险；最后，确定运动约束边界可得到介入操作过程中肠胃镜医疗机器人的运动可行域虚拟边界，运动约束边界的确定可通过将三维空间构型解析出的曲率分布与临床预设的安全阈值进行比对，精准识别出高风险临界区段，并据此生成一个动态的、嵌入到控制回路中的虚拟可行域，从而实现从感知风险到主动规避的质变，并且运动约束边界并非简单地禁止所有运动，而是智能地限制会增大曲率、加剧风险的危险方向运动，同时保留减小曲率、恢复安全的友好方向运动的灵活性，使得柔顺控制不再是无限度的柔，而是在保证安全底线下的顺，从根本上解决背景技术中因缺乏几何安全约束而导致的介入风险高、依赖操作者经验的难题，显著提升了肠胃镜医疗机器人自主操作的安全性与可靠性；综上所述，基于上述方案可实现融合多维度力感知和高精度形状感知的自适应柔顺控制方法动态优化肠胃镜医疗机器人的运动姿态。