手术机器人的控制方法及手术机器人与流程

本技术实施例涉及手术机器人控制，具体涉及一种手术机器人的控制方法及手术机器人。

背景技术：

1、随着医疗器械、计算机技术及控制技术的不断发展，微创手术以手术创伤小、康复时间短、患者痛苦少等优点得到了越来越广泛的应用。而微创手术机器人以高灵巧性、高控制精度、直观的手术图像等特点能够避免操作局限性，如过滤手部震颤，广泛适用于腹腔、盆腔、胸腔等手术区域。

2、目前，微创手术机器人中最大的一类腔镜机器人，一般包括医生控制台和患者手术平台，医生控制台上设置有供医生操作的主操作臂，患者手术平台上设置有多条从操作臂，从操作臂上分别卡接设置内窥镜或不同手术器械。医生控制台的主操作臂采集到医生的操作信号经控制系统处理后生成从操作臂的控制信号，由从操作臂控制其上卡接的手术器械执行手术操作或内窥镜执行图像采集，从而建立医生控制台中主操作臂与患者手术平台中手术器械之间的主从映射关系。

3、理论上，手术操作中，期望主操作臂发出的期望位置与从操作臂实际到达的位置误差为零。但实际开展机器人手术的过程中，由于通信延迟、机械惯性、信号传输丢包、伺服响应时间、操作臂整体刚度差异以及滤波平滑处理等多种因素的影响，主操作臂发出的期望位置与从操作臂实际到达的位置之间不可避免地存在位置上的跟踪误差。

4、针对跟踪误差的安全防护，现有技术普遍采用单一的阈值保护机制。具体而言，当系统检测到跟踪误差超过预设的安全阈值时，通常判定为发生了异常碰撞或干涉，随即切断主从映射并锁止从操作臂，以防止对周围组织造成损伤。然而，在实际手术操作中，从操作臂与组织的接触并不总是由意外碰撞引起的。例如，为了获得良好的手术视野，在实际应用中，经常需使用手术器械对软组织进行牵拉或推移，此时，器械受到组织的弹性阻力，导致跟踪误差逐渐增大。若系统仅依据误差大小判定为异常并强行停机，会中断医生的正常操作。反之，若为了维持操作连续性而一味放宽阈值，又可能在发生尖锐硬物碰撞时无法及时停机，导致严重的医疗事故。

技术实现思路

1、本技术实施例提供一种手术机器人的控制方法及手术机器人，以解决单一阈值控制下，手术机器人的操作安全性与操作连贯性难兼顾的问题。

2、本技术实施例提供一种手术机器人的控制方法，手术机器人包括从操作臂和主操作臂，从操作臂由主操作臂控制，控制方法包括：

3、获取主操作臂与从操作臂之间的跟踪误差；在跟踪误差大于或等于第一阈值且小于第二阈值的情况下，获取主从运动的动态特征参数；动态特征参数用于表征主从跟踪过程的失稳趋势，第二阈值大于第一阈值；

4、在动态特征参数满足预设要求的情况下，维持主操作臂和从操作臂之间的主从映射关系；

5、在动态特征参数不满足预设要求的情况下，断开主操作臂和从操作臂之间的主从映射关系；

6、在跟踪误差大于第二阈值的情况下，断开主操作臂和从操作臂之间的主从映射关系。

7、这样，通过跟踪误差和动态特征参数的分级判断逻辑，通过设置第一阈值和第二阈值，可以避免在轻微误差（小于第一阈值）时误干预，又防止了在极端误差（大于第二阈值）时继续执行操作所带来的风险。在第一阈值和第二阈值的基础上，利用动态特征参数进行风险判定，既确保了危险情况下系统能够快速介入保护，也能够容许操作者在正常组织牵拉、推移过程中产生的合理位置偏差，避免因正常操作波动而频繁触发不必要的中断，从而实现安全性与操作连贯性的有效兼顾。

8、在一种实现方式中，动态特征参数包括：跟踪误差的误差变化率；

9、预设要求为：误差变化率小于预设的变化率阈值。

10、这样，通过引入误差变化率这一跟踪误差的衍生参数，利用正常牵拉、推移操作表现为跟踪误差缓慢变化，意外碰撞表现为跟踪误差急剧跳变的特点，通过将误差变化率与预设的变化率阈值进行比较，实现对正常牵拉、推移操作与意外碰撞、干涉事件的准确区分，避免将医生的主动施力操作误判为意外事件而触发不必要的安全响应，降低对正常操作的误判率，从而在不降低安全标准的前提下提升操作的连贯性。

11、在一种实现方式中，动态特征参数包括：从操作臂的加速度；

12、预设要求为：从操作臂的加速度小于预设的加速度阈值。

13、这样，通过将从操作臂的移动加速度作为动态特征参数，以加速度小于预设阈值作为维持主从映射的条件，能够快速捕捉到碰撞或抖动等突发异常，提升安全响应的及时性。

14、在一种实现方式中，在动态特征参数满足预设要求的情况下，还包括：

15、向主操作臂施加阻尼力矩反馈；

16、和/或，

17、输出提示信息，提示信息包括声学提示信息和/或视觉提示信息。

18、这样，通过触感、视觉和/或听觉的多模态反馈机制，既保证操作的连续性，又提升操作的安全性和交互体验感，解决医生在缺乏力反馈情况下容易用力过猛的技术问题。

19、在一种实现方式中，在断开主操作臂和从操作臂之间的主从映射关系的步骤之后，还包括：

20、输出制动指令，制动指令用于控制从操作臂停止运动。

21、这样，能够防止因惯性导致的二次伤害，确保在意外碰撞发生时，从操作臂能够及时停止在当前位置，避免对组织造成进一步的穿刺或撕裂，解决碰撞发生后操作臂因惯性继续运动加重损伤的技术问题。

22、在一种实现方式中，在获取主操作臂与从操作臂之间的跟踪误差的步骤之后，还包括：

23、获取从操作臂末端的实际移动方向；

24、获取主操作臂的期望末端位置与从操作臂的实际末端位置之间的偏差向量，偏差向量的模为跟踪误差；

25、确定偏差向量的方向与实际移动方向的夹角；

26、在夹角大于预设的角度阈值的情况下，断开主操作臂和从操作臂之间的主从映射关系。

27、这样，通过引入方向向量的判定，构建跟踪误差幅值、动态特征参数和跟踪误差方向的三维评估体系，尽可能地提高正常牵拉操作与侧向碰撞事件的区分准确性，避免因器械侧向受力或非线性组织形变导致的误判风险。

28、在一种实现方式中，从操作臂包括用于安装成像设备的持镜臂和用于安装末端执行器的器械臂；

29、在动态特征参数满足预设要求的情况下，还包括：

30、获取成像设备的视场范围；

31、在末端执行器位于视场范围之外的情况下，控制持镜臂移动，以使末端执行器位于更新后的视场范围内。

32、这样，通过被控器械臂与持镜臂的联动机制，保证对末端执行器的可视性，解决因末端执行器大范围移动导致的视野丢失的问题。

33、在一种实现方式中，在断开主操作臂和从操作臂之间的主从映射关系的步骤之后，还包括：

34、在检测到从操作臂在预设时间内恢复与主操作臂之间的主从映射且从操作臂的末端执行器未拆卸的情况下，上调第一阈值、第二阈值和/或预设要求对应的阈值。

35、这样，通过动态调整安全阈值，以适应医生的操作习惯，从而减少在同类操作场景下的非必要停机。

36、在一种实现方式中，控制方法还包括：识别安装于从操作臂末端的末端执行器；

37、在末端执行器为预设执行器的情况下，上调第一阈值、第二阈值和/或预设要求对应的阈值。

38、这样，针对不易对组织造成创伤的预设执行器，设置较为宽泛的第一阈值、第二阈值和/或预设要求对应的阈值，便于医生更顺畅地通过预设执行器执行操作。

39、本技术实施例还提供一种手术机器人，包括主操作臂、从操作臂和控制器，从操作臂由主操作臂控制；

40、控制器通信连接主操作臂和从操作臂，且被配置为执行上述控制方法。

41、本技术实施例提供一种手术机器人的控制方法和手术机器人，控制方法包括：获取主操作臂与从操作臂之间的跟踪误差；在跟踪误差大于或等于第一阈值且小于第二阈值的情况下，获取主从运动的动态特征参数；动态特征参数用于表征主从跟踪过程的失稳趋势，第二阈值大于第一阈值；在动态特征参数满足预设要求的情况下，维持主操作臂和从操作臂之间的主从映射关系；在动态特征参数不满足预设要求的情况下，断开主操作臂和从操作臂之间的主从映射关系；在跟踪误差大于第二阈值的情况下，断开主操作臂和从操作臂之间的主从映射关系。

42、这样，通过跟踪误差和动态特征参数的分级判断逻辑，通过设置第一阈值和第二阈值，可以避免在轻微误差（小于第一阈值）时误干预，又防止了在极端误差（大于第二阈值）时继续执行操作所带来的风险。在第一阈值和第二阈值的基础上，利用动态特征参数进行风险判定，既确保了危险情况下系统能够快速介入保护，也能够容许医生在正常组织牵拉、推移过程中产生的合理位置偏差，避免因正常操作波动而频繁触发不必要的中断，从而提升手术效率，实现安全性与操作连贯性的有效兼顾。