基于机械臂的备窝方法、装置、手术机器人与流程

技术特征：
1.一种基于机械臂的备窝方法，其特征在于，应用于机械臂的控制器，所述机械臂中设置有可检测机械臂位置信息的光学跟踪设备，所述控制器与所述光学跟踪设备连接，所述方法包括：响应于用于指示所述机械臂开始备窝作业的备窝指令，基于光学跟踪设备发送的位置信息计算所述机械臂所携带车针与备窝位置之间的间距和对正角度偏移量，并接收压力传感器发送的所述机械臂受到外力的压力值；在所述间距处于初始间距范围时，基于所述间距和所述压力值之间的线性正相关关系计算得到初始运动速率，以向所述机械臂发送携带有所述初始运动速率的第一控制指令，所述第一控制指令用于指示所述机械臂将所述车针按照所述初始运动速率在向所述被窝位置移动的同时进行姿态调整，所述机械臂可基于所述压力值携带所述车针在机械臂活动区域内自由运动；在所述车针以所述初始运动速率移动至所述间距处于中间间距范围时，基于所述间距和所述压力值之间的非线性正相关关系计算得到中间运动速率，以向所述机械臂发送携带有所述中间运动速率的第二控制指令，所述第二控制指令用于指示控制所述机械臂将所述车针按照所述中间运动速率向所述备窝位置移动的同时基于所述对正角度偏移量将所述车针与所述被窝位置对正，所述非线性正相关关系是指所述车针在未与所述被窝位置对正时，所述中间运动速率中朝向所述被窝位置周围的机械臂钻孔区域的速率分量为0；在所述车针以所述中间运动速率移动至所述间距处于作业间距范围时，基于所述间距与所述压力值在所述车针转动轴方向的垂直压力分量之间的正相关关系，计算备窝运动速率，以向所述机械臂发送携带有所述被窝运动速率的第三控制指令，所述第三控制指令用于指示所述机械臂将所述车针按照所述被窝运动速率沿所述备窝位置的规划轴进行钻孔备窝。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述间距和所述压力值之间的非线性正相关关系计算得到中间运动速率，包括：在所述间距大于第二间距阈值时，将所述间距换算为第二线速率，或，在所述间距小于或等于第二间距阈值时，将第二预设线速率作为第二线速率，其中，所述第二间距阈值处于所述中间间距范围之内；以及，在所述对正角度偏移量小于第二对正角度偏移量阈值时，将所述第二预设角度作为第二角速率，或，在所述对正角度偏移量大于或等于第二对正角度偏移量阈值时，将所述对正角度偏移量换算为第二角速率；以及，基于预设的非线性正相关速率转换函数将所述压力值换算为第二附加速率，所述第二速率转换参数与所述间距相关；基于所述第二线速率、所述第二角速率和所述第二附加速率计算得到中间运动速率。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述压力值至少包括：第一方向压力值、第二方向压力值、垂直方向压力值、第一方向力矩、第二方向力矩、垂直方向力矩，所述第二速率转换参数包括：压力转换参数、力矩转换参数；所述基于预设的非线性正相关速率转换函数将所述压力值换算为第二附加速率，包括：将第一预设比例的所述间距作为压力转换参数，并将第二预设比例的所述间距作为力
矩转换参数；在所述间距处于所述中间间距范围之中的情况下，基于所述压力转换参数将所述第一方向压力值、第二方向压力值、垂直方向压力值进行换算，并基于所述力矩转换参数对所述第一方向力矩、第二方向力矩、垂直方向力矩进行换算，得到第二附加速率，或，在所述间距小于或等于所述中间间距范围的极小值且所述对正角度偏移量阈值大于或等于目标对正角度偏移量阈值的情况下，基于所述压力转换参数将所述第一方向压力值、第二方向压力值进行换算，并基于所述力矩转换参数对所述第一方向力矩、第二方向力矩、垂直方向力矩进行换算，得到第二附加速率。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在所述间距处于所述中间间距范围之中的情况下，基于所述压力转换参数将所述第一方向压力值、第二方向压力值、垂直方向压力值进行换算，并基于所述力矩转换参数对所述第一方向力矩、第二方向力矩、垂直方向力矩进行换算，得到第二附加速率，或，在所述间距小于或等于所述中间间距范围的极小值且所述对正角度偏移量阈值大于或等于目标对正角度偏移量阈值的情况下，基于所述压力转换参数将所述第一方向压力值、第二方向压力值进行换算，并基于所述力矩转换参数对所述第一方向力矩、第二方向力矩、垂直方向力矩进行换算，得到第二附加速率，包括：基于所述压力转换参数和所述力矩转换参数将所述第一方向压力值和第一方向力矩转换为第一方向速率分量；以及，基于所述压力转换参数和所述力矩转换参数将所述第二方向压力值和第二方向力矩转换为第二方向速率分量；以及，在所述间距处于所述中间间距范围之中的情况下，基于所述压力转换参数和所述力矩转换参数将所述垂直方向压力值和垂直方向力矩转换为垂直方向速率分量，或在所述间距小于或等于所述中间间距范围的极小值且所述对正角度偏移量阈值大于或等于目标对正角度偏移量阈值的情况下，将所述垂直方向速率分量设置为0；将所述第一方向速率分量、第二方向速率分量、垂直方向速率分量进行结合，得到第二附加速率。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在所述间距处于所述中间间距范围之中的情况下，基于所述压力转换参数和所述力矩转换参数将所述垂直方向压力值和垂直方向力矩转换为垂直方向速率分量，或在所述间距小于或等于所述中间间距范围的极小值且所述对正角度偏移量阈值大于或等于目标对正角度偏移量阈值的情况下，将所述垂直方向速率分量设置为0，包括：；其中，所述为垂直方向速率，为垂直方向力矩和垂直方向压力值，为所述备窝位置与所述针头之间的对正角度偏移量，0.5为目标对正角度偏移量阈值。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在所述间距大于第二间距阈值时，将
所述间距换算为第二线速率，或，在所述间距小于或等于第二间距阈值时，将第二预设线速率作为第二线速率，包括：；其中，所述v2为第二线速率，所述为间距，30为第二预设线速率；所述在所述对正角度偏移量小于第二对正角度偏移量阈值时，将所述第二预设角度作为第二角速率，或，在所述对正角度偏移量大于或等于第二对正角度偏移量阈值时，将所述对正角度偏移量换算为第二角速率，包括：；其中，为第二角速率，为对正角度偏移量，5为对正角度偏移量阈值。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述间距和所述压力值之间的线性正相关关系计算得到初始运动速率，包括：在所述间距大于或等于第一间距阈值时，将第一预设线速率作为第一线速率，或，在所述间距小于第一间距阈值时，将所述间距换算为第一线速率，其中所述第一间距阈值处于所述初始间距范围之内；以及，在所述对正角度偏移量大于或等于第一对正角度偏移量阈值时，将第一预设角速率作为第一角速率，或，在所述对正角度偏移量小于第一对正角度偏移量阈值时，将所述对正角度偏移量换算为第一角速率；以及，基于预设的第一正相关速率转换函数将所述压力值换算为第一附加速率；基于所述第一线速率、所述第一角速率和所述第一附加速率计算得到所述初始运动速率。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于光学跟踪设备发送的位置信息计算所述机械臂所携带车针与所述备窝位置之间的间距和对正角度偏移量，包括：接收所述光学跟踪设备发送的口腔标记设备在所述光学跟踪设备坐标系下的标记位置信息，作为车针位置信息；以及利用预先标定的坐标系转换关系以及预先获取的口腔标记设备与所述备窝位置之间的位置转换关系，计算出所述备窝位置在所述机械臂基座坐标系下的备窝位置信息；基于所述备窝位置信息与所述车针在所述机械臂基座坐标系下的车针位置信息，计算出所述间距和对正角度偏移量。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光学跟踪设备包括：红外摄像头，所述口腔标记设备包括：设置在口腔外部的第一红外反光部件、设置在机械臂末端的第二红外反光部件；所述接收所述光学跟踪设备发送的口腔标记设备在所述光学跟踪设备坐标系下的标记位置信息，作为车针位置信息，包括：通过光学跟踪设备获取口腔标记设备在所述光学跟踪设备坐标系下的标记位置信息
以表征所述车针位置信息。10.一种基于机械臂的备窝装置，其特征在于，应用于机械臂的控制器，所述机械臂中设置有可检测机械臂位置信息的光学跟踪设备，所述控制器与所述光学跟踪设备连接，所述装置包括：采集模块，用于响应于接收到对于种植体向备窝位置的备窝指令，基于光学跟踪设备发送的位置信息计算所述机械臂所携带车针与所述备窝位置之间的间距和对正角度偏移量，并接收压力传感器发送的所述机械臂受到外力的压力值；初始控制模块，用于在所述间距处于初始间距范围时，基于所述间距和所述压力值之间的线性正相关关系计算得到初始运动速率，以向所述机械臂发送携带有所述初始运动速率的第一控制指令，所述第一控制指令用于指示所述机械臂将所述车针按照所述初始运动速率在向所述被窝位置移动的同时进行姿态调整，所述机械臂可基于所述压力值携带所述车针在机械臂活动区域内自由运动；中间控制模块，用于在所述车针以所述初始运动速率移动至所述间距处于中间间距范围时，基于所述间距和所述压力值之间的非线性正相关关系计算得到中间运动速率，以向所述机械臂发送携带有所述中间运动速率的第二控制指令，所述第二控制指令用于指示控制所述机械臂将所述车针按照所述中间运动速率向所述备窝位置移动的同时基于所述对正角度偏移量将所述车针与所述被窝位置对正，所述非线性正相关关系是指所述车针在未与所述被窝位置对正时，所述中间运动速率中朝向所述被窝位置周围的机械臂钻孔区域的速率分量为0；备窝控制模块，用于在所述车针以所述中间运动速率移动至所述间距处于作业间距范围时，基于所述间距与所述压力值在所述车针转动轴方向的垂直压力分量之间的正相关关系，计算备窝运动速率，以向所述机械臂发送携带有所述被窝运动速率的第三控制指令，所述第三控制指令用于指示所述机械臂将所述车针按照所述被窝运动速率沿所述备窝位置的规划轴进行钻孔备窝。11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述中间控制模块，还用于：在所述间距大于第二间距阈值时，将所述间距换算为第二线速率，或，在所述间距小于或等于第二间距阈值时，将第二预设线速率作为第二线速率，其中，所述第二间距阈值处于所述中间间距范围之内；以及，在所述对正角度偏移量小于第二对正角度偏移量阈值时，将所述第二预设角度作为第二角速率，或，在所述对正角度偏移量大于或等于第二对正角度偏移量阈值时，将所述对正角度偏移量换算为第二角速率；以及，基于预设的非线性正相关速率转换函数将所述压力值换算为第二附加速率，所述第二速率转换参数与所述间距相关；基于所述第二线速率、所述第二角速率和所述第二附加速率计算得到中间运动速率。12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述压力值至少包括：第一方向压力值、第二方向压力值、垂直方向压力值、第一方向力矩、第二方向力矩、垂直方向力矩，所述第二速率转换参数包括：压力转换参数、力矩转换参数；所述中间控制模块，还用于：将第一预设比例的所述间距作为压力转换参数，并将第二预设比例的所述间距作为力
矩转换参数；在所述间距处于所述中间间距范围之中的情况下，基于所述压力转换参数将所述第一方向压力值、第二方向压力值、垂直方向压力值进行换算，并基于所述力矩转换参数对所述第一方向力矩、第二方向力矩、垂直方向力矩进行换算，得到第二附加速率，或，在所述间距小于或等于所述中间间距范围的极小值且所述对正角度偏移量阈值大于或等于目标对正角度偏移量阈值的情况下，基于所述压力转换参数将所述第一方向压力值、第二方向压力值进行换算，并基于所述力矩转换参数对所述第一方向力矩、第二方向力矩、垂直方向力矩进行换算，得到第二附加速率。13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述中间控制模块，还用于：基于所述压力转换参数和所述力矩转换参数将所述第一方向压力值和第一方向力矩转换为第一方向速率分量；以及，基于所述压力转换参数和所述力矩转换参数将所述第二方向压力值和第二方向力矩转换为第二方向速率分量；以及，在所述间距处于所述中间间距范围之中的情况下，基于所述压力转换参数和所述力矩转换参数将所述垂直方向压力值和垂直方向力矩转换为垂直方向速率分量，或在所述间距小于或等于所述中间间距范围的极小值且所述对正角度偏移量阈值大于或等于目标对正角度偏移量阈值的情况下，将所述垂直方向速率分量设置为0；将所述第一方向速率分量、第二方向速率分量、垂直方向速率分量进行结合，得到第二附加速率。14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述中间控制模块，还用于：；其中，所述为垂直方向速率，为垂直方向力矩和垂直方向压力值，为所述备窝位置与所述针头之间的对正角度偏移量，0.5为目标对正角度偏移量阈值。15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述中间控制模块，还用于：；其中，所述v2为第二线速率，所述为间距，30为第二预设线速率；；其中，为第二角速率，为对正角度偏移量，5为对正角度偏移量阈值。16.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述初始控制模块，还用于：
在所述间距大于或等于第一间距阈值时，将第一预设线速率作为第一线速率，或，在所述间距小于第一间距阈值时，将所述间距换算为第一线速率，其中所述第一间距阈值处于所述初始间距范围之内；以及，在所述对正角度偏移量大于或等于第一对正角度偏移量阈值时，将第一预设角速率作为第一角速率，或，在所述对正角度偏移量小于第一对正角度偏移量阈值时，将所述对正角度偏移量换算为第一角速率；以及，基于预设的第一正相关速率转换函数将所述压力值换算为第一附加速率；基于所述第一线速率、所述第一角速率和所述第一附加速率计算得到所述初始运动速率。17.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述中间控制模块，还用于：接收所述光学跟踪设备发送的口腔标记设备在所述光学跟踪设备坐标系下的标记位置信息作为表征车针位置信息；以及利用预先标定的坐标系转换关系以及预先获取的口腔标记设备与所述备窝位置之间的位置转换关系，计算出所述备窝位置在所述机械臂基座坐标系下的备窝位置信息；基于所述备窝位置信息与所述车针在所述机械臂基座坐标系下的车针位置信息，计算出所述间距和对正角度偏移量。18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述光学跟踪设备包括：红外摄像头，所述口腔标记设备包括：设置在口腔外部的第一红外反光部件、设置在机械臂末端的第二红外反光部件；所述采集模块，还用于：所述接收所述光学跟踪设备发送的口腔标记设备在所述光学跟踪设备坐标系下的标记位置信息，作为车针位置信息。19.一种手术机器人，其特征在于，包括存储器、处理器、机械臂及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至9中任一所述的基于机械臂的备窝方法。20.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至9中任一所述的基于机械臂的备窝方法。

技术总结
本申请提供的基于机械臂的备窝方法、装置、手术机器人，属于生物医疗技术领域。本申请通过在车针与备窝位置之间的间距较远时选用线性正相关关系基于机械臂所受到外力来控制车针以初始运动速率向备窝位置移动，在间距较近时基于非线性正相关关系来基于机械臂所受到外力来控制车针以中间运动速率与备窝位置对正，在车针达到备窝位置时选用正相关关系基于机械臂所受外力来控制车针以备窝运动速率进行钻孔备窝，从而使得机械臂适应于车针与备窝位置之间的间距选用不同的相关关系来基于机械臂所受到外力调整车针的运动速率，使得车针可以准确地向预期的备窝位置进行钻孔，提高了种植手术的效率。了种植手术的效率。了种植手术的效率。


技术研发人员：王迎智 张二虎 徐高峰
受保护的技术使用者：极限人工智能有限公司
技术研发日：2021.12.08
技术公布日：2022/1/4