本發(fā)明涉及一種同心管醫(yī)療機(jī)器人精確運(yùn)動(dòng)控制方法，尤其涉及一種基于視覺伺服的同心管機(jī)器人精確運(yùn)動(dòng)控制方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)階段關(guān)于同心管機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制主流為遙操作算法，主要基于其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立，其對運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的準(zhǔn)確性以及考慮摩擦、扭轉(zhuǎn)的因素要求較高，在此基礎(chǔ)上，操作者很難對手術(shù)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，只能大致到達(dá)。近年來，x射線、超聲波、mri、立體成像等相關(guān)技術(shù)被應(yīng)用于進(jìn)行同心管運(yùn)動(dòng)形狀的反饋，但是基于圖像的視覺伺服方法無需對硬件進(jìn)行太多的修正并且可以提供準(zhǔn)確的圖像信息作為運(yùn)動(dòng)環(huán)的反饋。同時(shí)，基于圖像的方法建立于較少的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型基礎(chǔ)上，而且其無需機(jī)器人本體與攝像頭之間的標(biāo)定，可以準(zhǔn)確的定位目標(biāo)點(diǎn)，使其始終保持于圖像中心。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，而提出的一種基于視覺伺服的同心管機(jī)器人精確運(yùn)動(dòng)控制方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

一種基于視覺伺服的同心管機(jī)器人精確運(yùn)動(dòng)控制方法，此方法基于圖像建立eye-in-hand的視覺伺服系統(tǒng)，無需攝像頭的標(biāo)定而旨在提取圖像的特征，并通過圖像雅克比矩陣的映射完成控制量的提取；利用kalman濾波器完成對圖像雅克比矩陣的在線估計(jì)，以圖像特征變化作為觀測矢量，以圖像雅克比矩陣為狀態(tài)矢量；進(jìn)而使用圖像雅克比矩陣的估計(jì)值作為kalman濾波器的觀測矩陣，以關(guān)節(jié)角度誤差作為狀態(tài)矢量，圖像誤差作為觀測矢量，這樣濾波估計(jì)可得到關(guān)節(jié)角度的控制量；當(dāng)圖像誤差趨于零時(shí)，將完成對目標(biāo)點(diǎn)的定位。

本發(fā)明的目的是解決遙操作算法對機(jī)器人未能實(shí)現(xiàn)精確定位目標(biāo)點(diǎn)的缺陷，并且依賴于較為可靠的圖像信息對運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行反饋，最后實(shí)現(xiàn)在手術(shù)過程中對微小顫動(dòng)的目標(biāo)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)精確定位，以此來完成手術(shù)操作。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)未能保證機(jī)器人對手術(shù)位置的精確定位的缺陷，利用機(jī)器人末端攝像頭采集的圖像信息引入視覺反饋，雖然在手術(shù)過程中，灶點(diǎn)是會(huì)伴隨患者的呼吸而發(fā)生微小移動(dòng)，而應(yīng)用此方法亦可完成對運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的追蹤達(dá)到其準(zhǔn)確定位的目的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提出的一種應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)的同心管醫(yī)療機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明提出的一種基于視覺伺服的同心管機(jī)器人精確運(yùn)動(dòng)控制方法的流程圖。

圖3為本發(fā)明提出的基于視覺伺服的同心管機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。

參照圖1，一種應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)的同心管醫(yī)療機(jī)器人，包括四個(gè)伺服電機(jī)1、電機(jī)端蓋2、聯(lián)軸器3、后端蓋4、移動(dòng)載體6、微型軸承7、同心管機(jī)構(gòu)、方形柱體11、滾珠絲杠16和傳動(dòng)齒輪組17，四個(gè)伺服電機(jī)1設(shè)置在電機(jī)端蓋2上，其中兩個(gè)相對設(shè)置的伺服電機(jī)1的輸出軸通過聯(lián)軸器3與后端蓋4連接，后端蓋4上設(shè)有兩個(gè)滾珠絲杠16，兩個(gè)滾珠絲杠16通過聯(lián)軸器3與上述兩個(gè)伺服電機(jī)1的輸出軸連接，移動(dòng)載體6設(shè)置在兩個(gè)滾珠絲杠16中部，滾珠絲杠16通過法蘭盤15固定在移動(dòng)載體6上，移動(dòng)載體6上設(shè)置有限位開關(guān)5，在兩個(gè)滾珠絲杠16外側(cè)設(shè)有兩根方形柱體11，余下兩個(gè)相對的伺服電機(jī)1通過電機(jī)端蓋2上的傳動(dòng)齒輪組17帶動(dòng)方形柱體11；同心管機(jī)構(gòu)包括外管8和插入外管8中的內(nèi)管9，同心管機(jī)構(gòu)通過固定管固定在基座上；內(nèi)管9通過齒輪14固定在移動(dòng)載體6上，方形柱體11上設(shè)有與齒輪14相嚙合的齒輪傳動(dòng)模塊12；兩個(gè)伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器3帶動(dòng)滾珠絲杠16進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而滾珠絲杠16上的移動(dòng)載體6跟著軸向移動(dòng)，固定于移動(dòng)載體6上的同心管機(jī)構(gòu)也就隨之進(jìn)行軸向伸縮；余下兩個(gè)伺服電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)方形柱體11轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過移動(dòng)載體6上齒輪傳動(dòng)模塊12、14帶動(dòng)固定于移動(dòng)載體6上的同心管機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。

本發(fā)明在內(nèi)管9末端設(shè)置一個(gè)微型內(nèi)窺鏡攝像頭10，利用其對目標(biāo)點(diǎn)的識(shí)別定位來實(shí)現(xiàn)整個(gè)方法的過程。實(shí)驗(yàn)搭建平臺(tái)如圖3所示。

參照圖2，本發(fā)明提出的一種基于視覺伺服的同心管機(jī)器人精確運(yùn)動(dòng)控制方法，此方法基于圖像建立eye-in-hand的視覺伺服系統(tǒng)，無需攝像頭的標(biāo)定而旨在提取圖像的特征，并通過圖像雅克比矩陣的映射完成控制量的提取；利用kalman濾波器完成對圖像雅克比矩陣的在線估計(jì)，以圖像特征變化作為觀測矢量，以圖像雅克比矩陣為狀態(tài)矢量；然后進(jìn)而使用圖像雅克比矩陣的估計(jì)值作為kalman濾波器的觀測矩陣，以關(guān)節(jié)角度誤差作為狀態(tài)矢量，圖像誤差作為觀測矢量，這樣濾波估計(jì)可得到關(guān)節(jié)角度的控制量；當(dāng)圖像誤差趨于零時(shí)，將完成對目標(biāo)點(diǎn)的定位。

本方法中，利用放置于機(jī)器人內(nèi)管末端的攝像頭實(shí)時(shí)采集圖像并提取圖像特征，利用公式（1）求取目標(biāo)中心坐標(biāo)。

（1）

通過單獨(dú)控制每個(gè)伺服電機(jī)一定的控制量，圖像平面目標(biāo)點(diǎn)位置依次發(fā)生變化，因此，圖像雅克比矩陣的初始值為。以圖像特征變化為狀態(tài)為觀測向量，以為狀態(tài)向量進(jìn)行估計(jì)，因此狀態(tài)方程為，

（2）

迭代過程分為狀態(tài)預(yù)測及預(yù)測更新，如下，

最后將估計(jì)的圖像雅克比矩陣作為kalman濾波器的觀測矩陣，以以關(guān)節(jié)角度誤差作為狀態(tài)矢量，圖像誤差作為觀測矢量，重新經(jīng)過上述的濾波器迭代過程，因此可估計(jì)得到關(guān)節(jié)角度的控制量。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。