[发明专利]机器人辅助柔性针穿刺软组织实时操控系统及方法

权利要求书

1.一种机器人辅助柔性针穿刺软组织实时操控系统，其特征在于：该系统包括柔性针穿刺装置、驱动装置、力学传感器、数据采集卡以及计算机，该计算机含有步进电机运动控制软件、力信号处理软件和柔性针操控控制算法；所述的柔性针穿刺装置包括顶部带斜角的柔性针、针夹持工具、针导航块、软组织和软组织器皿；所述的驱动装置包括步进电机、步进电机驱动器、X方向电控平移平台、Y方向电控平移台和电控旋转台；所述的柔性针安装在针夹持工具上，针夹持工具通过针导航块安装在电控旋转台上；所述的力学传感器设置在软组织器皿上，用于采集柔性针与软组织间的作用力信号；该作用力信号通过数据采集卡转换后输入到计算机中；所述的计算机分别通过控制线和数据线与步进电机驱动器连接，该计算机利用步进电机运动控制软件控制驱动装置操控柔性针的运动，利用柔性针操控控制算法计算柔性针的针尖和针体的位置。

2.采用如权利要求1所述系统的一种机器人辅助柔性针穿刺软组织实时操控方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)将柔性针安装在针夹持工具上；设置靶点位置和障碍物位置，在驱动装置的驱动下，利用针导航块导引柔性针刺入盛放在软组织器皿内的软组织；

2)整个针穿刺过程被视为准静态过程，穿刺时间被分成N个时间片，针体被分为N个针段；在第1个时间片，针段1刺入软组织，如此依次刺入，针段i在第i个时间片内刺入软组织，其中i＝1，2，3，......N；

3)由力学传感器测量初始针段与软组织之间的作用力信号，由数据采集卡将作用力信号进行D/A转换并传递给计算机；

4)计算机利用柔性针操控控制算法计算针尖和针体位置；针体和针尖的计算模型如下：

a.)每个针段在二维平面内均视为一个悬臂梁，按照悬臂梁挠曲理论，针段的最大挠

度ω_B和针段末端的截面转角θ_B，如下式所示：

ωB=-Fa26EI(3l-a)---(1)]]>

θB=-Fa22EI---(2)]]>

其中，I为柔性针的惯性矩，I＝d⁴/64，d为柔性针直径，m；

E为柔性针的杨氏模量，MPa；

F为软组织作用于针段沿y方向的合力，N；由力学传感器测量经所述计算机内的力学数据采集软件进行提取和滤波得到；

l为针段长度，m；

ω_B为针段的最大挠度，m；

θ_B为针段末端的截面转角；

a为自针段起始点到支撑点之间的距离，m；

b)为了计算针体上节点坐标，每个针段用向量描述并被视为一个悬臂梁，整个针体按照准静态思想可以量化为N个悬臂梁；其中包括绝对三维坐标系统XYZ和相对二维坐标系统xy；二维坐标系统建立在沿柔性针轴向的截面上；当柔性针旋转时，轴向截面随柔性针转动并与XOY平面形成夹角α；此夹角α被称为平面旋转角，取值范围为0°≤α≤360°；针体的初始向量为用表示；A_i为针体上任一节点坐标，A_i＝(x_i，y_i，z_i)；A₀为刺入软组织的起始点，A₀＝(x₀，y₀，z₀)；故，柔性针被分为N段悬臂梁，第i段悬臂梁以表示，如下式：

i＝1，2，3，...，N    (3)

其中，为第i段悬臂梁，即针段i的向量表示；

A_i为针段上任意节点坐标，其位置坐标为(x_i，y_i，z_i)，i＝0，1，2，...，N；

c)由于每个悬臂梁发生较小变形，穿刺过程中任意针段的向量模为常量，并满足如下方程组：

yisinα+zicosα=0Xi2+Yi2+Zi2=l|XiXi-1+YiYi-1+ZiZi-1|=l2·cosθBi---(4)]]>

θBi=-Fia22EI---(5)]]>

其中，Xi=xi-xi-1Yi=yi-yi-1Zi=zi-zi-1,]]>i＝1，2，3，...，N；

θ_Bi为针段i末端的截面转角，即向量和之间夹角，由式(5)计算得到；

F_i为第i个时间片内力学传感器测量并由计算机内的力学数据采集软件进行处理所得到的软组织作用于针段i沿y方向的合力，N；

α-平面旋转角，0°≤α≤360°；

l-针段长度，m；

5)利用步骤4)中的所述方程组(4)和公式(5)，采用迭代方法，利用力学传感器测量第i个时间片内软组织作用于针段i沿y方向的合力，对各针段位置和针尖位置进行实时解算；若针尖位置与靶点位置一致，表明针尖有效打击靶点，结束穿刺运动；若针尖位置与靶点位置不一致，判断障碍物位置是否与针段共线；若共线，则调整针尖上斜角方向，即改变平面旋转角α以避开障碍物，继续穿刺运动，并重复上述迭代计算，直到针尖有效打击靶点；若不共线，继续穿刺运动，重复上述迭代算法，直到针尖有效打击靶点。