[发明专利]基于状态捕捉的口腔种植机器人控制系统及其操作方法

说明书

一种基于状态捕捉的口腔种植机器人控制系统，包括运动执行模块、运动控制模块、传感模块、标志器模块、专家库系统机器人操作技能强化学习系统以及信息储存模块，所述传感模块包括六维力传感器和图像信息采集单元；所述标志器模块包括患者口腔标志器和带有标志器的手套；所述专家库系统包含患者牙槽骨的内部骨密度信息、种植方案、术中机器人运动状态与控制参数、误差分析。以及提供一种基于状态捕捉的口腔种植机器人控制系统的操作方法。本发明令机器人的运动更加适应医生的操作习惯，使机器人与医生在人机协作进行口腔种植手术时配合更加顺畅，提高所制备窝洞的位置与形状精度。

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，属于非疾病治疗方法，尤其是一种基于专家系统引导下的手术过程中口腔种植机器人控制系统及其操作方法。

背景技术

近年来，医疗机器人的技术研究和产品开发持续推进，手术机器人是医疗机器人范畴中占比最大也是最重要的领域。手术机器人是集临床医学、生物力学、机械学、计算机科学、微电子学等诸多学科为一体的新型医疗器械，相对于人手，机器人具有更高的精确性、稳定性以及可重复性，目前已在神经外科、腹腔外科、胸外科、骨外科、血管介入、颅面外科等手术中得到了广泛的应用。如Da Vinci手术机器人系统，应用于普通外科、胸外科、泌尿外科等，可辅助医生完成术中定位、切断、穿刺、止血、缝合等操作。

而在口腔种植领域，手术机器人的应用也得到了较深入的研究。种植体的植入精度是评价种植牙修复的重要评价标准，研究表明，种植体的实际植入颌骨的位置与术前规划的方案偏差过大时，无法满足患者原本的咬合关系，从而导致植入的种植体在日常生活中容易出现一些并发症，比如，因长期咀嚼出现应力遮挡造成骨严重吸收从而导致种植体过早脱落，或因应力集中使种植体机械断裂等。决定口腔种植手术精度的最关键因素在于窝洞制备的精度，制备高质量的窝洞是口腔种植界不断追求的目标。目前临床上完成窝洞制备环节的方法主要有三种：自由手种植，以及静、动态导航两种导航手术。而这三种方式都需要医生手持工具进行操作，普遍存在手不自主抖动、颌骨钻孔振动、口腔内操作空间有限，操作姿态不舒适导致医生疲劳且视野不佳等问题，致使口腔种植手术缺乏必要的稳定性。而相对于人手，机器人具有更高的精确性、稳定性以及可重复性，因此将机器人应用于种植手术具有很大的发展空间。

随着人工智能的快速发展，其与机器人的结合愈发紧密，可以在一定程度上为机器人的“智能”控制提供支撑，如将专家知识和经验通过专家系统科学合理的应用于机器人控制系统当中。专家系统具有很多专家的经验和知识，基于这一系统，通过针对专家的思维和操作习惯进行有效模拟，可以快速学习并完成对专家操作的模拟，让一些复杂和困难问题得到解决。所以在当前智能机器人发展过程中，合理使用专家系统，不但能够完成操作控制方面的问题，同时还能够有效提升系统数据处置的效率。如果能把专家系统与机器人常规工作有效融合，不仅能够在很大程度上降低运算量，而且还能有效提升智能机器人对外界的反应速度，提高机器人的决策能力。

目前的口腔种植机器人主要应用于种植手术过程中的窝洞制备环节。机器人末端安装有夹持机构，利用其夹持固定有钻针的种植手机，机器人通过各关节的旋转等运动来控制种植手机的末端位姿和运动轨迹实现在颌骨中备孔的进给运动，完成窝洞制备操作。但目前机器人在完成窝洞制备过程中，存在着诸多不足：(1)手术过程中，由于病人的骨组织为非均质材料，因此在备孔过程中钻针会向骨密度小的一侧发生偏移，进而造成备孔轴线的偏差和形状误差，而有经验的医生则会根据“手感”有意识地向骨密度大的一侧施加压力以实现钻针轴线的纠偏，从而减小由于骨质不均造成的备孔误差，而目前的种植机器人无法有效对这种“手感”和操作手势进行模拟；(2)机器人无法做到像医生一样的环境感知和判断，因此机器人在协作医生实施手术时可能会出现行为上的冲突，使医生在操作过程中产生“不顺畅”的感觉；(3)现有口腔种植机器人无法像人一样在手术过程中不断积累“经验”，以不断提高手术执行的能力。

发明内容