机器人领域“手术机器人”高价值专利案例：一种柔性内窥镜手术机器人控制优化方法

课题来源某高校机械与自动化学院横向科研攻关项目案例定位面向柔性内窥镜连续体非线性变形、人工遥操作手抖误差大、关节多约束下实时最优求解困难、手术器械追踪稳定性差等痛点开展融合图像空间主从映射、神经动力学递归神经网络、二次规划最优约束的柔性内窥镜机器人遥操作控制方法专利转化研究。1项目背景微创腔内手术高度依赖柔性内窥镜机器人完成狭窄腔道活检、碎石、切除等操作柔性连续体具备无限自由度、高弯曲适配优势但自身非线性形变特性严重制约末端操控精度。医生人工遥操作时手部震颤、操作经验差异会造成目标追踪偏移同时机器人运动存在关节位置、速度双重物理约束常规主从比例映射控制未纳入约束边界易出现机构过载、腔体碰撞损伤患者。现有柔性内窥镜机器人控制体系存在三大短板一是传统主从遥操作仅采用简单比例映射未建立图像像素空间与机器人关节驱动速度精准映射关系人工手抖、操作偏移会直接放大末端执行误差二是常规控制方案未将关节极限位置、极限速度纳入优化框架无约束求解易出现机械超程、腔内磕碰手术安全性不足三是传统数值求解器处理多约束二次规划优化问题计算时延高无法满足术中实时动态修正控制指令需求追踪过程速度振荡明显碎石、活检等精细操作稳定性差。本专利提出一种基于神经动力学RNN的柔性内窥镜手术机器人最优遥操作控制方法构建“图像空间主从运动映射-多约束二次规划最优控制建模-递归神经网络神经动力学实时求解-术中视觉目标辅助追踪”全链路技术体系。建立柔性内窥镜远端连续体运动学模型推导系统雅可比矩阵搭建图像特征速度与关节驱动速度双向映射机制以最小化用户操作修正量为目标构建带多重边界约束的QP优化模型设计递归神经网络神经动力学求解器并行快速求解优化问题自动补偿人工操作抖动偏差在输尿管镜碎石手术场景实现视觉目标高精度稳定追踪为微创柔性手术机器人精细化、安全化遥操作提供智能控制算法与术中辅助决策支撑。深度森林从高价值专利挖掘与技术转化角度切入围绕“柔性内窥镜运动学建模、图像空间主从映射、多约束QP最优控制框架、神经动力学RNN实时求解、术中结石视觉追踪辅助控制”核心技术路径完成包含柔性内窥镜连续体雅可比求解方法、图像空间主从遥操作映射方法、带关节约束手术机器人二次规划最优控制方法、基于递归神经网络的神经动力学优化实时求解方法在内的发明专利群布局并选取输尿管镜手术机器人实物平台搭建肾脏仿真模型开展多组对照追踪实验、碎石模拟手术验证与样机示范应用。2本专利要解决的问题柔性内窥镜连续体非线性形变导致运动耦合复杂传统控制缺少图像像素与关节驱动速度精准映射模型人工操作震颤直接转化为末端追踪误差手术器械定位精度不足。常规遥操作控制未纳入机器人关节位置、速度双重极限约束无优化边界限制易引发机构超程、腔体碰撞存在手术安全隐患。传统数值优化求解器处理多约束二次规划问题运算速度慢难以术中实时动态修正控制指令目标追踪存在速度振荡碎石、活检精细操作稳定性差。3专利技术核心价值点3.1图像空间柔性内窥镜主从运动映射建模方法本发明构建适配输尿管软镜、胃肠镜等柔性手术机器人的双层运动映射机制先将手柄主操作输入缩放转换为图像视觉目标像素运动速度再通过系统雅可比矩阵完成像素速度到机器人关节驱动速度的转换建立完整主从遥操作映射链路。柔性内窥镜末端连续体位置表达式结合单孔相机成像原理推导图像雅可比矩阵联立柔性机器人本体雅可比矩阵得到系统总雅可比矩阵完成图像特征速度与关节驱动速度双向映射消除空间维度转换偏差从底层降低操作传递误差。设定手柄输入阈值做限幅处理避免大幅度操作指令造成内窥镜剧烈弯折减少腔内组织划伤风险。相关性验证显示该映射模型可完全表征柔性连续体弯曲、旋转运动规律像素输入与末端位姿拟合匹配度超97%。3.2多约束二次规划手术机器人最优控制建模方法本发明将机器人关节物理约束融入控制目标以最小化对医生原始遥操作指令的修正量为优化目标构建带双重边界约束的QP最优控制框架兼顾操作手感与手术安全。优化目标表达式模型在不大幅改动医生操作意图的前提下自动修正超边界指令防止机构过载、腔体碰撞同时保留医生主操作权限人机协同控制逻辑贴合临床手术操作习惯。3.3基于递归神经网络的神经动力学实时求解优化方法本发明采用递归神经网络搭建神经动力学求解器利用神经网络并行计算特性快速求解复杂约束QP问题解决传统求解器时延高、追踪速度振荡问题。设计双动态误差反馈机制分别构建关节速度修正误差、图像视觉追踪误差动态更新方程引入非线性激活函数动态调整自主辅助控制权重目标偏离图像中心时自动提升机器辅助追踪权重目标靠近中心时以医生手动遥操作为主。神经动力学迭代更新方程组实物平台验证结果显示该神经动力学求解器单次优化求解耗时低于0.15秒满足术中毫秒级实时控制需求相较传统比例映射遥操作目标追踪最大误差降低32%速度振荡幅度下降61%。3.4面向碎石手术的视觉目标辅助追踪控制方法本专利耦合神经动力学最优控制输出与术中视觉识别模块搭建结石自动分割-目标定位-机器人协同追踪闭环体系。依托内窥镜实时图像识别结石像素坐标将结石中心设为视觉期望跟踪点当人工操作出现偏移、手抖时RNN求解器自动小幅修正关节指令引导内窥镜镜头持续对准结石。划分两级控制逻辑常规追踪模式以医生操作优先大幅偏移时启动自主辅助校正模式适配肾脏、输尿管复杂弯曲腔道导航需求大幅降低医生长时间手术操作疲劳度提升碎石手术定位精准度。4专利转化验证与分析选取自研输尿管镜柔性内窥镜手术机器人平台开展多周期对照实验搭建肾脏仿真模型模拟真实泌尿手术生理环境。图像采集帧率30fps像素分辨率720×572监测指标包含手柄输入坐标、机器人关节弯曲/旋转角度、图像目标像素误差、关节运动速度共6项累计采集有效时序控制数据超4200组完成异常振动数据剔除、时序平滑预处理按7:3比例划分训练校验数据集用于求解器参数调优。在运动映射模型验证中引入系统雅可比矩阵完成空间转换后图像像素输入到末端位姿转换误差降低27%无维度耦合偏差。在最优控制框架对比验证中传统比例映射遥操作目标追踪最大误差可达15.46像素常规最优控制方法最大误差13.57像素本专利神经动力学RNN最优控制方案最大追踪误差仅11.69像素全程误差稳定控制在12像素以内相对误差低于2.5%速度曲线平滑无明显锯齿振荡。整套控制算法单次完整指令求解推演耗时小于0.15秒满足微创手术机器人实时动态调控需求。5专利转化成效相关技术成果已进入样机落地、专利权属固化阶段。整套柔性内窥镜机器人最优遥操作控制系统核心指标目标追踪相对误差≤2.5%单次求解耗时0.15s速度振荡幅度降低61%碎石手术定位误差最大降低32%。深度森林公司与某高校机械工程学院围绕“基于神经动力学优化的柔性内窥镜手术机器人最优遥操作控制方法”核心技术体系已完成1项国家发明专利与1项软件著作权的组合申请与完整专利布局。后续拟面向泌尿、消化、呼吸多科室微创手术机器人设备厂商开展产业化落地应用预期可将柔性内窥镜术中视觉目标追踪误差降低30%以上减少医生手部震颤带来的操作失误微创手术器械定位稳定性提升45%缩短腔内碎石、活检手术操作时长降低手术组织损伤风险为国产柔性手术机器人高精度安全遥操作提供标准化智能控制算法方案与专利保护壁垒。山东深度森林信息科技有限公司是一家面向高质量专利“挖掘-设计-转化”的技术服务团队。关注【深度森林】查看更多优质案例。