CN114098981A - 一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人及其控制方法 - Google Patents
一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人及其控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114098981A CN114098981A CN202111408238.4A CN202111408238A CN114098981A CN 114098981 A CN114098981 A CN 114098981A CN 202111408238 A CN202111408238 A CN 202111408238A CN 114098981 A CN114098981 A CN 114098981A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- force
- control
- mechanical arm
- pose
- force feedback
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 230000006870 function Effects 0.000 claims abstract description 42
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 31
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims abstract description 17
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 29
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 10
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 claims description 9
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 6
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 6
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 5
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 4
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 claims description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 4
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000013507 mapping Methods 0.000 claims description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 2
- 210000000707 wrist Anatomy 0.000 claims description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 6
- 230000008447 perception Effects 0.000 abstract description 5
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 3
- 208000002847 Surgical Wound Diseases 0.000 description 2
- 210000005036 nerve Anatomy 0.000 description 2
- 210000000683 abdominal cavity Anatomy 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 1
- 210000004004 carotid artery internal Anatomy 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000012636 effector Substances 0.000 description 1
- 210000004247 hand Anatomy 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000007917 intracranial administration Methods 0.000 description 1
- 210000004731 jugular vein Anatomy 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000007474 system interaction Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 210000001685 thyroid gland Anatomy 0.000 description 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/30—Surgical robots
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
- A61B17/02—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets for holding wounds open; Tractors
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
- A61B34/76—Manipulators having means for providing feel, e.g. force or tactile feedback
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1679—Programme controls characterised by the tasks executed
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/30—Surgical robots
- A61B2034/302—Surgical robots specifically adapted for manipulations within body cavities, e.g. within abdominal or thoracic cavities
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Surgery (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Robotics (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
本发明公开了一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人及其控制方法，建立中短距离局域网，采用主从遥操作模式，由操作人员使用主手端来控制手术室机器人来执行任务，结合力、图像反馈在狭小空间完成复杂操作；通过融入三种控制算法、迭代优化方法、主手端力感知等功能来提高机器人控制精度、人机协作的安全系数。设计的***具有低时延、高精度、力感知、稳定性高、安全系数高等优点，且采用双臂协作，自由度高，能够最大程度复现人员实际操作，更符合实际术中任务需求。同时，在***设计中加入力感知功能开关、场景比例缩放等符合实际操作过程中的实用人机交互功能，能够降低操作难度，提升***实用性。
Description
技术领域
本发明涉及辅助牵拉手术机器人领域，特别是涉及一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人及其控制方法。
背景技术
头颈部手术一般用于颅底外科、甲状腺等术式，在手术过程中需要造出手术通道，操作面临着颈内动脉、颈内静脉以及后组颅内神经密集分布等问题；同时过程繁杂，摄像照明、支撑、吸引、牵拉和切割等基于多传感和多驱动器的操作无法同时完成。医生和助手需要站在有限的空间相互协助完成手术操作，助手需要手持手术拉钩牵拉手术切口，帮助医生暴露术野，需要保持术中牵拉切口的姿势固定不动，容易造成疲劳损伤。机器人拥有精度高、灵活、能够适应各种特殊环境等优点，目前已经应用于手术医疗领域。但现阶段大多数手术机器人针对腹腔、骨科、牙科等术式设计，术中机器人任务空间相对较大，机械臂与人体接触部位无密布神经、血管和组织等生理结构，运动轨迹固定且单一，无需机器人做复杂、高难度动作，控制难度较低。现有手术机器人其任务空间多为暴露空间，配合外部导航辅助设备即可自行规划路径，并且自由度不高，六自由度机器人即可满足相应的手术操作。现有的手术机器人多数不具有主被动柔顺控制的功能，对于人机协作的***设计考虑仍不到位，也不具有机器人末端力感知功能。而头颈部辅助牵拉手术机器人需要完成的任务难度系数高，一般经口操作，运动空间狭小且危险，无法基于未知空间进行自主空间识别、规划路径和任务分配，也无法实现机器人自主协作医生完成手术操作。头颈部辅助牵拉手术一般需要双手来操作，映射到机器人任务中也需要双臂来完成操作，而目前多数手术机器人无法满足需求，因此现有技术不能很好适配头颈部辅助牵拉手术操作。
发明内容
为解决以上问题，本发明旨在提供一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人及其控制方法，该手术机器人***，用于头颈部手术过程中辅助牵拉手术切口，暴露术野，协助医生完成手术。针对其手术过程的独特之处以及操作要求，建立中短距离局域网，采用主从遥操作模式，由操作人员操作力反馈设备来控制手术室双机械臂来执行任务，操作人员根据力、图像反馈自主判定来实时操作机器人在狭小空间完成复杂操作。在***设计中针对头颈部复杂狭小任务空间、机械臂的运动范围以及与人体接触力的约束条件比较多，设计机械臂位置控制、力控和柔顺控制的控制算法，通过机械臂末端力传感器数据来实现主手端的力感知功能，提高机械臂控制精度、人机协作的安全系数，三种控制算法可自由切换；为保证机器人的控制精度，在控制方法中加入迭代优化方法，设计程序来降低局域网中两台机械臂与主控***之间的控制信号时延，使设计的***具有低时延、高精度、力感知、稳定性高等优点，机器人***采用双臂协作，自由度高，能够最大程度复现人员实际操作，更符合实际术中任务需求。同时，在控制***中融入场景比例缩放、力感知开关等安全保护措施，提升人机协作的安全系数，***设计中加入符合实际操作过程中的实用人机交互功能，能够降低操作难度，提升***实用性。
本发明提供一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人，包括机械臂、力反馈设备、力传感器、交换机、主控电脑和显示器，所述机械臂位于手术床两侧，采用两个六自由度机械臂，两个机械臂分别安装在两台可移动的机械臂台车上，所述机械臂工作部分包括机械臂末端法兰连接件和传感器采集模块集成件，所述机械臂末端法兰连接件固定相应的手术器械；
所述力反馈设备位于操作台，安装在专用支架上，采用两台六自由度力反馈设备，用于笛卡尔坐标系下六自由度位姿采集，接收力传感器数据并将力反馈给操作人员，实现主手端的力感知功能；
所述力传感器内置于两个机械臂腕部，采用六维力传感器，用于机械臂末端执行器和环境接触过程中产生的力信息采集和反馈，以及机械臂柔顺控制功能中的力信息采集；
所述交换机负责建立整个控制***的局域网，实现机械臂、力传感器、交换机、主控电脑之间的实时数据交换，主控电脑通过网线和交换机采集力传感器的数据；
所述显示器位于操作台正前方，共三个，安装在专用支架上，分别显示力传感器数据、各摄像头回传图像画面和虚拟场景；
所述主控电脑位于操作台旁边，集成包括力反馈设备位姿信息采集功能、机械臂前向运动学算法、力控算法、柔顺控制算法、力传感器数据采集处理算法和力反馈功能，还包括各控制模块之间集成与通讯功能。
作为本发明机器人进一步改进，两个机械臂工作部分之间设置有摄像头。
作为本发明机器人进一步改进，所述力反馈设备包括力反馈设备夹爪、扶手及下方两个脚踏板，所述扶手设置在力反馈设备夹爪两侧，力反馈设备夹爪实现力感知功能开关，两个脚踏板分别为脚踏板一和脚踏板二，且通过踩下对应脚踏板来实现增量式控制和运动比例尺的缩放。
作为本发明机器人进一步改进，所述传感器采集模块集成件包括传感器采集模块、传感器电源线和传感器信号线，传感器采集模块内置传感器采集模块集成件的壳体内，传感器信号线通过传感器采集模块集成件的壳体一侧的空隙穿过，传感器电源线19通过传感器采集模块集成件的壳体另一侧孔中传出。
本发明提供一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人的控制方法：
所述头颈部辅助牵拉手术机器人的机械臂控制模块，共有位姿控制、力控、柔顺控制三种控制模式，三种控制模式针对不同的手术术式集成到主控***中，在术前准备过程中启动***时做出选择；
其中位姿控制原理如下：
第一步,在***开机过程中建立IP通讯，初始化机械臂各项参数，获取机械臂当前位姿信息，建立起每个机械臂的笛卡尔坐标系，由于机械臂固定在台车上，台车随意推动，坐标相对于场景世界坐标在变动，因此每个机械臂的坐标系固定为本机械臂的基座，方便前向运动学算法位姿关系转换；初始化过程中还需要建立起机械臂的运动学链和前向运动学模型τ＝Mqq+Cq,q+G(q)，用于转换笛卡尔坐标系下任务空间的位姿信息和机械臂关节空间下的控制命令；
第二步，在***运行过程中控制算法实时监测是否有控制命令发布，如果有则先获取机械臂当前关节空间的位姿q，通过x＝g(q)将关节空间位姿转换为任务空间位姿x，将接收到的位姿信息xd和获取到的机械臂当前位姿x作为输入项输入到PID控制器中计算∈i＝xd-gqi-1，在PID控制器计算完成后将结果fi＝Kp∈i+Kd∈i发送至前向运动学模型中，在模型中将笛卡尔坐标系位姿转换为机械臂每个关节需要运动的位置qi、速度qi和加速度qi信号，qi＝M-1JTfi-M-1Cqi,qi-M-1Gqi,qi＝0.5qiΔt,qi＝qi-1+0.5qiΔt.主控***初始化过程中建立起来的运动学链会根据关节控制信号模拟运行，再转回笛卡尔坐标系下位姿信息与输入的控制命令做下一次循环的误差计算，这样一个控制闭环就可以形成，通过主控***的程序设定迭代次数，在一个控制命令发送至机械臂之前迭代指定次数N提高运动控制精度，同时也可以设定PID各项参数来修改***的动态响应、稳态误差等***性能；
第三步，最终的控制信号q通过IP通讯发送至机械臂的工控机中，由工控机完成最终机械臂的控制；
力控原理如下：
力控模式下将控制***的输入信号由位姿信息改为力信号，无需操作人员操作力反馈设备，需要在***中设定好需要的目标六维力值Fd，程序将Fd发送至主控***的指定话题中；同时在程序中需要采集机械臂末端力传感器的力数据信号，将力数据信号通过交换机回传至主控***，接下来的控制原理同位姿控制模式一样，将输入的目标力值Fd与采集到机械臂与真实物理环境接触时的力数Fs作为PID控制器输入量，通过前向运动学模型、运动学链和迭代计算生成机械臂控制命令q；
柔顺控制模式原理：
柔顺控制将位置控制和力控模式结合，既在主从遥操作模式下控制机械臂的位置运动，也可同时实现对机械臂与病人接触力的控制，柔顺控制模式实现控制的过程中保证人机接触的安全，通过设定最大接触力值，保证机械臂在接触到人体时不会超过破坏力的阈值，不会在实际操作过程中破坏人体组织，首先建立弹簧-阻尼器-质量块模型F＝Mxd-x+Dx+Cx,将力反馈设备的位姿信息通过模型转为目标力信号F，与力控模式的Fd和力传感器3的数据Fs做矢量加和，计算出净力Fnet,Fnet＝F+Fd+Fs,接下来计算过程同位姿控制模式相同，将矢量净力Fnet作为PID控制输入量，通过前向运动学模型、运动学链和迭代计算，最终得到机械臂关节空间的控制命令q。
作为本发明控制方法进一步改进，所述头颈部辅助牵拉手术机器人的机械臂控制模块还包括增量式控制功能、场景运动比例缩放功能和力感知交互功能；
所述增量式控制功能，采用发送笛卡尔坐标系下相对位姿来控制机械臂，类似鼠标的交互模式，其原理及交互方式如下：
当操作人员踩下脚踏板时，力反馈设备的位姿信息不再发送至主控***中，同时主控***接收到脚踏板的信号时记录当前机械臂的任务空间位姿信息；此时操作人员可以将力反馈设备移动到合适位置，而机械臂没有接收到控制信号固定不动，运动到合适位置后松开脚踏板，整个控制***恢复到主从遥操作模式，按照初始设定继续运行；
所述场景运动比例缩放功能，具体场景解释及原理如下：
由于经口手术操作难度极高，需要非常精细的操作才能保证足够安全，使用机械臂操作时更应该注重操作安全，因此机械臂的运动尺度和力反馈设备的运动尺度无需一直保持1：1映射，实现在机械臂和手术器械进入人体手术区域时缩放运动比例尺，达到力反馈设备运动大尺度和机械臂运动小尺度的精细化操作。***该功能的交互方式为操作人员根据机械臂与人体距离自行选择缩放比例，设定1倍、3倍、5倍、10倍及20倍五个级别，通过踩脚踏板来切换缩放比例；
所述的力感知交互功能，由于操作人员无需时刻感知机械臂末端的力信息，因此***添加交互功能，由力反馈设备上的夹爪开关实现，当夹爪处于张开状态时力反馈设备端力感知功能关闭，夹爪处于闭合状态时力反馈设备端力感知功能打开。
本发明提供一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人及其控制方法，与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明所设计***建立主从遥操作模式，使用双臂协作，***自由度高，能够完成的任务更复杂、精确，符合人员操作习惯；
(2)本发明所设计的***利用机械臂前向运动学算法，建立机械臂关节空间和笛卡尔坐标系任务空间的转换关系，通过迭代PD控制器计算，可以实现位姿的高精度跟随，建立起的局域网能够实现控制信号低时延传输，保证控制实时性；
(3)本发明所设计的***融入柔顺控制算法，建立成弹簧-阻尼器-质量块模型，能够保证机械臂和人体组织的安全、人机协作安全；
(4)本发明所设计的***将力传感器数据实时回传至力反馈设备，能够实现远端力感知，并能够保证操作安全。
(5)本发明所设计的***增加力感知功能开关、增量式位姿控制、多通道数据返回等符合实际操作的人机交互功能，提升***的实用性。
附图说明
图1是本发明实施例的辅助牵拉手术机器人***的整体架构示意图；
图2图3是机械臂末端安装手术器械详细示意图；
图4是力反馈设备夹爪详细示意图。
图中：1：机械臂台车；2：机械臂；3：力传感器；4：摄像头；5：手术器械；6：机械臂工作部分；7：网线；8：交换机；9：主控电脑；10：力反馈设备；11：显示器；12：专用支架；13：脚踏板一；14：脚踏板二；15：扶手；16：机械臂末端法兰连接件；17：传感器采集模块集成件；18：传感器采集模块；19：传感器电源线；20：传感器信号线；21：力反馈设备夹爪。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明实施例说明机器人取代手术过程中助手帮助医生完成经口手术过程中牵拉手术切口，暴露术野，辅助主刀医生完成手术的过程，机械臂2控制模式选用柔顺控制模式。如图2、图3，将手术器械5安装到传感器采集模块集成件17上，传感器采集模块18内置集成件17内，传感器信号线20通过集成件17一侧的空隙穿过，传感器电源线19通过集成件17另一侧孔中传出，保证机械臂2及手术器械5外观整洁，不遮挡视线。安装完毕后，如图1术前准备过程中将机械臂2、力反馈设备10和主控***9开机，完成术前通讯测试、坐标自动对齐后将台车1推至所需位置固定住；操作人员坐在扶手14前，根据显示器11的实时反馈摄像头4的画面、力传感器3数据回传和模拟场景的结果来操作力反馈设备10，用于控制两台机械臂2完成术中所需的操作；交换机8负责建立整个***的通讯网络，主控***9和机械臂2设定同一区段下固定的IP地址，在主控***9的程序中通过TCP/IP协议建立链接关系。
力反馈设备10分为左右两台，通过USB数据线与主控***9连接，各有六个自由度，通过力反馈的电磁编码器采集每个旋转关节的电信号转换为笛卡尔坐标系下的位移XYZ和旋转ABC，利用坐标转换输出位姿信息到主控***9；根据人类左手和右手的操作***均滤波处理后生成当前机械臂末端与人体接触实时力信息Fs，将***设定好的Fd与F和Fs做矢量加和，得到矢量净力Fnet,Fnet＝F+Fd+Fs,Fnet作为输入项输入PID控制器中计算fi＝kdFnet+kdFnet,在前向运动学模型中将笛卡尔坐标系位姿转换为机械臂每个关节需要运动的位置qi、速度qi和加速度qi信号，qi＝M-1JTfi-M-1Cqi,qi-M-1Gqi,qi＝0.5qiΔt,qi＝qi-1+0.5qiΔt.主控***9根据得到的位置qi、速度qi和加速度qi进行模拟运行，转回任务空间位姿信息与输入的控制命令做下一次循环的误差计算，根据主控***9设定的迭代次数和误差范围计算出最终的机械臂2关节空间控制命令q，通过网线7和交换机8发送至机械臂2，完成控制任务。此外，***参数质量矩阵M，阻尼系数矩阵D和弹簧系数矩阵C均已根据术式要求调整过，Fd设定10N的目标力值，符合牵拉术式的力要求。
在本实施例的实际操作过程中，若发生操作人员操作力反馈设备10运动到极限位置，而机械臂2仍无法到达任务区域时，或者操作力反馈设备10执行任务过程中手势非常难受，难以支撑的情况下，操作人员可以踩下脚踏板一3，力反馈设备10的位姿信息不再发送至主控***9中，同时主控***接收到脚踏板一3的信号时记录当前机械臂2的任务空间位姿信息；操作人员可以将力反馈设备10移动到合适位置，然后松开脚踏板一3，整个控制***恢复到主从遥操作模式，继续完成接下来的手术操作。
在本实施例的***交互设计中共设定1倍、3倍、5倍、10倍及20倍五个级别的运动比例尺缩放，通过操作人员在操作过程中踩下脚踏板二14来实现运动比例尺的缩放，这五个级别依次选择，同时在屏幕的可视化界面上告知操作人员当前操作比例尺大小。当机械臂2距离人体较远时，踩下脚踏板二14选择1倍缩放，方便操作人员无需大动作即可控制机械臂2到达人体附近；当机械臂2离人体很近时可以根据实际情况踩下脚踏板二14选择3、5倍缩放比例准备进入人体手术区域；机械臂2进入人体过程中及手术过程操作时选择10、20倍缩放比例，在整个过程中都可以踩下脚踏板一13来调整操作人员手臂位置，达到最佳操作手势。
本发明实施例中还包含机械臂2末端的力感知功能，由力传感器3、主控***9和力反馈设备10共同实现；首先主控***9中集成的程序实现500Hz频率采集力传感器3的力数据，通过交换机8实时回传至主控***9中，将采集的力信号经过滑动平均滤波算法平滑处理、力感知程度缩放后发送至力反馈设备10的力反馈功能模块；由于在实施例操作过程中不需要一直感知机械臂2末端的力，本发明在交互***设计上增加力感知功能开关，由力反馈设备的夹爪21实现，如图4所示，操作人员正常操作时无需闭合夹爪21，当需要感知机械臂2末端力反馈时，手指闭合夹爪21即可打开力反馈功能，松开手指打开夹爪21关闭力反馈功能。
本实施例中还包含显示器的显示画面，根据图1中显示器11共三块屏幕，最左边屏幕显示力传感器3的数据，由主控***9采集力信息经过滑动平均滤波后绘制成实时曲线图和力值预警柱状图来提醒操作人员此时机械臂的状态；中间屏幕显示场景中布置的各个摄像头的实时画面，观察场景中各个角度的状态，本实施例中末端手术器械5无内窥镜，但不局限于此，可以通过替换机械臂工作部分6来替换带有摄像头的手术器械，并将最末端的图象画面传输至显示器11中间的屏幕上；最右边的屏幕显示机械臂2在虚拟场景下的模型，由于摄像头的视角固定，无法完整的显示当前机械臂位置状态，通过主控***9搭建机械臂虚拟模型，虚拟模型根据真实物理机械臂2的实时状态来显示，供操作人员多方位参考。
以上所述，仅是本发明的较佳实施个例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而是依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍然属于本发明所要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人，包括机械臂(2)、力反馈设备(10)、力传感器(3)、交换机(8)、主控电脑(9)和显示器(11)，其特征在于：所述机械臂(2)位于手术床两侧，采用两个六自由度机械臂，两个机械臂分别安装在两台可移动的机械臂台车(1)上，所述机械臂工作部分(6)包括机械臂末端法兰连接件(16)和传感器采集模块集成件(17)，所述机械臂末端法兰连接件(16)固定相应的手术器械(5)；
所述力反馈设备(10)位于操作台，安装在专用支架(12)上，采用两台六自由度力反馈设备，用于笛卡尔坐标系下六自由度位姿采集，接收力传感器数据并将力反馈给操作人员，实现主手端的力感知功能；
所述力传感器(3)内置于两个机械臂(2)腕部，采用六维力传感器，用于机械臂末端执行器和环境接触过程中产生的力信息采集和反馈，以及机械臂柔顺控制功能中的力信息采集；
所述交换机(8)负责建立整个控制***的局域网，实现机械臂(2)、力传感器(3)、交换机(8)、主控电脑(9)之间的实时数据交换，主控电脑(9)通过网线(7)和交换机(8)采集力传感器(3)的数据；
所述显示器(11)位于操作台正前方，共三个，安装在专用支架上，分别显示力传感器数据、各摄像头回传图像画面和虚拟场景；
所述主控电脑(9)位于操作台旁边，集成包括力反馈设备位姿信息采集功能、机械臂前向运动学算法、力控算法、柔顺控制算法、力传感器数据采集处理算法和力反馈功能，还包括各控制模块之间集成与通讯功能。
2.根据权利要求1所述的一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人，其特征在于：两个机械臂(2)工作部分之间设置有摄像头(4)。
3.根据权利要求1所述的一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人，其特征在于：所述力反馈设备包括力反馈设备夹爪(21)、扶手(15)及下方两个脚踏板，所述扶手(15)设置在力反馈设备夹爪(21)两侧，力反馈设备夹爪(21)实现力感知功能开关，两个脚踏板分别为脚踏板一(13)和脚踏板二(14)，且通过踩下对应脚踏板来实现增量式控制和运动比例尺的缩放。
4.根据权利要求1所述的一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人，其特征在于：所述传感器采集模块集成件(17)包括传感器采集模块(18)、传感器电源线(19)和传感器信号线(20)，传感器采集模块(18)内置传感器采集模块集成件(17)的壳体内，传感器信号线(20)通过传感器采集模块集成件(17)的壳体一侧的空隙穿过，传感器电源线(19)通过传感器采集模块集成件(17)的壳体另一侧孔中传出。
5.使用权利要求1-4任意一项所述双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人的控制方法，其特征在于：
所述头颈部辅助牵拉手术机器人的机械臂控制模块，共有位姿控制、力控、柔顺控制三种控制模式，三种控制模式针对不同的手术术式集成到主控***中，在术前准备过程中启动***时做出选择；
其中位姿控制原理如下：
第一步,在***开机过程中建立IP通讯，初始化机械臂各项参数，获取机械臂当前位姿信息，建立起每个机械臂的笛卡尔坐标系，由于机械臂固定在台车上，坐标相对于场景中世界坐标系在变动，因此每个机械臂的坐标系固定为本机械臂的基座，方便前向运动学算法位姿关系转换；初始化过程中还需要建立起机械臂的运动学链和前向运动学模型τ＝Mqq+Cq,q+G(q)，用于转换笛卡尔坐标系下任务空间的位姿信息和机械臂关节空间下的控制命令；
第二步，在***运行过程中控制算法实时监测是否有控制命令发布，如果有则先获取机械臂当前关节空间的位姿q，通过x＝g(q)将关节空间位姿转换为任务空间位姿x，将接收到的位姿信息xd和获取到的机械臂当前位姿x作为输入项输入到PID控制器中计算∈i＝xd-gqi-1，在PID控制器计算完成后将结果fi＝Kp∈i+Kd∈i发送至前向运动学模型中，在模型中将笛卡尔坐标系位姿转换为机械臂每个关节需要运动的位置qi、速度qi和加速度qi信号，qi＝M-1JTfi-M-1Cqi,qi-M-1Gqi,qi＝0.5qiΔt,qi＝qi-1+0.5qiΔt.主控***初始化过程中建立起来的运动学链会根据关节控制信号模拟运行，再转回笛卡尔坐标系下位姿信息与输入的控制命令做下一次循环的误差计算，这样一个控制闭环就可以形成，通过主控***的程序设定迭代次数，在一个控制命令发送至机械臂之前迭代指定次数N提高运动控制精度，同时也可以设定PID各项参数来修改***的动态响应、稳态误差等***性能；
第三步，最终的控制信号q通过IP通讯发送至机械臂的工控机中，由工控机完成最终机械臂的控制；
力控原理如下：
力控模式下将控制***的输入信号由位姿信息改为力信号，无需操作人员操作力反馈设备，需要在***中设定好需要的目标六维力值Fd，程序将Fd发送至主控***的指定话题中；同时在程序中需要采集机械臂末端力传感器的力数据信号，将力数据信号通过交换机回传至主控***，接下来的控制原理同位姿控制模式一样，将输入的目标力值Fd与采集到机械臂与真实物理环境接触时的力数Fs作为PID控制器输入量，通过前向运动学模型、运动学链和迭代计算生成机械臂控制命令q；
柔顺控制模式原理：
柔顺控制将位置控制和力控模式结合，既在主从遥操作模式下控制机械臂的位置运动，也可同时实现对机械臂与病人接触力的控制，柔顺控制模式实现控制的过程中保证人机接触的安全，通过设定最大接触力值，保证机械臂在接触到人体时不会超过破坏力的阈值，不会在实际操作过程中破坏人体组织，首先建立弹簧-阻尼器-质量块模型F＝Mxd-x+Dx+Cx,将力反馈设备的位姿信息通过模型转为目标力信号F，与力控模式的Fd和力传感器3的数据Fs做矢量加和，计算出净力Fnet,Fnet＝F+Fd+Fs,接下来计算过程同位姿控制模式相同，将矢量净力Fnet作为PID控制输入量，通过前向运动学模型、运动学链和迭代计算，最终得到机械臂关节空间的控制命令q。
6.根据权利要求5所述的一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人的控制方法，其特征在于：所述头颈部辅助牵拉手术机器人的机械臂控制模块还包括增量式控制功能、场景运动比例缩放功能和力感知交互功能；
所述增量式控制功能，采用发送笛卡尔坐标系下相对位姿来控制机械臂，类似鼠标的交互模式，其原理及交互方式如下：
当操作人员踩下脚踏板时，力反馈设备的位姿信息不再发送至主控***中，同时主控***接收到脚踏板的信号时记录当前机械臂的任务空间位姿信息；此时操作人员可以将力反馈设备移动到合适位置，而机械臂没有接收到控制信号固定不动，运动到合适位置后松开脚踏板，整个控制***恢复到主从遥操作模式，按照初始设定继续运行；
所述场景运动比例缩放功能，具体场景解释及原理如下：
由于经口手术操作难度极高，需要非常精细的操作才能保证足够安全，使用机械臂操作时更应该注重操作安全，因此机械臂的运动尺度和力反馈设备的运动尺度无需一直保持1：1映射，实现在机械臂和手术器械进入人体手术区域时缩放运动比例尺，达到力反馈设备运动大尺度和机械臂运动小尺度的精细化操作。***该功能的交互方式为操作人员根据机械臂与人体距离自行选择缩放比例，设定1倍、3倍、5倍、10倍及20倍五个级别，通过踩脚踏板来切换缩放比例；
所述的力感知交互功能，由于操作人员无需时刻感知机械臂末端的力信息，因此***添加该交互功能，由力反馈设备上的夹爪开关实现，当夹爪处于张开状态时力反馈设备端力感知功能关闭，夹爪处于闭合状态时力反馈设备端力感知功能打开。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111408238.4A CN114098981B (zh) | 2021-11-24 | 2021-11-24 | 一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人及其控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111408238.4A CN114098981B (zh) | 2021-11-24 | 2021-11-24 | 一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人及其控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114098981A true CN114098981A (zh) | 2022-03-01 |
| CN114098981B CN114098981B (zh) | 2024-05-07 |
Family
ID=80372499
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111408238.4A Active CN114098981B (zh) | 2021-11-24 | 2021-11-24 | 一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人及其控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114098981B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115026418A (zh) * | 2022-07-14 | 2022-09-09 | 同济大学 | 一种桁架多臂机器人运动支链分解与拓扑结构表示方法 |
| CN115068113A (zh) * | 2022-08-22 | 2022-09-20 | 科弛医疗科技(北京)有限公司 | 一种主从式遥操作骨科机器人*** |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1669532A (zh) * | 2005-03-11 | 2005-09-21 | 天津大学 | 具有力感觉的显微外科手术机器人控制*** |
| US20090248037A1 (en) * | 2008-03-31 | 2009-10-01 | Intuitive Surgical, Inc. | Medical robotic system adapted to inhibit motions resulting in excessive end effector forces |
| CN101870107A (zh) * | 2010-06-26 | 2010-10-27 | 上海交通大学 | 骨科手术辅助机器人的控制*** |
| CN104739519A (zh) * | 2015-04-17 | 2015-07-01 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种基于增强现实的力反馈手术机器人控制*** |
| WO2017020081A1 (en) * | 2015-08-03 | 2017-02-09 | Deakin University | Apparatus, system and method for controlling motion of a robotic manipulator |
| CN108882968A (zh) * | 2016-06-09 | 2018-11-23 | 直观外科手术操作公司 | 计算机辅助远程操作手术***和方法 |
| CN111015649A (zh) * | 2019-10-12 | 2020-04-17 | 深圳先进技术研究院 | 一种驱控一体化控制*** |
| CN111599459A (zh) * | 2020-05-15 | 2020-08-28 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种远程手术的控制方法、控制装置及手术*** |
| CN111643189A (zh) * | 2020-05-13 | 2020-09-11 | 山东省千佛山医院 | 基于力反馈技术的手术机器人主从控制实验***及方法 |
| CN112218595A (zh) * | 2018-05-18 | 2021-01-12 | 奥瑞斯健康公司 | 用于机器人使能的远程操作的***的控制器 |
| CN113413214A (zh) * | 2021-05-24 | 2021-09-21 | 上海交通大学 | 一种基于混合现实的引导的手术机器人力反馈方法和装置 |
| CN113543934A (zh) * | 2019-03-15 | 2021-10-22 | 瑞德医疗机器股份有限公司 | 力觉显示装置以及力觉显示方法 |
-
2021
- 2021-11-24 CN CN202111408238.4A patent/CN114098981B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1669532A (zh) * | 2005-03-11 | 2005-09-21 | 天津大学 | 具有力感觉的显微外科手术机器人控制*** |
| US20090248037A1 (en) * | 2008-03-31 | 2009-10-01 | Intuitive Surgical, Inc. | Medical robotic system adapted to inhibit motions resulting in excessive end effector forces |
| CN101870107A (zh) * | 2010-06-26 | 2010-10-27 | 上海交通大学 | 骨科手术辅助机器人的控制*** |
| CN104739519A (zh) * | 2015-04-17 | 2015-07-01 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种基于增强现实的力反馈手术机器人控制*** |
| WO2017020081A1 (en) * | 2015-08-03 | 2017-02-09 | Deakin University | Apparatus, system and method for controlling motion of a robotic manipulator |
| CN108882968A (zh) * | 2016-06-09 | 2018-11-23 | 直观外科手术操作公司 | 计算机辅助远程操作手术***和方法 |
| CN112218595A (zh) * | 2018-05-18 | 2021-01-12 | 奥瑞斯健康公司 | 用于机器人使能的远程操作的***的控制器 |
| CN113543934A (zh) * | 2019-03-15 | 2021-10-22 | 瑞德医疗机器股份有限公司 | 力觉显示装置以及力觉显示方法 |
| CN111015649A (zh) * | 2019-10-12 | 2020-04-17 | 深圳先进技术研究院 | 一种驱控一体化控制*** |
| CN111643189A (zh) * | 2020-05-13 | 2020-09-11 | 山东省千佛山医院 | 基于力反馈技术的手术机器人主从控制实验***及方法 |
| CN111599459A (zh) * | 2020-05-15 | 2020-08-28 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种远程手术的控制方法、控制装置及手术*** |
| CN113413214A (zh) * | 2021-05-24 | 2021-09-21 | 上海交通大学 | 一种基于混合现实的引导的手术机器人力反馈方法和装置 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115026418A (zh) * | 2022-07-14 | 2022-09-09 | 同济大学 | 一种桁架多臂机器人运动支链分解与拓扑结构表示方法 |
| CN115068113A (zh) * | 2022-08-22 | 2022-09-20 | 科弛医疗科技(北京)有限公司 | 一种主从式遥操作骨科机器人*** |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114098981B (zh) | 2024-05-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11801100B2 (en) | Estimation of a position and orientation of a frame used in controlling movement of a tool | |
| US9801690B2 (en) | Synthetic representation of a surgical instrument | |
| WO2021047522A1 (zh) | 手术机器人及其末端器械的控制方法、控制装置 | |
| JP5675621B2 (ja) | 医療用ロボットシステムおよび該医療用ロボットシステムの作動方法 | |
| Munoz et al. | A medical robotic assistant for minimally invasive surgery | |
| CN106236277B (zh) | 输入装置上的力反馈的应用促使其操作者命令关节式仪器摆成优选姿势 | |
| CN102076276B (zh) | 提供延伸到进入引导器远端外的可铰接器具的辅助视图的医疗机器人*** | |
| JP2023182733A (ja) | 手術ロボット及びそのロボットアームの制御方法、制御装置 | |
| CN116370080A (zh) | 用于控制机器人操纵器或相关工具的***和方法 | |
| CN114098981B (zh) | 一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人及其控制方法 | |
| EP2845556A1 (en) | Surgical robot and control method thereof | |
| US20050027397A1 (en) | Aspects of a control system of a minimally invasive surgical apparatus | |
| EP3787542A1 (en) | User input device for use in robotic surgery | |
| CA2550468A1 (en) | Surgical robot and robotic controller | |
| Tobergte et al. | Planning and control of a teleoperation system for research in minimally invasive robotic surgery | |
| Staub et al. | Human-computer interfaces for interaction with surgical tools in robotic surgery | |
| Xia et al. | A constrained optimization approach to virtual fixtures for multi-robot collaborative teleoperation | |
| US20240050176A1 (en) | Controlling movement of a surgical robot arm | |
| US20230263585A1 (en) | Method and system for coordinated multiple-tool movement using a drivable assembly | |
| CN110584790A (zh) | 基于手臂刚度的手术机器人遥操作比例控制方法 | |
| WO2019083886A1 (en) | SYSTEM AND METHOD FOR REPOSITIONING INPUT CONTROL DEVICES | |
| KR20240049145A (ko) | 모션 추적 및 조작 인터페이스, 이를 포함하는 장치 및 시스템 | |
| CN116421325A (zh) | 手术机器人协作***及其标定方法 | |
| CN117379188A (zh) | 手术机器人***及其控制方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |