CN114869472A - 一种带有脚踏板装置的手术机器人***及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗设备技术领域，具体提供一种带有脚踏板装置的手术机器人***及控制方法，包括：机械臂子***，所述机械臂子***包括：光学定位控制器，脚踏板装置和脚踏控制器，所述脚踏控制器连接所述脚踏板装置，获取所述脚踏板装置的状态，并发出脚踏命令；导航子***，导航子***的一端与所述脚踏控制器相连接，另一端和所述光学定位控制器连接，接收所述脚踏控制器发出的所述脚踏命令；光学定位子***，连接所述光学定位控制器。本发明可以减少手术室的危险系数，更加安全的使用手术机器人***，减少医生和操作员之间的互动，从而更加有效的完成手术。

Description

一种带有脚踏板装置的手术机器人***及控制方法

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种手术机器人***以及该***的控制方法。

背景技术

手术机器人是集多项现代高科技手段于一体的综合体，随着计算机的普遍应用和医学科学的迅速发展，手术机器人在医学领域也发展迅速，主要在神经外科、关节置换、髋臼周围截骨术、整形外科、牙科手术、心脏外科手术等方面有了广泛的应用。外科医生可以远离手术台操纵机器进行手术，完全不同于传统的手术概念，在世界微创外科领域是当之无愧的革命性外科手术工具。

由于医生在手术中使用手术机器人***时，导航子***和机械臂子***距离较远、医生比较靠近机械臂子***，同时又要使用导航子***的操作台在手术中进行选点配准，因此需要医生在进行术中配准时需要和导航子***的操作员进行交互，这样即浪费时间又可能因在交互时造成选点误差。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种带有脚踏板装置的手术机器人***及控制方法，解决以上技术问题；

本发明的目的还在于，提供一种带有脚踏板装置的手术机器人***的控制方法解决以上技术问题；

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种带有脚踏板装置的手术机器人***，包括：

机械臂子***，所述机械臂子***包括：光学定位控制器，脚踏板装置和脚踏控制器，所述脚踏控制器连接所述脚踏板装置，获取所述脚踏板装置的状态，并发出脚踏命令；

导航子***，所述导航子***的一端与所述脚踏控制器相连接，所述导航子***的另一端与所述光学定位控制器连接，接收所述脚踏控制器发出的所述脚踏命令；

光学定位子***，连接所述光学定位控制器，用于手术操作中的标志定位与配准，以及用于测定机械臂子***中机械臂本体的位置与姿态。

优选的，其中，所述脚踏板装置带有脚踏线，所述脚踏线的末端具备安装接口，并通过所述安装接口连接所述脚踏控制器上的扩展接口。

优选的，其中，所述安装接口的外侧以及所述扩展接口的外侧均设有连接保护层，所述安装接口为USB接口。

优选的，其中，所述脚踏控制器与所述导航子***之间通过传输控制协议进行网络连接。

优选的，其中，所述机械臂子***设置于可移动基座上，所述机械臂子***还包括：

所述光学定位控制器，所述光学定位控制器内包括通信模块，用于接收所述导航子***发出的控制指令，所述机械臂子***依据所述控制指令执行手术操作；

机械臂运动控制器，连接所述光学定位控制器；

所述机械臂本体，连接所述机械臂运动控制器。

优选的，其中，所述导航子***包括：

客户端，设置于可移动操作台上，所述客户端与所述光学定位控制器连接，所述客户端内设置有脚踏控制模块，所述脚踏控制模块连接所述脚踏控制器，所述客户端内还设有用于控制手术操作的手术应用模块，所述手术应用模块内含有多个与不同手术阶段相适配的手术应用程序；

服务器，连接所述客户端。

优选的，其中，所述光学定位子***包括：

光学***，设置于可移动支架上；

基准靶球，连接所述光学***，所述基准靶球安装于一患者处或所述基座上。

优选的，其中，所述机械臂子***、所述导航子***以及所述光学定位子***之间通过网线连接，所述导航子***和所述机械臂子***控制器之间通过千兆以太网进行所述脚踏命令和所述控制指令的传输。

一种带有脚踏板装置的手术机器人***的控制方法，应用于所述的手术机器人***，包括：

步骤S0，于客户端的手术应用程序进入脚踏配准功能页面；

步骤S1，通过所述光学定位子***和探针对患者处选点；

步骤S2，通过所述脚踏板装置对所述选点进行配准，所述配准包括粗配准以及精配准。

步骤S3，当确认配准时，所述脚踏控制器发出所述脚踏命令，并传输至所述导航子***；

步骤S4，所述机械臂子***依据配准结果执行后续手术操作。

优选的，其中，步骤S3包括：

步骤S31，将所述脚踏板装置与所述脚踏控制器连接并开启线程检测；

步骤S32，检测所述脚踏板装置是否连接成功，若是，执行步骤S33；否则，检查连接并重新执行步骤S32；

步骤S33，检测所述脚踏控制器发出的所述脚踏命令；

步骤S34，检测所述导航子***与所述脚踏控制器之间网络连接是否正常，若是，将所述脚踏命令发送至所述导航子***；否则，检查网络连接。

本发明的有益效果：由于采用以上技术方案，将脚踏控制器设置于机械臂子***，可以更安全的使用手术机器人***，方便医生在手术时操作，减少医生和操作员之间的互动，从而更加有效的完成手术。

附图说明

图1为本发明实施例中脚踏板装置连接示意图；

图2为本发明实施例中手术机器人***组成示意图；

图3为本发明实施例中脚踏板装置的脚踏命令传输流程图；

图4为本发明实施例中脚踏控制器网络管理流程图；

图5为本发明实施例中导航子***网络管理流程图；

图6为本发明实施例中手术机器人***的控制方法的步骤示意图；

图7为本发明实施例中步骤S3的步骤示意图；

图8为本发明实施例中导航子***网络管理的步骤示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

一种带有脚踏板装置的手术机器人***，如图1以及图2所示，包括：

机械臂子***1，机械臂子***1包括：光学定位控制器12，脚踏板装置15和脚踏控制器11，脚踏控制器11连接脚踏板装置15，获取脚踏板装置15的状态并发出脚踏命令；

导航子***2，导航子***2的一端与脚踏控制器11相连接，导航子***的另一端和光学定位控制器12连接，接收脚踏控制器11发出的脚踏命令；

光学定位子***3，连接光学定位控制器12，用于手术操作中的标志定位与配准，即定位患者骨架上的配准点和标定机械臂子***1中机械臂本体14的坐标，以及用于测定机械臂本体14的位置与姿态。

具体地，本发明中的技术方案主要应用于手术机器人，具体主要为骨科手术机器人，特别是髋臼发育不良髋臼旋转截骨手术机器人，优选的，机械臂子***1、导航子***2以及光学定位子***3之间由网线连接，导航子***2和机械臂子***1之间通过千兆以太网进行脚踏命令和控制指令的传输。

进一步地，脚踏控制器11与导航子***2之间通过传输控制协议进行网络连接，本实施例优选的采用TCP协议进行网络连接。

具体地，传统技术中，通常将脚踏板装置15设置于操作台上，即导航子***2上，但是操作台离医生较远，操作不便，另外由于手术室范围有限、人员不唯一，线长容易造成人员摔倒，引起事故；本实施例中优选的将脚踏板装置15与机械臂子***1连接，克服了传统技术中的缺陷。

在一种较优的实施例中，脚踏板装置15带有脚踏线，脚踏线的末端具备安装接口，并通过安装接口连接脚踏控制器11上的扩展接口。

具体地，通常脚踏板装置15的安装接口采用USA接口，USA接口存在易脱落的问题，较优的，本实施例中，安装接口以及扩展接口的外侧均设有连接保护层，连接保护层采用螺丝状设计，使连接不容易脱落，保证了机械臂子***1和脚踏板装置15之间连接的稳定性。

在一种较优的实施例中，机械臂子***1设置于可移动基座上，机械臂子***1包括：

光学定位控制器12，光学定位控制器12内包括一通信模块，用于接收导航子***2发出的控制指令，机械臂子***1依据控制指令执行手术操作；

机械臂运动控制器13，连接光学定位控制器12；

机械臂本体14，连接机械臂运动控制器13。

优选的，机械臂子***1还包括电气控制模块，机械臂子***1主要用于根据控制指令完成手术操作，按目标手术路径和器械位姿移动手术器械，机械臂子***1摆放在手术床可供操作的一侧，靠近患者患处。

在一种较优的实施例中，导航子***2包括：

客户端21，设置于可移动操作台上，客户端21与光学定位控制器12网络连接，客户端21内设置有脚踏控制模块，脚踏控制模块连接脚踏控制器11，客户端21内还设有用于控制手术操作的手术应用模块，手术应用模块内含有多个与不同手术阶段相适配的手术应用程序；

服务器22，连接客户端21。

具体地，客户端21内安装有专用的涵盖术前规划、术中控制等导航子***2的手术应用程序，导航子***2设置于手术室中远离手术床的位置，用户通过与客户端21的交互界面完成术前的诊断规划、三维重建、下发***指令以控制机械臂子***1按照控制指令进行手术操作，同时也可实时显示患者三维图像信息和术中动态图像监控。

需要说明的是，本实施例中的用户为医院有***管理员角色的用户以及医院拥有培训证书的手术医生角色的用户。

在一种较优的实施例中，光学定位子***3包括：

光学***31，设置于一可移动支架；

基准靶球32，连接光学***31，基准靶球32安装于患者处或基座上。

优选的，光学***31具体采用双目摄像头，光学定位子***3摆放在手术床不容易遮挡的一侧，配合安装在患者骨盆及机械臂子***1基座上的基准靶球32使用，能够动态捕捉基准靶球32和机械臂子***1的运动轨迹，实时监控手术状态、动态定位手术操作区域。

一种带有脚踏板装置的手术机器人***的控制方法，应用于上述任意一项实施例中的手术机器人***，如图6所示，包括：

步骤S0，于客户端21的手术应用程序进入脚踏配准功能页面；

步骤S1，通过光学定位子***3和一探针对一患者处选点；

步骤S2，通过脚踏板装置15对选点进行配准，配准包括粗配准以及精配准。

步骤S3，当确认配准时，脚踏控制器11发出脚踏命令，并传输至导航子***2；

步骤S4，机械臂子***1依据配准结果执行后续手术操作。

在一种较优的实施例中，如图3以及图7所示，步骤S3包括：

步骤S31，将脚踏板装置15与脚踏控制器11连接并开启线程检测；

步骤S32，检测脚踏板装置15是否连接成功，若是，执行步骤S33；否则，检查连接并重新执行步骤S32；

步骤S33，检测脚踏板装置15发出的脚踏命令；

步骤S34，判断导航子***2与脚踏控制器11之间网络连接是否正常，若是，将脚踏命令发送至导航子***2；否则，检查网络连接。

在一种较优的实施例中，脚踏控制器11还负责与导航子***2的网络连接，具体地，主要负责有：与客户端21心跳、监听心跳回复帧、实时发送脚踏命令、网络连接的异常处理等。通过光学定位子***3和机械臂子***1，可以保证机械臂在获取脚踏板装置15状态和命令的实时性，脚踏控制器11与导航子***2的通信实时性。

具体地，如图4所示脚踏控制器11网络管理流程包括：

开启服务器22，检查是否监听到脚踏命令，若是，将脚踏命令发送至客户端21；否则，重新检查是否监听到脚踏命令；同时，检查服务器22网络连接是否正常，若是，持续发送心跳包至客户端21；否则，重新检查服务器22网络连接并保持监听。

在一种较优的实施例中，如图5及图8所示，导航子***2网络管理流程包括：

步骤A1，开启导航子***2的网络连接，并检查网络连接是否正常，若是，执行步骤A2；否则，重启导航子***2的网络连接；

步骤A2，开启导航子***2的网络连接监控线程，进一步检测网络连接是否正常，若是，保持检测；否则返回执行步骤A1；

步骤A3，检测网络消息，并判断获取的网络消息是否为状态连接包，若是，更新连接状态，重新执行步骤A3；否则，执行步骤A4；

步骤A4，判断获取的网络消息是否为命令包，若是，执行步骤A5；否则，返回执行步骤A2；

步骤A5，判断命令包是否为脚踏命令，若是，处理脚踏命令，否则，返回执行步骤A3。

在一种较优的实施例中，当术前规划完成、术前设备确认完成、在患者髋关节处安装基准靶球32完成后，需根据用户在可视化界面的操作，完成从术中配准的一系列流程，具体包括以下过程：

于客户端21的应用程序上打开方案，在应用程序的页面上可以看到脚踏板装置15的连接状态，若连接状态正常，则可正常使用脚踏板装置15；若连接状态异常，则检查脚踏板装置15的连接是否有松弛或者没有脚踏板装置15没有安置等情况；

进一步地，进入术中规划粗配准页面，确认探针连接是否正常，若探针没有连接则进行探针连接；

进一步地，确认患者安装的基准靶球32连接是否正常，若基准靶球32没有连接，则进行基准靶球32的连接；

进一步地，医生通过观察CT三维模型上的粗配准特征点，用探针在患者髋臼上选择合适的点、用脚踏板装置15来确认选点来进行粗配准，各粗配准点会按照既定的顺序将粗配准点进行配准完成。若配准点与在髋臼上的选点不匹配，可以取消已选点，重新用探针和脚踏板装置15在患者髋臼上进行选点配准；

进一步地，进入书中规划精配准页面；医生通过观察CT三维模型上的各精配准特征点的位置，用在患者髋臼上选择合适的点、用脚踏板装置15来确认选点来进行精配准，各精配准点按照既定的顺序将多个精配准点进行配准完成并计算配准误差，配准误差在既定误差的范围内，可以继续进行；若配准误差大于既定误差，则重新配准，即医生重新用探针和脚踏板装置15对多个既定的配准点进行配准；本实施例优选的对30个既定的配准点进行配准；

进一步地，完成配准后继续进行后续扩锉等步骤直至髋臼发育不良髋臼旋转截骨手术完成。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种带有脚踏板装置的手术机器人***，其特征在于，包括：

机械臂子***，所述机械臂子***包括：光学定位控制器，脚踏板装置和脚踏控制器，所述脚踏控制器连接所述脚踏板装置，获取所述脚踏板装置的状态，并发出脚踏命令；

导航子***，所述导航子***的一端与所述脚踏控制器相连接，所述导航子***的另一端与所述光学定位控制器连接，接收所述脚踏控制器发出的所述脚踏命令；

光学定位子***，连接所述光学定位控制器，用于手术操作中的标志定位与配准，以及用于测定机械臂子***中机械臂本体的位置与姿态。

2.根据权利要求1所述的手术机器人***，其特征在于，所述脚踏板装置带有脚踏线，所述脚踏线的末端具备安装接口，并通过所述安装接口连接所述脚踏控制器上的扩展接口。

3.根据权利要求2所述的手术机器人***，其特征在于，所述安装接口的外侧以及所述扩展接口的外侧均设有连接保护层，所述安装接口为USB接口。

4.根据权利要求1所述的手术机器人***，其特征在于，所述脚踏控制器与所述导航子***之间通过传输控制协议进行网络连接。

5.根据权利要求1所述的手术机器人***，其特征在于，所述机械臂子***设置于可移动基座上，所述机械臂子***还包括：

所述光学定位控制器，所述光学定位控制器内包括通信模块，用于接收所述导航子***发出的控制指令，所述机械臂子***依据所述控制指令执行手术操作；

机械臂运动控制器，连接所述光学定位控制器；

所述机械臂本体，连接所述机械臂运动控制器。

6.根据权利要求1所述的手术机器人***，其特征在于，所述导航子***包括：

客户端，设置于可移动操作台上，所述客户端与所述光学定位控制器连接，所述客户端内设置有脚踏控制模块，所述脚踏控制模块连接所述脚踏控制器，所述客户端内还设有用于控制手术操作的手术应用模块，所述手术应用模块内含有多个与不同手术阶段相适配的手术应用程序；

服务器，连接所述客户端。

7.根据权利要求5所述的手术机器人***，其特征在于，所述光学定位子***包括：

光学***，设置于可移动支架上；

基准靶球，连接所述光学***，所述基准靶球安装于一患者处或所述基座上。

8.根据权利要求5所述的手术机器人***，其特征在于，所述机械臂子***、所述导航子***以及所述光学定位子***之间通过网线连接，所述导航子***和所述机械臂子***控制器之间通过千兆以太网进行所述脚踏命令和所述控制指令的传输。

9.一种带有脚踏板装置的手术机器人***的控制方法，应用于权利要求1-8中任意一项所述的手术机器人***，其特征在于，包括：

步骤S0，于客户端的手术应用程序进入脚踏配准功能页面；

步骤S1，通过所述光学定位子***和探针对患者处选点；

步骤S2，通过所述脚踏板装置对所述选点进行配准，所述配准包括粗配准以及精配准。

步骤S3，当确认配准时，所述脚踏控制器发出所述脚踏命令，并传输至所述导航子***；

步骤S4，所述机械臂子***依据配准结果执行后续手术操作。

10.根据权利要求9所述的手术机器人***的控制方法，其特征在于，步骤S3包括：

步骤S31，将所述脚踏板装置与所述脚踏控制器连接并开启线程检测；

步骤S32，检测所述脚踏板装置是否连接成功，若是，执行步骤S33；否则，检查连接并重新执行步骤S32；

步骤S33，检测所述脚踏控制器发出的所述脚踏命令；

步骤S34，检测所述导航子***与所述脚踏控制器之间网络连接是否正常，若是，将所述脚踏命令发送至所述导航子***；否则，检查网络连接。

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