CN101999938B - 用于骨科手术辅助机器人的手动操纵装置 - Google Patents

Abstract

一种医疗器械技术领域的用于骨科手术辅助机器人的操纵杆装置，该装置安装于机械手臂末端，包括分别通过信号电缆与机器人控制相连接的三自由度操纵杆、模式选择开关和冗余姿态控制开关，所述的信号处理器，包括：数字IO模块、A/D转换模块和计算模块，A/D转换器将来自操纵杆内电位器的电压模拟信号转换为数字信号并输入计算模块，数字IO模块将模式选择开关和冗余姿态控制开关的状态信息输入计算模块，计算模块将控制指令通过串行总线发送到机器人控制器并由机器人控制器具体实现机器人动作。本发明可以使操纵者实现对七自由度机器人末端执行器的位置和姿态控制。

Description

用于骨科手术辅助机器人的手动操纵装置

技术领域

本发明涉及的是一种机器人技术领域的装置，具体是一种用于骨科手术辅助机器人的手动操纵装置。

背景技术

骨科手术辅助机器人的主要目标是在骨科手术中辅助医师完成特定的精细操作。该机器人在手术中可以完成以下几项功能：截骨切削、磨削钻孔、夹持固定等。这些操作由机器人完成具有很大的优势，一方面动作比较简单，机器人可以胜任；另一方面这些操作需要很高的精确性和稳定性，而机械手的定位比人更为准确、稳定且有力。机器人使用过程中主要由机器人在导航装置的引导下完成手术前规划好的动作，但是在手术过程中也需要医师对机器人的位置和姿态进行调整和确认，这就需要医师能以手动的方式直接操纵机器人。

现有的多自由度关节型机器人通常采用示教器的方式实现对机器人的手动操纵，即操作者手持一个示教器，通过示教器上的几组按钮控制机器人各关节独立运动或者沿坐标方向运动。也有些示教器上使用六维鼠标来控制机器人的运动，例如KUKA工业机器人。但是这种方法并不适合手术过程：1、如果手动操纵由专门的辅助人员来完成，这不仅浪费有限的手术空间以及人力资源，而且动作指令在口头表述时不甚方便，也容易有歧义，会增加误操作的风险；2、如果手动操作由主刀医师亲自完成，则占用医师双手，医师不能完成其它动作，且示教器必须设计符合防水标准并消毒；3、无论谁来操作，使用示教器方式操纵机器人都不直观：示教器和机器人是分离的，操纵者需要换算自身站位与机器人方位的关系，这不仅效率较低，也容易产生误操作，可能造成严重后果。机器人操作者都需要经过较长时间的专业培训才能上岗，通常要花数天时间才能初步掌握，要达到手术所要求的安全性，还需要更多的时间练习。

“手把手”式的示教是一种更为直接的控制方式，即机器人末端装一个手柄，上面有六维力传感器，可以感受人推拉手柄操纵力的大小和方向，根据力的大小和方向来控制机器人跟随人手运动。这种方法算法复杂，而且平动和转动混合操作，难以适用于高精度操作，目前主要用于喷漆机器人等精度要求较低的示教。而且六维力传感器成本很高，没有广泛使用。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利申请号：200710117890.4提出了一种基于3D鼠标操作的微创骨科手术机器人，由横向移动组件、减速器组件、上下移动组件、小臂移动组件、小臂组件、腕部组件和3D鼠标组成；3D鼠标安装在小臂组件的小臂壳体上，方便医生操作和控制，该3D鼠标含有六个自由度，可以实现笛卡尔坐标系中的六个方向运动控制。但是此技术的机械结构本身仅有两个自由度，3D鼠标仅用于粗定位，而且完全没有提及控制方法，另外，3D鼠标可实现移动和转动同时控制，这就增加了移动与转动混操纵的风险，在手术过程中容易酿成重大事故。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于骨科手术辅助机器人的手动操纵装置，可以使操纵者实现对七自由度机器人末端执行器的位置和姿态控制。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述装置安装于机械手臂末端，包括通过信号电缆与信号处理器相连接的三自由度操纵杆、模式选择开关和冗余姿态控制开关。

所述的三自由度操纵杆包括：手柄、转轴、旋钮、三组电位器和对应的弹簧复位装置，其中：互相垂直的两个转轴位于手柄下端并与手柄相连实现两轴操作，旋钮位于手柄上端实现第三轴调节，三组电位器分别位于操纵杆内并分别与手柄和旋钮相连以带动电位器簧片转动实现对电位器输出电压的控制，三组电位器均与弹簧复位装置相连，以实现无操作时手柄与旋钮复位。

所述的模式选择开关安装于机械手臂末端并与信号处理器相连接，用于切换操纵杆控制位置平移操作或姿态调整操作，该模式选择开关采用三位选择开关，当开关选择中位时，处于安全模式，此时拨动操纵杆无任何动作，另外两个位置各有信号输出，两信号分别用于切换操纵杆的位置平移操作模式和姿态调整操作模式。

所述的冗余姿态控制开关安装于机械手臂末端并与信号处理器相连接，该冗余姿态控制开关采用具有弹簧复位的三位选择开关，当开关选择中位时，处于安全模式，无信号输出；另外两个位置各有信号输出，两信号分别用于控制机械臂顺时针方向转动和逆时针方向转动。弹簧复位功能可实现无操作时回复至中位。

所述的信号处理器，包括：数字IO模块、A/D转换模块和计算模块，其中：A/D转换器将来自操纵杆内电位器的电压模拟信号转换为数字信号并输入计算模块，数字IO模块将模式选择开关和冗余姿态控制开关的状态信息输入计算模块，计算模块将控制指令通过串行总线发送到机器人控制器并由机器人控制器具体实现机器人动作。

所述的计算模块通过串行总线从机器人控制器处获得机器人当前位置姿态信息，根据机器人自身姿态进行坐标变换得到操纵杆本身相对于地面坐标的位置与姿态，然后根据三组电位器的电压信号计算出手柄的指向方位以及旋钮的旋转方向和角度，并结合模式选择开关的信号，判断出操纵者的动作意图；再根据机器人自身位置姿态进行坐标变换计算出机器人相对于地面坐标的运动方向和速度；最后计算模块将机器人运动方向和速度通过串行总线发送到机器人控制器以生成驱动信号发送到各伺服驱动器，从而控制伺服电机运动产生相应的动作。

通过本装置最终实现通过操控手柄及旋钮转动的方位和角度来控制机器人末端执行器的运动方向和速度。操纵效果类似于六维力传感器实现的“手把手”示教控制，但更为简单、经济。这种操纵方式，调整位置的时候专注于刀尖的位置而不必担心姿态改变，调整姿态的时候则不必担心刀尖发生偏移，操纵简单可靠，不易发生误操作。相对于六维力传感器直接检测六自由度力/力矩分量，同时实现六自由度控制，适合于手术中的精细位置姿态调节。

除了机器人末端执行器位置姿态的手动操纵，本发明涉及的操纵装置还实现了机械臂姿态的调节，该调节由冗余姿态控制开关实现。六自由度机械臂在工作空间内可以保证末端执行器达到任意位置和姿态，但是为了避开机构的奇异点及障碍物，使机器人操作更灵活，手术辅助机器人设计为七自由度关节型机器人，其中第三自由度即肘关节为冗余自由度。在操作中如果医师觉得机械臂姿态有妨碍，只需拨动位于机器人腕部的冗余姿态控制开关，则控制器控制机器人末端执行器按原规划运动；同时控制整个手臂以肩关节与工具参考点的连线为轴线转动，实现机器人肘关节的避让，直至医师觉得不再妨碍其操作，停止触碰开关。开关上下位置各有信号输出，分别用于控制机械臂顺时针方向转动和逆时针方向转动。这种方式可在不影响机器人当前操作的前提下实现机器人手臂形态的实时在线调整。

本发明的优点在于：(1)可以实现对机器人末端执行器六个自由度的控制，完成对机器人的手动操作，方便医生进行更直接、安全的操纵。(2)可以通过模式选择开关将操作动作分为三组模式，即进行位置平移操作模式、姿态调整操作模式以及安全模式，这样就可大大减少误操作的几率。(3)可以通过冗余自由度控制开关对机器人手臂形态进行实时在线调整，方便与医生协同作业。

附图说明

图1为操纵杆外观示意图。

图2为操纵杆内部结构示意图。

图3为系统结构示意图。

图4为信号处理器结构图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-图3所示，包括分别通过信号电缆与机器人控制相连接的三自由度操纵杆1、模式选择开关2、冗余姿态控制开关3和信号处理器4。

所述的三自由度操纵杆1安装在机械手臂末端靠近主刀医师一侧，该三自由度操纵杆1包括：手柄5、转轴6、旋钮7、弹簧复位装置8、三组电位器9和对应的连接机构10，其中：互相垂直的两个转轴6位于手柄5下端并与手柄5相连实现两轴操作，旋钮7位于手柄5上端实现第三轴调节，三组电位器9分别位于操纵杆1内并通过连接机构10分别与手柄5和旋钮7相连以带动电位器9簧片转动，实现对电位器9输出电压的控制，转轴6与旋钮7均与弹簧复位装置8相连实现无操作时手柄5与旋钮7复位。

所述的模式选择开关2安装于机械手臂末端，用于切换操纵杆1控制位置平移操作或姿态调整操作，模式选择开关2采用三位选择开关，当开关选择中位时，处于安全模式，此时拨动操纵杆1无任何作用，另外两个位置分别用于切换操纵杆1的位置平移操作模式和姿态调整操作模式。

所述的冗余姿态控制开关3安装于机械手臂末端，冗余姿态控制开关3采用具有弹簧复位的三位选择开关，当开关选择中位时，处于安全模式，无信号输出；另外两个位置各有信号输出，两信号分别用于控制机械臂顺时针方向转动和逆时针方向转动。弹簧复位功能可实现无操作时回复至中位。

所述的信号处理器，包括：数字IO模块、A/D转换模块和计算模块，其中：A/D转换器将来自操纵杆内电位器的电压模拟信号转换为数字信号，输入计算模块。数字IO模块将模式选择开关和冗余姿态控制开关的状态信息输入计算模块。计算模块进行计算处理，处理结果通过串行总线发送到机器人控制器，由机器人控制器具体实现机器人动作。

所述的计算模块的处理过程如下：

1、通过串行总线从机器人控制器获得机器人当前位置姿态信息，根据机器人自身姿态进行坐标变换，计算出机械臂末端，也即是操纵杆本身相对于地面坐标的位置与姿态。

2、根据三组电位器的电压信号，计算出手柄及旋钮的位置状态，即手柄的指向方位以及旋钮的旋转方向和角度，并结合模式选择开关的信号，判断出操纵者的动作意图。具体来说，当模式选择开关处于位置平移操作模式的时候，要求机器人末端执行器姿态不变，向手柄和旋钮所指方向平行移动；当模式选择开关处于姿态调整操作模式的时候，要求机器人末端执行器以参考点为圆心(参考点通常设置为器械工作点，如锯刀的刀尖)，向手柄和旋钮所指方向转动，以调整器械姿态。

3、根据机器人自身位置姿态进行坐标变换，计算出机器人相对于地面坐标的运动方向和速度。其中运动速度正比于手柄或者旋钮的角度，由于弹簧复位装置的弹性阻力作用，运动速度也正比于操作者对操纵杆施加的力和力矩。

4、将机器人运动方向和速度通过串行总线发送到机器人控制器，由后者生成具体的驱动信号发送到各伺服驱动器，从而控制伺服电机运动产生相应的动作。

通过本装置最终实现通过操控手柄及旋钮转动的方位和角度来控制机器人末端执行器的运动方向和速度。操纵效果类似于六维力传感器实现的“手把手”示教控制，但更为简单、经济。这种操纵方式，调整位置的时候专注于刀尖的位置而不必担心姿态改变，调整姿态的时候则不必担心刀尖发生偏移，操纵简单可靠，不易发生误操作。相对于六维力传感器直接检测六自由度力/力矩分量，同时实现六自由度控制，本发明提出的控制方法更适合于手术中的精细位置姿态调节。

所述的三自由度操纵杆，当操纵杆无操作时，在复位弹簧作用下，手柄处于中间位置。由于输出模拟电压信号，可能会发生零点漂移现象，输出微小的干扰信号，导致机械手臂发生蠕动。为防止这种情况的发生，在电位器的零位附近设置一段死区，此范围内机械手臂无动作，死区通过信号处理器内程序实现。当电位器输出电压在-0.3V～+0.3V之间波动时，机械手臂不产生任何动作，这样当操纵杆不输入时就能保证其稳定。

所述的冗余姿态控制开关可实现了机械臂姿态的调节。六自由度机械臂在工作空间内可以保证末端执行器达到任意位置和姿态，但是为了避开机构的奇异点及障碍物，使机器人操作更灵活，手术辅助机器人设计为七自由度关节型机器人，其中第三自由度即肘关节为冗余自由度。在操作中如果医师觉得机械臂姿态有妨碍，只需拨动位于机器人腕部的冗余姿态控制开关，则控制器控制机器人末端执行器按原规划运动；同时控制整个手臂以肩关节与工具参考点的连线为轴线转动，实现机器人肘关节的避让，直至医师觉得不再妨碍其操作，停止触碰开关。开关上下位置各有信号输出，分别用于控制机械臂顺时针方向转动和逆时针方向转动。这种方式可在不影响机器人当前操作的前提下实现机器人手臂形态的实时在线调整。

采用本发明的操纵杆及其控制方法，操纵者无需专门培训即可掌握手动操纵机器人运动的方法。操纵过程简单直观，可避免由于对机器人方位判断错误引起的操纵失误。这类失误在工业机器人操纵中很容易发生，而在手术应用中将产生严重后果。本发明涉及的方法将机器人位置调整和姿态调整的操作独立分开，调整位置的时候专注于刀尖的位置而不必担心姿态改变，调整姿态的时候则不必担心刀尖位置发生偏移，操纵简单可靠，不易发生误操作，更适合于手术中的精细位置姿态调节。

Claims (2)

1.一种用于骨科手术辅助机器人的手动操纵装置，该手动操纵装置安装于机械手臂末端，其特征在于，包括：通过信号电缆与信号处理器相连接的三自由度操纵杆、模式选择开关和冗余姿态控制开关，所述的信号处理器，包括：数字IO模块、A/D转换模块和计算模块，其中：所述A/D转换模块将来自所述三自由度操纵杆内电位器的电压模拟信号转换为数字信号并输入所述计算模块，所述数字IO模块将所述模式选择开关和所述冗余姿态控制开关的状态信息输入所述计算模块，所述计算模块将控制指令通过串行总线发送到机器人控制器并由机器人控制器具体实现机器人动作；

所述的三自由度操纵杆包括：手柄、转轴、旋钮、三组电位器和对应的弹簧复位装置，其中：互相垂直的两个所述转轴位于所述手柄下端并与所述手柄相连实现两轴操作，所述旋钮位于所述手柄上端实现第三轴调节，所述三组电位器分别位于所述三自由度操纵杆内并分别与所述手柄和旋钮相连以带动电位器簧片转动实现对电位器输出电压的控制，所述三组电位器均与具有弹簧复位功能的弹簧复位装置相连，以实现无操作时所述手柄与旋钮复位；

所述的模式选择开关安装于所述机械手臂末端并与所述信号处理器相连接，用于切换所述三自由度操纵杆控制位置平移操作或姿态调整操作，该模式选择开关采用三位选择开关，当开关选择中位时，处于安全模式，此时拨动所述三自由度操纵杆无任何动作，另外两个位置各有信号输出，两信号分别用于切换所述三自由度操纵杆的位置平移操作模式和姿态调整操作模式；

所述的冗余姿态控制开关安装于所述机械手臂末端并与所述信号处理器相连接，该冗余姿态控制开关采用具有弹簧复位功能的三位选择开关，当开关选择中位时，处于安全模式，无信号输出；另外两个位置各有信号输出，两信号分别用于控制所述机械手臂顺时针方向转动和逆时针方向转动；所述弹簧复位功能可实现所述的冗余姿态控制开关无操作时回复至中位。

2.根据权利要求1所述的用于骨科手术辅助机器人的手动操纵装置，其特征是，所述的计算模块通过串行总线从机器人控制器处获得机器人当前位置姿态信息，根据机器人自身姿态进行坐标变换得到所述三自由度操纵杆本身相对于地面坐标的位置与姿态，然后根据所述三组电位器的电压信号计算出所述手柄的指向方位以及所述旋钮的旋转方向和角度，并结合所述模式选择开关的信号，判断出操纵者的动作意图；再根据机器人自身位置姿态进行坐标变换计算出机器人相对于地面坐标的运动方向和速度；最后所述计算模块将机器人运动方向和速度通过串行总线发送到机器人控制器以生成驱动信号发送到各伺服驱动器，从而控制伺服电机运动产生相应的动作。

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