CN104127245A - 遥操作手术机器人的磁阻式力反馈控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种遥操作手术机器人的磁阻式力反馈控制系统及方法，属于人机交互技术领域。该系统包括手术操控端和手术执行端；所述手术操控端包括连杆Ⅰ、电磁线圈Ⅰ、电磁线圈Ⅱ、位移传感器、直线驱动机构Ⅰ、电流源Ⅰ和电流源Ⅱ；所述手术执行端包括直线驱动机构Ⅱ、连杆Ⅱ和力传感器；所述位移传感器的输入端连接连杆Ⅰ，输出端连接直线驱动机构Ⅰ；所述连杆Ⅱ固定设置在直线驱动机构Ⅱ上，且与力传感器连接，且所述力传感器输出至电流源Ⅰ输入端，电流源Ⅰ输出至电磁线圈Ⅰ输入端。本发明通过两电磁线圈产生的相互作用力来反馈手术执行端的作用力，磁阻式力反馈控制方法构建的力反馈控制系统结构简单，精确度高且易于实现。

Description

遥操作手术机器人的磁阻式力反馈控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种力反馈重建及控制技术，特别涉及遥操作手术机器人的磁阻式力反馈控制技术，属于人机交互技术领域。

背景技术

遥操作微创手术机器人系统为外科医生提供了传统微创手术的操作环境，但是可以协助医生完成更精细的手术动作，减少手术时由于疲劳产生的误操作或手部震颤造成的损伤。同时，微创手术因损伤小、愈合快为患者带来更理想的手术结果而得到广泛的应用。触觉力反馈在微创外科手术中发挥着极其重要的作用，医生通过触觉感受组织硬度、测量组织属性、评估解剖学结构从而实施安全的手术行为。美国的达芬奇手术机器人系统(daVinciSystem)提高了传统微创手术的操控能力，同时还提供了自动纠错功能，但由于缺乏力和触觉反馈功能，医生凭借内窥镜图像及经验难以获取末端执行器和组织间的动态力学信息。美国Sensable公司的PHANTOM系统具有6个自由度，具有较好的静态特性以及较高的动态响应能力，但是该设备的反馈力较小，无法满足微创手术机器人在力觉导航方面的需求。ForceDimension公司的Omega和Delta系列力/触觉设备采用独特结构实现了较大的工作空间、作用力输出以及再现刚度，但是缺乏空间返回功能且力反馈精度较低，距离实际临床应用还有距离。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服上述不足，提供一种遥操作手术机器人的磁阻式力反馈控制系统及方法，通过力反馈技术，提高手术安全性以及可靠性，让医生在实施遥操作手术时感受到远端执行机构与组织间的相互作用力。

本发明的目的之一在于提出一种遥操作手术机器人的磁阻式力反馈控制系统，且通过下述的技术方案实现：

包括手术操控端和手术执行端；所述手术操控端包括连杆Ⅰ、电磁线圈Ⅰ、电磁线圈Ⅱ、位移传感器、直线驱动机构Ⅰ、电流源Ⅰ和电流源Ⅱ；所述手术执行端包括直线驱动机构Ⅱ、连杆Ⅱ和力传感器；

所述连杆Ⅰ设置在手术操控手柄上，且固定设置与电磁线圈Ⅰ上，电磁线圈Ⅱ固定设置在直线驱动机构Ⅰ上，所述位移传感器的输入端连接连杆Ⅰ，输出端连接直线驱动机构Ⅰ；

所述连杆Ⅱ固定设置在直线驱动机构Ⅱ上，且与力传感器连接，且所述力传感器输出至电流源Ⅰ输入端，电流源Ⅰ输出至电磁线圈Ⅰ输入端；所述电流源Ⅱ输出至电磁线圈Ⅱ输入端，用于向电磁线圈Ⅱ提供恒定电流。

本发明的目的之二在于提出一种遥操作手术机器人的磁阻式力反馈控制方法，且通过下述的技术方案实现：

1)位移传感器获取手术操控手柄的连杆Ⅰ以及电磁线圈Ⅰ的直线位移，并将该信号输出至直线驱动机构Ⅰ；

2)直线驱动机构Ⅰ根据获取的位移信号驱动电磁线圈Ⅱ产生相同的位移，以保持电磁线圈Ⅰ和电磁线圈Ⅱ之间的距离d0恒定；

3)电流源Ⅱ以恒定电流I0在电磁线圈Ⅱ产生恒定磁场；

4)力传感器通过连杆Ⅱ检测手术执行端的力学信号Fc，电流源Ⅰ根据该力学信号Fc在电磁线圈Ⅰ上产生可变磁场；

5)电磁线圈Ⅰ的磁场与电磁线圈Ⅱ的磁场产生相互作用力FM，其大小与方向等同于手术执行机构内连杆Ⅱ上力传感器受到的作用力Fc；

6)直线驱动机构Ⅱ通过控制连杆Ⅱ的位移控制手术执行端的动作。

本发明的有益技术效果是：本发明通过两电磁线圈产生的相互作用力来反馈手术执行端的作用力，磁阻式力反馈控制方法构建的力反馈控制系统结构简单，精确度高且易于实现；能够使医生在实施手术遥操作的过程中感受到手术执行端与组织之间的作用力，有效地提高了手术的安全性。

本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明遥操作手术机器人的磁阻式力反馈控制系统的结果示意图；

图2为本发明遥操作手术机器人的磁阻式力反馈控制方法的流程图。

具体实施方式

以下是本发明优选实施例的详细描述，应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

参见附图1，本发明一种遥操作手术机器人的磁阻式力反馈控制系统，包括手术操控端和手术执行端；所述手术操控端包括连杆Ⅰ、电磁线圈Ⅰ、电磁线圈Ⅱ、位移传感器、直线驱动机构Ⅰ、电流源Ⅰ和电流源Ⅱ；所述手术执行端包括直线驱动机构Ⅱ、连杆Ⅱ和力传感器；

所述连杆Ⅰ设置在手术操控手柄上，且固定设置与电磁线圈Ⅰ上，电磁线圈Ⅱ固定设置在直线驱动机构Ⅰ上，所述位移传感器的输入端连接连杆Ⅰ，输出端连接直线驱动机构Ⅰ；

所述连杆Ⅱ固定设置在直线驱动机构Ⅱ上，且与力传感器连接，且所述力传感器输出至电流源Ⅰ输入端，电流源Ⅰ输出至电磁线圈Ⅰ输入端；所述电流源Ⅱ输出至电磁线圈Ⅱ输入端，用于向电磁线圈Ⅱ提供恒定电流。

参照附图2，本发明一种遥操作微创手术机器人力反馈控制方法，包括以下步骤：

1)位移传感器获取手术操控手柄的连杆Ⅰ以及电磁线圈Ⅰ的直线位移，并将该信号输出至直线驱动机构Ⅰ；

2)直线驱动机构Ⅰ根据获取的位移信号驱动电磁线圈Ⅱ产生相同的位移，以保持电磁线圈Ⅰ和电磁线圈Ⅱ之间的距离d0恒定；

3)电流源Ⅱ以恒定电流I0在电磁线圈Ⅱ产生恒定磁场；

4)力传感器通过连杆Ⅱ检测手术执行端的力学信号Fc，电流源Ⅰ根据该力学信号Fc在电磁线圈Ⅰ上产生可变磁场；

5)电磁线圈Ⅰ的磁场与电磁线圈Ⅱ的磁场产生相互作用力FM，其大小与方向等同于手术执行机构内连杆Ⅱ上力传感器受到的作用力Fc；

6)直线驱动机构Ⅱ通过控制连杆Ⅱ的位移控制手术执行端的动作。

医生在利用手术机器人进行遥操作的手术过程中，通常不能有效地感受到手术执行端与手术组织之间的作用力，因此导致医生在手术操控端的作用力不能很精确，但是通过本力反馈系统以及方法，使得手术操控端可以反馈得到手术执行端对组织的作用力，医生可以参考反馈的作用力，进一步调节对手术组织的作用力的位置或大小。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种遥操作手术机器人的磁阻式力反馈控制系统，其特征在于：包括手术操控端和手术执行端；所述手术操控端包括连杆Ⅰ、电磁线圈Ⅰ、电磁线圈Ⅱ、位移传感器、直线驱动机构Ⅰ、电流源Ⅰ和电流源Ⅱ；所述手术执行端包括直线驱动机构Ⅱ、连杆Ⅱ和力传感器；

所述连杆Ⅰ设置在手术操控手柄上，且固定设置与电磁线圈Ⅰ上，电磁线圈Ⅱ固定设置在直线驱动机构Ⅰ上，所述位移传感器的输入端连接连杆Ⅰ，输出端连接直线驱动机构Ⅰ；

所述连杆Ⅱ固定设置在直线驱动机构Ⅱ上，且与力传感器连接，且所述力传感器输出至电流源Ⅰ输入端，电流源Ⅰ输出至电磁线圈Ⅰ输入端；所述电流源Ⅱ输出至电磁线圈Ⅱ输入端，用于向电磁线圈Ⅱ提供恒定电流。

2.一种遥操作手术机器人的磁阻式力反馈控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)位移传感器获取手术操控手柄的连杆Ⅰ以及电磁线圈Ⅰ的直线位移，并将该信号输出至直线驱动机构Ⅰ；

2)直线驱动机构Ⅰ根据获取的位移信号驱动电磁线圈Ⅱ产生相同的位移，以保持电磁线圈Ⅰ和电磁线圈Ⅱ之间的距离d0恒定；

3)电流源Ⅱ以恒定电流I0在电磁线圈Ⅱ产生恒定磁场；

4)力传感器通过连杆Ⅱ检测手术执行端的力学信号Fc，电流源Ⅰ根据该力学信号Fc在电磁线圈Ⅰ上产生可变磁场；

5)电磁线圈Ⅰ的磁场与电磁线圈Ⅱ的磁场产生相互作用力FM，其大小与方向等同于手术执行机构内连杆Ⅱ上力传感器受到的作用力Fc；

6)直线驱动机构Ⅱ通过控制连杆Ⅱ的位移控制手术执行端的动作。