CN105082160A - 一种具有防碰撞功能的移动式机器人手术系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种具有防碰撞功能的移动式机器人手术系统，包括：全方位移动平台，具有公转和自转机构的影像系统，防碰撞系统与控制计算机；所述防碰撞系统包括防碰撞仿真平台与碰撞反馈机构，碰撞反馈机构包括触杆、偏心机构、转轴和扭力传感器；触杆连接在偏心机构的一端，偏心机构固定连接在转轴上，转轴安装于全方位移动平台上，在转轴一端设置有扭力传感器；控制计算机与系统软件平台和硬件的各个关节驱动器通信，进行数据/指令传输。所述防碰撞分为软件层面防碰撞路径规划和机电层面碰撞检测反馈。本发明所述一种具有防碰撞功能的移动式机器人手术系统，具有软硬件两级防碰撞机制，较大地提高了移动式机器人手术系统的安全性和可靠性。

Description

一种具有防碰撞功能的移动式机器人手术系统

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，具体是一种具有防碰撞功能的移动式机器人手术系统。

背景技术

随着我国心脑血管、肿瘤等疾病的患者显著增加，近年来，我国数字诊疗装备平均增速在20%以上，多学科联合治疗的一站式复合手术系统凭借其优势，逐渐成为医学领域势不可挡的发展潮流。复合手术因借助介入治疗设备及技术，精密且微创，并能将内外科优点有机地结合起来，充分体现以患者为中心，深受国内医生欢迎。而现有的外科手术医疗设备，以外科介入血管机为例，传统的血管机操控系统与功能模块较为单一，安装模式也只能是通过天轨悬吊方式，或者落地式固定方式，而这既阻碍介入治疗技术的深入开展，也束缚着复合手术室的个性化、多样化设计。

因此，如何利用现有资源建立复合手术室，如何将大型血管机、X光机等治疗设备整合，构建一种灵活性高、综合性好的，可以针对多种病症手术一体式机器人手术系统，并且具备在不同科室之间移动，以适应以外科手术系统为主导的多科室复合治疗，是未来外科手术系统的趋势。然而，实现机器人手术系统的移动，不仅仅要解决其路径规划、室内定位等问题，还需要解决其碰撞检测问题，在移动过程中进行防碰撞的检测与应急，实现安全移动与避让。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术不足，提供一种具有防碰撞功能的移动式机器人手术系统。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

一种具有防碰撞功能的移动式机器人手术系统，包括：全方位移动平台，具有公转和自转机构的影像系统，防碰撞系统与控制计算机；

所述全方位移动平台由移动平台机身和一组麦克纳母轮组成，其中一组麦克纳母轮的分为两排，平行安放，同一排的麦克纳母轮分别安装在移动平台机身的两端；

所述具有公转和自转机构的影像系统安装在全方位移动平台上，其中公转是绕x轴进行旋转，自转是绕y轴进行旋转，通过公转和自转的配合可以实现影像系统绕等中心点的旋转；

所述防碰撞系统由防碰撞仿真平台与碰撞反馈机构组成；

所述防碰撞仿真平台包括模型运动参数检测模块、碰撞检测智能计算模块、定位与路径规划模块和可视化模块；模型参数检测模块用于检测系统模型中各个关节上伺服电机的编码器输出，并根据编码器输出值计算出模型各关节当前的运动参数，包括速度、加速度等；定位与路径规划模块，用于检测模型在运动空间的当前位置，并根据模型运动参数计算出下一时刻模型位置，同时根据模型碰撞信息进行模型路径规划；碰撞检测智能计算模块，用于根据定位与路径规划模块检测的模型当前位置和下一时刻模型位置，智能计算出模型在下一时刻的碰撞关系；可视化模块，用于根据模型各关节的运动参数和模型位置信息，将模型空间状态可视化，便于用户观察与判断；

所述碰撞反馈机构包括触杆、偏心机构、转轴和扭力传感器；所述触杆连接在偏心机构的一端，偏心机构固定连接在转轴上，转轴安装于全方位移动平台上，且至少在转轴一端设置有扭力传感器；

所述控制计算机，可以与系统软件平台和硬件的各个关节驱动器通信，进行数据/指令传输。

上述方案中，所述防碰撞系统实现防碰撞路径规划与碰撞反馈的方法步骤为：第一步，软件层面防碰撞路径规划：（1）建立并导入系统模型，设置模型关节初始参数；（2）模型参数检测模块检测系统模型中各个关节上伺服电机的编码器输出，并根据编码器输出值计算出模型各关节当前的运动参数，包括速度、加速度等，并反馈给控制计算机；（3）定位与路径规划模块检测模型在运动空间的当前位置，可视化模块将模型空间位置状态可视化，同时定位与路径规划模块根据模型运动参数计算出下一时刻模型位置，将当前位置信息与下一时刻位置信息反馈给控制计算机；（4）碰撞检测智能计算模块根据系统模型的当前位置和下一时刻模型位置，智能计算出模型在下一时刻的碰撞关系，并将此信息反馈给定位与路径规划模块与控制计算机；（5）定位与路径规划模块根据碰撞关系进行系统模型运动路径的实时修改与规划，并将此数据反馈于控制计算机；（6）控制计算机根据实时修改与规划的路径控制模型中各个关节上伺服电机的转速，以执行防碰撞路径；第二步，机电层面碰撞检测反馈：触杆受碰撞回弹，通过偏心机构带动转轴旋转，转轴端部的扭力传感器检测到扭力变化，反馈于控制计算机，控制计算机控制报警装置报警，并控制移动平台停止移动。

上述方案中，所述偏心机构为连杆机构，连杆一端与触杆连接，一端固定连接在转轴上。

上述方案中，所述偏心机构为偏心轮机构，触杆一端偏心铰接在偏心轮端面，偏心轮固定安装在转轴上。

上述方案中，所述偏心机构为曲轴机构，触杆与曲轴机构凹形段部分连接，曲轴机构两端固定连接在转轴上。

上述方案中，为了提高可靠性，同时满足触杆复位功能，在转轴两端均设置有卷簧和扭力传感器，卷簧具有复位功能，在碰撞力消失后可以将触杆复位。

上述方案中，为了提高安全性，所述触杆长度满足使触杆前端伸出全方位移动平台边缘至少2mm的距离，便于在移动平台机体碰撞之前预知碰撞可能性，以降低实际移动平台发生碰撞的概率。

上述方案中，所述具有公转和自转机构的影像系统由L旋转臂、C型旋转臂和X线影像设备组成，所述L旋转臂安装在全方位移动平台上，C型旋转臂安装在L旋转臂末端，所述X射线影像设备包括一套高压发生器、X线球管和X线平板探测器，X射线影像设备均安装在C型旋转臂内环；其中公转是L旋转臂绕x轴进行旋转，自转是C型旋转臂绕Y轴进行旋转，通过公转和自转的配合可以实现影像系统绕等中心点的旋转。

上述方案中，进一步包括数控治疗床，辅助导管设备、消融设备和输液附属设备等；治疗床用于支撑患者，辅助导管设备、消融设备和输液附属设备等用于辅助具有防碰撞功能的移动式机器人手术系统进行外科手术。

本发明中所述各个关节是指机器人手术系统中各个活动部件的每一个驱动部分，如每个麦克纳姆轮的驱动部分，C型旋转臂的驱动部分，L旋转臂的驱动部分等。

本发明所述方案的有益效果在于：1）采用全方位移动平台由移动承载具有公转和自转机构的影像系统，可以使得影像系统实现室内的全方位移动，能够方便的实现移动式介入诊断或者辅助治疗；2）防碰撞仿真平台因可以根据每个关节的运动参数来规划路径，因此其防碰撞的覆盖范围较大，可以实现系统整体性上的防碰撞；3）防碰撞反馈机构巧妙地采用触杆与偏心机构的组合，触杆可以在移动平台机体与外部设备/物体发生碰撞前先碰撞，等同于设置了移动平台机体碰撞的安全阈值，可以降低碰撞概率，提高安全性；4）防碰撞系统由防碰撞仿真平台与碰撞反馈机构组成，构成了两级防碰撞机制，一层是基于软件规划与防碰撞，一层是基于机电结构与控制技术进行防碰撞检测。

附图说明

图1是本发明所述的方案示意图。

图2是本发明所述的碰撞反馈机构的一种结构示意图，描述了其偏心机构为偏心轮机构。

图3是本发明所述的碰撞反馈机构的另一种结构示意图，描述了其偏心机构为曲轴机构。

图4是本发明所述的具有公转和自转机构的影像系统的结构示意图。

图5是本发明所述的一种实施例示意图。

附图中，各数字代表的含义为：

1：移动平台机身；2：麦克纳母轮；3：L旋转臂；4：C型旋转臂；5：高压发生器；6：X线球管；7：X线平板探测器；8：触杆；9：偏心轮；10：转轴；11：卷簧；12：扭力传感器；13：曲轴结构；14：治疗床。

具体实施例

下面结合附图及实施例进一步详述本发明，但本发明不仅限于所述实施例。

实施例一

本实施例的总体结构如图1所示，一种具有防碰撞功能的移动式机器人手术系统，包括：全方位移动平台，具有公转和自转机构的影像系统，防碰撞系统与控制计算机。所述全方位移动平台由移动平台机身1和4个麦克纳母轮2组成，其中4个麦克纳母轮2的分为两排，平行安放，同一排的麦克纳母轮2分别安装在移动平台机身1的两端；所述具有公转和自转机构的影像系统如图4所示，由L旋转臂3、C型旋转臂4和X线影像设备组成，所述L旋转臂3安装在全方位移动平台1上，C型旋转臂4安装在L旋转臂3末端，所述X射线影像设备包括一套高压发生器5、X线球管6和X线平板探测器7，X射线影像设备均安装在C型旋转臂4内环；其中公转是L旋转臂3绕x轴进行旋转，自转是C型旋转臂4绕Y轴进行旋转，通过公转和自转的配合可以实现影像系统绕等中心点的旋转。

所述防碰撞系统由防碰撞仿真平台与碰撞反馈机构组成；所述防碰撞仿真平台包括模型运动参数检测模块、碰撞检测智能计算模块、定位与路径规划模块和可视化模块；模型参数检测模块用于检测系统模型中各个关节上伺服电机的编码器输出，并根据编码器输出值计算出模型各关节当前的运动参数，包括速度、加速度等；定位与路径规划模块，用于检测模型在运动空间的当前位置，并根据模型运动参数计算出下一时刻模型位置，同时根据模型碰撞信息进行模型路径规划；碰撞检测智能计算模块，用于根据定位与路径规划模块检测的模型当前位置和下一时刻模型位置，智能计算出模型在下一时刻的碰撞关系；可视化模块，用于根据模型各关节的运动参数和模型位置信息，将模型空间状态可视化，便于用户观察与判断。

本实施例所述碰撞反馈机构如图2所示，包括触杆8、偏心轮9、转轴10、卷簧11和扭力传感器12；所述触杆8一端偏心铰接在偏心轮9端面，偏心轮9固定安装在转轴10上，转轴10安装于全方位移动平台上，且在转轴两端均设置有卷簧11和扭力传感器12；卷簧11具有复位功能，在碰撞力消失后可以将触杆8复位；而为了提高安全性，所述触杆8前端伸出全方位移动平台边缘5mm的距离，等同于给全方位移动平台设置了5mm硬碰撞的安全阈值，便于在移动平台机体碰撞之前预知碰撞可能性，以降低实际移动平台发生碰撞的概率。

本实施例所述控制计算机，可以与系统软件平台和硬件的各个关节驱动器通信，进行数据/指令传输。

本实施例中，所述防碰撞系统实现防碰撞路径规划与碰撞反馈的方法步骤为：第一步，软件层面防碰撞路径规划：（1）建立并导入系统模型，设置模型关节初始参数；（2）模型参数检测模块检测系统模型中各个关节上伺服电机的编码器输出，并根据编码器输出值计算出模型各关节当前的运动参数，包括速度、加速度等，并反馈给控制计算机；（3）定位与路径规划模块检测模型在运动空间的当前位置，可视化模块将模型空间位置状态可视化，同时定位与路径规划模块根据模型运动参数计算出下一时刻模型位置，将当前位置信息与下一时刻位置信息反馈给控制计算机；（4）碰撞检测智能计算模块根据系统模型的当前位置和下一时刻模型位置，智能计算出模型在下一时刻的碰撞关系，并将此信息反馈给定位与路径规划模块与控制计算机；（5）定位与路径规划模块根据碰撞关系进行系统模型运动路径的实时修改与规划，并将此数据反馈于控制计算机，（6）控制计算机根据实时修改与规划的路径控制模型中各个关节上伺服电机的转速，以实现防碰撞路径规划。第二步，机电层面碰撞检测反馈：触杆受碰撞回弹，通过偏心轮机构带动转轴旋转，转轴端部的扭力传感器检测到扭力变化，反馈于控制计算机，控制计算机控制报警装置报警，并控制移动平台停止移动。

本实施例所述方案，其特点在于：1）采用全方位移动平台由移动承载具有公转和自转机构的影像系统，可以使得影像系统实现室内的全方位移动，能够方便的实现移动式介入诊断或者辅助治疗；2）防碰撞仿真平台因可以根据每个关节的运动参数来规划路径，因此其防碰撞的覆盖范围较大，可以实现系统整体性上的防碰撞；3）防碰撞反馈机构巧妙地采用触杆与偏心轮机构的偏心组合，触杆可以在移动平台机体与外部设备/物体发生碰撞前先碰撞，等同于设置了移动平台机体碰撞的安全阈值，可以降低碰撞概率，提高安全性；4）防碰撞系统由防碰撞仿真平台与碰撞反馈机构组成，构成了两级防碰撞机制，一层是基于软件规划与防碰撞，一层是基于机电结构与控制技术进行防碰撞检测，提高了可靠性与安全性。

实施例二

本实施例除碰撞反馈机构采用的是如图3所示的曲轴结构13外，其他结构均同实施例一。

实施例三

本实施例如图5所示，进一步包括数控治疗床14，辅助导管设备、消融设备和输液附属设备等；治疗床14用于支撑患者，辅助导管设备、消融设备和输液附属设备等用于辅助具防碰撞功能的移动式机器人手术系统进行外科手术。其余结构同实施例一。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在分发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有防碰撞功能的移动式机器人手术系统，包括：全方位移动平台，具有公转和自转机构的影像系统，防碰撞系统和控制计算机；其特征在于：

所述全方位移动平台由移动平台机身（1）和一组麦克纳母轮（2）组成，一组麦克纳母轮（2）分为两排，平行安放，同一排的麦克纳母轮（2）分别安装在移动平台机身（1）的两端；

所述具有公转和自转机构的影像系统安装在全方位移动平台上，其中公转是绕x轴进行旋转，自转是绕y轴进行旋转，通过公转和自转的配合可以实现影像系统绕等中心点的旋转；

所述防碰撞系统由防碰撞仿真平台与碰撞反馈机构组成；

所述防碰撞仿真平台包括模型运动参数检测模块、定位与路径规划模块、碰撞检测智能计算模块和可视化模块；模型参数检测模块用于检测系统模型中各个关节上伺服电机的编码器输出，并根据编码器输出值计算出模型各关节当前的运动参数，包括速度、加速度等；定位与路径规划模块，用于检测模型在运动空间的当前位置，并根据模型运动参数计算出下一时刻模型位置，同时根据模型碰撞信息进行模型路径规划；碰撞检测智能计算模块，用于根据模型当前位置和下一时刻模型位置，智能计算出模型在下一时刻的碰撞关系，预测模型碰撞信息；可视化模块，用于根据模型各关节的运动参数和模型位置信息，将模型空间状态可视化，便于用户观察与判断；

所述碰撞反馈机构包括触杆（8）、偏心机构、转轴（10）和扭力传感器（11）；所述触杆（8）连接在偏心机构的一端，偏心机构固定连接在转轴（10）上，转轴（10）安装于全方位移动平台上，且至少在转轴（10）一端设置有扭力传感器（11）；

所述控制计算机，用于与系统软件平台和硬件的各个关节驱动器通信，进行数据/指令传输。

2.如权利要求1所述的一种具有防碰撞功能的移动式机器人手术系统，其特征在于：所述防碰撞系统实现防碰撞路径规划与碰撞反馈的方法步骤为：第一步，软件层面防碰撞路径规划：（1）建立并导入系统模型，设置模型关节初始参数；（2）模型参数检测模块检测系统模型中各个关节上伺服电机的编码器输出，并根据编码器输出值计算出模型各关节当前的运动参数，包括速度、加速度等，并反馈给控制计算机；（3）定位与路径规划模块检测模型在运动空间的当前位置，可视化模块将模型空间位置状态可视化，同时定位与路径规划模块根据模型运动参数计算出下一时刻模型位置，将当前位置信息与下一时刻位置信息反馈给控制计算机；（4）碰撞检测智能计算模块根据系统模型的当前位置和下一时刻模型位置，智能计算出模型在下一时刻的碰撞关系，并将此信息反馈给定位与路径规划模块与控制计算机；（5）定位与路径规划模块根据碰撞关系进行系统模型运动路径的实时修改与规划，并将此数据反馈于控制计算机；（6）控制计算机根据实时修改与规划的路径控制模型中各个关节上伺服电机的转速，以执行防碰撞路径；第二步，机电层面碰撞检测反馈：触杆受碰撞回弹，通过偏心机构带动转轴旋转，转轴端部的扭力传感器检测到扭力变化，反馈于控制计算机，控制计算机控制报警装置报警，并控制移动平台停止移动。

3.如权利要求1所述的一种具有防碰撞功能的移动式机器人手术系统，其特征在于：所述偏心机构为连杆机构，连杆一端与触杆连接，一端固定连接在转轴上。

4.如权利要求1所述的一种具有防碰撞功能的移动式机器人手术系统，其特征在于：所述偏心机构为偏心轮机构（9），触杆一端偏心铰接在偏心轮端面，偏心轮固定安装在转轴上。

5.如权利要求1所述的一种具有防碰撞功能的移动式机器人手术系统，其特征在于：所述偏心机构为曲轴机构（13），触杆（8）与曲轴机构（13）凹形段部分连接，曲轴机构（13）两端固定连接在转轴上。

6.如权利要求1所述的一种具有防碰撞功能的移动式机器人手术系统，其特征在于：在转轴（10）两端均设置有卷簧和扭力传感器（11）。

7.如权利要求1所述的一种具有防碰撞功能的移动式机器人手术系统，其特征在于：所述触杆（8）长度满足使触杆（8）前端伸出全方位移动平台边缘至少2mm的距离。

8.如权利要求1所述的一种具有防碰撞功能的移动式机器人手术系统，其特征在于：所述具有公转和自转机构的影像系统由L旋转臂（3）、C型旋转臂（4）和X线影像设备组成，所述L旋转臂（3）安装在全方位移动平台上，C型旋转臂（4）安装在L旋转臂（3）末端，所述X射线影像设备包括一套高压发生器（5）、X线球管（6）和X线平板探测器（7），X射线影像设备均安装在C型旋转臂（4）内环；其中公转是L旋转臂（3）绕x轴进行旋转，自转是C型旋转臂（4）绕Y轴进行旋转，通过公转和自转的配合可以实现影像系统绕等中心点的旋转。

9.如权利要求1所述的一种具有防碰撞功能的移动式机器人手术系统，其特征在于：进一步包括数控治疗床，辅助导管设备、消融设备和输液附属设备等；治疗床用于支撑患者，辅助导管设备、消融设备和输液附属设备等用于辅助机器人手术系统进行外科手术。