CN108420538B - 手术机器人系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种手术机器人系统，第一工具臂及第一手术器械用于牵拉人体组织器官，第二工具臂及第二手术器械用于对人体组织器官手术操作，控制单元包括一预设作用力值，控制单元对预设作用力值和人体组织器官对第一手术器械的笛卡尔作用力大小作比较，如果预设作用力值大于人体组织器官对第一手术器械的笛卡尔作用力，控制单元根据预设作用力值控制驱动装置驱动第一工具臂及第一手术器械，使第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小达到预设作用力值。由此，通过控制单元根据预设作用力值调整第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小，以使第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小达到预设作用力值，从而实现自主牵拉功能的效果。

Description

手术机器人系统
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种手术机器人系统。
背景技术
采用手术机器人系统来进行微创伤外科手术，不仅患者创伤小，术后恢复快，伤口感染小，同时降低医生操作难度和手术疲劳程度，并且医生有很强的沉浸感。
对于医生进行一例手术操作来说，首先要求手术操作时能准确地对病变组织进行切割、缝合等手术操作；其次，在手术过程中，医生要求对组织进行切除或者翻转时要有一个工具来牵拉组织，从而使得切割组织光滑、出血少、没有明显灼伤，以利于患者术后恢复；最后，在对需要手术的组织进行切除或者翻转操作时，对组织进行牵拉的工具可以根据不同手术进展进行牵拉张力的调整。
专利文件CN106028994A中涉及到的手术机器人系统具有四条操作臂进行手术操作，而该系统的第四条操作臂只能实现对组织固定位置的牵拉操作。因此在手术过程中不能跟踪病变组织的手术操作，使得组织在切割过程中切割面粗糙、出血较多、灼伤痕迹明显；这种手术功能延长了患者组织愈合时间，增加患者的恢复时间和手术费用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种手术机器人系统，以解决现有技术中的手术机器人系统不能进行自主牵拉操作的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种手术机器人系统，所述手术机器人系统包括执行端，所述执行端包括挂载第一手术器械的第一工具臂，挂载第二手术器械的第二工具臂，驱动所述第一工具臂、第一手术器械、第二工具臂及第二手术器械运动的驱动装置以及与所述驱动装置通信连接的控制单元，
所述第一工具臂及第一手术器械用于牵拉人体组织器官；
所述第二工具臂及第二手术器械用于对人体组织器官手术操作；
所述控制单元包括一预设作用力值，所述控制单元对所述预设作用力值和人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力大小作比较，如果所述预设作用力值大于所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力，所述控制单元根据所述预设作用力值控制所述驱动装置驱动所述第一工具臂及所述第一手术器械，使所述第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值。
可选的，在所述的手术机器人系统中，所述控制单元还包括一预设作用点，如果所述预设作用力值大于所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力，所述控制单元以所述预设作用点指向所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力作用点的方向作为预设作用力方向，并根据所述预设作用力值控制所述驱动装置驱动所述第一工具臂及所述第一手术器械，使所述第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值。
可选的，在所述的手术机器人系统中，所述预设作用点为所述第二手术器械初始作用于人体组织器官的位置，或者，
所述预设作用点为所述第二手术器械当前作用于人体组织器官的位置。
可选的，在所述的手术机器人系统中，所述执行端还包括挂载有第三手术器械的第三工具臂，所述第三工具臂及第三手术器械用于夹持人体组织器官，所述预设作用点为所述第三手术器械作用于人体组织器官的位置。
可选的，在所述的手术机器人系统中，所述执行端还包括与所述控制单元通信连接的力传感器，所述力传感器用于检测所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力。
可选的，在所述的手术机器人系统中，所述第二手术器械开始对人体组织器官手术操作时，所述控制单元获取人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力，并对所述预设作用力值和人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力大小作比较，或者，
所述第二手术器械开始对人体组织器官手术操作时，所述控制单元对所述预设作用力值和人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力大小作比较。
可选的，在所述的手术机器人系统中，所述控制单元还包括一预设的力阈值，
所述控制单元获取所述第二手术器械受到的笛卡尔作用力，并对所述第二手术器械受到的笛卡尔作用力与所述力阈值比较，如果所述第二手术器械受到的笛卡尔作用力大于所述力阈值，则所述控制单元判定所述第二手术器械开始对人体组织器官进行手术操作；或者，
所述控制单元获取所述第二手术器械受到的笛卡尔作用力，并对前后两次获取的所述第二手术器械受到的笛卡尔作用力的差值与所述力阈值做比较，如果前后两次获取的所述第二手术器械受到的笛卡尔作用力的差值大于所述力阈值，则所述控制单元判定所述第二手术器械开始对人体组织器官进行手术操作。
可选的，在所述的手术机器人系统中，所述执行端还包括与所述控制单元通信连接的位置传感器，所述位置传感器用于检测所述第一工具臂和/或第一手术器械的位置信息，
所述控制单元根据所述位置传感器获取的位置信息，获得所述第一手术器械的笛卡尔作用力作用点位置。
可选的，在所述的手术机器人系统中，所述执行端还包括与所述控制单元通信连接的位置传感器，所述位置传感器用于检测所述第二工具臂和/或第二手术器械的位置信息
所述控制单元根据所述位置传感器获取的位置信息，获得所述第二手术器械作用于人体组织器官的位置。
可选的，在所述的手术机器人系统中，所述执行端还包括挂载有第三手术器械的第三工具臂，所述第三手术器械及第三工具臂用于牵拉人体组织器官，
所述预设作用点包括第一预设作用点和第二预设作用点；
如果所述预设作用力值大于所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力，所述控制单元以所述第一预设作用点指向所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力作用点的方向作为预设作用力方向，并根据所述预设作用力值控制所述驱动装置驱动所述第一工具臂及第一手术器械，使所述第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值；
所述控制单元对所述预设作用力值和人体组织器官对所述第三手术器械的笛卡尔作用力大小作比较，如果所述预设作用力值大于所述人体组织器官对所述第三手术器械的笛卡尔作用力，所述控制单元以所述第二预设作用点指向所述人体组织器官对所述第三手术器械的笛卡尔作用力作用点的方向作为预设作用力方向，并根据所述预设作用力值控制所述驱动装置驱动所述第三工具臂及第三手术器械，使所述第三手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值；
所述第一预设作用点为所述第三手术器械作用于人体组织器官的位置，所述第二预设作用点为所述第一手术器械作用于人体组织器官的位置。
可选的，在所述的手术机器人系统中，所述执行端还包括与所述控制单元通信连接的力矩传感器，所述第一工具臂包括多个第一工具臂关节，所述第一手术器械包括多个第一手术器械关节，所述力矩传感器设置于所述第一工具臂的第一工具臂关节及第一手术器械关节，以检测在静态下由于形变引起的每个所述第一工具臂关节及第一手术器械关节受到的力矩；
所述控制单元还包括一预设作用力方向，并根据预设作用力通过力矩传感器获得每个第一工具臂关节及第一手术器械关节受到的初始力矩，
所述控制单元获取每个所述第一工具臂关节及第一手术器械关节受到的当前力矩，并根据所述初始力矩，得到每个第一工具臂关节及第一手术器械关节的力矩增量，进而获得每个第一工具臂关节及第一手术器械关节的指令力矩，并以指令力矩控制驱动装置驱动第一工具臂关节及第一手术器械关节，使所述第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值。
可选的，在所述的手术机器人系统中，所述执行端还包括一容忍值，以及与所述控制单元通信连接的位置传感器，所述位置传感器用于检测每个第一工具臂关节及第一手术器械关节的位置；
所述控制单元根据每个第一工具臂关节及第一手术器械关节的力矩增量以及每个第一工具臂关节及第一手术器械关节的控制刚度，获得每个第一工具臂关节及第一手术器械关节的位置增量，进而根据每个第一工具臂关节及第一手术器械关节的当前位置获得每个第一工具臂关节及第一手术器械关节的指令位置，以得到在指令位置下的雅克比矩阵；
所述控制单元根据所述在指令位置下的雅克比矩阵，每个第一工具臂关节及第一手术器械关节的指令力矩，获得在指令位置下所述第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力；
所述控制单元比较在指令位置下所述第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力的大小与预设作用力的大小，如果在指令位置下第一手术器械的笛卡尔力的大小与预设作用力的大小的差值大于所述容忍值，则所述控制单元调整所述第一工具臂关节及第一手术器械关节的力矩增量，以使在指令位置下所述第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小与预设作用力的大小的差值小于所述容忍值。
可选的，在所述的手术机器人系统中，所述执行端还包括挂载内窥镜的图像臂，所述预设作用力值通过所述图像臂观察受牵拉的人体组织器官的状态来确定。
可选的，在所述的手术机器人系统中，所述机器人系统还包括控制端，所述控制端包括主操作手，所述主操作手用于控制所述第一工具臂及第一手术器械运动，并接收所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力，所述预设作用力值根据医生通过主操作手接收到的所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力来确定。
在本发明提供的手术机器人系统中，所述第一工具臂及第一手术器械用于牵拉人体组织器官，所述第二工具臂及第二手术器械用于对人体组织器官手术操作，所述控制单元包括一预设作用力值，所述控制单元对所述预设作用力值和人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力大小作比较，如果所述预设作用力值大于所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力，所述控制单元根据所述预设作用力值控制所述驱动装置驱动所述第一工具臂及所述第一手术器械，使所述第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值，由此，通过所述控制单元根据预设作用力值调整所述第一工具臂以及第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小，以使所述第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值，从而实现手术机器人系统的自主牵拉功能的效果。
附图说明
图1是本发明实施例的手术机器人系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例中一条工具臂及手术器械进行牵拉操作的受力状态示意图；
图3是本发明一实施例中一条工具臂及手术器械进行牵拉操作的另一受力状态示意图；
图4是本发明另一实施例中两条工具臂及手术器械进行牵拉操作的受力状态示意图；
其中，
10-图像车；11-侧手推车；12-手术台车；13-工具车；20-医生控制台；21-立体显示装置；30-医生；40-人体组织器官；110-图像臂；111-内窥镜；112-工具臂；112a-第一工具臂；112b-第二工具臂；112c-第三工具臂；113-手术器械；113a-第一手术器械；113b-第二手术器械；113c-第三手术器械。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的手术机器人系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
本发明提供一种手术机器人系统，所述手术机器人系统包括执行端，所述执行端包括挂载第一手术器械的第一工具臂，挂载第二手术器械的第二工具臂，驱动所述第一工具臂、第一手术器械、第二工具臂及第二手术器械运动的驱动装置以及与所述驱动装置通信连接的控制单元，所述第一工具臂及第一手术器械用于牵拉人体组织器官；所述第二工具臂及第二手术器械用于对人体组织器官手术操作；所述控制单元包括一预设作用力值，所述控制单元对所述预设作用力值和人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力大小作比较，如果所述预设作用力值大于所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力，所述控制单元根据所述预设作用力值控制所述驱动装置驱动所述第一工具臂及第一手术器械，使所述第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值。
实施例一
图1所示为一手术机器人系统实施例的结构视图。在图1所示的实施例中，所述的手术机器人系统包括执行端和控制端。所述执行端可包括图像车10、侧手推车11、手术台车12和工具车13，所述控制端包括医生控制台20。所述手术机器人系统主要用途是对所述手术台车12上的患者进行微创伤手术治疗。
在本实施例中，所述侧手推车11包括至少一个图像臂110，所述图像臂110挂载有内窥镜111，例如3D腹腔镜。所述内窥镜111用于获取人体组织器官、手术器械以及手术环境信息。
在本实施例中，所述侧手推车11还包括3个工具臂112，即第一工具臂112a、第二工具臂112b和第三工具臂112c。每个工具臂112分别挂载有手术器械113，即第一工具臂112a挂载第一手术器械113a、第二工具臂112b挂载第二手术器械113b和第三工具臂112c挂载第三手术器械113c。内窥镜111、手术器械113通过患者身体上的创口进入病患位置。
请继续参考图1，在本申请实施例中，所述医生控制台20包括主操作手(又称主手，图中未显示)。所述主操作手与所述执行端中的工具臂112构成主从控制关系。具体的，所述工具臂112在手术过程中是根据主操作手的运动而运动，即根据医生手部的操作而运动。进一步，所述主操作手还接受人体组织器官对所述手术器械的作用力信息并反馈至医生手部，以使医生能够更加直观的感受手术操作。所述医生控制台20还包括显示装置21。外科医生30能够通过医生控制台20内的显示装置21(可以是二维显示器或者三维显示器)，可观察到患者内部的情况以及手术器械113末端的运动状态。
在本实施例中，所述第一工具臂112a及第一手术器械113a用于牵拉人体组织器官，所述第二工具臂112b及第二手术器械113b用于执行常规的手术操作(包括组织切割、缝合、剥离等)，所述第三工具臂112c及第三手术器械113c用于夹持所述人体组织器官。本领域技术人员应理解，所述第一工具臂112a及第一手术器械113a，所述第三工具臂112c及第三手术器械113c也可以用于执行常规的手术操作(包括组织切割、缝合、剥离等)，所述第二工具臂112b及第二手术器械113b也可以用于牵拉或者夹持人体组织器官，所述第三工具臂112c及第三手术器械113c还可以用于牵拉人体组织器官。在本申请的其他实施例中，所述侧手推车11也可以仅包括两条工具臂112，或者包括更多条工具臂112，例如包括四条工具臂112或者五条工具臂112等。
在本申请实施例中，对于三条所述工具臂而言，还可以是所述第一工具臂112a及第一手术器械113a用于夹持人体组织器官，所述第二工具臂112b及第二手术器械113b用于执行常规的手术操作(包括组织切割、缝合、剥离等)，所述第三工具臂112c及第三手术器械113c用于牵拉所述人体组织器官；又可以是，第一工具臂112a及第一手术器械113a，或者，第三工具臂112c及第三手术器械113c用于常规的手术操作，其余两个工具臂及相应的手术器械中一个用于夹持，一个用于牵拉。此外，在本申请实施例中，还可以是一条工具臂及相应的手术器械用于牵拉操作，另外一条工具臂及相应的手术器械用于手术操作，第三条工具臂及相应的手术器械处于闲置状态。
在本实施例中，所述第二工具臂112b及第二手术器械113b可以对人体组织器官40进行切割操作，所述第一工具臂112a及第一手术器械113a用于牵拉人体组织器官。由于第一工具臂112a及第一手术器械113a的存在，使得人体组织器官40比较容易的产生表面张力和内部张力，形如图2虚线所示。人体组织器官40的表面张力使得在手术进行中，保证了所述第二手术器械113b的作用点时刻处于“外张”状态，人体组织器官40的内部张力则保证在组织切割时的“持续张力”状态。然而，随着切割操作的进行，所述第二手术器械113b作用于人体组织器官40的作用点将随之变化，所述人体组织器官40对所述第一手术器械113a的笛卡尔作用力也将发生变化。如果不对第一工具臂112a及第一手术器械113a调整，所述第一手术器械113a对人体组织器官40的牵拉作用力大小小于所述预设作用力值，进而使得所述人体组织器官40不能处于绷紧状态。
在本申请实施例中，所述控制单元接收得到所述第一手术器械113a受到的笛卡尔力，并根据所述预设作用力值判断是否需要调整所述第一工具臂112a以及第一手术器械113a，使所述第一手术器械113a对人体组织器官40的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值，便可实现所述人体组织器官40一直处于绷紧状态，实现手术机器人系统的自主牵拉功能的效果。
具体而言，在本申请实施例中，所述执行端还包括与所述控制单元通信连接的力传感器(图中未示出)，所述力传感器设置于所述第一手术器械113a末端，以检测所述人体组织器官40对所述第一手术器械113a的笛卡尔作用力。
所述控制单元将从力传感器处获得的笛卡尔作用力的大小和所述预设作用力值作比较，若所述预设作用力值大于所述笛卡尔作用力，则说明所述人体组织器官40处于非绷紧状态，所述控制单元便可以所述预设作用点指向所述人体组织器官40对所述第一手术器械113a的笛卡尔作用力作用点的方向作为预设作用力方向，并根据所述预设作用力值控制所述驱动装置驱动所述第一工具臂112a及第一手术器械113a，从而使所述第一手术器械113a对人体组织器官40的牵拉作用力达到所述预设作用力。即，使得处于非绷紧状态的所述人体组织器官40再次处于绷紧状态，从而也就实现了自主牵拉功能的效果。
本实施例对所述控制单元控制所述驱动装置驱动所述第一工具臂112a以及第一手术器械113a，以实现所述第一手术器械113a对人体组织器官40的牵拉作用力达到所述预设作用力的具体方法没有特别的限制。在一个优选实施例中，所述第一工具臂112a包括n个第一工具臂关节(图中未示出)，所述驱动装置作用于每个第一工具臂关节。所述第一手术器械113a包括m个第一手术器械关节(图中未示出)，所述驱动装置还作用于每个第一手术器械关节。所述控制单元通过如下公式，根据所述第一手术器械113a预期受到的人体组织器官40的笛卡尔作用力FB(大小与预设作用力大小相等，方向与预设作用力方向相反)，获得每个第一工具臂关节及第一手术器械关节受到的力矩，亦即获得驱动装置驱动第一工具臂关节及第一手术器械关节所需要输出的力矩：
Figure BDA0001644551370000101
其中，FB表示第一手术器械113a预期受到人体组织器官40的笛卡尔作用力，n表示第一工具臂112a上的第一工具臂关节的数量，τi表示第一工具臂112a上的第i个第一工具臂关节受到的力矩，m表示第一手术器械113a的第一手术器械关节的数量，τ'j表示第一手术器械113a第j个第一手术器械关节受到的力矩，J表示第一工具臂112a以及第一手术器械113a当前位置的运动学雅克比矩阵，也即手术器械末端的笛卡尔空间位置关系相对于关节空间角度的偏导矩阵。
在本申请的其他实施例中，所述第二手术器械113b和所述第三手术器械113c末端也可以设置有所述力传感器，以便于所述第二手术器械113b和所述第三手术器械113c用于牵拉人体组织器官40时，检测所述人体组织器官40对相应所述手术器械的笛卡尔作用力。
在一个优选实施例中，当第二手术器械113b对人体组织器官40开始进行手术操作时，所述控制单元接收所述第一手术器械113a受到的笛卡尔作用力，或者，所述控制单元接收所述第一手术器械113a受到的笛卡尔作用力，在第二工具臂112b对人体组织器官40开始进行手术操作时，所述控制单元将所述预设作用力值与所述第一手术器械113a受到的笛卡尔作用力大小做比较。本发明对如何判断第二手术器械113b是否对人体组织器官40开始进行手术操作的方法没有特别的限制。在一个优选实施例中，所述第二手术器械113b末端设有与控制单元通信连接的力传感器，所述控制单元根据所述力传感器获取所述第二手术器械113b受到的笛卡尔作用力。如果第二手术器械113b受到的笛卡尔作用力超过一预设的力阈值，则认为第二手术器械113b对人体组织器官40开始进行手术操作。又或者，所述控制单元对前后两次获取的所述第二手术器械113b受到的笛卡尔作用力的差值与所述力阈值做比较，如果前后两次所述第二手术器械113b受到的笛卡尔作用力的差值大于所述力阈值，则所述控制单元判定所述第二手术器械113b开始对人体组织器官进行手术操作。
参考图1和图2，在本申请实施例中，所述预设作用点为所述第二手术器械113b初始作用于人体组织器官40的作用点。其中，本发明对于所述第二手术器械113b初始作用于人体组织器官40的作用点的位置，所述人体组织器官40对所述第一手术器械113a的笛卡尔作用力作用点的位置的获取方法没有特别的限制。在一个实施例中，所述执行端还包括与所述控制单元通信连接的位置传感器，所述位置传感器用于检测第一工具臂112a和/或第一手术器械113a的位置信息。优选，所述位置传感器包括光学靶镜系统，将所述光学靶镜置于工具臂上，利用光学跟踪仪测量光学靶镜的位置和欧拉角，获得光学靶镜在基坐标下的位姿，再根据手术器械在光学靶镜坐标系下的位姿，进而获得手术器械在基坐标系下的位姿。具体可以参见专利申请CN 105232155A。优选，所述位置传感器包括角度传感器，所述角度传感器可以检测所述第一工具臂112a、第二工具臂112b、第一手术器械113a、第二手术器械113b的各个关节的位置；通过正运动学(例如，DH法)的计算，分别得到作用点(即第一手术器械末端、第二手术器械末端)在空间中(基坐标系下)的笛卡尔位置。(图2中虚线部分表示所述人体组织器官40当前的状态，实线部分表示所述人体组织器官40初始状态。)如图3所示，所述预设作用点的位置还可以根据所述第二手术器械113b当前作用于人体组织器官40的作用点的位置，即所述第二手术器械113b末端的当前位置确定。此时预设作用力方向为从所述第二手术器械113b对所述人体组织器官40进行手术操作的当前位置指向所述第一手术器械113a牵拉所述人体组织器官40的作用点位置。如果执行端还包括用于夹持人体组织器官第三工具臂112c及第三手术器械113c，所述预设作用点还可以为所述第三手术器械113c作用于人体组织器官的作用点。
在本实施例中，所述预设作用力值通过所述内窥镜111观察受牵拉的人体组织器官的状态来确定。在手术操作前或者手术机器人系统没有开启自主牵拉功能时，医生通过工具臂及手术器械牵拉人体组织器官40，并根据观察到受牵拉的人体组织器官的绷紧状态来确定一所述预设作用力值。或者，所述预设作用力值还可以是医生根据手术类型、组织器官类型以及患者的性别年龄等多个手术因素，综合判断得出的一经验值。
进一步的，所述医生控制台20还包括自主牵拉锁定开关，可以通知所述控制单元开启与关闭机器人系统的自主牵拉功能。其中，在设置所述预设作用力值之前，所述医生控制台20可以通过所述自主牵拉锁定开关通知所述控制单元关闭机器人系统的自主牵拉功能，此时所述控制单元不获取第一手术器械113a收到的笛卡尔作用力，或者获取第一手术器械113a收到的笛卡尔作用力，但不比较第一手术器械113a收到的笛卡尔作用力与预设作用力，或者比较第一手术器械113a收到的笛卡尔作用力与预设作用力，但不控制驱动装置输出；在设置所述预设作用力值之后，所述医生控制台20可以通过所述自主牵拉锁定开关通知所述控制单元开启机器人系统的自主牵拉功能，使所述第一手术器械113a对人体组织器官的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值。
由此，在本实施例中，所述控制单元获知所述第一手术器械113a的笛卡尔作用力并保证病变组织处于一种恒定的合理张力状态，保证病变组织张力的可持续性；在第二手术器械113b进行手术操作时使用很小的操作动作就可以完成组织的手术操作，并且切口呈现光滑状态，并且切口出血较少；特别地，在对于比较厚实的组织，例如肾，进行手术操作时，变得更加容易。
实施例二
接着请参考图1和图4，与上述实施例区别在于，在本申请的另一实施例中，所述第三工具臂112c及第三手术器械113c也用于牵拉所述人体组织器官40，所述控制单元还对所述预设作用力值和人体组织器官40对所述第三手术器械113c的笛卡尔作用力大小作比较。如果所述预设作用力值大于所述人体组织器官40对所述第三手术器械113c的笛卡尔作用力大小，则所述控制单元以所述预设作用点指向所述人体组织器官对所述第三手术器械113c的笛卡尔作用力作用点的方向作为所述预设作用力方向，并根据所述预设作用力值控制所述驱动装置驱动所述第三工具臂112c及第三手术器械113c的各个关节，使所述第三手术器械113c对人体组织器官40的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值。
对于两条工具臂及手术器械用于牵拉所述人体组织器官40的情况，可以通过所述第一手术器械113a和所述第三手术器械113c末端均设置有力传感器，以分别检测所述人体组织器官40对所述第一手术器械113a和所述第三手术器械113c的笛卡尔作用力，即得到所述第一手术器械113a和所述第三手术器械113c对于所述人体组织器官40的牵拉力。
接着，所述控制单元可以分别对所述预设作用力值和人体组织器官40对所述第一手术器械113a的笛卡尔作用力大小作比较，对所述预设作用力值和人体组织器官40对所述第三手术器械113c的笛卡尔作用力大小作比较，并在预设作用力值大的情况下，控制所述驱动装置驱动所述第一工具臂112a及第一手术器械113a，所述第三工具臂112c及第三手术器械113c，使所述第一手术器械113a对人体组织器官40的牵拉作用力大小以及所述第三手术器械113c对人体组织器官40的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值。
在本实施例中，所述预设作用力值可以是医生感受到主操作手对其施加的作用力来决定的。即在手术操作前或者手术系统处于非牵拉状态，医生通过手术器械牵拉人体组织器官40使其处于绷紧状态，此时主操作手接收人体组织器官40对手术器械的笛卡尔作用力，并反馈至医生。医生根据受力来确定所述预设作用力值。
若所述手术器械受到人体组织器官的笛卡尔作用力的大小小于所述预设作用力值，则说明所述人体组织器官40处于非绷紧状态，所述控制单元需要驱使所述第一工具臂112a以及第一手术器械113a、第三工具臂112c以及第三手术器械113c以调整第一手术器械113a、第三手术器械113c对人体组织器官40的作用力。如图4所示，在本实施例中，对第一工具臂112a及第一手术器械113a而言，所述预设作用点的位置根据所述第三工具臂112c所挂载的第三手术器械113c末端的位置决定，即预设作用力F1B方向为从所述第三手术器械113c牵拉所述人体组织器官40的作用点的位置指向所述第一手术器械113a牵拉所述人体组织器官40的作用点位置。对第三工具臂112c及第三手术器械113c而言，所述预设作用点的位置根据所述第一工具臂112a所挂载的第一手术器械113a末端的位置决定，即预设作用力F3B方向为从所述第一手术器械113a牵拉所述人体组织器官40的作用点的位置指向所述第三手术器械牵113c拉所述人体组织器官40的作用点位置。即所述预设作用点包括第一预设作用点和第二预设作用点，所述第一预设作用点为所述第三手术器械113c作用于人体组织器官的位置，所述第二预设作用点为所述第一手术器械113a作用于人体组织器官的位置。图4中虚线部分表示所述人体组织器官40当前的状态，实线部分表示所述人体组织器官40初始状态。与上述实施例类似，第三手术器械113c牵拉所述人体组织器官40的作用点的位置、所述第一手术器械113a牵拉所述人体组织器官40的作用点位置的获取方法不做限制，可以根据角度传感器检测的所述第一工具臂112a、第一手术器械113a、第三工具臂112c以及第三手术器械113c的各个关节位置，再通过正运动学(例如，DH法)的计算，分别得到作用点(第一手术器械末端、第三手术器械末端)在空间中(基坐标系下)的笛卡尔位置。
在获得对第一手术器械113a、第三手术器械113c的预设作用力方向后，所述控制单元根据所述预设作用力值、预设作用力方向根据上述的雅克比矩阵获得每个驱动装置需要输出的力矩，控制所述驱动装置驱动所述第一工具臂关节以及第一手术器械、第三工具臂关节以及第三手术器械，使所述第一手术器械113a、第三手术器械113c对人体组织器官40的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值。即使得处于非绷紧状态(非牵拉状态)的所述人体组织器官40再次处于绷紧状态(牵拉状态)，从而也就实现了自主牵拉功能的效果。
实施例三
与实施例一区别在于，在本实施例中，所述执行端还包括与所述控制单元通信连接的多个力矩传感器、位置传感器。所述第一工具臂112a包括n个第一工具臂关节(图中未示出)。所述第一手术器械包括m个第一手术器械关节(图中未示出)。所述力矩传感器用于检测在静态下由于形变引起的第一工具臂112a的每一第一工具臂关节、第一手术器械关节受到的力矩。所述位置传感器用于检测每一第一工具臂关节、每一第一手术器械关节的位置。
当医生判断组织处于合适的绷紧状态，据此确定预设作用力Fini并且锁定各个关节(由于第一工具臂关节、第一手术器械关节均要获取受到的力矩、位置信息，为了描述简便下面统称为关节)之后，此时第一机械臂112a、第一手术器械113a保持静止。此时安装在各个关节处的力矩传感器检测到笛卡尔作用力对于关节造成的形变而引起的力矩，即此时第i个关节的力矩传感器会有相应的读数τi_ini。
随着第二手术器械113b对组织进行剪切操作，必然造成组织处于松弛状态(非张紧状态)。此时，第i个关节的力矩传感器检测得到的当前力矩为τi。所述控制单元，据此得到第i个关节的力矩增量为Δτi＝ki*(τi_ini-τi)，其中，0＜ki≤1。
进一步，通过上述的力矩增量Δτi，所述控制单元可以得到第i个关节的指令力矩τi_cmd＝-(Δτi+τi)，负号表示方向相反。同时，由力矩增量Δτi，所述控制单元得到第i个关节的位置增量Δθi＝Δτi/kpi，其中kpi表示各个关节控制刚度。所述控制单元通过所述位置传感器检测得到的第i个关节当前位置θi，得到第i个关节指令位置θi_cmd＝θi+Δθi。根据每个关节的指令位置θi_cmd，所述控制单元通过运动学计算，得到第一工具臂112a以及第一手术器械113a在指令位置下的运动学雅克比矩阵Jcmd T，进一步获得在指令位置下所述第一手术器械113a对人体组织器官的牵拉作用力Fcmd。即
Figure BDA0001644551370000151
进一步，所述控制单元对所述第一手术器械113a对人体组织器官的牵拉作用力Fcmd的模与预设作用力Fini的模做比较，如果两者差的绝对值小于一定容忍值时，则所述控制单元以各个关节的指令力矩τi_cmd来通知驱动装置来调整各个关节；如果大于容忍值时，所述控制单元以重新调整系数ki'＝ki+j*(1-ki)/step，其中j＝1,...,step，step为步长，重新获取力矩增量Δτi＝ki'*(τi_ini-τi)，进而获得新的牵拉力，直至所述第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力Fcmd的模与预设作用力Fini的模两者之间的差值小于所述的容忍值。
综上可见，在本发明实施例提供的手术机器人系统中，第一工具臂及第一手术器械用于牵拉人体组织器官，第二工具臂及第二手术器械用于对人体组织器官手术操作，所述控制单元包括一预设作用力值，所述控制单元对所述预设作用力值和人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力大小作比较，如果所述预设作用力值大于所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力，所述控制单元根据所述预设作用力值控制所述驱动装置驱动所述第一工具臂及第一手术器械，使所述第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值。由此，通过所述控制单元根据预设作用力值调整所述第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小，以使所述第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值，从而实现手术机器人系统的自主牵拉功能的效果。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (11)

1.一种手术机器人系统，其特征在于，所述手术机器人系统包括执行端，所述执行端包括挂载第一手术器械的第一工具臂，挂载第二手术器械的第二工具臂，驱动所述第一工具臂、第一手术器械、第二工具臂及第二手术器械运动的驱动装置以及与所述驱动装置通信连接的控制单元，
所述第一工具臂及第一手术器械用于牵拉人体组织器官；
所述第二工具臂及第二手术器械用于对人体组织器官手术操作；
所述控制单元包括一预设作用力值，所述控制单元对所述预设作用力值和人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力大小作比较，如果所述预设作用力值大于所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力，所述控制单元根据所述预设作用力值控制所述驱动装置驱动所述第一工具臂及所述第一手术器械，使所述第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值；
所述控制单元还包括一预设作用点，如果所述预设作用力值大于所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力，所述控制单元以所述预设作用点指向所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力作用点的方向作为预设作用力方向，并根据所述预设作用力值控制所述驱动装置驱动所述第一工具臂及所述第一手术器械，使所述第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值。
2.如权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，所述预设作用点为所述第二手术器械初始作用于人体组织器官的位置，或者，
所述预设作用点为所述第二手术器械当前作用于人体组织器官的位置。
3.如权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，所述执行端还包括挂载有第三手术器械的第三工具臂，所述第三工具臂及第三手术器械用于夹持人体组织器官，所述预设作用点为所述第三手术器械作用于人体组织器官的位置。
4.如权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，所述执行端还包括与所述控制单元通信连接的力传感器，所述力传感器用于检测所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力。
5.如权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，所述第二手术器械开始对人体组织器官手术操作时，所述控制单元获取人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力，并对所述预设作用力值和人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力大小作比较，或者，
所述第二手术器械开始对人体组织器官手术操作时，所述控制单元对所述预设作用力值和人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力大小作比较。
6.如权利要求5所述的手术机器人系统，其特征在于，
所述控制单元还包括一预设的力阈值，
所述控制单元获取所述第二手术器械受到的笛卡尔作用力，并对所述第二手术器械受到的笛卡尔作用力与所述力阈值比较，如果所述第二手术器械受到的笛卡尔作用力大于所述力阈值，则所述控制单元判定所述第二手术器械开始对人体组织器官进行手术操作；或者，
所述控制单元获取所述第二手术器械受到的笛卡尔作用力，并对前后两次获取的所述第二手术器械受到的笛卡尔作用力的差值与所述力阈值做比较，如果前后两次获取的所述第二手术器械受到的笛卡尔作用力的差值大于所述力阈值，则所述控制单元判定所述第二手术器械开始对人体组织器官进行手术操作。
7.如权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，
所述执行端还包括与所述控制单元通信连接的位置传感器，所述位置传感器用于检测所述第一工具臂和/或第一手术器械的位置信息，
所述控制单元根据所述位置传感器获取的位置信息，获得所述第一手术器械的笛卡尔作用力作用点位置。
8.如权利要求2所述的手术机器人系统，其特征在于，
所述执行端还包括与所述控制单元通信连接的位置传感器，所述位置传感器用于检测所述第二工具臂和/或第二手术器械的位置信息，
所述控制单元根据所述位置传感器获取的位置信息，获得所述第二手术器械作用于人体组织器官的位置。
9.如权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，
所述执行端还包括挂载有第三手术器械的第三工具臂，所述第三手术器械及第三工具臂用于牵拉人体组织器官，
所述预设作用点包括第一预设作用点和第二预设作用点；
如果所述预设作用力值大于所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力，所述控制单元以所述第一预设作用点指向所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力作用点的方向作为预设作用力方向，并根据所述预设作用力值控制所述驱动装置驱动所述第一工具臂及第一手术器械，使所述第一手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值；
所述控制单元对所述预设作用力值和人体组织器官对所述第三手术器械的笛卡尔作用力大小作比较，如果所述预设作用力值大于所述人体组织器官对所述第三手术器械的笛卡尔作用力，所述控制单元以所述第二预设作用点指向所述人体组织器官对所述第三手术器械的笛卡尔作用力作用点的方向作为预设作用力方向，并根据所述预设作用力值控制所述驱动装置驱动所述第三工具臂及第三手术器械，使所述第三手术器械对人体组织器官的牵拉作用力大小达到所述预设作用力值；
所述第一预设作用点为所述第三手术器械作用于人体组织器官的位置，所述第二预设作用点为所述第一手术器械作用于人体组织器官的位置。
10.如权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，
所述执行端还包括挂载内窥镜的图像臂，所述预设作用力值通过所述图像臂观察受牵拉的人体组织器官的状态来确定。
11.如权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，
所述机器人系统还包括控制端，所述控制端包括主操作手，所述主操作手用于控制所述第一工具臂及第一手术器械运动，并接收所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力，所述预设作用力值根据医生通过主操作手接收到的所述人体组织器官对所述第一手术器械的笛卡尔作用力来确定。
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