CN109316239A - 基于磁导航传感的微创手术机器人主操作手及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于磁导航传感的微创机器人主操作手，其中，包括：机械把手，操作者握持用；磁导航传感器，与所述机械把手相连，其在磁场中运动产生包含所述磁导航传感器位置与姿态信息的电磁信号，所述电磁信号反映所述主操作手的位置与姿态信息；以及滑动电位器，与所述机械把手相连，所述滑动电位器随着操作者握紧和张开机械把手产生位移，所述位移反映所述主操作手的开合信息；基于上述主操作手的微创机器人系统，能缓解传统微创手术机器人系统结构复杂，体积大而笨重，需要考虑重力平衡、空间布局以及操作不便等技术问题。

Description

基于磁导航传感的微创手术机器人主操作手及系统

技术领域

本公开涉及微创手术机器人领域，尤其涉及一种基于磁导航传感的微创手术机器人主操作手及系统。

背景技术

微创手术具手创口小，出血量少，恢复时间快及美容效果好等诸多优点，传统微创手术工具多为长直杆状，由医生手持，经由胸腔、腹腔或其它部位的微小创口置入，配合医用内窥镜，在显示器画面下完成手术操作，在此种操作模式中，需由主刀医生、持镜医生及其他辅助医生多人配合下进行手术操作，手术过程中，常因相互配合不协调或显示器画面中视野不合理以及手术器械运动不符合直觉操作规律等多种原因，出现手术工具干涉等问题，进而影响手术的顺利进行。

微创手术机器人是针对微创手术所研发的外科手术机器人，其手术器械工作原理与传统微创手术器械相似，将长直杆型手术器械通过微小创口置入患者体腔内，但医生并不直接操作机器人手术器械，而是通过操作机器人的操纵平台对手术器械进行运动控制，微创手术机器人多采用主-从控制系统，通过运动学、动力学、控制系统原理、机器人学、机器视觉等多种原理，使手术器械的运动能够精准模拟医生手部动作，从而达到更加高效安全地实施手术。

微创手术机器人多采用主-从控制模式，主操作手可采用商业化产品或自主设计，但当前微创手术机器人主操作手大多通过连杆机构，于其上布置各种电子元件、传感器、电位器等器件，通过检测连杆机构运动，将运动信号转化为电信号传输至机器人从手控制系统，这种形式主操作手往往结构极其复杂，体积庞大而笨重，需要考虑重力平衡、空间布局等诸多问题，操作不便。

公开内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于磁导航传感的微创手术机器人主操作手及系统，采用磁导航技术，依靠磁导航传感器检测人手及手持主操作手在空间运动中的位置、姿态，再通过运动学计算将主操作手的位置、姿态映射到从操作手，使从操作手实时再现人的手部动作，以缓解现有技术中微创手术机器人主操作手及适用系统结构复杂，体积庞大而笨重，需要考虑重力平衡、空间布局以及操作不便等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种基于磁导航传感的微创机器人主操作手，其中，包括：机械把手，操作者握持用；磁导航传感器，与所述机械把手相连，其在磁场中运动产生包含所述磁导航传感器位置与姿态信息的电磁信号，所述电磁信号反映所述主操作手的位置与姿态信息；以及滑动电位器，与所述机械把手相连，所述滑动电位器随着操作者握紧和张开机械把手产生位移，所述位移反映所述主操作手的开合信息。

在本公开的一些实施例中，所述机械把手包括：底座、手柄、手指固定环、驱动连杆、连接轴以及撑开弹簧。

在本公开的一些实施例中，所述手柄包括：第一手柄和第二手柄；所述连接轴：包括第一连接轴和第二连接轴；所述驱动连杆：包括第一驱动连杆和第二驱动连杆。

在本公开的一些实施例中，所述第一手柄一端和第二手柄一端通过所述第一连接轴安装于所述底座上，所述第一驱动连杆一端与第一手柄内侧相连，第二驱动连杆一端与第二手柄内侧相连，所述第一驱动连杆另一端和第二驱动连杆另一端通过所述第二连接轴安装于所述底座上。

在本公开的一些实施例中，所述手指固定环包括：第一手指固定环和第二手指固定环，所述第一手指固定环和第二手指固定环分别固定在第一手柄外侧和第二手柄外侧。

在本公开的一些实施例中，所述撑开弹簧设置于所述第一手柄和第二手柄之间，所述撑开弹簧两端分别连接所述第一手柄和第二手柄内侧。

本公开还提供了一种基于磁导航的微创手术机器人系统，使用上述微创机器人主操作手作为手持端，所述微创手术机器人系统还包括：磁场发生器，用于产生感应磁场；磁导航控制系统，与所述磁场发生器及所述微创机器人主操作手相连；上位机，与所述磁导航控制系统相连，用于将所述磁导航控制系统所处理后的位置与姿态信息的数据矩阵进行分解；控制器，与所述上位机相连，用于将所述上位机所分解后的数据进行运动学计算、以及接收滑动电位器的位移信号；从操作手，与所述控制器相连，用于在所述控制器的控制下，映射所述主操作手的实时位置和姿态、以及开合状态。

在本公开的一些实施例中，所述从操作手包括：从操作手器械以及驱动电机组。

在本公开的一些实施例中，所述控制器进行的所述运动学计算包括：正运动学计算和逆运动学计算。

在本公开的一些实施例中，所述控制器根据滑动电位器的位移而产生输出电压信号的幅度变化控制驱动电机组，所述驱动电机组控制所述从操作手器械末端夹钳的开合。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于磁导航传感的微创手术机器人主操作手及系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)采用磁导航技术，依靠传感器检测人手在空间运动中的位置、姿态，检测精度高，运动灵活，通过控制算法传输主操作手运动信息；

(2)能够克服传统微创手术机器人主操作手体积庞大、结构复杂、空间运动受限、难以平衡重力等缺点，由于主操作手无机械结构连接，人手可在磁场空间中自由运动，具有高度灵活性；

(3)只需要一根小直径的磁导航传感器即可检测人手的位置和姿态，无需其它任何传感器、编码器、电位器等元器件，极大简化了主操作手的设计，检修、更换简便。

附图说明

图1为本公开实施例基于磁导航传感的微创手术机器人主操作手的结构示意图。

图2为本公开实施例基于磁导航传感的微创手术机器人系统的结构示意图。

图3为本公开实施例基于磁导航传感的微创手术机器人主操作手空间运动自由度示意图；(a)为俯视图，(b)为侧视图。

图4本公开实施例基于磁导航传感的微创手术机器人主、从操作手的系统映射示意图。

图5本公开实施例基于磁导航传感的微创手术机器人主操作手及系统的工作流程示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

100-主操作手；

110-机械把手；

111-第一手柄；112-第二手柄；

113-第一手指固定环；114-第二手指固定环；

115-第一驱动连杆；116-第二驱动连杆；

117-第一连接轴；118-第二连接轴；

119-撑开弹簧；

1110-底座；

120-磁导航传感器；

130-滑动电位器；

200-磁场发生器；

300-磁导航控制系统；400-上位机；500-控制器；

600-从操作手；

610-从操作手器械；620-驱动电机组。

具体实施方式

本公开提供了一种基于磁导航传感的微创手术机器人主操作手及系统，所述微创手术机器人主操作手及系统采用磁导航技术，依靠磁导航传感器检测人手及手持主操作手在空间运动中的位置、姿态，再通过运动学计算将主操作手的位置、姿态映射到从操作手系统，使从操作手实时再现人的手部动作；微创手术机器人主操作手及系统可用于腹腔、胸腔、泌尿等多种领域的微创手术。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开一实施例提供一种基于磁导航传感的微创机器人主操作手，如图1所示的微创手术机器人主操作手100，包括：机械把手110、磁导航传感器120和滑动电位器130。

机械把手110，供操作者握持用。

磁导航传感器120，安装于机械把手110上，其在感应磁场中运动能产生包含磁导航传感器120位置与姿态信息的电磁信号。该电磁信号作为主操作手的控制信号之一，反映出主操作手100的位置与姿态信息。滑动电位器130，安装于所述机械把手110上，外接产生电压信号的电源。滑动电位器130随着操作者握紧和张开机械把手110的过程产生前后位移变化，引起滑动电位器130阻值的变化进而使滑动电位器130输出电压信号变化。

机械把手110包括：底座1110、手柄、手指固定环、驱动连杆、连接轴以及撑开弹簧。

磁导航传感器120和滑动电位器130安装于底座1110上。

连接轴包括：第一连接轴117和第二连接轴118。

手柄包括：第一手柄111和第二手柄112。

手指固定环包括：第一手指固定环113和第二手指固定环114。

驱动连杆包括：第一驱动连杆115和第二驱动连杆116。

第一手柄111一端和第二手柄112一端一同通过第一连接轴117安装于底座1110上，即第一手柄111和第二手柄112通过第一连接轴117铰接。

第一手指固定环113和第二手指固定环114分别固定在所述第一手柄111外侧和第二手柄112外侧，方便操作者握持。

第一驱动连杆115一端与第一手柄111内侧相连；第二驱动连杆116一端与第二手柄112内侧相连；所述第一驱动连杆115另一端和第二驱动连杆116另一端通过第二连接轴118安装于底座1110上，即第一驱动连杆115和第二驱动连杆116通过第二连接轴118铰接。

撑开弹簧119，设置于所述第一手柄111和第二手柄112之间，所述撑开弹簧119两端分别固定于所述第一手柄111和第二手柄112内侧。

操作者将拇指与食指(或中指)分别插入第一手指固定环113和第二手指固定环114，当拇指与食指(或中指)捏合，握紧第一手柄111和第二手柄112时，第一手柄111和第二手柄112相互靠拢，经第一驱动连杆115和第二驱动连杆116带动滑动电位器130滑键移动，方向为远离第一连接轴117的方向，撑开弹簧119提供弹力。操作者张开第一手柄111和第二手柄112时，在弹力的作用下，第一手柄111和第二手柄112相互分开，经第一驱动连杆115和第二驱动连杆116带动滑动电位器130向靠近第一连接轴117的方向滑键移动。这两个手柄经操作者的握紧和张开动作转换为前后位移变化，引起滑动电位器130阻值的变化。

由此可见，本实施例采用磁导航技术，依靠传感器检测人手在空间运动中的位置、姿态，检测精度高，运动灵活，通过控制算法传输主操作手运动信息；能够克服传统微创手术机器人主操作手体积庞大、结构复杂、空间运动受限、难以平衡重力等缺点，由于主操作手无机械结构连接，人手可在磁场空间中自由运动，具有高度灵活性；只需要一根小直径的磁导航传感器即可检测人手的位置和姿态，无需其它任何传感器、编码器、电位器等元器件，极大简化了主操作手的设计，检修、更换简便。

本公开另一实施例提供一种基于磁导航的微创手术机器人系统，微创手术机器人系统使用微创机器人主操作手100作为手持端，如图2所示，所述微创手术机器人系统包括：上一实施例的微创机器人主操作手100、磁场发生器200、磁导航控制系统300、上位机400、控制器500和从操作手600。

磁场发生器200，用于产生感应磁场。

磁导航控制系统300，包括：磁导航系统与控制模块，与磁场发生器200及主操作手100中的磁导航传感器120相连，用于控制磁场发生器200生成感应磁场、以及处理磁导航传感器120在感应磁场中移动所生成的位置与姿态信息，位置与姿态信息用数据矩阵表示。

上位机400，与磁导航控制系统300相连，用于将磁导航控制系统300处理得到的位置与姿态信息的数据矩阵进行分解。

控制器500，与上位机400相连，用于对上位机400分解出的数据进行正、逆运动学计算。

控制器500与主操作手100的滑动电位器130相连，滑动电位器130因滑动而产生的阻值变化进而引起其输出电压信号的幅度变化，变化的电压信号输入到控制器500，作为控制器500的控制参数之一。

从操作手600，与控制器500相连，包括：从操作手器械610，以及驱动电机组620。

控制器500对从上位机400中接收的数据进行正、逆运动学计算，将其作为控制参数传输至驱动电机组620，从操作手器械610在驱动电机组620的驱动下，映射主操作手100的实时位置及姿态。

控制器500根据滑动电位器130滑动而产生输出电压信号的幅度变化，从而控制驱动电机组620，进而驱动电机组620控制从操作手器械610末端夹钳的开合。

驱动电机组620当前的运动状态，将作为下一步运动计算的参考变量输送到控制器500。

在本公开实施例中，微创手术机器人系统可以包括2～3个主操作手100。从操作手600的从操作手器械610设置数量为3个；

在本公开实施例中，如图3所示，主操作手100作为手持端，其无机械结构使其固定，可在磁场发生器200所生成的感应磁场区域内自由运动，主操作手100在空间中的自由度包括：如T1、T2以及T3这三个正交方向构成的移动自由度、如R1(航向)、R2(横滚)以及R3(俯仰)构成的转动自由度、以及机械把手开合自由度。

在本公开实施例中，驱动电机组620与从操作手器械610相连接，驱动电机组620中各电机转动角度以比例关节映射到从操作手器械610各对应关节，如图4所示，从操作手器械610各关节的合成运动即为从操作手器械末端的位移、转动以及开合运动，从操作手中的从操作手器械610依靠各关节转动，可实现工具末端在空间中的自由运动，达到与主操作手相同的自由度，主操作手在空间中的移动、转动以及开合运动会实时映射到从操作手器械610。

在本公开实施例中，基于磁导航传感的微创手术机器人主操作手及系统的工作流程如图5所示，磁场发生器200产生感应磁场，主操作手100作为手持端在操作者手持下在磁场中移动，主操作手100作为手持端具有高度灵活性，其在空间的位置与姿态完全根据操作者的手部动作自由调整，不受任何机械结构限制，其调整极限超过人手所能达到极限，主操作手100、磁场发生器200分别与磁导航控制系统300连接。主操作手100中的磁导航传感器120在磁场中运动生成的位置与姿态信息通过磁导航控制系统300进行处理，并将所处理后位姿(位置与姿态)数据信号传输至上位机400。上位机400将位姿数据矩阵进行数据分解，得到4*4位姿矩阵，再将该矩阵中各元素作为参考变量输送至控制器500。在控制器500中进行正、逆运动学计算，计算所得控制信号以电流形式控制从操作手600中的驱动电机组620运行，使从操作手器械610末端的运动实时反应出主操作手100的运动，当前驱动电机组620的运动状态，将作为下一步运动计算的参考变量输送到控制器500。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)各系统组成单元间的有线数据通信可以替换为无线数据通信。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于磁导航传感的微创手术机器人主操作手及系统有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种基于磁导航传感的微创手术机器人主操作手及系统，所述微创手术机器人主操作手及系统采用磁导航技术，依靠磁导航传感器检测人手及手持主操作手在空间运动中的位置、姿态，再通过运动学计算将主操作手的位置、姿态映射到从操作手系统，使从操作手实时再现人的手部动作。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，这些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁导航传感的微创机器人主操作手，其中，包括：

机械把手，操作者握持用；

磁导航传感器，与所述机械把手相连，其在磁场中运动产生包含所述磁导航传感器位置与姿态信息的电磁信号，所述电磁信号反映所述主操作手的位置与姿态信息；以及

滑动电位器，与所述机械把手相连，所述滑动电位器随着操作者握紧和张开机械把手产生位移，所述位移反映所述主操作手的开合信息。

2.根据权利要求1所述的微创机器人主操作手，其中，所述机械把手包括：底座、手柄、手指固定环、驱动连杆、连接轴以及撑开弹簧。

3.根据权利要求2所述的微创机器人主操作手，其中，所述手柄包括：第一手柄和第二手柄；所述连接轴：包括第一连接轴和第二连接轴；所述驱动连杆：包括第一驱动连杆和第二驱动连杆。

4.根据权利要求3所述的微创机器人主操作手，其中，所述第一手柄一端和第二手柄一端通过所述第一连接轴安装于所述底座上，所述第一驱动连杆一端与第一手柄内侧相连，第二驱动连杆一端与第二手柄内侧相连，所述第一驱动连杆另一端和第二驱动连杆另一端通过所述第二连接轴安装于所述底座上。

5.根据权利要求2所述的微创机器人主操作手，其中，所述手指固定环包括：第一手指固定环和第二手指固定环，所述第一手指固定环和第二手指固定环分别固定在第一手柄外侧和第二手柄外侧。

6.根据权利要求2所述的微创机器人主操作手，其中，所述撑开弹簧设置于所述第一手柄和第二手柄之间，所述撑开弹簧两端分别连接所述第一手柄和第二手柄内侧。

7.一种基于磁导航的微创手术机器人系统，使用上述权利要求1至6任一项所述的微创机器人主操作手作为手持端，所述微创手术机器人系统还包括：

磁场发生器，用于产生感应磁场；

磁导航控制系统，与所述磁场发生器及所述微创机器人主操作手相连；

上位机，与所述磁导航控制系统相连，用于将所述磁导航控制系统所处理后的位置与姿态信息的数据矩阵进行分解；

控制器，与所述上位机相连，用于将所述上位机所分解后的数据进行运动学计算、以及接收滑动电位器的位移信号；以及

从操作手，与所述控制器相连，用于在所述控制器的控制下，映射所述主操作手的实时位置和姿态、以及开合状态。

8.根据权利要求7所述的微创手术机器人系统，其中，所述从操作手包括：从操作手器械以及驱动电机组。

9.根据权利要求7所述的微创手术机器人系统，其中，所述控制器进行的所述运动学计算包括：正运动学计算和逆运动学计算。

10.根据权利要求8所述的微创手术机器人系统，其中，所述控制器根据滑动电位器的位移而产生输出电压信号的幅度变化控制驱动电机组，所述驱动电机组控制所述从操作手器械末端夹钳的开合。