CN110897719B - 一种医疗手术机器人控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种医疗手术机器人控制系统，所述的控制系统包括：获取位置单元，其获取操作人员控制的操作件的位置信息，并向处理单元发送位置信息；处理单元，其接收位置信息，对位置信息进行处理，其向控制单元输出控制指令；控制单元，其根据控制指令进行相应的控制操作；获得位置单元包括获取操作件位置信息的传感器单元，所述的位置信息包括第四方向位置和第五方向位置，第四方向和第五方向垂直。

Description

一种医疗手术机器人控制系统
技术领域
本发明涉及医疗器械领域。
背景技术
机器人手术系统是集多项现代高科技手段于一体的综合体，其用途广泛，在临床上外科上有大量的应用。外科医生可以远离手术台操纵机器进行手术，完全不同于传统的手术概念，在世界微创外科领域是当之无愧的革命性外科手术工具，2014年4月4日，中南大学湘雅三医院国内率先开展国产手术机器人胃穿孔修补术及阑尾切除术。
现有的手术机器人末端安装有手术器械，手术机器人设置有多个机械臂，通过多个机械臂的转动来控制手术器械平移，而多个机械臂体积大，移动精度低，不利于微创手术的进行，平移对手术器械的操作顺利度至关重要，使得手术器械能够根据伤口位置灵活移动，现有的手术器械都是通过机械臂多个角度的转动和移动来完成平移，无法直接平移。现有的控制系统也是控制手术器械的旋转而无法手术器械的平移。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，公开了一种医疗手术机器人控制系统，所述的控制系统包括：
获取位置单元，其获取操作人员控制的操作件的位置信息，并向处理单元发送位置信息；
处理单元，其接收位置信息，对位置信息进行处理，其向控制单元输出控制指令；
控制单元，其根据控制指令进行相应的控制操作；
获得位置单元包括获取操作件位置信息的传感器单元，所述的位置信息包括第四方向位置和第五方向位置，第四方向和第五方向垂直；
处理单元根据第四方向位置生成指令a和指令b，处理单元根据第五方向位置生成指令c和指令d，指令a和指令c能够控制第一驱动部驱动距离，指令b和指令d能够控制第二驱动部的驱动距离，指令a和指令c能够生成第一综合指令，指令b和指令d能够生成第二综合指令，第一综合指令控制第一驱动部的驱动距离，第二综合指令控制第二驱动部的驱动距离，第二综合指令控制第二驱动部的驱动距离；
所述的控制单元能够控制第一驱动部和第二驱动部。
作为改进，所述的操作件能够在第四方向和第五方向所在的平面上活动。
作为改进，所述的传感器单元为一个传感器，该传感器能够同时获取操作件的第四方向位置和第五方向位置。
作为改进，所述的传感器单元包括第一传感器和第二传感器，第一传感器获取第四方向的位置，第二传感器获取第五方向的位置。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明第一驱动部和第二驱动部的示意图；
图3是支撑件的示意图；
图4是支撑件的示意图；
图5是板件的示意图；
图6是第二电机单元的示意图；
图7是连接单元示意图；
图8是手术器械示意图；
图9是连接单元示意图；
图10本发明的示意图；
图11连接单元示意图；
图12是实施例2控制系统的示意图；
图13是实施例2控制系统的另一示意图；
图14是实施例2工作的流程图；
图中标记：100-支撑件，110-杆件，120-板件，130-第一卡槽，140-第二通道，200-第一驱动部，210-第一电机单元，211-第一外壳，212-第一电机，213-第一螺杆，214-第一滑块，215-第二卡条，220-第二电机单元，221-第二外壳，222-第二电机，223-第二螺杆，224-第二滑块，300-第二驱动部，310-第三电机单元，311-第三外壳，312-第三电机，313-第三螺杆，314-第三滑块，315-卡柱，320-第四电机单元，321-第四外壳，322-第四电机，323-第四螺杆，324-第四滑块，400-连接单元，410-连接件，420-底座，430-第一通道，500-手术器械，510-安装部，520-长轴部，530-操作部。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
实施例1：本实施例公开了一种医疗手术机器人手术器械平移单元，如图1所述，包括支撑件100、第一驱动部200和第二驱动部300、连接单元400和手术器械500。支撑件100其连接手术机器人本体，具体的可以连接在手术机器人的机械臂上，在一个优选实施例当中，如图3所示，支撑件100包括有和手术机器人本体连接的杆件110以及板件120，杆件可以是一个长杆的分布，板件120优选为一个板状的结构，杆件垂直的和板件连接，杆件和板件可以是安装在一起，也可以是一体化成型。第一驱动部和第二驱动部固定在板件的两侧，如图3中的左侧和右侧。
如图7所示，第一驱动部和第二驱动部之间为连接单元，具体的，连接单元包括有连接件410和底座420，底座420用于安装手术器械，连接件上设有第一通道430，连接件右两端，如图7所示，连接件的设有固定端和活动端，第一通道430位于活动端，其中图7中的左侧为固定端，右侧为活动端，第一驱动部和固定端铰接，第一驱动部能够驱动连接件的固定端沿着第一方向(如图8中的Y1方向)运动。如图2所示，第二驱动部上设有卡柱315，卡柱卡进第一通道430中并能够沿着第一通道430移动，卡柱和第一通道的连接处为活动端，第二驱动部驱动连接件410的活动端沿着第二方向运动，第一方向和第二方向平行，第一方向和第二方向形成第一平面。如图2中，第一方向和第二方向平行，第一通道沿着连接件的长度方向设置，卡柱可以在通道移动，以使得活动端和固定端可以以不同的速度沿着第一方向和第二方向移动，以达到使得底座的位置在第一平面上变化。具体的第一平面上的第二方向为Y方向，X方向和Y方向垂直，上述固定端和活动端的设计，可以使得连接件移动和转动以能够使得
底座不仅能够沿着Y方向移动，也能够沿着X方向移动。具体的底座运动可以分为三种：仅Y方向运动、仅X方向运动、X方向和Y方向同时运动，具体的可以根据第一驱动部和第二驱动部的电机转速和方向进行调整。底座的运动带动手术器械根据手术的需求能够在第一平面平移。
在一个优选的实施例当中，如图2所示，第一驱动部包括有第一电机单元210，第一电机单元驱动连接件的固定端沿着第一方向运动。如图2所示，第一电机单元210包括第一外壳211、第一电机212,、第一螺杆213、第一滑块214，第一外壳内部设有一个空腔，第一电机212固定在第一外壳上，第一螺杆213位于空腔内并和第一电机连接，第一螺杆213被第一电机驱动转动，第一螺杆的轴沿着第一方向分布，第一滑块214上铰接有连接件的固定端，第一螺杆和第一滑块螺纹连接，第一螺杆转动驱动第一滑块沿着第一方向移动，进一步驱动连接件的固定端沿着第一方向移动。
为了使得手术器械能够在第一平面（XY方向）上具有更大的活动空间，连接件固定端的可移动长度应该更大，这个就需要更长的螺杆，但是长的螺杆又会使得操作空间更大，不利于手术的进行，因此在本发明更进一步优选的实施例当中，所述的第一驱动部还包括有第二电机单元220，第二电机单元能够驱动第一电机单元整体沿着第一方向运动，以驱动连接件410的固定端沿着第一方向移动。具体的，第一电机单元和第二电机单元分布在板件的两，板件设有一个通道，板上设有两个卡槽，第一外壳上设有两个第二卡条215，第二卡条卡如卡槽中以限制第一外壳的运动方向仅为第一方向。具体如图6所示，所述的第二电机单元220包括有第二外壳221、第二电机222、第二螺杆223、第二滑块224，第二电机和第二螺杆安装在第二外壳上，第二滑块和第二螺杆螺纹连接，第二滑块和第一外壳固定连接，第二滑块的部分穿过板件上的通道并和第一外壳固定连接。第二电机驱动第二螺杆转动以驱动第二滑块沿着第一方向移动，进一步驱动第一电机单元沿着第一方向运动。上述设计第一电机单元和第二电机单元上下分布，当手术器械空间要求不高的时候可以仅驱动第一电机单元，当空间要求很高的时候，当第一滑块运动到最端部的时候，可以使得第二电机单元驱动第一电机单元整体沿着第一方向运动进而使得连接件的固定端具有更大的移动空间。
继续的如图2所示，所述的第二驱动部包括有第三电机单元310，第一电机单元包括有第三外壳311、第三电机312、第三螺杆313、第三滑块314和所述的卡柱315，第三电机312和第三螺杆313安装在第三外壳上，第三螺杆313的轴向沿着第二方向分布，第三螺杆313螺纹连接有第三滑块314，第三滑块314和卡柱315固定连接或者一体化成型，第三电机312驱动第三螺杆313转动以驱动第三滑块以及卡柱沿着第二方向移动。
出于上述第二驱动单元和第一驱动单元设计同样的目的，第二驱动部包括有第四电机单元320，第四电机单元320能够驱动第三电机单元310沿着第二方向移动以驱动连接件410的活动端沿着第二方向移动；如图5所示，所述的第四电机单元320包括有第四外壳321、第四电机322、第四螺杆323、第四滑块324，第四电机322和第四螺杆安装在第四外壳上，第四滑块324和第四螺杆螺纹连接，第四滑块324和第三外壳固定连接，第四电机驱动第四螺杆转动以驱动第四滑块324沿着第二方向移动，进一步驱动第三电机单元沿着第二方向运动。
具体的，第三电机单元和第四电机单元分布在板件的两面，板件120上设有第一卡槽130，第一卡槽130沿着第二方向分布，第三外壳上设有第一卡条，第一卡条卡入第一卡槽中以对第三电机单元进行限位。
如图7所示，所述的手术器械包括有安装部510、长轴部520和操作部530，安装部安装在连接单元的底座420上，长轴部的两端为安装部和操作部530，安装部通过长轴部控制操作部用于对人体进行手术操作，长轴部的轴向为第三方向，第三方向和第一平面垂直。
本发明的平移单元通过两个平行分布的驱动部就可以使得手术器械能够在一个平面上自由的移动，相比于机械臂，大大减少了手术机器人的活动，并且本发明每个驱动部通过叠加驱动单元的设计，使得在占用空间不变的情况下，提高了活动的范围。在本发明根据手术器械在平面上的活动需求，计算第一驱动部和第二驱动部使得固定端和活动端该移动的距离和方向，进而控制两个驱动部工作。具体的，可以将每个驱动部的两个电机单元进行预先设定，当需要移动一定范围内的时候，一个电机单元工作，超过移动范围的时候，另个电机工作，也可以两个电机协同工作。
实施例2本实施例公开了对实施例1平移单元和手术器械进行操作的控制系统，如图12所示，所述的控制系统包括：
获取位置单元，其获取操作人员控制的操作件的位置信息，并向处理单元发送位置信息，
处理单元，其接收位置信息，对位置信息进行处理，其向控制单元输出控制指令；
控制单元，其根据控制指令进行相应的控制操作；
获得位置单元包括获取操作件位置信息的传感器单元，所述的位置信息包括第四方向位置和第五方向位置，第四方向和第五方向垂直；
处理单元根据第四方向位置生成指令a和指令b，处理单元根据第五方向位置生成指令c和指令d，指令a和指令c能够控制第一驱动部驱动距离，指令b和指令d能够控制第二驱动部的驱动距离，指令a和指令c能够生成第一综合指令，指令b和指令d能够生成第二综合指令，第一综合指令控制第一驱动部的驱动距离，第二综合指令控制第二驱动部的驱动距离，第二综合指令控制第二驱动部的驱动距离；
所述的控制单元能够控制第一驱动部和第二驱动部。
在本发明中，所述的操作件能够在第四方向和第五方向所在的平面上自由移动或活动，其可以为现有技术，如达芬奇医疗手术机器人的操作件，所述的操作件所位于的第四方向和第五方向和手术器械运动的X方向和Y方向对应。操作件在第四方向和第五方向的运动位移和手术器械在X方向和Y方向的位移成比例，也就是控制系统根据操作件在第四方向的位移控制手术器械在X方向的位移，控制系统根据操作件在第五方向的位移控制手术器械在Y方向的位移。
具体的，传感器感应到的操作件在第四方向的位移为M,处理单元计算手术器械需要在X方向上运动的位移为m，M和m成固定比例，这个时候处理单元生成指令a和指令b，其中指令a控制第一驱动部的电机，指令b控制第二驱动部电机，指令a和指令b驱动两个驱动部，使得手术器械在X方向有m的位移。同理，将需要手术器械在Y方向有特定位移的时候，控制操作件在第五方向有特定的位移(两者成固定比例)以使得两个驱动部运转，进一步的，为了使得手术器械同时在X方向和Y方向有位置，只需要控制操作件在第四方向和第五方向有一定的位置，同时驱动第一驱动部和第二驱动部使得手术器械在X方向和Y方向有移动。具体的，加在第一驱动部和第二驱动部上的指令进行叠加，如附图14。
在一个优选的实施例当中，所述的传感器单元为一个传感器，该一个传感器能够同时获取操作件的第四方向位置和第五方向位置。在另一个优选的实施例当中，所述的传感器单元包括第一传感器和第二传感器，第一传感器获取第四方向的位置，第二传感器获取第五方向的位置。

Claims (4)

1.一种医疗手术机器人控制系统，其特征在于所述的控制系统包括：
获取位置单元，其获取操作人员控制的操作件的位置信息，并向处理单元发送位置信息；
处理单元，其接收位置信息，对位置信息进行处理，其向控制单元输出控制指令；
控制单元，其根据控制指令进行相应的控制操作；
获得位置单元包括获取操作件位置信息的传感器单元，所述的位置信息包括第四方向位置和第五方向位置，第四方向和第五方向垂直；
处理单元根据第四方向位置生成指令a和指令b，处理单元根据第五方向位置生成指令c和指令d，指令a和指令c能够控制第一驱动部驱动距离，指令b和指令d能够控制第二驱动部的驱动距离，指令a和指令c能够生成第一综合指令，指令b和指令d能够生成第二综合指令，第一综合指令控制第一驱动部的驱动距离，第二综合指令控制第二驱动部的驱动距离，第二综合指令控制第二驱动部的驱动距离；
所述的控制单元能够控制第一驱动部和第二驱动部；
第一驱动部和第二驱动部之间为连接单元，连接单元包括有连接件（410）和底座（420），底座（420）用于安装手术器械，连接件上设有第一通道（430），连接件设有固定端和活动端，第一通道（430）位于活动端，第一通道沿着连接件的长度方向设置，第一驱动部和固定端铰接，第一驱动部能够驱动连接件的固定端沿着第一方向运动，第二驱动部驱动连接件（410）的活动端沿着第二方向运动,第一方向和第二方向平行，第一方向和第二方向形成第一平面，第二方向为Y方向，X方向位于第一平面上，X方向和Y方向垂直；
第二驱动部上设有卡柱（315），第二驱动部驱动卡柱沿着第二方向移动，卡柱卡进第一通道（430），卡柱和第一通道的连接处为活动端，卡柱能够沿着第一通道（430）移动，以使得活动端和固定端能够以不同的速度沿着第一方向和第二方向移动，进而使得连接件移动和转动以能够使得底座不仅能够沿着Y方向移动，也能够沿着X方向移动，以达到使得底座的位置在第一平面上变化。
2.根据权利要求1所述的医疗手术机器人控制系统，其特征在于，所述的操作件能够在第四方向和第五方向所在的平面上活动。
3.根据权利要求1-2任一项所述的医疗手术机器人控制系统，其特征在于，所述的传感器单元为一个传感器，该传感器能够同时获取操作件的第四方向位置和第五方向位置。
4.根据权利要求1-2任一项所述的医疗手术机器人控制系统，其特征在于，所述的传感器单元包括第一传感器和第二传感器，第一传感器获取第四方向的位置，第二传感器获取第五方向的位置。
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