CN111202585B - 介入手术机器人导丝夹持控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种介入手术机器人导丝夹持控制方法及系统，只用一个按键按压，利用采集伺服电机电流、速度作为控制条件，软件循环累加控制伺服电机运动，利用伺服电机堵转识别导丝直径，达到对不同粗细的导丝夹紧，其中电机变速器和联杆变速放大导丝变速器阻力也起了很大作用，如果是比较硬和粗的导丝，堵转可以轻松做到识别导丝直径，如果是比较细和软的导丝，电机变速器和联杆变速则起了阻力放大效果，就可以在用比较小的阻力对细和软的导丝直径识别。

Description

介入手术机器人导丝夹持控制方法及系统

技术领域

本发明涉及，具体地，涉及一种介入手术机器人导丝夹持控制方法及系统,尤其是一种血管腔内介入手术机器人导丝/导管自适应夹持控制方法。

背景技术

目前，做心脏冠脉支架或外周血管支架安放基本上都是人工推送或转动导管和导丝，费时费力，最重要是，在做手术时，要时不时观察导管导丝在血管的位置，使医生暴露在带有放射线DSA(血管造影技术)下，医生虽然穿了防射线的铅衣，也不能完全规避掉射线对人体伤害，况且，铅衣很沉重，对长时间站立的医生，体力消耗很大，所以，为了医生不受射线伤害，也避免医生长时间穿铅衣体力消耗，介入手术机器人就是为了减轻医生体力消耗和长时间暴露在DSA射线下，比医生更精准，更稳定。目前市场上夹持工具的夹持控制虽然只是简单的电流控制，并没有结合速度变化量进行控制，也没有对不同工艺夹持器进行校准，谈不上精准控制。有的是在夹持器上加应变片传感器做闭环控制，除了传感器要加上调理电路外，传感器的放置位置不同，夹持力也不同，对夹持产生偏差，效果不是很好，另外，传感器体积很大，不适合我们医疗应用。目前医用微创导丝和导管品种比较多，有粗细软硬等不同材质，怎样智能识别这些不同材质的导管导丝，而且不带体积比较大的传感器，自适应夹持控制方法就是在这个背景下应运而生的。

专利文献CN109693195A公开了一种用于电力设备安装的多功能安装钳，包括通过转动销转动连接的左夹持块和右夹持块以及用于控制左夹持块和右夹持块转动的右夹持控制杆和左夹持控制杆，所述右夹持控制杆和右夹持块对应连接，所述左夹持控制杆和所述左夹持块对应连接，所述左夹持块和所述右夹持块贴合处对称设有具有切割、固定和捋线的功能部，所述右夹持控制杆和所述左夹持控制杆均内部中空且连接设有螺丝处理结构。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种介入手术机器人导丝夹持控制方法及系统。

根据本发明提供的一种介入手术机器人导丝夹持控制方法，包括：步骤M1：安装伺服电机，设置伺服电机参数(其中关于夹持的电流就是堵转电流)，获取伺服电机参数设置结果信息，进行PID整定；所述伺服电机参数设置结果信息包括：夹持电流参数信息、堵转电流参数信息，所述夹持电流参数信息匹配于堵转电流参数信息；步骤M2：判断夹持装置状态步骤，获取夹持装置状态判断结果信息；步骤M3：根据夹持装置状态判断结果信息，获取夹持装置控制信息；步骤M4：重复步骤M2、步骤M3，获取介入手术机器人导丝夹持控制结果信息。

优选地，还包括：步骤M5：根据夹持装置状态判断结果信息,获取夹持装置正常状态信息或者夹持装置非正常状态信息。

优选地，所述步骤M5还包括：步骤M5.1：根据夹持装置非正常状态信息，获取报错提示信息；所述报错提示信息采用以下任一种报警提示方式：-声觉报错提示信息； -光觉报错提示信息。

优选地，所述步骤M4包括：步骤M4.1：重复步骤M2、步骤M3，判断伺服电机电流，当伺服电机电流I>ξI1(ξ一般取0.8)，υ<0.5V和ΔS<0.1MM都成立时，则对导管，导丝自动夹紧识别结束，夹持器就夹紧了导丝，导管，获取介入手术机器人导丝夹持控制结果信息；其中，I为伺服电机电流，ξ为电流系数，I1为设置伺服电机的堵转电流，υ为伺服电机速度，V为设定速度，ΔS为伺服电机单位时间位移变化量。

根据本发明提供的一种介入手术机器人导丝夹持控制系统，包括：模块M1：安装伺服电机，设置伺服电机参数(其中关于夹持的电流就是堵转电流)，获取伺服电机参数设置结果信息，进行PID整定；所述伺服电机参数设置结果信息包括：夹持电流参数信息、堵转电流参数信息，所述夹持电流参数信息匹配于堵转电流参数信息；模块M2：判断夹持装置状态模块，获取夹持装置状态判断结果信息；模块M3：根据夹持装置状态判断结果信息，获取夹持装置控制信息；模块M4：重复模块M2、模块M3，获取介入手术机器人导丝夹持控制结果信息。

优选地，还包括：模块M5：根据夹持装置状态判断结果信息,获取夹持装置正常状态信息或者夹持装置非正常状态信息。

优选地，所述模块M5还包括：模块M5.1：根据夹持装置非正常状态信息，获取报错提示信息；所述报错提示信息采用以下任一种报警提示方式：-声觉报错提示信息；-光觉报错提示信息。

优选地，所述模块M4包括：模块M4.1：重复模块M2、模块M3，判断伺服电机电流，当伺服电机电流I>ξI1(ξ一般取0.8)，υ<0.5V和ΔS<0.1MM都成立时，则对导管，导丝自动夹紧识别结束，夹持器就夹紧了导丝，导管，获取介入手术机器人导丝夹持控制结果信息；其中，I为伺服电机电流，ξ为电流系数，I1为设置伺服电机的堵转电流，υ为伺服电机速度，V为设定速度，ΔS为伺服电机单位时间位移变化量。

优选地，所述介入手术机器人导丝夹持控制系统采用夹持器、夹持电机、联杆、伺服电机驱动器、控制板以及上位机；所述控制板能够进行canopen协议与tcp/ip协议转换。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明公开了用血管腔内(介入)手术机器人导丝夹子夹持不同粗细的导丝，只用一个按键按压，利用采集伺服电机电流、速度作为控制条件，软件循环累加控制伺服电机运动，利用伺服电机堵转识别导丝直径，达到对不同粗细的导丝夹紧，其中电机变速器和联杆变速放大导丝变速器阻力也起了很大作用，如果是比较硬和粗的导丝，堵转可以轻松做到识别导丝直径，如果是比较细和软的导丝，电机变速器和联杆变速则起了阻力放大效果，就可以在用比较小的阻力对细和软的导丝直径识别。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明方法流程示意图。

图2为本发明实施例中导管导丝夹持原理示意图。

图3为本发明实施例中导丝夹持电机及联动装置示意图。

第一夹持支撑支架1

伺服电机2 第一夹持支撑支架7

第一联动齿轮3 第一夹持支撑支架8

第二联动齿轮4 第一夹持器夹子9

第一夹持支撑支架5 第二夹持器夹子10

夹持丝杆6 导丝11

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-3所示，根据本发明提供的一种介入手术机器人导丝夹持控制方法，包括：步骤M1：安装伺服电机，设置伺服电机参数(其中关于夹持的电流就是堵转电流)，获取伺服电机参数设置结果信息，进行PID整定；所述伺服电机参数设置结果信息包括：夹持电流参数信息、堵转电流参数信息，所述夹持电流参数信息匹配于堵转电流参数信息；步骤M2：判断夹持装置状态步骤，获取夹持装置状态判断结果信息；步骤M3：根据夹持装置状态判断结果信息，获取夹持装置控制信息；步骤M4：重复步骤M2、步骤M3，获取介入手术机器人导丝夹持控制结果信息。

优选地，还包括：步骤M5：根据夹持装置状态判断结果信息,获取夹持装置正常状态信息或者夹持装置非正常状态信息。

优选地，所述步骤M5还包括：步骤M5.1：根据夹持装置非正常状态信息，获取报错提示信息；所述报错提示信息采用以下任一种报警提示方式：-声觉报错提示信息； -光觉报错提示信息。

优选地，所述步骤M4包括：步骤M4.1：重复步骤M2、步骤M3，判断伺服电机电流，当伺服电机电流I>ξI1(ξ一般取0.8)，υ<0.5V和ΔS<0.1MM都成立时，则对导管，导丝自动夹紧识别结束，夹持器就夹紧了导丝，导管，获取介入手术机器人导丝夹持控制结果信息；其中，I为伺服电机电流，ξ为电流系数，I1为设置伺服电机的堵转电流，υ为伺服电机速度，V为设定速度，ΔS为伺服电机单位时间位移变化量。

具体地，在一个实施例中，一种介入手术机器人导丝夹持控制方法，首先要设置好伺服电机的各项参数，其中关于夹持的电流就是堵转电流，然后做好PID整定(PID整定和各项参数设置是在电机安装好后，做一次就可以了)。在系统中设置速度参数k为 0.5，电流系数ξ为0.85，单位时间位移变化量ΔS＝0.1mm。

在上述系统准备就绪后，如果夹子处于完全打开状态(即安装导管、导丝状态)，按下夹子夹紧按键时，伺服电机正方向旋转，夹子按设定速度V逐步夹紧,当判断夹持器处于半夹持位置时，速度变为0.5V，并不断判断电机电流值I>ξI1关系式是否成立(I1 为设置伺服电机的堵转电流，ξ根据夹紧要求取0.8∽0.9之间值)，同时判断伺服电机单位时间速度变化量Δυ<0.5V和伺服电机单位时间位移变化量ΔS<0.1MM是否成立，而且在整个夹持过程中一直要判断伺服电机速度V是否等于0，一旦V等于0，可能出现是夹子夹紧电机堵转或夹持机构卡死堵转，一旦出现这种情况，系统应该马上自动发指令停止电机堵转，如果在堵转时夹子导程远大于导丝直径，那么种情况就是夹持机构卡死堵转，系统会自动发指令停止伺服电机运动，并向上提示报错信息。当伺服电机电流I>ξI1(ξ一般取0.8)，υ<0.5V和ΔS<0.1MM都成立时，则夹持系统对导管，导丝自动夹紧识别过程就结束了，夹持器就夹紧了导丝，导管。

根据本发明提供的一种介入手术机器人导丝夹持控制系统，包括：模块M1：安装伺服电机，设置伺服电机参数(其中关于夹持的电流就是堵转电流)，获取伺服电机参数设置结果信息，进行PID整定；所述伺服电机参数设置结果信息包括：夹持电流参数信息、堵转电流参数信息，所述夹持电流参数信息匹配于堵转电流参数信息；模块M2：判断夹持装置状态模块，获取夹持装置状态判断结果信息；模块M3：根据夹持装置状态判断结果信息，获取夹持装置控制信息；模块M4：重复模块M2、模块M3，获取介入手术机器人导丝夹持控制结果信息。

优选地，还包括：模块M5：根据夹持装置状态判断结果信息,获取夹持装置正常状态信息或者夹持装置非正常状态信息。

优选地，所述模块M5还包括：模块M5.1：根据夹持装置非正常状态信息，获取报错提示信息；所述报错提示信息采用以下任一种报警提示方式：-声觉报错提示信息； -光觉报错提示信息。

优选地，所述模块M4包括：模块M4.1：重复模块M2、模块M3，判断伺服电机电流，当伺服电机电流I>ξI1(ξ一般取0.8)，υ<0.5V和ΔS<0.1MM都成立时，则对导管，导丝自动夹紧识别结束，夹持器就夹紧了导丝，导管，获取介入手术机器人导丝夹持控制结果信息；其中，I为伺服电机电流，ξ为电流系数，I1为设置伺服电机的堵转电流，υ为伺服电机速度，V为设定速度，ΔS为伺服电机单位时间位移变化量。

优选地，所述介入手术机器人导丝夹持控制系统采用夹持器、夹持电机、联杆、伺服电机驱动器、控制板以及上位机；所述控制板能够进行canopen协议与tcp/ip协议转换。

本发明公开了用血管腔内(介入)手术机器人导丝夹子夹持不同粗细的导丝，只用一个按键按压，利用采集伺服电机电流、速度作为控制条件，软件循环累加控制伺服电机运动，利用伺服电机堵转识别导丝直径，达到对不同粗细的导丝夹紧，其中电机变速器和联杆变速放大导丝变速器阻力也起了很大作用，如果是比较硬和粗的导丝，堵转可以轻松做到识别导丝直径，如果是比较细和软的导丝，电机变速器和联杆变速则起了阻力放大效果，就可以在用比较小的阻力对细和软的导丝直径识别。

具体地，在一个实施例中，一种自动识别导丝导管粗细夹持控制技术方案实施原理结构图如图2，其包括特殊材料的夹持器(一次性无菌包装塑料制品)，夹持电机(瑞士Maxon带减速器电机及绝对编码器)，带变速功能的联杆，伺服电机驱动器(以色列Elmo 驱动器)，控制板(进行canopen协议与tcp/ip协议转换)，以及上位机控制程序，由电机，编码器，驱动器，控制板和上位机组成自动控制系统，介入手术机器人导丝夹持控制原理图见图3。

所述的导丝导管夹持装置，包括MAXON带绝对编码器和减速器的伺服电机，带减速的联动齿轮和联动杆，导丝夹子(一对)，以及湿润导丝的储液盒，其中，电机和联动装置是控制系统的执行机构，编码器是控制系统的反馈机构，ELMO驱动器是向电机发送驱动电机电流，使电流正转或反转。同时ELMO驱动器把收到编码器读数，电机电流等信息以CANOPEN协议方式发送到控制板，控制板把CANOPEN协议数据转换成TCP/IP协议发送到上位机做控制算法处理。

具体地，在一个实施例中，一种自动识别导丝导管粗细夹持控制技术方法，我们通过试验得知夹持位移变化量ΔS与夹持力有关ΔS∝KF,K为系数，F为夹持电机施加到夹子上的力，通过试验数据得知，夹持力与电机电流I²成正比F∝K₁I²，另外，在电流一定情况下，改变速度，发现夹持距离变化量ΔS与速度变化量Δυ有线性关系F∝K₂Δυ，综合上述关系可以得到一个夹持距离变化量ΔS与夹持力和速度变化量的关系式如下：

ΔS＝K₁I²+K₂Δυ+C，其中K₁,K₂分别为电流平方和速度变化量系数，C是由于不同传动机构补偿值。

当夹子全部打开时，按下夹子夹紧按钮时，伺服电机正方向旋转，夹子按设定速度V逐步夹紧,当判断夹子处于半夹持位置时，速度变为kV(<0k<1,k可根据要求夹持时间进行调整)，并不断判断电机电流值

I>ξI1关系式是否成立(I1为设置伺服电机的堵转电流，ξ根据夹紧要求取0.8∽0.9之间值)，同时判断伺服电机单位时间速度变化量Δυ<0.5V和伺服电机单位时间位移变化量ΔS<0.1MM是否成立，而且在整个夹持过程中一直要判断伺服电机速度V是否等于0，一旦V等于0，可能出现是夹子夹紧电机堵转或夹持机构卡死堵转，一旦出现这种情况，系统应该马上自动发指令停止电机堵转，如果在堵转时夹子导程远大于导丝直径，那么种情况就是夹持机构卡死堵转，系统会自动发指令停止伺服电机运动，并向上提示报错信息。当伺服电机电流I>ξI1(ξ一般取0.8)，υ<0.5V和ΔS<0.1MM都成立时，则夹持系统对导管，导丝自动夹紧识别过程就结束了，夹持器就夹紧了导丝，导管，根据现场不同情况，调整速度系数k,伺服电机电流系数ξ。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (2)

1.一种介入手术机器人导丝夹持控制方法，其特征在于，包括：

步骤M1：安装伺服电机，设置伺服电机参数，获取伺服电机参数设置结果信息，进行PID整定；

所述伺服电机参数设置结果信息包括：夹持电流参数信息、堵转电流参数信息，所述夹持电流参数信息匹配于堵转电流参数信息；

步骤M2：判断夹持装置状态步骤，获取夹持装置状态判断结果信息；

步骤M3：根据夹持装置状态判断结果信息，获取夹持装置控制信息；

步骤M4：重复步骤M2、步骤M3，获取介入手术机器人导丝夹持控制结果信息；

步骤M5：根据夹持装置状态判断结果信息,获取夹持装置正常状态信息或者夹持装置非正常状态信息；所述步骤M5还包括：

步骤M5.1：根据夹持装置非正常状态信息，获取报错提示信息；

所述报错提示信息采用以下任一种报警提示方式：

-声觉报错提示信息；

-光觉报错提示信息；

所述步骤M4包括：

步骤M4.1：重复步骤M2、步骤M3，判断伺服电机电流，当伺服电机电流I>ξI1，ξ一般取0.8，υ<0.5V和ΔS<0.1MM都成立时，则对导管、导丝自动夹紧识别结束，获取介入手术机器人导丝夹持控制结果信息；

其中，I为伺服电机电流，ξ为电流系数，I1为设置伺服电机的堵转电流，υ为伺服电机速度，V为设定速度，ΔS为伺服电机单位时间位移变化量；

介入手术机器人导丝夹持控制系统采用夹持器、夹持电机、联杆、伺服电机驱动器、控制板以及上位机；

所述控制板能够进行canopen协议与tcp/ip协议转换。

2.一种介入手术机器人导丝夹持控制系统，其特征在于，包括：

模块M1：安装伺服电机，设置伺服电机参数，获取伺服电机参数设置结果信息，进行PID整定；

所述伺服电机参数设置结果信息包括：夹持电流参数信息、堵转电流参数信息，所述夹持电流参数信息匹配于堵转电流参数信息；

模块M2：判断夹持装置状态模块，获取夹持装置状态判断结果信息；

模块M3：根据夹持装置状态判断结果信息，获取夹持装置控制信息；

模块M4：重复模块M2、模块M3，获取介入手术机器人导丝夹持控制结果信息；

还包括：模块M5：根据夹持装置状态判断结果信息,获取夹持装置正常状态信息或者夹持装置非正常状态信息；

所述模块M5还包括：

模块M5.1：根据夹持装置非正常状态信息，获取报错提示信息；

所述报错提示信息采用以下任一种报警提示方式：

-声觉报错提示信息；

-光觉报错提示信息；

所述模块M4包括：

模块M4.1：重复模块M2、模块M3，判断伺服电机电流，当伺服电机电流I>ξI1，ξ一般取0.8，υ<0.5V和ΔS<0.1MM都成立时，则对导管、导丝自动夹紧识别结束，夹持器就夹紧了导丝、导管，获取介入手术机器人导丝夹持控制结果信息；

其中，I为伺服电机电流，ξ为电流系数，I1为设置伺服电机的堵转电流，υ为伺服电机速度，V为设定速度，ΔS为伺服电机单位时间位移变化量；

所述介入手术机器人导丝夹持控制系统采用夹持器、夹持电机、联杆、伺服电机驱动器、控制板以及上位机；

所述控制板能够进行canopen协议与tcp/ip协议转换。

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