CN114098993B

CN114098993B - 一种主手俯仰信息的获取方法

Info

Publication number: CN114098993B
Application number: CN202111406769.XA
Authority: CN
Inventors: 潘广; 陈袅袅; 曹敏; 王了
Original assignee: Chongqing Jinshan Medical Robot Co ltd
Current assignee: Chongqing Jinshan Medical Robot Co ltd
Priority date: 2021-11-24
Filing date: 2021-11-24
Publication date: 2023-05-23
Anticipated expiration: 2041-11-24
Also published as: CN114098993A

Abstract

本发明公开了一种主手俯仰信息的获取方法，包括以下步骤：1)获取主手的三维模型，获得指环柄起始点的三维数据；2)读取主手每个轴的数据，用该数据控制三维模型的旋转；3)同步旋转完成后，读取指环柄终点的三维数据；4)通过指环柄起始点和运动终点的三维数据计算出其俯仰角度β，即主手俯信息。本发明通过获取主手俯仰信息，并最终显示在立体取景器中，可使操作者无需动作，直接观看立体取景器即可知道当前操作手是以什么样的状态握住主手工具的，提高了手术效率及手术精确和安全性。

Description

一种主手俯仰信息的获取方法

技术领域

本发明涉及手术机器人技术领域，特别是涉及一种主手俯仰信息的获取方法。

背景技术

微创外科手术是相较于传统手术的一种新的手术方式，它是通过一些新的技术手段，用最少的创伤代价来完成治疗，治疗的效果可以达到甚至超过传统手术。微创手术通常是利用胸腔镜、腹腔镜、关节镜等医疗器械和设备进行手术，其优点为创伤小、切口小、恢复快，以及手术中的出血比较少，手术后患者术后感染少。微创手术机器人系统通常使用主从式控制模式：操作者在对主手进行操作时，手部运动会带动主手随之运动，主手关节处传感器可以测量运动信息，通过主从控制算法将主手的运动映射到从手，从手各关节被动运动，带动手术器械实现相应运动。手术机器人的末端用来装载手术器械，其位置和姿态决定了手术操作的精确性。这样的方式极大的减轻了医生在手术过程中的体力劳动，同时达到精准手术的目的。微创手术的切口就是几个小孔，大概都是0.5～1cm的小孔。通过这些自然孔口或切口，操作者(例如，医师)可以插入微创医疗器械(包括外科手术器械、诊断器械、治疗器械或活检器械、还有内窥镜)以到达目标组织位置。而这些插入器械的末端都是被安装在器械控制臂上的。操作者在对控制台进行操作时，器械控制臂各关节被动运动，带动手术器械实现相应运动。

而操作者在手术过程中，内窥镜的图像传输在操控台的立体取景器中，操作者观察立体取景器时，是无法看到外部的情况的。因此，需要告知操作者当前操作手是一种怎样的状态握住主手工具的，现有技术中，操作者通常需要移动头部或身体位置，使眼睛能看到主手，从而观察到主手俯仰信息，但这样做效率低，且手术精确性和安全性相对较低。

因此本领域技术人员致力于开发一种效率高并且精确的主手俯仰信息的获取方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种效率高并且精确的主手俯仰信息的获取方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种主手俯仰信息的获取方法，包括以下步骤：

1)获取主手的三维模型，获得指环柄起始点的三维数据；

2)读取主手每个轴的数据，用该数据控制三维模型的旋转；

3)同步旋转完成后，读取指环柄终点的三维数据；

4)通过指环柄起始点和终点的三维数据计算出其俯仰角度β，即主手俯信息。

较佳的，还包括步骤5)：获取手术器械左右手分配信息，并生成带左右信息的指示图标，与器械图标组合显示。

较佳的，还包括步骤6)：根据俯仰角度β，将指示图标显示在器械图标相应位置，并最终显示在立体取景器中。

较佳的，所述步骤4)中，通过指环柄起始点和末端终点指环柄两端的三维坐标点的变化，求出第一方向向量，再求出第一方向向量与水平面的夹角，得指环柄的俯仰角度β。

较佳的，指示图标显示位置以通过如下方法获取：

61)求出显示弧度γ,γ＝β*PI/180.0，其中，PI＝π；

62)求出第二方向向量V1[x,y]，其中V1x＝cosγ，V1y＝sinγ；

63)求出偏移位置V2(x,y),V2(x,y)＝V1[x,y]*l,l为设定的距离值；

64)指示图标显示位置P(x,y)＝P1(x,y)+V2(x,y)，其中P1(x,y)其中P₁(x,y)为数字编号图标中心的屏幕坐标；

P(x,y)为指示图标的屏幕坐标点。

较佳的，所述步骤4)中，通过起始点和终点指环柄两端的三维坐标点的变化，求出第一方向向量，再求出第一方向向量与水平面的夹角，得指环柄的俯仰角度。

较佳的，所述步骤2)中，读取主手每个轴的数据是指读取每个轴的旋转数据，包括旋向及旋转角度。

本发明的有益效果是：本发明通过获取主手俯仰信息，并最终显示在立体取景器中，可使操作者无需动作，直接观看立体取景器即可知道当前操作手是以什么样的状态握住主手工具的，提高了手术效率及手术精确和安全性。

附图说明

图1本发明一具体实施方式的流程示意图

图2是本发明一具体实施方式指示图标及器械光标第一状态显示图。

图3是本发明一具体实施方式指示图标及器械光标第二状态显示图。

图4是本发明一具体实施方式指示图标及器械光标第三状态显示图

图5是图2中器械光标对应操作者手和相应指柄环装置状态图。

图6是图3中器械光标对应操作者手和相应指柄环装置状态图。

图7是图4中器械光标对应操作者手和相应指柄环装置状态图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种主手俯仰信息的获取方法，包括以下步骤：

1)同时获取左右主手的三维模型，获得左右指环柄起始点的三维数据。本步骤中，可用OpenGL进行一比一的三维建模，并根据实际电机的运动参数，同步控制这个三维模型。

2)读取主手每个轴的数据，用该数据控制三维模型的旋转。根据实际电机的运动参数，可得到主手每个轴的旋转数据，包括旋向及旋转角度，同步控制这个三维模型，使三维模型同步旋转。

3)同步旋转完成后，读取指环柄终点的三维数据。

4)通过指环柄起始点和终点的三维数据计算出其俯仰角度β，即主手俯信息。具体通过起始点和终点指环柄两端的三维坐标点的变化，求出第一方向向量，再求出第一方向向量与水平面的夹角，得指环柄的俯仰角度β。

本步骤中，将指环柄起始点定义为末端点A，终点定义为前端点B，根据指环柄末端点A和前端点B的三维数据变化，求出第一方向向量v，[v:Xa-Xb,Ya-Yb,Za-Zb]，据此，再求出其与水平面的夹角：

直线AB与水平面所成角β求解公式为：

其中，

为平面α的法向量，因本申请中，平面α即是水平面，所以/>

是(0，1，0)，求出的夹角β即俯仰角度，/>

向量为第一方向向量v

5)获取手术器械左右手分配信息，并生成带左右信息的指示图标，与器械图标组合显示。本实施例中，如图2至图4所示，指示图标为带L或R的圆形图标。

本领域公知，器械可被左主手或右主手控制，每次手术过程中医生通过控制台扶手上的软件程序，进行主手控制分配。本发明把相应的控制结果，通过指令协议发送给主从控制服务器，并记录下每次分配的数据记录，当需要判断该器械由哪个主手所控制时，根据每次分配的结果进行显示即可，本实施例中，如图2至图4所示，L表示被左主手所控制，R表示被右主手控制。

6)根据俯仰角度，如图2至图4所示，将指示图标显示在器械光标相应位置，并最终显示在立体取景器中。其中，图5至图7分别是图2至图4对应的操作者手和相应指柄环装置状态图。

指示图标显示位置以通过如下方法获取：

61)求出显示弧度γ,γ＝β*PI/180.0，其中，PI＝π；

62)求出第二方向向量V₁[x,y]，其中V₁x＝cosγ，V₁y＝sinγ；

63)求出偏移位置V₂(x,y),V₂(x,y)＝V₁[x,y]*l,l为设定的距离值,根据实际需求的显示距离设置，如可以是1mm，3mm等，也可以取设定的指示图标的直径值；

64)指示图标显示位置P(x,y)＝P₁(x,y)+V₂(x,y)，其中P₁(x,y)为数字编号图标中心的屏幕坐标。

P(x,y)为指示图标的屏幕坐标点。

数字编号图标是指对机械臂的编号进行显示而形成的图标，本实施例中，如图2至图4所示，直接以阿拉伯数字显示。

本实施例中，为方便显示，以数字编号图标中心屏幕坐标点为圆点，设置一标准圆圈在立体取景器中进行显示，标准圆圈的应用主要是便于观察，其半径可设置为l/2等。

因此，当操作手为图5所示用左手控制左主手，手在指环柄左上方时，指示图标中显示L，且L在标准圆圈中心的左上方,如图2所示。反之，当操作手如图6和图7用右手操作时，且图6中手在下方，图7中手在上方，所以在立体取景器中的显示效果为：指示图标中以R显示操作该器械的为右主手，图6中的操作情况对应图3，指示图标显示在数字编号图标右下方(手呈仰的姿势，手在下方)，图7中的操作情况对应图4，指示图标显示在数字编号图标右上方(手呈俯的姿势，手在上方)。

本发明中，通过获取主手俯仰信息，并最终显示在立体取景器中，可使操作者无需动作，直接观看立体取景器即可知道当前操作手是以什么样的状态握住主手工具的，提高了手术效率及手术精确和安全性。

步骤1)至步骤6)循环往复，进而持续同步显示俯仰角度的实时信息。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种主手俯仰信息的获取方法，其特征是，包括以下步骤：

1)获取主手的三维模型，获得指环柄起始点的三维数据；

2)读取主手各轴的数据，用该数据控制三维模型的旋转；

3)同步旋转完成后，读取指环柄终点的三维数据；

4)通过指环柄起始点和终点的三维数据计算其俯仰角度β，即主手俯信息；

还包括步骤6)：根据俯仰角度β，将指示图标显示在器械图标相应位置，并最终显示在立体取景器中。

2.如权利要求1所述的主手俯仰信息的获取方法，其特征是，还包括步骤5)：获取手术器械左右手分配信息，并生成带左右信息的指示图标，与器械图标组合显示。

3.如权利要求1所述的主手俯仰信息的获取方法，其特征是：所述步骤4)中，通过指环柄起始点和终点指环柄两端的三维坐标点的变化，求出第一方向向量，再求出第一方向向量与水平面的夹角，得指环柄的俯仰角度β。

4.如权利要求1所述的俯仰信息的获取方法，其特征是：指示图标显示位置以通过如下方法获取：

61)求出显示弧度γ,γ＝β*PI/180.0，其中，PI＝π；

62)求出第二方向向量V₁[x,y]，其中V₁x＝cosγ，V₁y＝sinγ；

63)求出偏移位置V₂(x,y),V₂(x,y)＝V₁[x,y]*l,l为设定的距离值；

64)指示图标显示位置P(x,y)＝P₁(x,y)+V₂(x,y)，其中P₁(x,y)为数字编号图标中心的屏幕坐标；

P(x,y)为指示图标的屏幕坐标点。

5.如权利要求1所述的主手俯仰信息的获取方法，其特征是，所述步骤2)中，读取主手各轴的数据是指读取每个轴的旋转数据，包括旋向及旋转角度。