CN114504388A - 一种柔性手术机器人系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种柔性手术机器人系统及其控制方法，包括成像装置、支撑装置、操作装置及手术工具组件，所述支撑装置上同时搭载成像装置和手术工具组件；所述操作装置分别与成像装置和手术工具组件通信连接，操作装置用于根据接收的操控信号控制成像装置和手术工具组件协同工作。本公开设置的支撑装置能够实现成像装置和手术工具的稳定支撑并提供统一的坐标系，提高装置动作过程中的稳定性，避免抖动。操作装置根据操作者的操控信号对成像装置和手术工具协同控制，能够提高机器人工作的协调性，为实现成像装置和手术工具动作的精确度提供基础。

Description

一种柔性手术机器人系统及其控制方法

技术领域

本公开涉及机器人相关技术领域，具体的说，是涉及一种柔性手术机器人系统及其控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

目前恶性肿瘤高发，其中消化系统恶性肿瘤每年新增病例超过100万，约占全球新增病例的一半，严重威胁人民健康。早期诊断和治疗可显著改善患者预后，5年生存率可达90％以上。内镜下微创手术具有创伤小、恢复快等优点，已成为治疗消化道早癌的标准方式。但是，消化道狭窄、多曲，使得经消化道进行的内镜下微创手术操作空间有限，技术难度大、要求较高，医生需要经过长期的学习和训练才能独立进行，且手术过程中容易疲劳，限制了其大规模应用。

如何降低内镜手术难度，减轻医生在手术过程中的工作负担，成为亟待解决的问题。近几年，机器人技术迅速发展，越来越多的机器人被应用到生活、生产以及医疗领域并获得良好反响。但是，消化道的特点使得通过机器人进行手术存在难点，对机器人的操作装置如机械手稳定性要求较高，如果出现抖动会对患者造成伤害。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种柔性手术机器人系统及其控制方法，能够提高装置动作过程中的稳定性，避免抖动，同时提高机器人动作的精确度。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了一种柔性手术机器人系统，包括成像装置、支撑装置、操作装置及手术工具组件，所述支撑装置上同时搭载成像装置和手术工具组件；所述操作装置分别与成像装置和手术工具组件通信连接，操作装置用于根据接收的操控信号控制成像装置和手术工具组件协同工作。

一个或多个实施例提供了一种柔性手术机器人的控制方法，包括手术工具和成像装置的控制方法，其中，手术工具组件的控制方法为：

获取图像信息并显示，同时获取手术工具前端压力数据反馈给操作装置的力转换模块；

获取操作主手的操控手术工具组件操控信号；

根据操控信息，采用主从精准控制生成手术工具组件的移动指令；

控制手术工具组件的手术工具按照确定的移动指令到达目标位置。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)本公开设置的支撑装置能够实现成像装置和手术工具的稳定支撑并提供统一的坐标系，提高装置动作过程中的稳定性，避免抖动。操作装置根据操作者的操控信号对成像装置和手术工具协同控制，能够提高机器人工作的协调性，为实现成像装置和手术工具动作的精确度提供基础。

(2)本公开采用主从精准控制生成手术工具、成像装置的操作指令，提高了手术工具、成像装置动作的协调性。

本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是本公开实施例1的手术机器人系统的结构示意图；

图2是本公开实施例1的手术机器人系统的局部结构示意图；

图3是本公开实施例1的手术机器人系统的操作装置3的结构示意图；

图4是本公开实施例1的手术机器人系统的成像装置1端部的结构示意图。

其中：1、成像装置，2、支撑装置，3、操作装置，4、手术工具；

21、定位臂、22、固定组件，23、固定台车，24、置物板、25、支撑装置脚轮；

11、主机显示器，12、主机，13、镜头及器械搭载部分；

131、摄像装置，132、器械通道，133、吸引通道，134、送气送水通道，

31、操作显示器，32、操作台面，33、操作主手，34、底座，35、操作装置脚轮；

41、驱动部件，42、手术工具。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

实施例1

在一个或多个实施方式公开的技术方案中，如图1-4所示，一种柔性手术机器人系统，包括成像装置1、支撑装置2、操作装置3及手术工具组件4，所述支撑装置2上同时搭载成像装置1和手术工具组件4；所述操作装置3分别与成像装置1和手术工具组件4通信连接，操作装置3用于根据接收的操控信号控制成像装置1和手术工具组件4协同工作。

本实施例设置的支撑装置2能够实现成像装置1和手术工具组件4的稳定支撑，提高装置动作过程中的稳定性，避免抖动。支撑装置2同时搭载成像装置1和手术工具组件4，使得成像装置1和手术工具组件4的动作参考坐标系一致，操作装置3根据操作者的操控信号对成像装置1和手术工具组件4协同控制，能够提高两者工作的协调性，为实现成像装置1和手术工具动作的精确度提供基础。

在一些实施例中，支撑装置2包括多自由度固定装置，所述多自由度固定装置包括依次连接的定位臂21和固定组件22，固定组件22用于固定连接操作装置3及手术工具组件4。定位臂为多自由度多段的结构，能够实现多角度的移动。

在一些实施例中，固定组件22的形状与结构，与手术工具组件4的驱动部分和成像装置1的结构相匹配，便于手术工具组件4的驱动部分和成像装置3固定在其上面。

本实施例的支撑装置2的定位臂21可置于地面或墙面，具有多自由度，可根据手术需要固定不动或进行相应位置移动和调节。实现手术过程中成像装置1和手术工具组件4始终处于手术操作最佳位置，并保持稳定。

可选的，定位臂21为机械臂结构，可固定于墙面，或者像图示中固定在台车上。

一种具体的实现结构，支撑装置2可以设置在地面上，还包括固定台车23，所述固定组件22、定位臂21与固定台车23依次连接。

固定组件22用于实现支撑装置2与成像装置1和手术工具组件4的连接，所述固定组件22上设置有固定孔，用于固定连接成像装置1和手术工具组件4。

进一步的技术方案，固定台车23可以设置为框架结构，包括一层或多层置物板24，或者，还包括支撑装置脚轮25，方便支撑装置2的移动。

在一些实施例中，成像装置1包括主机12、摄像装置以及镜头及器械搭载部分13，摄像装置设置在镜头及器械搭载部分13上，主机12固定于支撑装置2上，镜头及器械搭载部分13的一端固定在支撑装置2上，镜头及器械搭载部分13的另一端可伸缩设置。

使用时，镜头及器械搭载部分13的伸缩端可以通过可伸缩经自然腔道(如消化道)到达病变组织旁。

可选的，镜头及器械搭载部分13为柔性结构，包括柔性软管，设置在柔性软管的内部设置有器械通道132、送气送水通道134和吸引通道133。器械通道132用于提供摄像装置和手术工具42的通道。

可选的，柔性软管的可以为弹簧软管或蛇管。

其中，设置在镜头及器械搭载部分13上的摄像装置131，用于将内部结构及病变组织影像传输至图像处理器并显示于外部显示器。

摄像装置可为最基本的白光成像，也可涉及特殊光线高级成像、人工智能辅助成像等。

可选的，成像装置1还包括主机显示器11，所述主机显示器11与主机12连接。所述主机12设置有图像处理器和光源。

在一些实施例中，手术工具组件4包括驱动部件41和手术工具42，所述驱动部件41固定于支撑装置2上，所述手术工具42通过可伸缩部件设置于镜头及器械搭载部分13的器械通道132。

本实施例中，成像装置1集成了器械通道132，其整体经过消化道进入人体。然后手术工具42通过器械通道132到达病变部位，另一端与手术工具的驱动41连接。

可选的，手术工具42包括柔性伸缩臂和操作工具，柔性伸缩臂连接驱动部件41，用于将驱动部件的动力输出至操作工具。

可实现的，所述柔性伸缩臂包括柔性外管和设置管内钢丝，所述钢丝一端连接驱动部分，另一端连接操作工具。操作工具具体为夹钳、电刀、剪刀、止血钳、持针器等。

进一步的技术方案，手术工具组件4的手术工具42的前端还设置有压力传感器，压力传感器将力反馈至操作装置3，可以被操作者感知。

在一些实施例中，操作装置3包括操作主手33、信号处理器和显示单元，所述信号处理器用于根据手术工具组件4、成像装置1回传的数据确定手术工具组件4、成像装置1的行进路径和位置并显示，所述信号处理器还用于根据操作主手的操作，通过主从精准控制生成手术工具组件4、成像装置1的操作指令。

根据手术工具组件4、成像装置1回传的数据确定手术工具组件4、成像装置1的行进路径和位置并显示，手术工具末端的位姿通过成像装置图像显示，成像装置本身是根据医生的经验判断其位姿。

通过主从精准控制生成手术工具组件4、成像装置1的操作指令，可以采用串联或者并联式主手控制从手的算法，可以为笛卡尔空间控制方式、关节空间控制方式、逆雅可比控制方式等。其中，主从精准控制根据主从手的结构配置来制定相应的映射方式，如增量映射和绝对映射。

本实施例的操作装置，操作者双手配合操作，解决当前手术视野不佳的问题，能够降低手术难度。操作者坐位手术，能够缓解手术过程中的疲劳，降低出错率。主从精准控制，防止操作者手术过程中手部力量不稳造成的误切。

可选的，操作主手33可以为并联式或串联式力主手，配合手术工具有多自由度，配合传感器可有力反馈模块。

进一步的技术方案，手术工具组件4前端设置的压力传感器，具体的，压力传感器可以为压敏电阻。

操作装置3中包括将手术工具组件4前端设置的压力传感器检测的压力电信号转换为作用力的力转换模块，所述力转换模块具体为电机，从压力传感器来的电信号可以通过电机实现力的输出，让操作者感受到力的大小。

本实施例中，在操作装置3端，将检测到的压力信号转换为力信号，能够提高操作者的体验感，能够实时控制操控的速度和进给量，提高手术过程中的安全性。

可选的，操作装置3的一种具体的结构，可以包括底座34，设置在底座34上的操作台面32，所述操作台面32用于放置操作主手33。

可选的，操作装置3还包括操作显示器31，所述操作显示器31与信号处理器连接。本实施例的信号处理器与成像装置1的主机1可以集成设置。

可选的，为实现操作装置3的移动，操作装置3的底座34上还可以设置操作装置脚轮35。

使用时，操作者注视外部显示器31，双手控制操作装置，通过主从控制，实现手术工具的运动，从而利用手术工具与病变组织的交互作用，实现病变组织切除的任务。

上述装置的使用过程如下：将光源12和图像处理器与摄像装置13的镜头及器械搭载部分连接，操作者注视主机显示器11，将镜头及器械搭载部分，送入自然腔道(图示为上消化道)，到达病变位置，将镜头及器械搭载部分固定于固定组件22，并将定位臂21固定。取4手术工具，一端固定于固定组件22，另一端经器械通道132到达病变组织旁。操作者至操作装置3前坐下，控制主手33，双眼注视31操作显示器进行操作。

通过移动定位臂21移动镜头及器械搭载部分及手术工具组件4位置。

当组织形变过大或手术工具组件4与人体组织之间的作用力超过提前设定的阈值时，则操作显示器31显示警告，同时主手33进行短暂制动。

实施例2

基于实施例1，本实施例提供一种柔性手术机器人的控制方法，可以在信号处理器中实现，包括手术工具组件4和成像装置1的控制方法，其中成像装置1的控制方法包括如下步骤：

步骤1、获取成像装置1的图像信息并显示；

步骤2、获取操作主手33输入的成像装置1的摄像装置的移动指令；

步骤3、根据移动指令控制摄像装置调整角度和位置。

手术工具组件4的控制方法为：

步骤S1、获取手术工具组件4的图像信息并显示，同时获取压力传感器的数据反馈给操作装置的力转换模块；

步骤S2、获取操作主手33的操控手术工具组件4操控信号；

步骤S3、根据操控信息，采用主从精准控制生成手术工具组件4的移动指令；

步骤S4、控制手术工具组件4的手术工具42按照确定的移动指令到达目标位置。

通过主从精准控制生成手术工具组件4、成像装置1的操作指令，能够实现手术工具组件4和成像装置1的控制的切换，实现协同控制，可以采用串联或者并联式主手控制从手的算法，可以为笛卡尔空间控制方式、关节空间控制方式、逆雅可比控制方式等。其中，主从精准控制根据主从手的结构配置来制定相应的映射方式，如增量映射和绝对映射。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种柔性手术机器人系统，其特征在于：包括成像装置、支撑装置、操作装置及手术工具组件，所述支撑装置上同时搭载成像装置和手术工具组件；所述操作装置分别与成像装置和手术工具组件通信连接，操作装置用于根据接收的操控信号控制成像装置和手术工具组件协同工作。

2.如权利要求1所述的一种柔性手术机器人系统，其特征在于：支撑装置包括定位臂、固定组件和固定台车，所述固定组件、定位臂与固定台车依次连接。

3.如权利要求1所述的一种柔性手术机器人系统，其特征在于：成像装置主机、摄像装置以及镜头及器械搭载部分，摄像装置设置在镜头及器械搭载部分上，主机固定于支撑装置上，镜头及器械搭载部分的一端固定在支撑装置上，镜头及器械搭载部分的另一端可伸缩设置。

4.如权利要求3所述的一种柔性手术机器人系统，其特征在于：镜头及器械搭载部分为包括柔性软管，设置在柔性软管的内部设置有器械通道、送气送水通道和吸引通道；

或者，成像装置还包括主机显示器，所述主机显示器与主机连接；

或者，所述主机设置有图像处理器和光源。

5.如权利要求1所述的一种柔性手术机器人系统，其特征在于：手术工具组件包括驱动部件和手术工具，所述驱动部件固定于支撑装置上，所述手术工具通过可伸缩部件设置于成像装置的器械通道。

6.如权利要求5所述的一种柔性手术机器人系统，其特征在于：手术工具包括柔性伸缩臂和操作工具，柔性伸缩臂连接驱动部件，用于将驱动部件的动力输出至操作工具；

或者，柔性伸缩臂包括柔性外管和设置管内钢丝，所述钢丝一端连接驱动部分，另一端连接操作工具；

或者，操作工具包括夹钳、电刀、剪刀、止血钳和持针器；

或者，手术工具组件的手术工具的前端还设置有压力传感器，压力传感器将力反馈至操作装置。

7.如权利要求1所述的一种柔性手术机器人系统，其特征在于：操作装置包括操作主手、信号处理器和显示单元，所述信号处理器用于根据手术工具、成像装置回传的数据确定手术工具、成像装置的行进路径和位置并显示；

或者，信号处理器还用于根据操作主手的操作，通过主从精准控制生成手术工具、成像装置的操作指令。

8.如权利要求7所述的一种柔性手术机器人系统，其特征在于：操作装置中还包括力转换模块，力转换模块用于将手术工具组件前端设置的压力传感器检测的压力电信号转换为作用力；

或者，操作装置还包括底座，设置在底座上的操作台面，所述操作台面用于放置操作主手。

9.一种柔性手术机器人的控制方法，其特征在于，包括手术工具和成像装置的控制方法，其中，手术工具组件的控制方法为：

获取图像信息并显示，同时获取手术工具前端压力数据反馈给操作装置的力转换模块；

获取操作主手的操控手术工具组件操控信号；

根据操控信息，采用主从精准控制生成手术工具组件的移动指令；

控制手术工具组件的手术工具按照确定的移动指令到达目标位置。

10.如权利要求9所述的一种柔性手术机器人的控制方法，其特征在于：

成像装置的控制方法包括如下步骤：

获取成像装置的图像信息并显示；

获取操作主手输入的成像装置的摄像装置的移动指令；

根据移动指令控制摄像装置调整角度和位置。

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