CN115778534A - 一种手术机器人力反馈手柄的主从控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手术机器人力反馈手柄的主从控制系统，手术机器人包括通讯连接的主端和从端，所述控制系统包括位移传感器和控制器，操作者通过主端进行位移输入，控制系统进行求解运算并输出位姿控制信息给从端，指导从端进行相关手术操作，从端在操作过程中受到外部的环境力作用，收集后传递给控制系统，控制系统对反馈力进行解析分解后输出相关信号和控制力矩到主端的关节处，使操作者感受到相应的力反馈，能够提高医生手术过程中的交互性，并保证了在非近距离接触的工作条件下能够满足手术操作精度的要求。

Description

一种手术机器人力反馈手柄的主从控制系统

技术领域

本发明属于医疗手术机器人领域，具体涉及一种手术机器人力反馈手柄的主从控制系统。

背景技术

机器人技术应用于医疗领域，能够打破传统手术局限，使得医生在非近距离接触情况下依然能够进行手术操作；手术机器人包括主端和从端，医生在主端进行操作，相应的运动映射到从端，控制从端的末端机构进行移动完成相关手术操作。

手术机器人的力反馈功能可以使医生在手柄端收到实时的力反馈，从而更好地保障手术安全、有效的进行；同时，为了在实际操作中实现主端与从端设备间良好的交互效果，要求主从控制系统具有良好的稳定性和透明度，而力反馈设备的性能在很大程度上决定了主从控制系统的这两项要求的好坏。

目前大部分力反馈设备受国外技术垄断，需要研究具有自主技术的整套力反馈系统。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种用于微创手术操作的手术机器人力反馈手柄的主从控制系统，在力反馈手柄结构的基础上，完善了整体的力反馈控制系统。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种手术机器人力反馈手柄的主从控制系统，所述手术机器人包括通讯连接的主端和从端，所述控制系统包括位移传感器和控制器，所述主端由多个关节组成，操作者通过主端进行位移输入，输入的位移通过位移传感器进行采集，控制系统进行求解运算并输出位姿控制信息给从端，指导从端进行相关手术操作，从端在操作过程中受到外部的环境力作用，收集后传递给控制系统，控制系统对反馈力进行解析分解后输出相关信号和控制力矩到主端的关节处，使操作者感受到相应的力反馈。

进一步地，所述主端为力反馈手柄，从端为手术钳，所述力反馈手柄包括基座、第一关节、第二关节、第三关节、位姿控制关节以及操纵杆，第一、二、三关节为包括无刷电机和编码器的旋转关节，位姿控制关节为三轴交汇结构且具有三个旋转自由度，每根轴对应设有编码器；操作者手握操纵杆进行操作，主端设备的各关节转角会随着手部的移动而发生改变，所述控制系统利用正运动学和编码器检测的各关节的角度来求解手柄末端位姿，将信息发送到从端，产生相应的运动指令，使从端实现预想的操作；从端操作过程中受到外部的环境力作用，会将反馈力信息发回到主端手柄处，第一、第二、第三关节处的无刷电机会将电流信号转化为力矩，操控者手握操纵杆将会感受到相应的反馈力。

进一步地，所述力反馈手柄通过6个磁编码器进行各个关节角度原始数据的采集，通过IIC通信将数据传输给无刷电机的驱动板，原始数据被转换为弧度制的角度数据从而驱动无刷电机，同时处理后的数据传输到微处理单元MCU中，MCU再将数据处理好发给计算机。

进一步地，控制系统求解手柄位姿的过程具体为，所述力反馈手柄通电后进入初始化阶段，对手柄进行复位，对第一、二、三关节的无刷电机进行自检并将电机与相同关节的编码器进行绑定，所有电机通过自检后，无刷电机驱动板获取编码器数据，然后将转换后的各个关节角度值分别减去手柄最开始获取到的各关节初始角度值从而得到手柄的运动学角度值，MCU 对手柄各关节的运动学角度值进行正运动学解算，最终得到手柄末端的位姿信息。

进一步地，所述主从控制系统采用力直接反馈型双边控制，在力直接反馈型双边控制中，从端设备采用位置控制模式，通过力传感器测量作用在从端设备上的环境接触力，并将接触力发送至主端设备进行力反馈，计算机接收到力反馈信息后将其传递给手柄，手柄接收到数据后，先将外力分解成XYZ三个方向的力并乘以力映射系数，然后MCU通过手柄静力学公式得到输出相应力所需的各电机力矩，通过无刷电机驱动板控制三个无刷电机实现对应力矩的输出，从而最终实现力反馈功能。

进一步地，所述第一关节包括底盖、编码器、电机底座和无刷电机，各部件之间通过螺栓连接，编码器与电机底座之间设有径向磁铁，所述第一关节通过底盖与基座连接。

进一步地，所述第二关节和第三关节上设有配重结构，所述配重结构包括配重杆和配重块。

有益效果：

1、本发明的手术机器人力反馈手柄的控制系统，提出了一整套配合力反馈手柄控制系统的方案，能够实际有效地实现预定的力反馈任务，具备十分完善的功能。

2、本发明在结构设计的同时考虑控制系统的搭建，这使得控制系统与力反馈手柄的同步性、贴合性高，结构中配重块的加入也使得系统的准确度得到相应的提高，整个机构所占空间小，控制系统集成度高。

3、该力反馈手柄控制系统所使用的硬件的整体质量和体积都比较小，具有便携性，可以跟随使用者所在空间的变化轻易地完成场景的变化，对使用者来说操作负担也非常小，始终为医生提供一个相对舒适地工作空间，能够保证较长时间的手术工作。

附图说明

图1为主从控制系统示意图；

图2为力反馈手柄结构示意图；

图3为第一关节结构示意图；

图4为力反馈手柄系统框图；

图5为手柄位姿获取流程图；

图6为系统中运动映射方案图；

图7为力直接反馈双边控制系统框图；

图8为手柄力反馈流程图。

附图标记：1基座，2第一关节，3第二关节，4第三关节，5位姿控制关节，6操纵杆，7配重块一，8配重块二， 9支架，10编码器，11编码一，12编码器二，13编码器三，14底盖，15电机底座，16无刷电机，17连接件一，18连接件二。

具体实施方式

本发明提供一种手术机器人力反馈手柄的主从控制系统，主要用于微创手术环境，手柄作为主端远程控制从端手术钳的运动，以完成相应的微创手术，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

本发明的一种手术机器人力反馈主从控制系统，功能主要包括位移信息的输出以及接收从端的接触力信息，并向操作者输出反馈力，以此提高医生手术过程中的交互性，并保证了在非近距离接触的工作条件下能够满足手术操作精度的要求；所述控制系统能够实现6自由度位姿数据采集，以及3个方向的力反馈。

如图1所示为控制系统的示意图，手术机器人包括通讯连接的主端和从端，所述控制系统包括位移传感器和控制器，操作者通过主端进行位移输入，输入的位移通过位移传感器进行采集，控制系统进行求解运算并输出位姿控制信息，通过通讯网络传输给从端，指导从端进行相关手术操作，从端在操作过程中受到外部的环境力作用，收集后传递给控制系统，控制系统对反馈力进行解析分解后输出相关信号和控制力矩到主端的关节处，使操作者感受到相应的力反馈。

所述主端为力反馈手柄，从端为手术钳；如图2-3所示，所述力反馈手柄包括基座1以及基座1上方依次设置的第一关节2、第二关节3、第三关节4、位姿控制关节5和操纵杆6。所述第一关节2、第二关节3、第三关节4均包括无刷电机和编码器，其中，第一关节2包括14底盖、10编码器、15电机底座和16无刷电机，各部件之间通过螺栓连接，所述编码器为非接触式磁编码器，编码器与电机底座之间设有径向磁铁，所述第一关节2通过底盖与基座连接，第一关节2的旋转轴垂直于基座1。

第二关节3与第一关节2结构相同，两者之间设有直角连接座，使得第二关节3与第一关节2的旋转轴相互垂直，第三关节4结构也与第一关节2结构相同，第二关节3与第三关节4通过两个直角连接座和一根连接杆连接，第二关节3与第三关节4的旋转轴相互平行且在同一个平面上。

第三关节4连接位姿控制关节5，所述位姿控制关节5为三轴交汇结构，包括三根销轴以及通过支架9连接的三个编码器，三根销轴相互垂直且轴线交汇于一点，每根销轴垂直于对应的编码器平面设置；如图2所示，其中，编码器一11的一端与第三关节4通过螺钉连接，同时螺钉将编码器一11和连接件一固定在一起，连接件一17和支架9之间设有销轴一，使得编码器一11和连接件一17整体能够绕支架9转动，销轴一近编码器一11端固定有磁铁；编码器二12通过螺钉固定在支架9另一侧，编码器二12和支架9之间设有销轴二，销轴二靠近编码器二12的一端也固定有磁铁，编码器三13固定在连接件二18上，所述连接件二1与支架9转动连接且旋转轴与销轴二同轴，连接件二18上设有销轴三，销轴三能够相对连接件二18转动，销轴三垂直于销轴二，销轴三下方即靠近编码器三13一端固定有磁铁，所述销轴三上方同轴连接操纵杆6；操作者手握操纵杆6能够带动位姿控制关节5及第一、第二、第三关节进行运动。，编码器三13能够检测到操纵杆6带动销轴三转动的转角信号，编码器一11能够检测操纵杆6带动支架9绕销轴一转动时的转角信号，编码器二12检测操纵杆6带动连接件二及编码器三13绕销轴二转动时的转角信号，第一关节、第二关节、第三关节处的转角信号由各自关节处的编码器进行检测；所述销轴一、销轴二、销轴三均通过螺钉固定在对应连接件或支架9上的连接孔内。

本发明在所述第二关节3上设有配重块一7，第三关节4上安装有配重块二8，分别通过配重杆连接在关节上，用于抵消手柄自重影响，使得手柄能够实现动静平衡，配重杆的长短和配重块的重量通过计算确定；第一关节、第二关节以及第三关节构成了手柄的三个自由度的力反馈。

操作者通过手握操纵杆来进行操纵，各关节转角会随着手部的移动而发生改变，利用正运动学并通过力反馈手柄关节的角度来求解手柄末端位姿，将信息发送到手术机器人从端，从而产生相应的运动指令，实现预想的操作；从端受到外部的环境力作用，例如人体细胞组织与末端手术钳接触后的接触力，会将反馈力信息发回到主端控制手柄处，前三个关节（即第一关节、第二关节、第三关节）处的无刷电机会将电流信号转化为力矩，操控者手握操纵杆将会感受到相应的力。

图4为力反馈手柄的硬件系统，其通过6个AS5600磁编码器进行各个关节角度原始数据的采集，通过IIC通信将数据传输给无刷电机驱动板，原始数据被转换为弧度制的角度数据从而驱动无刷电机，同时处理后的数据传输到微处理单元MCU中，MCU再将数据处理好发给计算机。

手柄位姿的获取流程如图5，力反馈手柄通电后手柄进入初始化阶段，对手柄进行复位。该阶段对前三个关节的无刷电机进行自检并将电机与相同关节的编码器进行绑定，所有电机通过自检后，无刷电机驱动板以400kbps的传输速率获取编码器数据，然后将转换后的各个关节角度值θ分别减去手柄最开始获取到的各关节初始角度值θ0从而得到手柄的运动学角度值θout。MCU 对手柄各关节的运动学角度值进行正运动学解算，最终得到手柄末端的位姿信息。

计算机得到位置信息向从手端传递即可，本文系统使用的主从运动映射方案为基于操作空间的增量映射方案，即在末端操作空间的关系上进行映射，这使得主从手末端位置能够保持一致，控制精度高。如图6从手端位姿由主手端运动的空间位姿增量乘上合适的映射系数得到。

本发明设计的系统采用力直接反馈型双边控制，在力直接反馈型双边控制中，从端设备采用位置控制模式，通过力传感器测量作用在从端设备上的环境接触力，并将接触力发送至主端设备进行力反馈；如图7所示，FI为操作者作用在主端设备上的输入力，FE为作用在从端设备上的环境力接触力，FM为主端设备输出的反馈力，XM、XS为主从端设备的位移。

计算机接收到力反馈信息后将其传递给手柄，如图8，手柄接收到数据后，先将外力分解成XYZ三个方向的力并乘以力映射系数，然后MCU通过手柄静力学公式得到输出相应力所需的各电机力矩，通过无刷电机驱动板控制三个无刷电机实现对应力矩的输出，从而最终实现力反馈功能。

使用时，操作者通过手握操纵杆6来进行操控，各关节转角会随着操纵杆6的移动而发生改变，通过编码器采集各关节的转角信息从而产生相应的运动指令到从端，使得手术钳进行相应运动进行微创手术，从端手术钳反馈的力通过无刷电机14驱动控制三个关节实现力反馈，使操作者在远程控制时更有手感，从而有助于提高微创手术的精度，保证手术效果。

本发明的整体控制系统，与手柄结构贴合设计，具有良好的稳定性和透明度，指令信息传输稳定，从端设备能够准确跟随主端的控制指令，将受到的外界环境力通过力觉反馈设备输出给操作者，从而提高操作者的临场感。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种手术机器人力反馈手柄的主从控制系统，其特征在于，所述手术机器人包括通讯连接的主端和从端，所述控制系统包括位移传感器和控制器，所述主端由多个关节组成，操作者通过主端进行位移输入，输入的位移通过位移传感器进行采集，控制系统进行求解运算并输出位姿控制信息给从端，指导从端进行相关手术操作，从端在操作过程中受到外部的环境力作用，收集后传递给控制系统，控制系统对反馈力进行解析分解后输出相关信号和控制力矩到主端的关节处，使操作者感受到相应的力反馈。

2.如权利要求1所述的一种手术机器人力反馈手柄的主从控制系统，其特征在于，所述主端为力反馈手柄，从端为手术钳，所述力反馈手柄包括基座、第一关节、第二关节、第三关节、位姿控制关节以及操纵杆，第一、二、三关节为包括无刷电机和编码器的旋转关节，位姿控制关节为三轴交汇结构且具有三个旋转自由度，每根轴对应设有编码器；操作者手握操纵杆进行操作，主端设备的各关节转角会随着手部的移动而发生改变，所述控制系统利用正运动学和编码器检测的各关节的角度来求解手柄末端位姿，将信息发送到从端，产生相应的运动指令，使从端实现预想的操作；从端操作过程中受到外部的环境力作用，会将反馈力信息发回到主端手柄处，第一、第二、第三关节处的无刷电机会将电流信号转化为力矩，操控者手握操纵杆将会感受到相应的反馈力。

3.如权利要求2所述的一种手术机器人力反馈手柄的主从控制系统，其特征在于，所述力反馈手柄通过6个磁编码器进行各个关节角度原始数据的采集，通过IIC通信将数据传输给无刷电机的驱动板，原始数据被转换为弧度制的角度数据从而驱动无刷电机，同时处理后的数据传输到微处理单元MCU中，MCU再将数据处理好发给计算机。

4.如权利要求3所述的一种手术机器人力反馈手柄的主从控制系统，其特征在于，控制系统求解手柄位姿的过程具体为，所述力反馈手柄通电后进入初始化阶段，对手柄进行复位，对第一、二、三关节的无刷电机进行自检并将电机与相同关节的编码器进行绑定，所有电机通过自检后，无刷电机驱动板获取编码器数据，然后将转换后的各个关节角度值分别减去手柄最开始获取到的各关节初始角度值从而得到手柄的运动学角度值，MCU 对手柄各关节的运动学角度值进行正运动学解算，最终得到手柄末端的位姿信息。

5.如权利要求3所述的一种手术机器人力反馈手柄的主从控制系统，其特征在于，所述主从控制系统采用力直接反馈型双边控制，在力直接反馈型双边控制中，从端设备采用位置控制模式，通过力传感器测量作用在从端设备上的环境接触力，并将接触力发送至主端设备进行力反馈，计算机接收到力反馈信息后将其传递给手柄，手柄接收到数据后，先将外力分解成XYZ三个方向的力并乘以力映射系数，然后MCU通过手柄静力学公式得到输出相应力所需的各电机力矩，通过无刷电机驱动板控制三个无刷电机实现对应力矩的输出，从而最终实现力反馈功能。

6.如权利要求2所述的一种手术机器人力反馈手柄的主从控制系统，其特征在于，所述第一关节包括底盖、编码器、电机底座和无刷电机，各部件之间通过螺栓连接，编码器与电机底座之间设有径向磁铁，所述第一关节通过底盖与基座连接。

7.如权利要求2所述的一种手术机器人力反馈手柄的主从控制系统，其特征在于，所述第二关节和第三关节上设有配重结构，所述配重结构包括配重杆和配重块。

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