CN116196111A - 一种眼科手术机器人系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及医疗器械领域，具体而言，涉及一种眼科手术机器人系统及其控制方法。该眼科手术机器人系统包括手术执行模块以及主操作模块；手术执行模块包括手术执行器机座、第一手术执行机器人及第二手术执行机器人；第一手术执行机器人及第二手术执行机器人的自由端分别安装有手术器械以及导光笔，手术器械用于执行手术，并感知与眼组织的交互力；主操作模块包括第一主操作机器人、第二主操作机器人、第一控制踏板及第二控制踏板；第一主操作机器人及第二主操作机器人均用于感知医生手部的手术操作；该眼科手术机器人系统能够实现对手术器械的控制以及对导光笔的控制，进而能够获取更清晰的眼底图像，提高了手术的安全性。

Description

一种眼科手术机器人系统及其控制方法

技术领域

本申请涉及医疗器械领域，具体而言，涉及一种眼科手术机器人系统及其控制方法。

背景技术

视网膜静脉阻塞和视网膜黄斑病变会导致眼睛视力下降。受此疾病的患者约有一千多万人。以视网膜静脉阻塞为例，视网膜静脉插管是一种治疗视网膜静脉阻塞的有效方法。手术中，外科医生将通过在眼睛巩膜处形成的小切口将针头插入阻塞的视网膜静脉，然后注射足够剂量的溶解药物。目标血管的厚度在30µm至400µm之间，所以这种手术对精度的要求十分高，需要借助机器人来辅助，机器人在运动的平稳性和精度上有着人无法比拟的优势。

但眼科显微手术操作起来比传统的开放手术困难许多，因为手术器械通常比较细长，且手术空间极其有限，而且由于眼底手术需要医生精确地手术操作，对医生地手术水平要求较高。

发明内容

本申请提供一种眼科手术机器人系统及其控制方法，以改善上述问题。

本发明具体是这样的：

一种眼科手术机器人系统，包括：

手术执行模块，手术执行模块包括手术执行器机座、第一手术执行机器人及第二手术执行机器人；第一手术执行机器人及第二手术执行机器人均与手术执行器机座可活动地连接，且第一手术执行机器人及第二手术执行机器人均具有多个自由度；第一手术执行机器人及第二手术执行机器人的自由端分别安装有手术器械以及导光笔，手术器械用于执行手术，并感知与眼组织的交互力；以及

主操作模块，主操作模块包括第一主操作机器人、第二主操作机器人、第一控制踏板及第二控制踏板；第一主操作机器人及第二主操作机器人均具有多个自由度；第一主操作机器人及第二主操作机器人均用于感知医生手部的手术操作；第一主操作机器人通过第一控制踏板与第一手术执行机器人电连接，且第一控制踏板用于控制第一主操作机器人与第一手术执行机器人的运动映射开启或关闭；第二主操作机器人通过第二控制踏板与第二手术执行机器人电连接，且第二控制踏板用于控制第二主操作机器人与第二手术执行机器人的运动映射开启或关闭。

在本发明的一种实施例中，第一手术执行机器人及第二手术执行机器人均具有四个自由度，四个自由度包括三个正交于一点的旋转自由度和一个进给自由度，且进给方向过正交点。

在本发明的一种实施例中，第一手术执行机器人的自由端连接有安装手术器械的快换装置。

在本发明的一种实施例中，手术执行模块还包括第一手术执行器支架臂及第二手术执行器支架臂；

第一手术执行器支架臂及第二手术执行器支架臂均与手术执行器机座连接，且第一手术执行机器人及第二手术执行机器人分别与第一手术执行器支架臂及第二手术执行器支架臂连接；

第一手术执行器支架臂及第二手术执行器支架臂均具有5个旋转关节，以使得第一手术执行机器人及第二手术执行机器人均具有沿x、y和z方向移动的移动自由度，以及绕y和z轴转动的转动自由度。

在本发明的一种实施例中，眼科手术机器人系统还包括眼底图像获取模块，眼底图像获取模块包括眼科显微镜和OCT系统，眼科显微镜和OCT系统用于实时获取病人眼底图像信息。

在本发明的一种实施例中，眼科手术机器人系统还包括上位机，上位机与手术执行模块及主操作模块电连接，上位机用于接收和记录主操作模块的医生手部的手术操作信息，以及用于接收和记录手术执行模块的交互力信息；上位机还用于根据手术操作信息以及设定好的运动控制算法计算控制手术执行模块运动的运动控制命令。

在本发明的一种实施例中，眼科手术机器人系统还包括运动控制模块；上位机及运动控制模块均与手术执行器机座连接；

运动控制模块与手术执行模块、主操作模块及上位机电连接，运动控制模块用于接收主操作模块的医生手部的手术操作信息，并用于将接收到的主操作模块的医生手部的手术操作信息传递至上位机；

运动控制模块还用于接收上位机输出的运动控制命令，并根据运动控制命令发出运动控制信号，以控制手术执行模块运动。

在本发明的一种实施例中，眼科手术机器人系统还包括状态显示模块，状态显示模块与上位机电连接，且状态显示模块用于展示手术执行模块的接触力信息及主操作模块的位姿速度信息。

一种眼科手术机器人系统控制方法，利用上述的眼科手术机器人系统实现，包括：

接收第一控制踏板输出的表征开启第一主操作机器人与第一手术执行机器人运动映射的第一映射信号；接收第二控制踏板输出的表征开启第二主操作机器人与第二手术执行机器人运动映射的第二映射信号；

根据第一映射信号确定第一主操作机器人与第一手术执行机器人的第一运动缩放比例；根据第二映射信号确定第二主操作机器人与第二手术执行机器人的第二运动缩放比例；

接收运动控制模块输出的表征医生手部操作第一主操作机器人的第一手术操作信息及操作第二主操作机器人的第二手术操作信息；

根据第一手术操作信息确定第一主操作机器人的操作力及力操作方向，根据第二手术操作信息确定第二主操作机器人的操作力及力操作方向；

根据第一手术执行机器人的操作力、第一主操作机器人的力操作方向、第一运动缩放比例以及设定好的运动控制算法计算控制第一手术执行机器人运动的第一运动控制命令；根据第二手术执行机器人的操作力、第二主操作机器人的力操作方向、第一运动缩放比例以及设定好的运动控制算法计算控制第二手术执行机器人运动的第二运动控制命令；

将第一运动控制命令及第二运动控制命令传递至运动控制模块，以通过运动控制模块生成第一运动控制信号及第二运动控制信号，进而控制第一手术执行机器人及第二手术执行机器人相对于患者的眼部运动，从而调整手术器械及导光笔的位姿，以执行手术。

在本发明的一种实施例中，眼科手术机器人系统控制方法还包括：

在第一主操作机器人的操作力大于预设操作力时，控制第一主操作机器人停止沿同一力操作方向的运动；

在第二主操作机器人的操作力大于预设操作力时，控制第二主操作机器人停止沿同一力操作方向的运动。

本发明的有益效果是：

该眼科手术机器人系统包括手术执行模块以及主操作模块；手术执行模块包括手术执行器机座、第一手术执行机器人及第二手术执行机器人；第一手术执行机器人及第二手术执行机器人的自由端分别安装有手术器械以及导光笔，手术器械用于执行手术，并感知与眼组织的交互力；主操作模块包括第一主操作机器人、第二主操作机器人、第一控制踏板及第二控制踏板；第一主操作机器人及第二主操作机器人均用于感知医生手部的手术操作；第一控制踏板用于控制第一主操作机器人与第一手术执行机器人的运动映射开启或关闭；第二控制踏板用于控制第二主操作机器人与第二手术执行机器人的运动映射开启或关闭。

该眼科手术机器人系统在医生操作第一控制踏板使得第一主操作机器人与第一手术执行机器人的运动映射开启，第二主操作机器人与第二手术执行机器人的运动映射开启后，便可通过操作第一主操作机器人及操作第二主操作机器人进而对第一手术执行机器人及第二手术执行机器人进行控制，从而能够实现对手术器械的控制以及对导光笔的控制，进而能够获取更清晰的眼底图像，提高了手术的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请提供的眼科手术机器人系统的结构示意图；

图2为本申请提供的眼科手术机器人系统的使用示意图；

图3为本申请提供的眼科手术机器人系统的工作流程图；

图4为本申请提供的眼科手术机器人系统控制方法的控制流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参照图1及图2，本实施例提供一种眼科手术机器人系统，包括：

手术执行模块，手术执行模块包括手术执行器机座、第一手术执行机器人及第二手术执行机器人；第一手术执行机器人及第二手术执行机器人均与手术执行器机座可活动地连接，且第一手术执行机器人及第二手术执行机器人均具有多个自由度；第一手术执行机器人及第二手术执行机器人的自由端分别安装有手术器械以及导光笔，手术器械用于执行手术，并感知与眼组织的交互力；以及

主操作模块，主操作模块包括第一主操作机器人、第二主操作机器人、第一控制踏板及第二控制踏板；第一主操作机器人及第二主操作机器人均具有多个自由度；第一主操作机器人及第二主操作机器人均用于感知医生手部的手术操作；第一主操作机器人通过第一控制踏板与第一手术执行机器人电连接，且第一控制踏板用于控制第一主操作机器人与第一手术执行机器人的运动映射开启或关闭；第二主操作机器人通过第二控制踏板与第二手术执行机器人电连接，且第二控制踏板用于控制第二主操作机器人与第二手术执行机器人的运动映射开启或关闭。

请参照图1及图2，该眼科手术机器人系统的工作原理是：

该眼科手术机器人系统包括手术执行模块以及主操作模块；手术执行模块包括手术执行器机座、第一手术执行机器人及第二手术执行机器人；第一手术执行机器人及第二手术执行机器人的自由端分别安装有手术器械以及导光笔，手术器械用于执行手术，并感知与眼组织的交互力；主操作模块包括第一主操作机器人、第二主操作机器人、第一控制踏板及第二控制踏板；第一主操作机器人及第二主操作机器人均用于感知医生手部的手术操作；第一控制踏板用于控制第一主操作机器人与第一手术执行机器人的运动映射开启或关闭；第二控制踏板用于控制第二主操作机器人与第二手术执行机器人的运动映射开启或关闭。

在医生采用进行眼科手术时，医生可通过操作第一控制踏板使得第一主操作机器人与第一手术执行机器人的运动映射开启，及第二主操作机器人与第二手术执行机器人的运动映射开启；其中，操作第一控制踏板及第二控制踏板的方式可以是踩踏的方式；

而在第一主操作机器人与第一手术执行机器人的运动映射开启，及第二主操作机器人与第二手术执行机器人的运动映射开启后，便可通过操作第一主操作机器人及操作第二主操作机器人进而对第一手术执行机器人及第二手术执行机器人进行控制，从而能够实现对手术器械的控制以及对导光笔的控制，进而能够获取更清晰的眼底图像，提高了手术的安全性。

需要说明的是，在本实施例中，采用的是运动映射的方式，使得医生能够通过操作第一主操作机器人及第二主操作机器人实现对第一手术执行机器人及第二手术执行机器人的运动控制，在此过程中，为使得医生能够操作第一主操作机器人及第二主操作机器人在空间中运动，从而实现手术操作，故，第一主操作机器人及第二主操作机器人均具有多个自由度，其目的使得第一主操作机器人及第二主操作机器人能够实现手术操作，进而能够通过运动映射的方式，使得第一手术执行机器人及第二手术执行机器人能够执行手术；

其外，这样的操作方式，使得第一主操作机器人与第一手术执行机器人之间，第二主操作机器人与第二手术执行机器人之间形成主从式手术操作，即，第一主操作机器人和第二主操作机器人为主手，第一手术执行机器人和第二手术执行机器人为从手，从而能够在操作的过程中，通过运动缩放的方式，降低手术操作的难度，而且这样的设置方式，能够通过运动映射和监测的方式，对第一主操作机器人及第二主操作机器人实现力反馈，进而避免因医生的生理性颤抖降低手术的操作精度，从而降低意外发生的风险，提高医生的操作精度和稳定性，减少医生的手术疲劳，使手术更安全，更有效。

进一步地，请参照图1及图2，在本实施例中，在设置第一手术执行机器人及第二手术执行机器人时，为使得第一手术执行机器人能够带动手术器械运动以及使得第二手术执行机器人能够带动导光笔运动，进而执行手术操作，故，第一手术执行机器人及第二手术执行机器人均具有四个自由度，四个自由度包括三个正交于一点的旋转自由度和一个进给自由度，且进给方向过正交点。

而且在设置第一手术执行机器人时，为提高手术效率，故，第一手术执行机器人的自由端连接有安装手术器械的快换装置，通过这样的方式，能够进行手术器械的快速更换，从而提高手术效率。

进一步地，请参照图1及图2，在本实施例中，为提高手术的效率，故，手术执行模块还包括第一手术执行器支架臂及第二手术执行器支架臂；第一手术执行器支架臂及第二手术执行器支架臂均与手术执行器机座连接，且第一手术执行机器人及第二手术执行机器人分别与第一手术执行器支架臂及第二手术执行器支架臂连接；

第一手术执行器支架臂及第二手术执行器支架臂均具有5个旋转关节，以使得第一手术执行机器人及第二手术执行机器人均具有沿x、y和z方向移动的移动自由度，以及绕y和z轴转动的转动自由度。

由此，在第一手术执行机器人及第二手术执行机器人在空间中具备多个自由度的前提下，通过第一手术执行器支架臂及第二手术执行器支架臂能够对第一手术执行机器人及第二手术执行机器人在空间中的位姿进行进一步地调整，以扩大手术的适应范围，从而提高手术的效率。

在手术的过程中，为辅助完成手术，故，眼科手术机器人系统还包括眼底图像获取模块，眼底图像获取模块包括眼科显微镜和OCT系统，眼科显微镜和OCT系统用于实时获取病人眼底图像信息。而且眼科手术机器人系统还包括状态显示模块，状态显示模块可以是状态监视器或状态显示器；状态显示模块与上位机电连接，且状态显示模块用于展示手术执行模块的接触力信息及主操作模块的位姿速度信息。

进一步地，请参照图1及图2，在本实施例中，为使得第一主操作机器人与第一手术执行机器人之间，第二主操作机器人与第二手术执行机器人之间采用运动映射的形式形成主从式手术操作，故，眼科手术机器人系统还包括上位机，上位机与手术执行模块及主操作模块电连接，上位机用于接收和记录主操作模块的医生手部的手术操作信息，以及用于接收和记录手术执行模块的交互力信息；上位机还用于根据手术操作信息以及设定好的运动控制算法计算控制手术执行模块运动的运动控制命令。

其外，眼科手术机器人系统还包括运动控制模块；上位机及运动控制模块均与手术执行器机座连接；

运动控制模块与手术执行模块、主操作模块及上位机电连接，运动控制模块用于接收主操作模块的医生手部的手术操作信息，并用于将接收到的主操作模块的医生手部的手术操作信息传递至上位机；

运动控制模块还用于接收上位机输出的运动控制命令，并根据运动控制命令发出运动控制信号，以控制手术执行模块运动。

需要说明的是，在本实施例中，采用的设置运动控制模块作为中间控制指令传递装置，而在本发明的其他实施例中，也可以采用上位机直连手术执行模块的方式。

综上，请参照图1及图2，该眼科手术机器人系统包括手术执行模块、主操作模块、眼底图像获取模块、上位机、运动控制模块以及状态显示模块；

具体的，主操作模块中的第一主操作机器人和第二主操作机器人均至少具有六个空间自由度，并能够通过第一控制踏板及第二控制踏板实现与第一手术执行机器人及第二手术执行机器人的运动映射；而且在设置第一主操作机器人和第二主操作机器人时，第一主操作机器人和第二主操作机器人均具有感知医生手部手术操作的功能和力反馈的功能，其中，感知医生手部手术操作的功能用于实现运动映射，而力反馈的功能目的是在医生手部的操作力超过设定值时，为保证手术的安全性，第一主操作机器人和第二主操作机器人会阻止医生向增加操作力的方向运动；需要说明的是，第一控制踏板和第二控制踏板既可以控制第一主操作机器人与第一手术执行机器人的运动映射开启，及第二主操作机器人与第二手术执行机器人的运动映射开启；也可以对控制第一主操作机器人与第一手术执行机器人间的运动缩放比例，及第二主操作机器人与第二手术执行机器人间的运动缩放比例。

手术执行模块包括手术执行器机座、第一手术执行器支架臂、第二手术执行器支架臂、第一手术执行机器人及第二手术执行机器人；其中，第一手术执行机器人及第二手术执行机器人均具有四个自由度，并且具有机械RCM功能和末端手术器械快换功能，四个自由度包括三个正交于一点的旋转自由度和一个进给自由度，进给方向过正交点，手术器械可以通过第一手术执行机器人自由端的快换装置进行更换，手术器械具有微力感知功能可以在手术期间实时感知手术器械与眼组织的交互力；而第一手术执行器支架臂和第二手术执行器支架臂均与手术执行器机座连接，第一手术执行器支架臂和第二手术执行器支架臂用于术前定位第一手术执行机器人及第二手术执行机器人，使第一手术执行机器人及第二手术执行机器人满足手术的位姿要求；而且第一手术执行器支架臂和第二手术执行器支架臂均具有5个旋转关节，第一手术执行器支架臂和第二手术执行器支架臂可以分别使第一手术执行机器人及第二手术执行机器人在一定范围内实现x、y和z方向的移动，以及绕y和z轴的转动；第一手术执行器支架臂和第二手术执行器支架臂还具有关节锁定功能，关节锁定功能通过其末端的按钮实现开关；手术执行器机座支撑第一手术执行器支架臂和第二手术执行器支架臂并且可以移动，上位机和运动控制模块都安装在手术执行器机座内。

状态显示模块为医生提供第一手术执行机器人及第二手术执行机器人的自由端与组织的接触力信息的可视化以及第一主操作机器人和第二主操作机器人的位姿速度信息的可视化以及其他相关信息。

运动控制模块可以读取主操作模块和手术执行模块的传感器信息（位置信息和速度信息）并将这些信息发送给上位机，运动控制模块还可以接收上位机的控制命令并生成运动控制信号控制第一手术执行机器人及第二手术执行机器人运动。

上位机接收运动控制模块传来的第一主操作机器人和第二主操作机器人的运动信息，以及第一手术执行机器人及第二手术执行机器人的力信息，并根据设定好的运动控制算法计算第一手术执行机器人及第二手术执行机器人的运动控制命令并将控制命令发送到运动控制模块；上位机还可以实时记录主手、从手的运动数据和力传感器的数据。

眼底图像获取模块主要包括眼科显微镜和OCT系统，医生通过眼科显微镜和OCT系统实时获取病人眼底图像信息，医生根据获取的图像信息控制从手进行手术操作。

基于上述结构，请参照图1-图3，采用该眼科手术机器人系统进行眼科手术的步骤如下：

手术开始前，将眼科手术显微镜镜头定位在患者需要进行手术的眼睛上方，医生通过显微镜踏板微调显微镜镜头以获得清晰的眼底图像；显微镜镜头通过具有关节锁止功能的机械臂与眼科手术显微镜和OCT系统的机座连接；

将第一主操作机器人及第二主操作机器人调整到适合执行手术的位姿；将第一手术执行机器人及第二手术执行机器人调整到适合执行手术的位姿；具体的，第一手术执行机器人及第二手术执行机器人的位姿在执行手术前也需要调整到合适的状态，四自由度的第一手术执行机器人及第二手术执行机器人通过第一手术执行器支架臂和第二手术执行器支架臂与手术执行器机座连接，第一手术执行器支架臂和第二手术执行器支架臂有五个旋转关节可以分别实现第一手术执行机器人及第二手术执行机器人在三维空间的位置定位和绕y和z轴的转动；而且第一手术执行器支架臂和第二手术执行器支架臂五个关节均有关节锁止功能，五个关节可以同时锁定和释放，关节的锁定和释放通过第一手术执行器支架臂和第二手术执行器支架臂上的按钮控制，当医生按下按钮时医生可以很轻松的拖动安装在第一手术执行器支架臂和第二手术执行器支架臂的自由端的第一手术执行机器人及第二手术执行机器人调整位姿，使其定位到一个合适的手术姿态；

当显微镜和从手调整好后，医生通过脚下的第一控制踏板及第二控制踏板，控制第一主操作机器人与第一手术执行机器人的运动映射，控制第二主操作机器人与第二手术执行机器人的运动映射；

随后，便可以执行眼底手术，而且由于第一手术执行机器人的自由端通过快换装置安装有手术器械，手术器械直接与眼组织接触是直接进行手术的器械，故，通过第一主操作机器人与第一手术执行机器人的运动映射，便可通过操作第一主操作机器人实现对手术器械的操控；同时，由于第二手术执行机器人的自由端安装有导光笔，导光笔可以使医生更加清晰的观察眼底的情况提高了手术安全性，故，通过第二主操作机器人与第二手术执行机器人的运动映射，便可通过操作第二主操作机器人实现对导光笔的操控；

当医生操作第一主操作机器人使第一手术执行机器人逐渐接近眼底手术位置时，医生可以通过第一控制踏板更改第一主操作机器人与第一手术执行机器人的运动缩放比例，使得医生较大幅度的操作经过运动缩放后，第一手术执行机器人的运动响应可以很微小；而且采用这样的操作，形成主从操作方式，使得该手术机器人系统还具有手部颤抖消除功能，这有利于提高医生的手术操作精细水平和稳定性；需要说明的是，在操作第二控制踏板时，其原理相同，同样可以通过第二控制踏板控制第二主操作机器人与第二手术执行机器人的运动缩放比例；

执行手术，在手术过程中医生还可以观察位于医生左前方的状态显示模块以获得眼科手术机器人系统的运行状态和手术状态信息；

需要说明的是，当医生的手术操作力大于设定的安全值时，以第一主操作机器人为例，第一主操作机器人会阻止医生向增加操作力的方向运动，此为第一主操作机器人的力反馈功能，力反馈可以提高眼底手术的安全性；

在手术结束后，医生通过第一主操作机器人操作第一手术执行机器人使手术器械从患者眼内退出到安全位置并通过第一控制踏板断开第一主操作机器人和第一手术执行机器人间的运动映射；

随后医生通过控制第一手术执行器支架臂及第二手术执行器支架臂，或拖动手术执行器机座将第一手术执行机器人和第二手术执行机器人移出手术范围，从而为医生其他的手术操作腾出空间，减少医疗设备之间或者设备和医生之间的干涉。

进一步地，请参照图4，并结合图1-图3，基于上述内容，本发明还提供一种眼科手术机器人系统控制方法，利用上述的眼科手术机器人系统实现，包括：

接收第一控制踏板输出的表征开启第一主操作机器人与第一手术执行机器人运动映射的第一映射信号；接收第二控制踏板输出的表征开启第二主操作机器人与第二手术执行机器人运动映射的第二映射信号；

根据第一映射信号确定第一主操作机器人与第一手术执行机器人的第一运动缩放比例；根据第二映射信号确定第二主操作机器人与第二手术执行机器人的第二运动缩放比例；

接收运动控制模块输出的表征医生手部操作第一主操作机器人的第一手术操作信息及操作第二主操作机器人的第二手术操作信息；

根据第一手术操作信息确定第一主操作机器人的操作力及力操作方向，根据第二手术操作信息确定第二主操作机器人的操作力及力操作方向；

根据第一手术执行机器人的操作力、第一主操作机器人的力操作方向、第一运动缩放比例以及设定好的运动控制算法计算控制第一手术执行机器人运动的第一运动控制命令；根据第二手术执行机器人的操作力、第二主操作机器人的力操作方向、第一运动缩放比例以及设定好的运动控制算法计算控制第二手术执行机器人运动的第二运动控制命令；

将第一运动控制命令及第二运动控制命令传递至运动控制模块，以通过运动控制模块生成第一运动控制信号及第二运动控制信号，进而控制第一手术执行机器人及第二手术执行机器人相对于患者的眼部运动，从而调整手术器械及导光笔的位姿，以执行手术。

由上述内容可知，医生通过操控第一主操作机器人和第二主操作机器人控制第一手术执行机器人及第二手术执行机器人的手术操作，而且医生可以通过脚底的第一控制踏板和第二控制踏板分别控制第一主操作机器人与第一手术执行机器人的运动映射开启以及第二主操作机器人与第二手术执行机器人的运动映射开启或关闭，还可以控制第一主操作机器人与第一手术执行机器人的运动缩放比例以及第二主操作机器人与第二手术执行机器人的运动缩放比例；

其中，第一主操作机器人和第二主操作机器人通过内部的传感器感知医生的手部操作，并将这种操作信息通过运动控制模块传递给上位机；运动控制模块还可以同时读取第一手术执行机器人及第二手术执行机器人的运动信息，并将第一手术执行机器人及第二手术执行机器人的运动信息传递给上位机；

上位机根据第一主操作机器人的操作信息、第二主操作机器人的操作信息、第一手术执行机器人的力反馈数据及第二手术执行机器人的力反馈数据，并按照设定的运动控制算法计算第一主操作机器人、第二主操作机器人、第一手术执行机器人及第二手术执行机器人的运动控制命令，并将控制命令发送到运动控制模块，相关的数据都会被记录在上位机内；

运动控制模块根据控制命令生成控制信号控制第一手术执行机器人及第二手术执行机器人的运动，手术操作过程中医生通过显微镜不断观察从手在眼底的手术状态通过第一主操作机器人和第二主操作机器人实时控制从手的运动状态，并进行手术操作。

在手术过程中，带有微力传感器的第一手术执行机器人实时感知手术过程中的操作力，当操作力超过设定值时上位机根据力反馈算法通过运动控制模块控制第一主操作机器人运动以提供医生手术器械和眼组织的接触力信息，在医生进行手术时医生可以通过观察状态显示器的信息掌握眼科手术机器人系统的运行状态和手术操作过程中的接触力信息。具体的，在本实施例中，在第一主操作机器人的操作力大于预设操作力时，控制第一主操作机器人停止沿同一力操作方向的运动；在第二主操作机器人的操作力大于预设操作力时，控制第二主操作机器人停止沿同一力操作方向的运动。需要说明的是，当医生的手术操作力大于设定的安全值时，以第一主操作机器人为例，第一主操作机器人会阻止医生向增加操作力的方向运动，此为第一主操作机器人的力反馈功能，力反馈可以提高眼底手术的安全性。

综上，请参照图1-图4，该眼科手术机器人系统及其控制方法具备以下优点：

该眼科手术机器人系统通过第一主操作机器人和第二主操作机器人分别控制第一手术执行机器人和第二手术执行机器人直接进行手术操作，即，采用了两个主手和两个从手完成手术操作，其中一个从手直接进行手术操作，另一个从手操作导光笔以获取更清晰的眼底图像，而且操作更符合医生的实际操作习惯；另外，主从操作方式还可以消除医生的手部生理颤抖，减少意外的发生，提高了手术的安全性；

手术中可以通过第一控制踏板和第二控制踏板更改运动缩放系数，提高了手术效率和安全，当手术器械进入眼内且离眼底较远时可以减少缩放系数使手术器械快速接近眼底，当距离眼底较近时增加缩放系数使从手运动幅度减少进行精细的手术操作，提高了手术安全性；

作为从手的第一手术执行机器人和第二手术执行机器人具有机械RCM功能和接触力感知功能，机械RCM功能可以使高医生手术操作更加方便和安全；

作为主手的第一主操作机器人和第二主操作机器人具有力反馈功能，比如，当手术器械与眼组织的接触力超过设定值时主手会阻止医生向增加操作力的方向运动，提高了手术安全性；

作为从手的第一手术执行机器人和第二手术执行机器人分别通过第一手术执行器支架臂和第二手术执行器支架臂与手术执行器机座连接，通过第一手术执行器支架臂和第二手术执行器支架臂可以调整第一手术执行机器人和第二手术执行机器人到达合适的位姿，在不需要第一手术执行机器人和第二手术执行机器人进行手术时可以使第一手术执行机器人和第二手术执行机器人远离手术区域为其他操作留出空间；

第一手术执行器支架臂和第二手术执行器支架臂的每个关节可以同时锁止和释放，锁止和释放均通过其末端按钮实现；而且第一手术执行器支架臂和第二手术执行器支架臂具有末端负载平衡功能，此功能可以使医生轻松拖动安装在末端的从手以调整其位姿。

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

Claims (10)

1.一种眼科手术机器人系统，其特征在于，包括：

手术执行模块，所述手术执行模块包括手术执行器机座、第一手术执行机器人及第二手术执行机器人；所述第一手术执行机器人及所述第二手术执行机器人均与所述手术执行器机座可活动地连接，且所述第一手术执行机器人及所述第二手术执行机器人均具有多个自由度；所述第一手术执行机器人及所述第二手术执行机器人的自由端分别安装有手术器械以及导光笔，所述手术器械用于执行手术，并感知与眼组织的交互力；以及主操作模块，所述主操作模块包括第一主操作机器人、第二主操作机器人、第一控制踏板及第二控制踏板；所述第一主操作机器人及所述第二主操作机器人均具有多个自由度；所述第一主操作机器人及所述第二主操作机器人均用于感知医生手部的手术操作；所述第一主操作机器人通过所述第一控制踏板与所述第一手术执行机器人电连接，且所述第一控制踏板用于控制所述第一主操作机器人与所述第一手术执行机器人的运动映射开启或关闭；所述第二主操作机器人通过所述第二控制踏板与所述第二手术执行机器人电连接，且所述第二控制踏板用于控制所述第二主操作机器人与所述第二手术执行机器人的运动映射开启或关闭。

2.根据权利要求1所述的眼科手术机器人系统，其特征在于：

所述第一手术执行机器人及所述第二手术执行机器人均具有四个自由度，四个自由度包括三个正交于一点的旋转自由度和一个进给自由度，且进给方向过正交点。

3.根据权利要求1所述的眼科手术机器人系统，其特征在于：

所述第一手术执行机器人的自由端连接有安装所述手术器械的快换装置。

4.根据权利要求1所述的眼科手术机器人系统，其特征在于：

所述手术执行模块还包括第一手术执行器支架臂及第二手术执行器支架臂；

所述第一手术执行器支架臂及所述第二手术执行器支架臂均与所述手术执行器机座连接，且所述第一手术执行机器人及所述第二手术执行机器人分别与所述第一手术执行器支架臂及所述第二手术执行器支架臂连接；

所述第一手术执行器支架臂及所述第二手术执行器支架臂均具有5个旋转关节，以使得所述第一手术执行机器人及所述第二手术执行机器人均具有沿x、y和z方向移动的移动自由度，以及绕y和z轴转动的转动自由度。

5.根据权利要求1所述的眼科手术机器人系统，其特征在于：

所述眼科手术机器人系统还包括眼底图像获取模块，所述眼底图像获取模块包括眼科显微镜和OCT系统，所述眼科显微镜和所述OCT系统用于实时获取病人眼底图像信息。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的眼科手术机器人系统，其特征在于：

所述眼科手术机器人系统还包括上位机，所述上位机与所述手术执行模块及所述主操作模块电连接，所述上位机用于接收和记录所述主操作模块的医生手部的手术操作信息，以及用于接收和记录所述手术执行模块的交互力信息；所述上位机还用于根据所述手术操作信息以及设定好的运动控制算法计算控制所述手术执行模块运动的运动控制命令。

7.根据权利要求6所述的眼科手术机器人系统，其特征在于：

所述眼科手术机器人系统还包括运动控制模块；所述上位机及所述运动控制模块均与所述手术执行器机座连接；

所述运动控制模块与所述手术执行模块、所述主操作模块及所述上位机电连接，所述运动控制模块用于接收所述主操作模块的医生手部的手术操作信息，并用于将接收到的所述主操作模块的医生手部的手术操作信息传递至所述上位机；

所述运动控制模块还用于接收所述上位机输出的运动控制命令，并根据所述运动控制命令发出运动控制信号，以控制所述手术执行模块运动。

8.根据权利要求6所述的眼科手术机器人系统，其特征在于：

所述眼科手术机器人系统还包括状态显示模块，所述状态显示模块与所述上位机电连接，且所述状态显示模块用于展示所述手术执行模块的接触力信息及所述主操作模块的位姿速度信息。

9.一种眼科手术机器人系统控制方法，利用如权利要求1-8中任意一项所述的眼科手术机器人系统实现，其特征在于，包括：

接收所述第一控制踏板输出的表征开启所述第一主操作机器人与所述第一手术执行机器人运动映射的第一映射信号；接收所述第二控制踏板输出的表征开启所述第二主操作机器人与所述第二手术执行机器人运动映射的第二映射信号；

根据所述第一映射信号确定所述第一主操作机器人与所述第一手术执行机器人的第一运动缩放比例；根据所述第二映射信号确定所述第二主操作机器人与所述第二手术执行机器人的第二运动缩放比例；

接收运动控制模块输出的表征所述医生手部操作所述第一主操作机器人的第一手术操作信息及操作所述第二主操作机器人的第二手术操作信息；

根据所述第一手术操作信息确定所述第一主操作机器人的操作力及力操作方向，根据所述第二手术操作信息确定所述第二主操作机器人的操作力及力操作方向；

根据所述第一手术执行机器人的操作力、所述第一手术执行机器人的力操作方向、所述第一运动缩放比例以及设定好的运动控制算法计算控制所述第一手术执行机器人运动的第一运动控制命令；根据所述第二手术执行机器人的操作力、所述第二手术执行机器人的力操作方向、所述第一运动缩放比例以及设定好的运动控制算法计算控制所述第二手术执行机器人运动的第二运动控制命令；

将所述第一运动控制命令及所述第二运动控制命令传递至所述运动控制模块，以通过所述运动控制模块生成第一运动控制信号及第二运动控制信号，进而控制所述第一手术执行机器人及所述第二手术执行机器人相对于患者的眼部运动，从而调整所述手术器械及所述导光笔的位姿，以执行手术。

10.根据权利要求9所述的眼科手术机器人系统控制方法，其特征在于，所述眼科手术机器人系统控制方法还包括：

在所述第一主操作机器人的操作力大于预设操作力时，控制所述第一主操作机器人停止沿同一力操作方向的运动；

在所述第二主操作机器人的操作力大于预设操作力时，控制所述第二主操作机器人停止沿同一力操作方向的运动。

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