CN116531111A - 一种双级自适应动力手术机械臂装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种双级自适应动力手术机械臂装置及控制方法，包括：机械臂基座(3)，为各机械臂提供安装环境，并引出各机械臂独立的信号线(6)连接至主控工作站(7)；至少两条机械臂，设置于所述机械臂基座(3)，各条机械臂输出端上设置有对应的执行器，所述执行器用以接入介入器械，其中单条机械臂集成有多个级联的自由度关节，任一自由度关节设置有独立的动力机构，各动力机构通过信号线(6)连接至主控工作站(7)，以基于主控工作站(7)控制对应自由度的调节，实现基于相应的执行器完成所需的介入手术动作。控制机械臂完成术前机械臂的精准就位和术后机械臂的复位回收，简化手术流程缩短手术用时，提高手术效率及手术操作稳定性。

Description

一种双级自适应动力手术机械臂装置及控制方法

技术领域

本申请涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种双级自适应动力手术机械臂装置及控制方法。

背景技术

随着人类生活水平提高、生活和饮食习惯改变等因素，心血管疾病的发病率连年攀升，伴随计算机、影像学等技术在医学领域的广泛应用，正在为传统医学领域带来颠覆性的变革，心脏及血管介入手术是一项新兴的心脑血管等疾病诊疗手段，医生在医学影像的引导下，通过导管沿血管直接到达体内病灶位置，并进行治疗，介入手术机器人因其精准稳定安全高效等优势，逐渐开始辅助医生控制介入器械进行手术的手术方式，介入手术机器人一般由机械臂以及机械臂执行器组成，由执行器控制心血管介入器械的轴向移动、双向打弯以及周向的旋转，部分术式需要由两条机械臂和两个执行器分别控制多种介入器械进行手术，术者需要通过手动调整两条机械臂，在不发生相互干涉的情况下，将机械臂上两个执行器调整至患者穿刺点血管入路指定位置，由于机械臂执行器本身存在一定的体积，当术者手动调整两个机械臂形态时容易产生互相干涉，操作难度较高，且每开始一台手术都需要医生费力操作，手术时非常不方便，也无法形成标准化术式。

由于纯机械结构的手术机器人机械臂支架，每开始一台手术都需要术者手动调整机械臂至手术合适位置，结束手术后，都需要术者手动将机械臂收回至初始位，导致手术过程繁琐，使用时非常不方便。尤其当手术中需要用到多个机械臂进行手术时，术者需要在有限的手术空间内将两个机械臂调整至合适的血管入路位置，调整难度高且调整过程中容易发生两个机械臂之间的碰撞，造成器械损坏，引发手术安全事故。因为手术床上方的手术空间均要求保持无菌环境，机械臂需要套在无菌保护罩内进行调整，由于无菌隔离罩一般都比较薄，在手动调整机械臂的过程中容易导致无菌隔离罩破裂，污染手术环境。

传统机械臂操作方式存在以下问题：

1.每台手术结束后需要术者手动将机械臂收回至初始位置，以清空手术台，为下台手术准备提供空间，手动收回效率比较低，增加手术过程繁琐程度。

2.手动调整机械臂的过程中，容易损坏无菌罩，破坏手术无菌环境。

3.当手术需要用到多条机械臂进行手术时，手动对机械臂进行大范围调整较为困难，多个机械臂之间容易产生干涉，需要术者经过专业的培训，影响手术机器人的临床应用推广。

发明内容

本申请实施例提供一种双级自适应动力手术机械臂装置及控制方法，用以术前完成机械臂的精准就位和术后机械臂的复位回收，简化手术流程缩短手术用时，提高手术效率。

本申请实施例提供一种双级自适应动力手术机械臂装置，包括：

机械臂基座3，为各机械臂提供安装环境，并引出各机械臂独立的信号线6连接至主控工作站7；

至少两条机械臂，设置于所述机械臂基座3，各条机械臂输出端上设置有对应的执行器，所述执行器用以接入介入器械，其中单条机械臂集成有多个级联的自由度关节，任一自由度关节设置有独立的动力机构，各动力机构通过信号线6连接至主控工作站7，以基于主控工作站7控制对应自由度的调节，实现基于相应的执行器完成所需的介入手术动作。

可选的，单条机械臂集成有至少六个级联的自由度关节。

可选的，至少两条机械臂基于所述机械臂基座3具有高度差。

本申请实施例还提出一种双级自适应动力手术机械臂的控制方法，实现对前述的双级自适应动力手术机械臂装置进行控制，包括：

提供终端控制器，以基于所述终端控制器输入控制指令，并确定穿刺口血管入路位置，所述控制指令包括基础手术信息；

利用主控工作站7，基于输入的控制指令以及穿刺口血管入路位置，确定至少两条机械臂的一级目标位置；

根据各机械臂相邻关节之间的臂长，以及，多个自由度关节转动驱动的相对关系，将一级目标位置换算成机械臂各个关节自由度转动的一级控制命令，以基于所述一级控制指令控制至少两条机械臂的头端到达一级目标位置；

在控制至少两条机械臂的头端到达一级目标位置后，发出二级控制指令，解除所述至少两条机械臂各关节点的锁定状态，以使得所述至少两条机械臂在外力牵引到达二级目标位置。

可选的，还包括：

提供终端控制器，基于所述终端控制器配置有人机交互界面和至少三个控制按键，其中所述人机交互界面用于输入控制指令，至少三个控制按键分别用于发出一级控制命令、二级控制指令以及复位，其中复位用以控制至少两条机械臂执行位置恢复。

可选的，控制至少两条机械臂执行位置恢复的过程中，基于至少两条机械臂的各个关节对执行器进行翻折，和/或，旋转，以使得执行位置恢复的过程中各执行器在同一时间不存在位置干涉。

本申请实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的双级自适应动力手术机械臂的控制方法的步骤。

本申请实施例设计了具有多个自由度关节的机械臂，并控制机械臂完成术前机械臂的精准就位和术后机械臂的复位回收，简化手术流程缩短手术用时，提高手术效率及手术操作稳定性。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本申请实施例的机械臂装置控制系统整体结构示意图；

图2为本申请实施例的机械臂装置控制系统工作状态侧视图；

图3为本申请实施例的机械臂装置控制系统工作状态俯视图；

图4为本申请实施例的机械臂整体示意图；

图5为本申请实施例的机械臂初始位置示意图；

图6为本申请实施例的机械臂装置控制流程示意；

图7为本申请实施例的机械臂装置关节示意。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

当手术需要操控多个机械臂同时进行手术时，开始手术之前需要将两个机械臂终端调整至患者血管入路上，并以合适的角度设置在穿刺口附近，由于手术环境有限，调整过程中多个机械臂之间会产生相互干涉，将多个机械臂调整至合适的形态配合进行手术，操作难度较高，术者需要经过专业的培训以及练习，且手动调整机械臂的过程中两个机械臂之间容易发生磕碰造成器械损坏。本申请实施例提供一种双级自适应动力手术机械臂装置，如图1-图5所示，包括：

机械臂基座3，为各机械臂提供安装环境，并引出各机械臂独立的信号线6连接至主控工作站7。一些具体示例中，机械臂基座3还设置有连接部，以基于连接部可以将机械臂基座3以及后续实施例中的机械臂一并连接到手术床5上，手术床5可以是DSA手术床。在一些具体示例中，机械臂底座3可以内置机械臂电源控制单元，可以与DSA手术床导轨结合，机械臂与手术床一体设计，可随DSA手术床一体运动，在DSA造影时，机械臂3与床随动。

至少两条机械臂，设置于所述机械臂基座3，各条机械臂输出端上设置有对应的执行器，所述执行器用以接入介入器械4，介入器械4用以连接介入导管9，其中单条机械臂集成有多个级联的自由度关节，任一自由度关节设置有独立的动力机构，各动力机构通过信号线6连接至主控工作站7，以基于主控工作站7控制对应自由度的调节，实现基于相应的执行器完成所需的介入手术动作。

本申请实施例以两条机械臂进行举例说明，如图1-图5所示，包括第一机械臂1和第二机械臂2，一些具体示例中，单条机械臂集成有至少六个级联的自由度关节。每个自由度关节都设置有单独的动力机构控制对应自由度关节的调节，第一机械臂1和第二机械臂2的末端分别连接第一执行器11以及第二执行器21。本申请实施例的机械臂均具有预设的阻尼效果，且机械臂各自由度关节均具备锁止功能。

主控工作站7将机械臂末端的最终位置信息通过预设算法转换为对每个自由度关节动力机构的输出控制，从而来实现机械臂终端的智能导航。所述的机械臂组件通过机械臂基座安装在DSA手术床边，为了避免机械臂调整的过程中两个机械臂以及机械臂终端执行器之间产生互相干涉，在一些实施例中，至少两条机械臂基于所述机械臂基座3具有高度差。

申请实施例的机械臂装置，可扩展增加多条机械臂，每条机械臂集成六个及以上自由度关节，每个自由度关节都设有驱动单元，并具有锁止功能。

主控工作站，完成一级机械臂系统到位。主控工作站可以与手术机器人主机整合，根据术者输入的患者基础信息，如身高和体重，实际血管入路术式，如左右侧股静脉入路，通过自适应控制算法移动多个机械臂终端到达各自一级定位位置。机械臂自由度关节内嵌动力驱动单元，协同驱动，对机械臂自动控制运动到位

机械臂底座，内置机械臂电源控制单元，可以与DSA手术床导轨结合，机械臂与手术床一体设计，可随DSA手术床一体运动，在DSA造影时，机械臂与床随动。

利用本申请的机械臂装置能够极大降低术者的操作难度，无需经过专业培养和训练，极大简化手术流程缩短手术用时，提高手术效率及手术操作稳定性。

本申请实施例还提出一种双级自适应动力手术机械臂的控制方法，实现对前述的双级自适应动力手术机械臂装置进行控制，如图6所示，包括如下步骤：

在步骤S601中，提供终端控制器8，以基于所述终端控制器8输入控制指令，并确定穿刺口血管入路位置，所述控制指令包括基础手术信息，一些具体示例中，基础手术信息包括患者的身高、体重等。还可以输入血管入路方向等手术术式信息，基本信息以及手术术式信息均发送至主控工作站7。

在一些实施例中，还包括：提供终端控制器8，基于所述终端控制器8配置有人机交互界面和至少三个控制按键，其中所述人机交互界面用于输入控制指令，至少三个控制按键分别用于发出一级控制命令、二级控制指令以及复位，其中复位用以控制至少两条机械臂执行位置恢复。

在步骤S602中，利用主控工作站7，基于输入的控制指令以及穿刺口血管入路位置，确定至少两条机械臂的一级目标位置。一些具体示例中，主控工作站根据输入的基础手术信息通过自适应算法获取该病人在手术床上的虚拟状态，并判断机械臂终端的执行器最佳的工作位置，定义为“一级手术机械臂工作位置”，也即一级目标位置。

在步骤S603中，根据各机械臂相邻关节之间的臂长，以及，多个自由度关节转动驱动的相对关系，将一级目标位置换算成机械臂各个关节自由度转动的一级控制命令，以基于所述一级控制指令控制至少两条机械臂的头端到达一级目标位置。

具体的，根据机械臂各个自由度关节的相对设置关系以及相邻两个关节之间的臂长，主控工作站将上述获取的执行器最佳工作位置信息(一级目标位置)转换为如何通过各个自由度关节的控制将机械臂终端的执行器移动至上述最佳工作位置，即“一级手术机械臂工作位置”，工作站主机运算获取的各个自由度关节的控制命令通过信号线发送至各个机械臂对应的自由度关节，从而操控机械臂完成对应的动作，实现术者一键启动一级位置就位功能。

如图4所示，例如一级目标位置为穿刺点附近，一种具体的一键启动一级位置就位功能可以采用如下方式实现：将机器人基座设置在手术床侧边，机器人基座和手术床头枕相对位置固定(机器人基座的初始位置为已知)。

输入患者的基本信息（包括身高/体重/穿刺位置等），根据输入的患者身高，计算出该病人躺在手术床上情况下，股静脉穿刺口与手术床头枕的轴向距离（例如可以以手术床长度方向为轴向）。

根据机器人基座与手术床头枕的轴向相对位置关系，计算出机器人基座与股静脉穿刺口的相对轴向位置，根据输入的穿刺位置（左侧股静脉/右侧股静脉），确定穿刺口与机器人基座的横向相对位置。

根据体重与身高的比例，获取患者的纵向厚度，由此来确定穿刺点的纵向位置，根据上述相对机器人基座的轴向位置、横向位置和纵向位置来确定穿刺点的三维空间位置，将该三维空间位置拆分成机械臂各个自由度的驱动控制命令，将机械臂头端的执行器输送至穿刺点附近，由此在输入患者基本信息后即可完成一键启动一级位置就位功能。

在步骤S604中，在控制至少两条机械臂的头端到达一级目标位置后，发出二级控制指令，解除所述至少两条机械臂各关节点的锁定状态，以使得所述至少两条机械臂在外力牵引到达二级目标位置。

具体的，术者可通过终端控制器一级启动按键，控制机械臂将机械臂终端送至一级到位位置，然后锁止，此时机械臂无法活动。若需要进一步调整位置，术者可以通过二级到位控制按键，该按键按下后，机械臂解除锁止，术者可控制机械臂在预设阻尼下，通过多个自由度动力驱动关节，对机械臂做二级高精度位置调控，例如可以直接牵引机械臂至所需的手术位置，最终实现基于介入器械在心脏或血管的实际位置，调整到病人穿刺点的血管入路上。

一级和二级位置分别确定后，术者在机械臂终端的执行器上，放置介入器械，通过手术机器人远程控制终端，开始介入手术。

通过本申请实施例的控制方法能够实现二级机械臂快速到位，极大的简化了手术机器人的手术流程，提高手术机器人工作效率，标准化手术操作。

在一些实施例中，控制至少两条机械臂执行位置恢复的过程中，基于至少两条机械臂的各个关节对执行器进行翻折，和/或，旋转，以使得执行位置恢复的过程中各执行器在同一时间不存在位置干涉。

具体的图7示出了二级机械臂的具体关节示例，基于此，本申请实施例还提出如下位置恢复的过程，包括如下步骤：

控制第一机械臂第四关节104转动，将第一执行器向上翻折；

控制第一机械臂第三关节103转动，将第三关节远端的机械臂整体进一步向上翻着；

控制第二机械臂第一关节201转动，将第二机械臂调整至与手术床垂直位置；

控制第二机械臂第六关节206转动，将第二执行器调整至手术床平行位置；

控制第二机械臂第五关节205转动，将第二执行器调整至水平位置；

依次控制第二机械臂第四关节204第三关节203以及第二关节202转动，将第二执行器收拢至初始位置；

控制第一机械臂第一关节101转动，将第一机械臂调整至手术床垂直位置；

依次控制第一机械臂第二关节102和第三关节103转动，将远端的机械臂收拢至手术床侧面；

控制第一机械臂第四关节104转动，将第一执行器调整至竖直平面位置；

控制第一机械臂第六关节106转动，将第一执行器调整至手术床平行位置；

控制第一机械臂第五关节105转动，将第一执行器调整至水平位置。

本申请实施例还提出执行器一键到位过程：

控制第一机械臂第四关节104转动，将第一执行器向上翻折；

根据术前输入的患者身高信息，估算执行器合适的轴向位置，控制第二机械臂第一关节201转动，将第二执行器调整至手术床合适的轴向位置；

控制第二机械臂第二关节202、第三关节203转动，将第二执行器调整至手术床合适的横向位置；

控制第二机械臂第四关节204转动，将第二执行器调整至竖直平面内；

控制第二机械臂第六关节206转动，将第二执行器调整至合适角度；

控制第二机械臂第五关节205转动，将第二执行器调整至合适的倾斜角度；

控制第一机械臂第一关节101转动，将第一执行器调整至手术床合适的轴向位置；

控制第一机械臂第二关节102、第三关节103转动，将第一执行器调整至合适的手术床横向位置。

控制第一机械臂第四关节104转动，将第一执行器调整至竖直方向。

控制第一机械臂第六关节106转动，将第一执行器调整至合适的周向角度。

控制第一机械臂第五关节105转动，将第一执行器调整至合适的倾斜角度。

本申请通过主控工作站联合控制机械臂，通过终端控制键盘，术者一键控制机械臂到达预设目标位置，不需要手动调整，提高手术效率的同时，防止多个机械臂之间产生互相干涉，损坏无菌袋破坏手术无菌环境。

手术结束后，术者可通过终端控制键盘上的一键归位按键，将机械臂收回至初始位置，不需要医生费力调整，快速清空手术台，为下一台手术准备提供空间，加快两台手术之间的衔接效率。

本申请通过机械臂基座将多个机械臂集成设置在DSA手术床旁，所述相邻两个机械臂的安装位置设置有高度差，防止两个机械臂动作过程中互相干涉。机械臂终端控制键盘设有一键动力源锁止按键，当按键按下时，使能所有自由度关节动力机构，机械臂各个自由度关节处于减速微调状态，便于术者手工微调机械臂的位置以及方向，取消后，所有自由度关节自动抱锁，提高手术操作稳定性。

本申请实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的双级自适应动力手术机械臂的控制方法的步骤。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质（如ROM/RAM、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台终端（可以是手机，计算机，服务器或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本申请的保护之内。

Claims (7)

1.一种双级自适应动力手术机械臂装置，其特征在于，包括：

机械臂基座(3)，为各机械臂提供安装环境，并引出各机械臂独立的信号线(6)连接至主控工作站(7)；

至少两条机械臂，设置于所述机械臂基座(3)，各条机械臂输出端上设置有对应的执行器，所述执行器用以接入介入器械，其中单条机械臂集成有多个级联的自由度关节，任一自由度关节设置有独立的动力机构，各动力机构通过信号线(6)连接至主控工作站(7)，以基于主控工作站(7)控制对应自由度的调节，实现基于相应的执行器完成所需的介入手术动作。

2.如权利要求1所述的双级自适应动力手术机械臂装置，其特征在于，单条机械臂集成有至少六个级联的自由度关节。

3.如权利要求1所述的双级自适应动力手术机械臂装置，其特征在于，至少两条机械臂基于所述机械臂基座(3)具有高度差。

4.一种双级自适应动力手术机械臂的控制方法，实现对如权利要求1-3任一项所述的双级自适应动力手术机械臂装置进行控制，其特征在于，包括：

提供终端控制器，以基于所述终端控制器输入控制指令，并确定穿刺口血管入路位置，所述控制指令包括基础手术信息；

利用主控工作站(7)，基于输入的控制指令以及穿刺口血管入路位置，确定至少两条机械臂的一级目标位置；

根据各机械臂相邻关节之间的臂长，以及，多个自由度关节转动驱动的相对关系，将一级目标位置换算成机械臂各个关节自由度转动的一级控制命令，以基于所述一级控制指令控制至少两条机械臂的头端到达一级目标位置；

在控制至少两条机械臂的头端到达一级目标位置后，发出二级控制指令，解除所述至少两条机械臂各关节点的锁定状态，以使得所述至少两条机械臂在外力牵引到达二级目标位置。

5.如权利要求4所述的双级自适应动力手术机械臂的控制方法，其特征在于，还包括：

提供终端控制器，基于所述终端控制器配置有人机交互界面和至少三个控制按键，其中所述人机交互界面用于输入控制指令，至少三个控制按键分别用于发出一级控制命令、二级控制指令以及复位，其中复位用以控制至少两条机械臂执行位置恢复。

6.如权利要求5所述的双级自适应动力手术机械臂的控制方法，其特征在于，控制至少两条机械臂执行位置恢复的过程中，基于至少两条机械臂的各个关节对执行器进行翻折，和/或，旋转，以使得执行位置恢复的过程中各执行器在同一时间不存在位置干涉。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求4至6中任一项所述的双级自适应动力手术机械臂的控制方法的步骤。