CN117838325B - 手术机器人的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种手术机器人的控制系统，包括：控制板、操作手柄、执行器和传感器；控制板与操作手柄连接，用于根据操作手柄的位移信息控制执行器的执行动作；传感器与执行器连接，用于向控制板反馈执行器执行动作时的执行阻力；控制板根据执行阻力调节操作手柄的位移阻力；其中，操作手柄的位移阻力与执行器的执行阻力正相关。本发明通过控制板将操作手柄的位移信息转化成电信号后传递给执行器，使得执行器能够及时根据操作手柄的动作执行相应的操作，并且通过传感器将执行器的执行阻力转化为电信号，再通过控制板根据执行阻力的电信号转化操作手柄的位移阻力，使得手术中能够感知执行器遇到的阻力大小，提高的安全性。

Description

手术机器人的控制系统

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种手术机器人的控制系统。

背景技术

随着经济及科技的发展，血管介入治疗已成为治疗血管疾病和多种肿瘤的重要治疗手段。在血管治疗方面，主要的治疗手段包括：血管腔内球囊成形、血管支架、溶栓治疗、血管栓塞、下腔静脉滤器置入、经颈静脉肝内门体分流术(TIPS)、各种血管造影诊断等。而在肿瘤性疾病治疗方面，主要的治疗手段包括：肿瘤的供血栓塞与药物灌注(TACE)、动脉内照射、术前栓塞肿瘤血管等；某些肿瘤，如肝癌、肺癌、盆腔肿瘤等，血管介入治疗已成为重要的治疗手段，使得大量不具备手术指征的肿瘤患者有效控制了肿瘤生长、减轻了肿瘤负荷、延长了生存期。

血管机器人作为血管介入治疗的主要设备，对血管接入手术机器人的操作直接影响着手术效果，现有的操作设备不能及时反映血管接入手术机器人的在人体内的受力变化，影响医生操作手感和手术效果。

发明内容

本发明提供一种手术机器人的控制系统，用以解决现有操作设备不能及时反映血管接入手术机器人的在人体内的受力变化，影响医生操作手感和手术效果的缺陷。

根据本发明提供的一种手术机器人的控制系统，包括：控制板、操作手柄、执行器和传感器；所述控制板与所述操作手柄连接，用于根据所述操作手柄的位移信息控制所述执行器的执行动作；所述传感器与所述执行器连接，用于向所述控制板反馈所述执行器执行动作时的执行阻力；所述控制板根据所述执行阻力调节所述操作手柄的位移阻力；其中，所述操作手柄的位移阻力与所述执行器的执行阻力正相关。

根据本发明的一种实施方式，所述传感器根据所述执行器的执行阻力转化为电信号，并将所述电信号发送至所述控制板，所述控制板根据所述电信号调节所述操作手柄的位移阻力。

具体来说，本实施例提供了一种传感器的实施方式。

根据本发明的一种实施方式，所述操作手柄包括：磁滞制动器，所述控制板根据所述传感器反馈的电信号调节所述磁滞制动器的输入励磁电流大小；其中，所述磁滞制动器根据输入的所述励磁电流大小调节转动扭矩；所述磁滞制动器的转动扭矩反馈至所述操作手柄的线位移阻力。

具体来说，本实施例提供了一种磁滞制动器的实施方式。

根据本发明的一种实施方式，所述操作手柄包括：平移滑动底座、第三编码器、平移传动机构和平移滑动手柄；所述平移滑动底座与所述平移滑动手柄滑动连接；所述平移滑动手柄与所述磁滞制动器连接，并带动所述磁滞制动器同步滑动；所述第三编码器通过所述平移传动机构与所述平移滑动手柄连接，用于向所述控制板发送所述平移滑动手柄的线位移信息；其中，所述平移滑动手柄的线位移阻力与所述磁滞制动器的转动扭矩正相关。

具体来说，本实施例提供了一种平移滑动底座、第三编码器、平移传动机构和平移滑动手柄的实施方式。

根据本发明的一种实施方式，所述平移传动机构包括：齿条、齿轮、滑轨和滑块；所述齿条设置于所述平移滑动底座；所述齿轮分别与所述磁滞制动器的轴体和所述第三编码器连接，且与所述齿条啮合；所述滑轨设置于所述平移滑动底座，且与所述齿条平行设置；所述滑块与所述滑轨滑动配合，且与所述平移滑动手柄连接。

具体来说，本实施例提供了一种齿条、齿轮、滑轨和滑块的实施方式。

根据本发明的一种实施方式，所述操作手柄包括：电机，所述控制板根据所述传感器反馈的电信号调节所述电机的输入电流大小；

其中，所述电机根据输入的电流大小调节转动扭矩，所述电机的转动扭矩反馈至所述操作手柄的角位移阻力。

具体来说，本实施例提供了一种电机的实施方式。

根据本发明的一种实施方式，所述操作手柄包括：支撑部、第一编码器和推送旋转手柄；所述电机设置于所述支撑部；所述第一编码器和所述推送旋转手柄分别与所述电机的轴体连接，且所述第一编码器和所述推送旋转手柄分别设置于所述支撑部的两侧；其中，所述第一编码器向所述控制板反馈所述推送旋转手柄的角位移，所述控制板根据所述推送旋转手柄的角位移调节所述执行器的执行动作；所述推送旋转手柄的角位移阻力与所述电机的转动扭矩正相关。

具体来说，本实施例提供了一种支撑部、第一编码器和推送旋转手柄的实施方式。

根据本发明的一种实施方式，所述操作手柄还包括：第二编码器和调节滚轮；所述调节滚轮设置于所述推送旋转手柄；所述第二编码器与所述调节滚轮连接，并向所述控制板反馈所述调节滚轮的角位移，所述控制板根据所述调节滚轮的角位移调节所述执行器的执行动作。

具体来说，本实施例提供了一种第二编码器和调节滚轮的实施方式。

根据本发明的一种实施方式，还包括：显示组件，所述显示组件分别与所述控制板、所述操作手柄、所述执行器和所述传感器连接，用于显示手术过程中的操作信息。

具体来说，本实施例提供了一种显示组件的实施方式。

根据本发明的一种实施方式，所述操作手柄包括：平移滑动手柄和两个推送旋转手柄；所述平移滑动手柄和所述显示组件沿第一方向间隔设置，且所述平移滑动手柄靠近操作者一侧；两个所述推送旋转手柄沿第二方向间隔设置于所述显示组件的两侧；其中，所述第一方向和第二方向垂直。

具体来说，本实施例提供了一种平移滑动手柄和两个推送旋转手柄的实施方式。

本发明中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：本发明提供的一种手术机器人的控制系统，通过控制板将操作手柄的位移信息转化成电信号后传递给执行器，使得执行器能够及时根据操作手柄的动作执行相应的操作，并且通过传感器将执行器的执行阻力转化为电信号，再通过控制板根据执行阻力的电信号转化操作手柄的位移阻力，使得手术中能够感知执行器遇到的阻力大小，提高的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。

图1是本发明提供的手术机器人的控制系统的布置关系示意图；

图2是本发明提供的手术机器人的控制系统中，平移滑动手柄的装配关系示意图之一；

图3是本发明提供的手术机器人的控制系统中，平移滑动手柄的装配关系示意图之二；

图4是本发明提供的手术机器人的控制系统中，平移滑动手柄的装配关系示意图之三；

图5是本发明提供的手术机器人的控制系统中，平移滑动手柄的装配关系示意图之四；

图6是本发明提供的手术机器人的控制系统中，平移滑动手柄的装配关系示意图之五；

图7是本发明提供的手术机器人的控制系统中，平移滑动手柄的装配关系示意图之六；

图8是本发明提供的手术机器人的控制系统中，推送旋转手柄的装配关系示意图之一；

图9是本发明提供的手术机器人的控制系统中，推送旋转手柄的装配关系示意图之二；

图10是本发明提供的手术机器人的控制系统中，推送旋转手柄的装配关系示意图之三；

图11是本发明提供的手术机器人的控制系统中，主端操作台的装配关系示意图；

图12是本发明提供的手术机器人的控制系统的控制流程示意图；

图13是本发明提供的手术机器人的控制系统中，阻力映射的流程示意图；

图14是本发明提供的手术机器人的控制系统中，位置映射的流程示意图；

图15是本发明提供的手术机器人的控制系统中，执行端的电机位置控制器的流程示意图；

图16是本发明提供的手术机器人的控制系统中，各个主要任务的优先级分配示意图。

附图标记：

10、操作台本体；11、斜台；

20、显示组件；21、显示区域；22、电源开关；23、急停开关；

30、平移滑动手柄；31、平移滑动底座；311、沉槽；321、安装座；322、转接件；33、磁滞制动器；34、第三编码器；35、齿条；36、齿轮；37、滑轨；38、滑块；39、联轴器；

40、推送旋转手柄；41、支撑部；411、第一支撑座；412、第二支撑座；413、通过孔；42、电机；43、第一编码器；441、第一壳体；442、第二壳体；443、调节滚轮；444、第二编码器；445、调节口；45、连接杆；46、罩体；

100、控制板；110、执行器；120、传感器；

N、第一方向；M、第二方向。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，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发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合具体实施方式对本发明进行具体说明。

在本发明的一些具体实施方案中，如图1至图11所示，本方案提供一种手术机器人的控制系统，包括：控制板100、操作手柄、执行器110和传感器120；控制板100与操作手柄连接，用于根据操作手柄的位移信息控制执行器110的执行动作；传感器120与执行器110连接，用于向控制板100反馈执行器110执行动作时的执行阻力；控制板100根据执行阻力调节操作手柄的位移阻力；其中，操作手柄的位移阻力与执行器110的执行阻力正相关。

需要说明的是，本发明通过控制板100将操作手柄的位移信息反馈至执行器110，执行器110根据操作手柄的位移执行相应的动作，再通过传感器120对执行器110在执行过程中的执行过程中的阻力进行获取，并将执行阻力反馈至控制板100，控制板100根据执行阻力控制操作手柄的位移阻力与执行器110的执行阻力正相关，使得医生在使用操作手柄时，能够准确的感知执行器110的阻力，使得医生对手术机器人的控制更加精准。

进一步地，控制板100根据操作手柄的位移信息转化成相应的电信号，并发送至执行器110，执行器110根据电信号进行相应动作的执行。

在可能的实施例中，执行器110为手术机器人的手术端的相关设备。

在可能的实施例中，执行器110至少包括手术机器人的导管部分、球囊支架部分及导丝部分。

在本发明一些可能的实施方式中，传感器120根据执行器110的执行阻力转化为电信号，并将电信号发送至控制板100，控制板100根据电信号调节操作手柄的位移阻力。

具体来说，本实施例提供了一种传感器120的实施方式，传感器120将执行器110的执行阻力转化为电信号，并发送给控制板100根据执行阻力的电信号调节操作手柄的位移阻力，使得医生能够通过操作手柄真实的感知手术机器人在手术中的阻力情况，提升手术的精准度。

在本发明一些可能的实施方式中，操作手柄包括：磁滞制动器33，控制板100根据传感器120反馈的电信号调节磁滞制动器33的输入励磁电流大小；其中，磁滞制动器33根据输入的励磁电流大小调节转动扭矩；磁滞制动器33的转动扭矩反馈至操作手柄的线位移阻力。

具体来说，本实施例提供了一种磁滞制动器33的实施方式，磁滞制动器33的设置，使得控制板100能够根据执行阻力生成电信号，根据相应的比例关系确定磁滞制动器33的励磁电流大小，并通过调节输入到磁滞制动器33的励磁电流大小实现对磁滞制动器33转动扭矩的调节，进而使得操作手柄能够得到不同的位移阻力。

在本发明一些可能的实施方式中，操作手柄包括：平移滑动底座31、第三编码器34、平移传动机构和平移滑动手柄30；平移滑动底座31与平移滑动手柄30滑动连接；平移滑动手柄30与磁滞制动器33连接，并带动磁滞制动器33同步滑动；第三编码器34通过平移传动机构与平移滑动手柄30连接，用于向控制板100发送平移滑动手柄30的线位移信息；其中，平移滑动手柄30的线位移阻力与磁滞制动器33的转动扭矩正相关。

具体来说，本实施例提供了一种平移滑动底座31、第三编码器34、平移传动机构和平移滑动手柄30的实施方式，通过平移滑动手柄30控制医疗设备的某些部件移动时，传感器120检测执行器110受到的阻力，传感器120将阻力值转换为电信号发送至控制板100，控制板100根据该阻力电信号控制向磁滞制动器33输送励磁电流的大小，根据励磁电流与磁滞制动器33的转动扭矩线性关系，执行器110受到的阻力根据一定比例转化为转动扭矩，在平移滑动手柄30在移动过程中，通过传动组件将转动扭矩转换为平移滑动手柄30的移动阻力，从而使平移滑动手柄30精确反应手术过程中真实的阻力变化，提高手术效果。

进一步地，第三编码器34电性连接控制板100，第三编码器34将磁滞制动器33转轴转动角度信息转换为电信号，并发送至控制板100，控制板100将角度电信号转换为移动距离信息，然后将移动距离信息发送至执行器110，控制执行器110的移动，保证手术平稳进行。

在本发明一些可能的实施方式中，还包括：安装座321；安装座321与平移滑动底座31滑动连接；平移滑动手柄30设置于安装座321；其中，磁滞制动器33与安装座321连接。

具体来说，本实施例提供了一种安装座321和平移滑动手柄30的实施方式，安装座321为平移滑动手柄30与平移滑动底座31之间的滑动连接提供了连接位置，便于平移滑动手柄30的安装和拆卸，也为其他部件的连接提供了连接位置。

在本发明一些可能的实施方式中，还包括：转接件322，转接件322沿垂直于平移滑动手柄30移动方向延伸设置；其中，转接件322的一端与安装座321连接，转接件322的另一端与编码器连接。

具体来说，本实施例提供了一种转接件322的实施方式，转接件322的设置，使得编码器与安装座321之间实现连接，并且还能够与磁滞制动器33的轴体实现同轴转动。

在可能的实施例中，转接件322沿垂直于平移滑动手柄30移动方向设置，使得平移滑动底座31的一侧设置平移滑动手柄30，另一侧连接编码器，平移滑动底座31的中部位置设置磁滞制动器33。

在本发明一些可能的实施方式中，平移滑动手柄30的握持段延伸方向与滑动方向平行。

具体来说，本实施例提供了一种握持段的实施方式，握持段与滑动方向平行设置，使得医生或者操作者在施力的过程中，能够更好的感受到反馈阻力的效果，使得对于阻力整体的感知均衡，避免手柄握持段与滑动方向垂直时，对阻力感知有差异的问题。

在本发明一些可能的实施方式中，平移传动机构包括：齿条35、齿轮36、滑轨37和滑块38；齿条35设置于平移滑动底座31；齿轮36分别与磁滞制动器33的轴体和第三编码器34连接，且与齿条35啮合；滑轨37设置于平移滑动底座31，且与齿条35平行设置；滑块38与滑轨37滑动配合，且与平移滑动手柄30连接。

具体来说，本实施例提供了一种齿条35、齿轮36、滑轨37和滑块38的实施方式，通过设置齿条35、齿轮36、滑轨37和滑块38，实现了平移滑动手柄30在平移滑动底座31上的往复运动。

在本发明一些可能的实施方式中，还包括：联轴器39，联轴器39分别与第三编码器34和磁滞制动器33的轴体连接，使得第三编码器34与磁滞制动器33的轴体能够同步转动。

在本发明一些可能的实施方式中，平移滑动底座31设置有容纳磁滞制动器33的沉槽311；其中，齿条35和滑轨37分别沿长度方向设置于沉槽311的两侧。

具体来说，本实施例提供了一种平移滑动底座31的实施方式，在平移滑动底座31上设置能够容纳磁滞制动器33的沉槽311，降低了平移滑动手柄30的整体高度，同时也便于平移滑动手柄30与滑轨37和滑块38等部件之间的配合。

在本发明一些可能的实施方式中，操作手柄包括：电机42，控制板100根据传感器120反馈的电信号调节电机42的输入电流大小；其中，电机42根据输入的电流大小调节转动扭矩，电机42的转动扭矩反馈至操作手柄的角位移阻力。

具体来说，本实施例提供了一种电机42的实施方式，传感器120将检测到的执行器110的执行阻力转化成电信号，并传输给控制板100，控制板100根据执行阻力的电信号确定电机42的电流值，电机42根据电流值的大小调节相应的转动扭矩，进而使得与电机42连接的操作手柄得到阻力反馈，能够使得医生在手术中能够准确获知执行器110的阻力，提高手术的安全性、准确性和效率。

在本发明一些可能的实施方式中，操作手柄包括：支撑部41、第一编码器43和推送旋转手柄40；电机42设置于支撑部41；第一编码器43和推送旋转手柄40分别与电机42的轴体连接，且第一编码器43和推送旋转手柄40分别设置于支撑部41的两侧；其中，第一编码器43向控制板100反馈推送旋转手柄40的角位移，控制板100根据推送旋转手柄40的角位移调节执行器110的执行动作；推送旋转手柄40的角位移阻力与电机42的转动扭矩正相关。

具体来说，本实施例提供了一种支撑部41、第一编码器43和推送旋转手柄40的实施方式，第一编码器43连接电机42，第一编码器43用于将电机42的电机42轴转动角度转化为电信号发送至控制板100，控制板100将该电信号转换为移动信息发送至手术机器人，从而控制手术机器人移动；电机42的轴体可以作为铰接轴，推送旋转手柄40通过电机42的轴体与支撑座铰接，推送旋转手柄40与电机42的轴体固定连接，传感器120获取手术机器人的执行器110受到的阻力，传感器120将阻力转换为电信号发送至控制板100，控制板100基于电信号控制输送至电机42的电流，从而将手术机器人受到的阻力按一定比例转换为电机42轴的扭矩，转动推送旋转手柄40时，可真实感受到手术机器人受到的阻力变化，进而实现对手术机器人的精确控制。

在可能的实施例中，本发明的电机42为有刷直流电机42。

进一步地，还包括：连接杆45，连接杆45的一端与电机42的轴体连接，连接杆45的另一端与推送旋转手柄40可拆卸连接。

需要说明的是，推送旋转手柄40为医生或者操作者提供了施力位置，连接杆45则为推送旋转手柄40与电机42轴体的连接起到了转接的作用；连接杆45与推送旋转手柄40为插接配合，并通过螺钉等实现可拆卸连接。

在本发明一些可能的实施方式中，支撑部41包括：第一支撑座411和第二支撑座412；第一支撑座411和第二支撑座412间隔设置；第一支撑座411设置有通过孔413，且第一支撑座411设置于推送旋转手柄40和电机42之间；推送旋转手柄40设置于第一支撑座411和第二支撑座412之间；其中，电机42的轴体依次穿过第一支撑座411、推送旋转手柄40和第二支撑座412。

具体来说，本实施例提供了一种第一支撑座411和第二支撑座412的实施方式，第一支撑座411与第二支撑座412间隔设置，实现了对连接杆45转接的同时，也保证了对推送旋转手柄40和电机42的支撑稳定性，避免只设置第一支撑座411带来的支撑强度不足，以及应力集中的问题，同时保证转动传输的稳定。

在本发明一些可能的实施方式中，操作手柄还包括：第二编码器444和调节滚轮443；调节滚轮443设置于推送旋转手柄40；第二编码器444与调节滚轮443连接，并向控制板100反馈调节滚轮443的角位移，控制板100根据调节滚轮443的角位移调节执行器110的执行动作。

具体来说，本实施例提供了一种第二编码器444和调节滚轮443的实施方式，通过设置调节滚轮443和第二编码器444，通过调节滚轮443使第二编码器444的转轴转动，第二编码器444将转动角度信息转换为电信号发送至控制板100，控制板100将角度的电信号转换为转动指令发送至控制板100，控制板100调节手术机器人的介入器械转动，实现对手术机器人的精确控制。

在可能的实施例中，操作手柄还包括：第一壳体441和第二壳体442，第一壳体441和第二壳体442扣合形成容纳空间，且第一壳体441上开设有调节口445；调节滚轮443至少部分凸出于调节口445；第二编码器444设置于容纳空间内，并与调节滚轮443连接；其中，第二编码器444向控制板100发送调节滚轮443的转动信息。

在本发明一些可能的实施方式中，支撑部41还包括：轴承，轴承设置于第二支撑座412内，并与电机42的轴体转动配合。

具体来说，本实施例提供了一种支撑部41的实施方式，轴承的设置为电机42轴体与第二支撑座412之间提供了支撑，也减小了电机42轴体转动过程中的摩擦力。

在本发明一些可能的实施方式中，连接杆45朝向第一支撑座411的一侧设置有凸台，凸台与通过孔413转动配合。

具体来说，本实施例提供了一种连接杆45的实施方式，凸台的设置，使得连接杆45能够与第一支撑座411的通过孔413实现轴孔配合，且连接杆45通过凸台的位置与电机42的轴体实现连接，一方面便于连接杆45与电机42轴体的连接，另一方面也是的连接杆45能够通过凸台与通过孔413的配合，实现在第一支撑座411上的定位。

在本发明一些可能的实施方式中，还包括：罩体46，罩体46设置于连接杆45和推送旋转手柄40之间，且至少罩设部分支撑部41。

具体来说，本实施例提供了一种罩体46的实施方式，罩体46的设置为支撑部41的外部提供了防护作用，避免了防止碎屑、粉尘进入支撑部41。

在本发明一些可能的实施方式中，还包括：显示组件20，显示组件20分别与控制板100、操作手柄、执行器110和传感器120连接，用于显示手术过程中的操作信息。

具体来说，本实施例提供了一种显示组件20的实施方式，显示组件20可显示手术机器人的导管、球囊支架及导丝部分受到的阻力，还可以显示推送旋转手柄40和平移滑动手柄30的工作阻力。

在本发明一些可能的实施方式中，操作手柄包括：平移滑动手柄30和两个手柄单元；平移滑动手柄30和显示组件20沿第一方向N间隔设置，且平移滑动手柄30靠近操作者一侧；两个手柄单元沿第二方向M间隔设置于显示组件20的两侧；其中，至少一个手柄单元为推送旋转手柄40，第一方向N和第二方向M垂直。

具体来说，本实施例提供了一种平移滑动手柄30和两个手柄单元的实施方式，设置至少一个推送旋转手柄40在显示组件20的侧部，并将平移滑动手柄30设置在显示组件20的一端，便于用户对手术机器人进行操作，合理的布局提升用户的体验。

在可能的实施例中，平移滑动手柄30设置于靠近用户的一侧。

在本发明一些可能的实施方式中，操作台本体10上设置有斜台11，显示组件20设置于斜台11的斜面处，并朝向平移滑动手柄30一侧开设有显示区域21。

具体来说，本实施例提供了一种斜台11的实施方式，斜台11的设置，使得显示区域21能够更好的向操作者一侧倾斜，便于操作者观察显示区域21。

在本发明一些可能的实施方式中，显示区域21为触摸显示屏。

具体来说，本实施例提供了一种显示区域21的实施方式，通过将显示区域21设置为触摸显示屏，一方面可以显示在手术过程中的各种状态信息，另一方面还可以直接通过触摸显示屏进行相应的操作。

在本发明一些可能的实施方式中，显示组件20还包括：电源开关22和急停开关23，电源开关22和急停开关23分别沿第一方向N间隔设置。

具体来说，本实施例提供了一种电源开关22和急停开关23的实施方式，通过设置电源开关22实现了为主端操作台的上电，同时急停开关23的设置可以在手术过程中，遇到紧急情况时进行急停操作。

在一个应用场景中，本实施例中，显示区域21面向使用者，以使用者的方向作为基准进行描述，平移滑动手柄30位于显示区域21靠近使用者一侧，显示区域21左侧的推送旋转手柄40可对应血管介入手术机器人的导管部分，显示区域21右侧的推送旋转手柄40可对应血管介入手术机器人的球囊支架部分，平移滑动手柄30对应血管介入手术机器人的导丝部分。

进一步地，斜台11在显示区域21右侧设置有急停开关23及电源开关22。操作台本体10内部设置有电源及主控板，电源电性连接主控板，主控板分别与推送旋转手柄40、平移滑动手柄30、显示组件20、急停开关23及电源开关22电性连接，主控板具有接收模块及发送模块，主控板的发送模块可将推送旋转手柄40及平移滑动手柄30的移动信号传送至血管介入手术机器人，从而控制血管介入手术机器人工作，主控板的接收模块用于接收血管介入手术机器人的运动信息，并将运动信息发送至显示组件20显示，以方便使用者直观了解血管介入手术机器人的工作状态，电源开关22用于控制主控板的开关。

在本发明的一些具体实施方案中，如图12至图16所示，图12是本发明提供的手术机器人的控制系统的控制流程示意图；从图12中可以看出，操作者、控制器和执行器110之间的信号传递关系，操作者通过平移滑动手柄30和推送旋转手柄40进行操作，且平移滑动手柄30和推送旋转手柄40向用户进行阻力反馈，以使得用户能够获知在操作过程中的阻力大小。

在可能的实施例中，如图12所示，平滑移动手柄通过第三编码器34测量平移滑动手柄30的位置，并通过平移滑动位置映射将平移滑动手柄30的位置映射为平移滑动的设定位置。

在可能的实施例中，如图12所示，控制器通过通信链路将平滑移动的设定位置发送给执行器110，平移滑动的设定位置作为平滑移动电机42的位置控制器的输入，用于通过平移滑动电机42控制平移滑动机构的位置。

在可能的实施例中，如图12所示，平移滑动机构通过传感器120测量平移滑动的阻力，执行器110通过通信链路将平移滑动阻力发送给控制器，控制器将平移滑动阻力经过阻力映射，映射为磁滞制动器33的设定电流，并将通过电流传感器120测量的磁滞制动机的实际电流作为反馈，在磁滞制动器33电流控制器的控制下实现对磁滞制动器33电流的闭环控制，以实现对平移滑动手柄30阻力的闭环控制。

进一步地，用户可以操作手柄，通过改变手柄的位置以发送操作指令，手柄通过阻力反馈执行器110端遇到的阻力。

在可能的实施例中，如图12所示，推送旋转手柄40部分与上述部分的工作流程类似，区别是推送旋转手柄40通过力反馈电机42实现力反馈。

在可能的实施例中，如图12所示，调节滚轮443可以用于控制一些其他的执行机构，不具备力反馈功能，用户通过旋转调节滚轮443，调节滚轮443旋转带动第二编码器444旋转，通过第二编码器444测量调节滚轮443的位置，通过调节滚轮443位置映射将其映射为其他执行机构的设定位置，位置控制器通过控制电机42来闭环控制其他执行机构的位置。

图13是本发明提供的手术机器人的控制系统中，阻力映射的流程示意图；如图13所示，展示了阻力映射的大致流程，阻力映射的输入为执行器110端传感器120反馈的阻力，主要分为卡尔曼滤波器、线性映射、非线性校正和输出幅度限制。

步骤1，阻力经过卡尔曼滤波器进行滤波和预测，可以过滤传感器120输出的抖动，对传感器120的输出预测，用于补偿执行器110端与控制器端的通信延迟。

步骤2，接下来进行线性映射，将反馈的阻力经线性映射映射为磁滞制动器33/力反馈电机42的电流。

其中，线性映射的比例系数可以预先配置或者通过屏幕进行自定义，比例系数越大，力反馈越灵敏，执行端遇到相同阻力的时，反馈的阻力越大。通过调整比例系数，来调整力反馈的灵敏度。

步骤3，对线性映射的结果进行非线性校正，需要校正磁滞制动器33/力反馈电机42的非线性情况。

需要说明的是，由于加工误差，机械摩擦等因素，磁滞制动器33/力反馈电机42提供的反馈扭矩与电流的关系不是严格的线性关系，存在一定非线性，需要预先对非线性情况进行测量和标定，进行校正，确保力反馈线性较好，力反馈平稳。

步骤4，对输出的设定电流的幅值进行限制，为确保安全，需要通过软件限制和硬件限制双重限制，防止损毁磁滞制动器33/力反馈电机42。

图14是本发明提供的手术机器人的控制系统中，位置映射的流程示意图；编码器的脉冲通过编码器模式和外部中断模式捕获，编码器模式负责记录电机42的位置，外部中断负责记录最后一个边沿的触发时间。

可以理解地，位置映射流程以一个固定的周期定时触发，每次触发时，通过对此时刻编码器位置与上一时刻编码器位置做差，计算周期内电机42的位移，并将本周期最后一个边沿触发时间与上周期最后一个边沿触发时间做差，计算产生这些位移的实际时间，并以此计算电机42的实际转速，通过此方法(M/T法)测量电机42的转速，可以同时提高电机42低速下和高速下的转速测量效果，避免因为转速过低、转速过高、编码器精度过低等因素造成电机42转速测量存在较大误差。

进一步地，测量转速后，需要检测对应通道的使能按键是否被按下，如果按键被按下，则认为这一周期内的控制指令生效，那么就对速度经线性映射后累加到电机42的设定位置。

此外，线性映射比例即线性映射的灵敏度，可以通过屏幕进行配置，线性映射比例越大，移动手柄相同距离时，执行端对应的机构位移的比例越大，灵敏度越大，控制精度越低，实际使用中应该根据操作端、执行端的实际情况设定合理的线性映射比例的合理区间范围供用户设置，避免因用户设置的比例系数不合理造成安全事故或损坏设备。

同时，设定位置经卡尔曼滤波器输出给执行机构，卡尔曼滤波器可以对输出进行滤波和预测，一方面可以过滤掉用户操作的抖动造成的设定位置的抖动，另一方面可以对输出进行预测，用于补偿控制端和执行端之间的延迟。

需要说明的是，位置映射的流程可以分别应用于第一编码器43和第二编码器444中。

图15是本发明提供的手术机器人的控制系统中，执行端的电机位置控制器的流程示意图；电机位置控制器以控制器发送来的设定位置作为输入，闭环控制各电机42的位置。采用串级控制器，内环为电机42电流控制环，中环为电机42转速控制环，外环为电机42位置控制环。其中位置控制器、转速控制器、电流控制器可以采用PID控制器、自适应控制器、滑模控制器等常见控制器。

图16是本发明提供的手术机器人的控制系统中，各个主要任务的优先级分配示意图；为了合理调度控制器的CPU，控制器采用了嵌入式实时系统，各个主要任务的优先级分配。

如图16所示，在中断优先级中，通信数据接收、编码器边沿触发时间记录、编码器数据处理等任务为中断优先级，通过外部中断或者内部中断触发；其中通信数据接收由各种通信链路的接收中断触发，用于将各种通信中断发送的数据及时存入内存，避免因通信数据量过大，导致数据遗漏，接收的数据主要是执行端发送的阻力大小；

进一步地，编码器触发边沿时间记录由编码器输入引脚的外部边沿中断触发，用于记录编码器边沿的时间，以实现M/T法电机42转速测量。

更进一步地，编码器数据处理由内部的定时器溢出中断触发，用于通过M/T法计算转速，通过定时器溢出中断触发可以保证任务能以一个恒定的周期精准触发，以提高转速测量的精度。

如图16所示，在高优先级中，力反馈电流控制器计算，通信数据处理、通信数据发送等任务优先级较高。力反馈电流控制器计算用于计算阻力映射、位置映射、控制器运算等；通信数据处理负责读取通信链路的通信缓冲并解析处理接收的数据；通信数据发送负责将设定的位置指令发送给执行端。

此外，屏幕界面更新与输入处理、运行数据保存、运行日志输出等对实时性要求不高的任务为中低优先级。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“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，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“方式”、“具体方式”、或“一些方式”等的描述意指结合该实施例或方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或方式中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或方式以及不同实施例或方式的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (6)

1.一种手术机器人的控制系统，其特征在于，包括：控制板（100）、操作手柄、执行器（110）和传感器（120）；

所述控制板（100）与所述操作手柄连接，用于根据所述操作手柄的位移信息控制所述执行器（110）的执行动作；所述传感器（120）与所述执行器（110）连接，用于向所述控制板（100）反馈所述执行器（110）执行动作时的执行阻力；所述控制板（100）根据所述执行阻力调节所述操作手柄的位移阻力；其中，所述操作手柄的位移阻力与所述执行器（110）的执行阻力正相关；

所述传感器（120）根据所述执行器（110）的执行阻力转化为电信号，并将所述电信号发送至所述控制板（100），所述控制板（100）根据所述电信号调节所述操作手柄的位移阻力；

所述操作手柄包括：磁滞制动器（33），所述控制板（100）根据所述传感器（120）反馈的电信号调节所述磁滞制动器（33）的输入励磁电流大小；其中，所述磁滞制动器（33）根据输入的所述励磁电流大小调节转动扭矩；所述磁滞制动器（33）的转动扭矩反馈至所述操作手柄的线位移阻力；

所述操作手柄包括：平移滑动底座（31）、第三编码器（34）、平移传动机构和平移滑动手柄（30）；所述平移滑动底座（31）与所述平移滑动手柄（30）滑动连接；所述平移滑动手柄（30）与所述磁滞制动器（33）连接，并带动所述磁滞制动器（33）同步滑动；所述第三编码器（34）通过所述平移传动机构与所述平移滑动手柄（30）连接，用于向所述控制板（100）发送所述平移滑动手柄（30）的线位移信息；其中，所述平移滑动手柄（30）的线位移阻力与所述磁滞制动器（33）的转动扭矩正相关；

所述操作手柄包括：电机（42），所述控制板（100）根据所述传感器（120）反馈的电信号调节所述电机（42）的输入电流大小；其中，所述电机（42）根据输入的电流大小调节转动扭矩，所述电机（42）的转动扭矩反馈至所述操作手柄的角位移阻力。

2.根据权利要求1所述的手术机器人的控制系统，其特征在于，所述平移传动机构包括：齿条（35）、齿轮（36）、滑轨（37）和滑块（38）；

所述齿条（35）设置于所述平移滑动底座（31）；

所述齿轮（36）分别与所述磁滞制动器（33）的轴体和所述第三编码器（34）连接，且与所述齿条（35）啮合；

所述滑轨（37）设置于所述平移滑动底座（31），且与所述齿条（35）平行设置；

所述滑块（38）与所述滑轨（37）滑动配合，且与所述平移滑动手柄（30）连接。

3.根据权利要求1所述的手术机器人的控制系统，其特征在于，所述操作手柄包括：支撑部（41）、第一编码器（43）和推送旋转手柄（40）；

所述电机（42）设置于所述支撑部（41）；

所述第一编码器（43）和所述推送旋转手柄（40）分别与所述电机（42）的轴体连接，且所述第一编码器（43）和所述推送旋转手柄（40）分别设置于所述支撑部（41）的两侧；

其中，所述第一编码器（43）向所述控制板（100）反馈所述推送旋转手柄（40）的角位移，所述控制板（100）根据所述推送旋转手柄（40）的角位移调节所述执行器（110）的执行动作；

所述推送旋转手柄（40）的角位移阻力与所述电机（42）的转动扭矩正相关。

4.根据权利要求3所述的手术机器人的控制系统，其特征在于，所述操作手柄还包括：第二编码器（444）和调节滚轮（443）；

所述调节滚轮（443）设置于所述推送旋转手柄（40）；

所述第二编码器（444）与所述调节滚轮（443）连接，并向所述控制板（100）反馈所述调节滚轮（443）的角位移，所述控制板（100）根据所述调节滚轮（443）的角位移调节所述执行器（110）的执行动作。

5.根据权利要求1至4任一项所述的手术机器人的控制系统，其特征在于，还包括：显示组件（20），所述显示组件（20）分别与所述控制板（100）、所述操作手柄、所述执行器（110）和所述传感器（120）连接，用于显示手术过程中的操作信息。

6.根据权利要求5所述的手术机器人的控制系统，其特征在于，所述操作手柄包括：平移滑动手柄（30）和两个推送旋转手柄（40）；

所述平移滑动手柄（30）和所述显示组件（20）沿第一方向（N）间隔设置，且所述平移滑动手柄（30）靠近操作者一侧；

两个所述推送旋转手柄（40）沿第二方向（M）间隔设置于所述显示组件（20）的两侧；

其中，所述第一方向（N）和第二方向（M）垂直。