CN1669532A - 具有力感觉的显微外科手术机器人控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有力感觉的显微外科手术机器人控制系统，包括操作级、控制策略级和执行级，操作级由上层管理系统计算机和主手操作系统组成，用于监控和管理系统信息，记录工作域图像显示以及医生操作信息；控制策略级包括主从手位姿映射模块、驱动算法模块、主手通讯模块和图像采集与显示模块，用于完成主从手之间运动和力映射的计算；执行级是由运动控制单元、交流伺服驱动器和电机及光码盘组成，用于完成主操作手运动信号和附加开关信号的输入，驱动控制信号的输出到从操作手以及实现机器人动作。本发明能够代替主刀医生完成手术基本动作，增加了力反馈的功能，使医生能够更加真实的感知病人情况，开放性、标准化软件系统与模块化的硬件结构，突破传统机器人软硬件捆绑关系。
Description
技术领域
本发明涉及一种显微外科手术机器人的控制系统，特别是一种具有力感觉的显微外科手术机器人控制系统。
背景技术
显微外科手术是医生在显微镜下完成的手术。由于该类手术的对象大都是微小的神经和血管，因此该类手术操作需要高的操作精度和动作稳定性，这样就提高了对医生的要求，缩短了医生的工作寿命。尤其对于脑外科的神经和血管(直径小于1mm)进行操作时，已经远远超出了人类的能力范围，在这种情况下，迫切需要一种医疗机器能够取代人完成一些复杂的微操作，如微小血管的缝合、组织剥离、和器官切除等动作。
国外比较成熟的医疗机器人系统包括已经获得美国FDA认证的达芬奇系统和Zeus系统，和日本东京大学通过internet网实现的远程手术控制系统。但上述系统在手术过程中，医生都只是通过图像观察来完成手术的，不具备力感觉功能。外科手术过程中，医生所操作的对象都是柔软的组织和器官，外科大夫手术时对力的感觉要求很高。目前国内医疗机器人的应用大多依靠国外的整机进口，自主研发的医疗机器人，还仅仅能从事对外科手术中的体内探察、定位、夹线等辅助工作，而不能代替医生完成整个手术。
传统的机器人控制系统都是采用专用计算机、专用机器人语言，专用的操作系统，其开放性和通用性比较差。由于工作在主从方式下的医疗机器人系统，除了要求完成简单的运动控制功能以外，还要具有图像采集和显示、实时通讯以及力信息控制等功能，所以传统的机器人控制系统无法满足要求。因此，有必要开发应用于显微外科手术的具有力感觉的显微外科手术机器人控制系统。
发明内容
本发明所解决的技术问题是，提供一种具有力感觉的显微外科手术机器人控制系统，该系统工作于主从方式，能够代替主刀医生完成切开、剥离、缝合和打结等基本动作。
为了实现上述所要解决的技术问题，本发明的具有力感觉的显微外科手术机器人控制系统，包括操作级、控制策略级和执行级，所述的操作级由上层管理系统计算机和主手操作系统组成，用于监控和管理系统信息，记录工作域图像显示以及医生操作信息；所述的控制策略级包括主从手位姿映射模块、驱动算法模块、主手通讯模块和图像采集与显示模块，用于完成主从手之间运动和力映射的计算；所述的执行级是由运动控制单元、交流伺服驱动器和电机及光码盘组成的，用于完成主操作手运动信号和附加开关信号的输入，驱动控制信号的输出到从操作手以及实现机器人动作。
所述的主手操作系统是梵特姆(采用音译，原文为Phantom Desktop)触感装置。
所述的运动控制单元包括位置闭环运动控制单元和姿态开环运动控制单元；所述的位置闭环运动控制单元是伺服控制系统，由PCI-7344运动控制卡、交流电机、光码盘和交流驱动器组成，用于实现从手操作器中位置的驱动；所述的姿态开环运动控制单元的执行机构是步进电机和PCI-7764运动控制卡，采用开环控制方式。
所述的图像采集与显示模块包括手术显微镜、显示器、2个图像采集卡和3台CCD摄像机，第一台CCD摄像机设置在手术显微镜附加的弧形导轨上，用于实现全局视场的图像采集与显示功能；第二台和第三台CCD摄像机用于实现手术局部视场的图像采集与显示功能，第二台摄像机与手术显微镜的输出光路相连，直接对显微手术微操作区域进行摄像，第三台设置在主体显微镜的附加弧形导轨上，与主体显微镜成一定就角度，并在CCD摄像机前端安装倍数为6.5倍的放大镜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(一)本发明能够代替主刀医生完成切开、剥离、缝合和打结等基本动作；(二)本发明除具有三维图像信息以外，还增加了力反馈的功能，使医生能够更加真实的感知病人情况，从而大大的提高了手术的安全性和成功率；(三)开放性、标准化软件系统与模块化的硬件结构，突破传统机器人软硬件捆绑关系，适合医疗机器人控制系统的需要；(四)本发明的控制系统具有运动控制、图像采集与显示和数据的高速传输等多种功能；(五)本发明的多种控制模式的实时切换，方便了医生在进行长时间大型手术的休息，大大减轻了医生手术时的疲劳；(六)本发明采用了模块化的设计方式，控制系统能扩展出各种功能模块，以满足外科医疗手术不断发展的要求。
附图说明
图1是本发明控制系统的总体结构方框图；
图2是本发明位置闭环运动控制单元的方框图；
图3是本发明姿态开环控制原理方框图；
图4是本发明图像采集与显示系统；
图5是本发明控制系统软件主界面；
图6是本发明主从异构控制方案方框图；
图7是本发明主从手数据流程图；
图8是本发明Phantom Desktop与Labview通讯程序；
图9是本发明关节空间示意图；
图10是本发明是单关节控制板上数据流程图。
具体实施方式
妙手(原文MicroHand)机器人的控制系统是基于PC机的开放式系统，该系统充分利用Windows丰富的软件资源和PC机的多种通讯接口，具有移植性强、柔性大等特点。如图1是本
发明控制系统的总体结构方框图
本发明控制系统包括三层级，分别是操作级、控制策略级和执行级。操作级是控制系统的最上层，由上层管理系统计算机(高性能PC机)和主手操作系统(Phantom)组成，承担系统信息的监控与管理，工作域图像显示以及医生操作信息的记录等工作；控制策略级主要包括主从手位姿映射模块、驱动算法模块和主手通讯模块，用来完成主从手之间运动和力映射的计算，是控制系统的核心部分；执行级是由高性能的运动控制单元、交流伺服驱动器和电机及光码盘组成的，主要完成信号的输入(主操作手运动信号、附加开关信号)，驱动控制信号的输出(输出到从操作手)以及实现机器人动作的功能。
本发明控制系统的硬件结构：
1、具有三维力感觉的Phantom Desktop主手操作系统
本发明的主手操作系统采用美国Sensable公司生产的Phantom desktop，它是一个应用于计算机虚拟现实领域中的产品，该系统具有6个运动自由度，每个关节上装有码盘可以记录各关节的角度值，同时该系统还有三个力矩电机，可以实现三维力重构。
2、位置闭环运动控制单元
从手操作器中位置的驱动是由松下交流电机来完成。为满足医疗机器人系统精确位置控制，我们采用了伺服控制系统的该系统的组成包括：1)PCI运动控制卡及其附件，2)松下交流电机及光码盘，3)松下交流驱动器。
位置闭环的运动控制单元采用的是三闭环控制方式，如图2所示。其反馈控制系统(即加速度闭环，速度闭环，位置闭环)中，速度和加速度闭环是在交流电机与驱动器之间实现的，而为了使伺服闭环具有良好的动态特性和静态刚度，将位置闭环移到控制器上，这样可以通过调节位置闭环的PID参数，实现系统稳定、精确的位置控制。
3、姿态开环运动控制单元
由于外科手术中，对于姿态的控制不同于位置控制需要较高的精确度，其主要的设计指标是灵活性，所以姿态运动控制单元执行机构采用的是步进电机，采用开环控制方式。该种结构控制简单，其步进电机通过控制器发出的数字脉冲来运动，数字脉冲的个数控制步进电机的角位移，脉冲的频率控制电机速度；平稳运行由于没有伺服系统的闭环结构，所以不会出现因参数不当而产生的振动；结构简单，由于采用开环控制方式，所以没有码盘或电位器等机构，这样既减轻了重量又减少了体积，比较适合应用在刚性不是很大的机器人上；有利于全数字式控制系统的开发。姿态运动控制单元主要包括以下硬件：1)PCI运动控制卡及其附件，2)步进电机，3)直流电源，其结构如图3。
4、图像采集与显示模块
图像采集与显示系统主要包括以下硬件：手术显微镜，图像采集卡，CCD摄像机以及显示器。图像采集部件接收由多路CCD摄像机传输来的图像信息，并转换为数字形式，通过PC机实时地显示在屏幕上，多路图像信号可实现实时切换。图像采集与显示系统由2块PCI图像采集卡以及三台CCD摄像机组成，其中，一台CCD摄像机安装在手术显微镜附加的弧形导轨上，实现全局视场的图像采集与显示功能；另外两台CCD摄像机实现手术局部视场(显微图像视场)的图像采集与显示功能，其中一台摄像机与手术显微镜的输出光路相连，直接对显微手术微操作区域进行摄像，另外一台安装在主体显微镜的附加弧形导轨上，与主体显微镜成一定就角度，并在CCD摄像机前端安装倍数为6.5倍的放大镜。这样，通过两个成一定角度的CCD摄像机来获取工作区域下物体的立体信息。
本发明控制系统的软件结构：
1、软件系统的主界面
控制系统软件主界面如图5，右侧为控制按钮区，点击按钮可分别调用不同的功能模块。其主要包括：1)Phantom初始化；2)从手初始化；3)电机开；4)图像显示程序；5)单步运行模式；6)程序关。主界面的主从映射关系区包括两部分，其中右面提供了主从映射的信息，便于用户实时的查看系统的工作情况；左面部分的第一列是用来初始化主操作，第二列表示主手的六个码盘值的当前值。从手运动状态模块是用来监控从手运动状态的。通过LED型的显示灯可以判断从手所处的运动状态。
2、主从操作手映射模块
主手操作器采用Sensable公司的Phantom Desktop装置，从手则是根据显微手术的要求设计开发的，这导致主从操作器的“异构”问题。为了解决此问题，首先，分别建立主从手的数学模型，然后，根据主从手广义坐标系下位姿相等的条件，建立主从之间的对应关系，从而实现主从对应控制的目的，如图6所示。
3、从手运动学逆解与线性化
主从操作器的“异构”问题的出现，使主从手对应关系复杂化，大大的增加了控制算法的计算量，延长了主从手响应时间。尤其在从手运动学逆解过程中还会有许多超越函数和奇异值的出现，严重的影响了系统的安全性。本发明采用主从手之间微变化对应相等的关系，将复杂的从手逆运动学模型线性化，从而大大的减少了计算量，提高了计算速度。该方法从根本上避免了奇异解，提高了系统的安全性。图7是本发明主从手数据流程图。
4、主手操作器通讯及力反馈模块
Phantom系统主要应用于计算机虚拟现实技术中。为使其应用于本系统，对其进行了二次开发，直接对Phantom的底层力矩电机和光码盘进行控制和测量，使其应用于控制真实机器人和实现真实环境的触觉感知。程序结果如图8所示。
Phantom的力反馈功能的实现，首先，通过六维力传感器Mini40检测出其所在位置的力；其次，通过传感器至末端工具操作点的力平衡模型，可以换算出末端点的作用力；然后，将该作用力映射于Phantom Desktop工作点；最后，通过Phantom Desktop结构的力平衡计算并乘以加权因子获得各关节力矩值，从而使操作者具有力感觉。
5、从操作手驱动控制模块
MicroHand的异构主从控制方式有别于主从同构机器人的控制，其从手运动的轨迹来自于由人操作的主手，其运动的形式不可能是规则的直线、圆弧、抛物线等，这样在运动控制方面就不能用通常的方法对从手运动轨迹进行各种通常的轨迹插补算法。所以在这里采用“关节空间法”对机器人进行插补运算，即：不在机器人的直角坐标系下描述两点之间的位姿变化，而是通过机器人运动学逆解求出位置点的各个关节变化量，再将关节的变化量进行三次样条插值算法，从而达到轨迹平滑控制的目的，由于关节空间和直角坐标系之间并不是连续的对应关系，因而这种插值算法不会发生奇异值的问题。实验证明这种控制方法是可行的。图9是定义的关节空间示意图。将运动控制卡上的三个独立运动控制通道定义成为一个运动矢量空间，在这个空间里，三个轴之间可以实现同步起停、实时通讯、协调动作等功能。
由于MicroHand的主从通讯模块架构在windows操作系统下的软件层，所以稳定运行条件下，通讯最高频率为100Hz，即对主手每隔10ms采样一次，而位置伺服系统是由板载硬件实现，其速度最快可以达到每一个PID循环时间在62.5μs，所以信号输出控制电机之前，还要通过板载硬件模块的插值运算来平滑模拟信号。其数据流程如图10。
从操作手控制与通讯模块基于Labview软件环境开发。其主要功能为：从主从操作手空间映射模块实时获得从操作手各关节控制量，在运动控制器中开辟缓存空间，将各关节控制量成批按矢量空间方式写入缓存，上位机从控制器缓存中按先后顺序获得驱动电机的控制量，并按三次样条插补的形式计算出电机运动的角度变化量以及速度和加速度值，将这些运动控制参数发送给电机驱动器(下位机)驱动电机按要求平稳运动，实现主从操作控制。
本发明具有以下优点：1、开放性、标准化软件系统与模块化的硬件结构，突破传统机器人软硬件捆绑关系，适合医疗机器人控制系统的需要；2、控制系统具有运动控制、图像采集与显示和数据的高速传输等多种功能；3、多种控制模式的实时切换，方便了医生在进行长时间大型手术的休息，大大减轻了医生手术时的疲劳；4、采用了模块化的设计方式，控制系统扩展出各种功能模块，以满足外科医疗手术不断发展的要求。
Claims (4)
1、一种具有力感觉的显微外科手术机器人控制系统，其特征是，它包括操作级、控制策略级和执行级，所述的操作级由上层管理系统计算机和主手操作系统组成，用于监控和管理系统信息，记录工作域图像显示以及医生操作信息；所述的控制策略级包括主从手位姿映射模块、驱动算法模块、主手通讯模块和图像采集与显示模块，用于完成主从手之间运动和力映射的计算；所述的执行级是由运动控制单元、交流伺服驱动器和电机及光码盘组成的，用于完成主操作手运动信号和附加开关信号的输入，驱动控制信号的输出到从操作手以及实现机器人动作。
2、根据权利要求1所述的一种具有力感觉的显微外科手术机器人控制系统，其特征是，所述的主手操作系统是梵特姆触感装置。
3、根据权利要求1所述的一种具有力感觉的显微外科手术机器人控制系统，其特征是，所述的运动控制单元包括位置闭环运动控制单元和姿态开环运动控制单元；所述的位置闭环运动控制单元为伺服控制系统，由PCI-7344运动控制卡、交流电机、光码盘和交流驱动器组成，用于实现从手操作器中位置的驱动；所述的姿态开环运动控制单元的执行机构由步进电机和PCI-7764运动控制卡组成，采用开环控制方式。
4、根据权利要求1所述的一种具有力感觉的显微外科手术机器人控制系统，其特征是，所述的图像采集与显示模块包括手术显微镜、显示器、2个图像采集卡和3台CCD摄像机，第一台CCD摄像机设置在手术显微镜附加的弧形导轨上，用于实现全局视场的图像采集与显示功能；第二台和第三台CCD摄像机用于实现手术局部视场的图像采集与显示功能，可提供手术对象的立体信息，第二台摄像机与手术显微镜的输出光路相连，直接对显微手术微操作区域进行摄像，第三台设置在主体显微镜的附加弧形导轨上，与主体显微镜成一定就角度，并在CCD摄像机前端安装倍数为6.5倍的放大镜。
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