一种柔性手术工具系统及其在运动约束下的控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种柔性手术工具系统及其在运动约束下的控制方法，其包括由多自由度机械臂、柔性手术工具、远程操控设备和控制计算机构成的柔性手术工具系统；根据远程操控设备状态信号得出手术执行器目标位姿；根据多自由度机械臂关节位置值和柔性手术工具构节弯转角度值，得出手术执行器当前位姿；根据手术执行器目标位姿和手术执行器当前位姿得出手术执行器期望速度；获取鞘套施加于外套管的运动限定条件，根据运动限定条件和手术执行器期望速度，得出多自由度机械臂关节速度以及柔性手术工具构节弯转速度；获得多自由度机械臂目标关节位置值、柔性手术工具目标构节弯转角度值，并将其发送到相应控制器以驱动各个构节；控制循环结束并重复循环执行上述步骤的动作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种医疗器械及其控制方法，特别是关于一种柔性手术工具系统及其在运动约束下的控制方法。
技术介绍
微创腔镜手术因其创口小、术后恢复快，已经在外科手术中占据了重要的地位。机器人辅助的腔镜手术可大大简化医生的操作，同时提高操作精度。现有IntuitiveSurgical公司的daVinci手术机器人辅助医生完成多孔腹腔镜微创手术，取得了商业上的巨大成功。相较末端通过杆件串联铰接实现有限弯转自由度的传统刚性手术器械，柔性手术器械可实现进一步的微型化和更好的运动性能，是下一代微创腔镜手术器械发展的重要研究方向。在机器人辅助的微创腔镜手术过程中，手术器械在机器人或机械臂的携带下经固定于皮肤切口处的鞘套进入患者体内以完成手术操作。在手术操作过程中，须最大限度的减小手术器械的运动对鞘套空间位置的影响以减少对皮肤切口的牵拉。因此，机器人辅助的腔镜手术系统需要在满足上述运动约束下完成手术操作。现存的解决方案多采用机械结构设计如远程运动中心(RemoteCenterofMotion，RCM)机构以满足上述运动约束，使用灵活性不高。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种柔性手术工具系统在运动约束下的控制方法，该方法能在不采用专用远程运动中心机构的条件下，实现手术工具系统在鞘套运动约束下的灵活操控。本专利技术的另一目的是提供一种柔性手术工具系统，该系统可经单一手术切口，较好地应用于单孔腔镜微创手术机器人系统，亦可应用于多孔腔镜手术机器人系统。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种柔性手术工具系统在运动约束下的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)设置一柔性手术工具系统，其包括多自由度机械臂、柔性手术工具、远程操控设备和控制计算机；柔性手术工具包括柔性手术工具驱动单元、外套管、柔性多构节臂体和手术执行器；2)远程操控设备将远程操控设备状态信号传输至控制计算机，控制计算机接收远程操控设备状态信号后并根据配准、映射关系换算得出手术执行器目标位姿；3)控制计算机分别接收由多自由度机械臂反馈的多自由度机械臂关节位置值和柔性手术工具反馈的柔性手术工具构节弯转角度值，并根据多自由度机械臂和柔性手术工具的机械构型采用机器人正向运动学模型换算得出手术执行器当前位姿；4)控制计算机根据手术执行器目标位姿和手术执行器当前位姿计算得出手术执行器期望速度；5)控制计算机根据多自由度机械臂关节位置值、柔性手术工具构节弯转角度值以及鞘套空间位置，并利用机器人正向运动学模型计算得出鞘套当前相对外套管位置；6)通过鞘套当前相对外套管位置得到鞘套施加于外套管的运动限定条件；根据运动限定条件和手术执行器期望速度，应用多优先级目标下的逆运动学算法计算得出多自由度机械臂关节速度以及柔性手术工具构节弯转速度；7)根据多自由度机械臂关节速度以及预设的控制循环时间，计算得出多自由度机械臂目标关节位置值，并将其发送到多自由度机械臂的控制器以驱动各个关节；8)根据柔性手术工具构节弯转速度以及控制循环时间，计算得出柔性手术工具目标构节弯转角度值，并将其发送到柔性手术工具的控制器以驱动各个构节；9)控制循环结束并重复循环执行上述步骤2)至步骤8)的动作。优选地，所述步骤4)中，手术执行器期望速度计算方式如下：x·=vω=vlim(pt-pc)/||pt-pc||ωlimrotr^-1(RtRcT),]]>式中，为手术执行器速度向量，包括线速度向量v与角速度向量ω；pt为手术执行器目标位置，即手术执行器目标位姿中包含的位置向量；Rt为手术执行器目标姿态旋转矩阵，即手术执行器目标位姿中包含的姿态矩阵；pc为手术执行器当前位置，即手术执行器当前位姿中包含的位置向量；Rc为手术执行器当前姿态旋转矩阵，即手术执行器当前位姿中包含的姿态矩阵；vlim为手术执行器线速度限定值；ωlim为手术执行器角速度限定值；为从手术执行器当前姿态旋转到手术执行器目标姿态所需围绕的旋转轴线的单位向量，为标明是单位向量。优选地，所述步骤5)中，鞘套空间位置为鞘套固定于手术切口的空间位置。优选地，所述步骤6)中，运动限定条件为外套管处于鞘套中特定固定点的速度方向应与通过外套管的通道轴线在该特定固定点的切向方向一致；该特定固定点为鞘套中用于通过外套管的通道轴线与皮肤切口的交点。优选地，所述步骤6)中，多优先级目标下逆运动学算法为：C=Hq·C=vRCM⊥=0]]>x·=Jq·]]>q·=(I-H+H)(J(I-H+H))+X·]]>式中，C为运动限定条件；H为运动限定条件的雅克比矩阵；为多自由度机械臂关节速度及柔性手术工具构节弯转速度组成的向量；vRCM⊥为外套管位于鞘套中特定固定点处垂直于该外套管轴线在该特定固定点的切线方向的速度向量；为手术执行器期望速度向量；J为手术执行器的雅克比矩阵。一种实现上述控制方法的柔性手术工具系统，其特征在于：该系统包括多自由度机械臂、柔性手术工具、远程操控设备和控制计算机；所述远程操控设备与所述控制计算机进行信息交互，所述远程操控设备将对所述多自由度机械臂、所述柔性手术工具的期望控制信息传输至所述控制计算机；所述控制计算机分别与所述多自由度机械臂、所述柔性手术工具进行信息交互，分别向所述多自由度机械臂、所述柔性手术工具传输控制信号，并接收由所述多自由度机械臂、所述柔性手术工具反馈回的当前状态，该当前状态包括所述多自由度机械臂和柔性手术工具的运动姿态和受到外扰动信息；所述控制计算机将接收到的信息处理后返回至所述远程操控设备，所述远程操控设备输出作用力，以体现所述多自由度机械臂和柔性手术工具的运动滞后程度或所受外扰动信息；所述控制信号在以太网构建的连接上传输。优选地，所述多自由度机械臂配有机械臂控制器，用于接收来自以太网的控制信号，再通过控制器局域网络总线传递给电机驱动器以驱动相应电机运动；所述多自由度机械臂各个关节安装有旋转角度传感器，用于实时检测所述多自由度机械臂关节位置值，并以反馈信号的方式通过控制器局域网络总线传递给所述机械臂控制器，所述机械臂控制器将反馈信号通过以太网传输到所述控制计算机进行控制循环的计算。优选地，所述柔性手术工具中设置有柔性手术工具控制器，接收来自以太网的控制信号，再通过控制器局域网络总线传递给电机驱动器以驱动相应电机运动；所述柔性手术工具中各个电机的输出轴上安装有旋转角度传感器，将所实时测得的输出轴旋转角度以反馈信号的方式通过控制器局域网络总线传递给所述柔性手术工具控制器，所述柔性手术工具控制器执行正运动学算法，得到柔性手术工具构节弯转角度值，并以反馈信号的形式通过以太网传输到所述控制计算机进行控制循环的计算。优选地，所述控制计算机通过局域网络总线以广播的方式将控制信号传输到所述多自由度机械臂以及柔性手术工具各关节电机驱动器，所述多自由度机械臂以及柔性手术工具中各关节电机驱动器选择性的读取所对应控制信号用以驱动相应电机运动；所述多自由度机械臂各个关节、柔性手术工具中各个电机的输出轴上均安装有旋转角度传感器。优选地，所述柔性手术工具固定在所述多自由度机械臂末端，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性手术工具系统在运动约束下的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)设置一柔性手术工具系统，其包括多自由度机械臂、柔性手术工具、远程操控设备和控制计算机；柔性手术工具包括柔性手术工具驱动单元、外套管、柔性多构节臂体和手术执行器；2)远程操控设备将远程操控设备状态信号传输至控制计算机，控制计算机接收远程操控设备状态信号后并根据配准、映射关系换算得出手术执行器目标位姿；3)控制计算机分别接收由多自由度机械臂反馈的多自由度机械臂关节位置值和柔性手术工具反馈的柔性手术工具构节弯转角度值，并根据多自由度机械臂和柔性手术工具的机械构型采用机器人正向运动学模型换算得出手术执行器当前位姿；4)控制计算机根据手术执行器目标位姿和手术执行器当前位姿计算得出手术执行器期望速度；5)控制计算机根据多自由度机械臂关节位置值、柔性手术工具构节弯转角度值以及鞘套空间位置，并利用机器人正向运动学模型计算得出鞘套当前相对外套管位置；6)通过鞘套当前相对外套管位置得到鞘套施加于外套管的运动限定条件；根据运动限定条件和手术执行器期望速度，应用多优先级目标下的逆运动学算法计算得出多自由度机械臂关节速度以及柔性手术工具构节弯转速度；7)根据多自由度机械臂关节速度以及预设的控制循环时间，计算得出多自由度机械臂目标关节位置值，并将其发送到多自由度机械臂的控制器以驱动各个关节；8)根据柔性手术工具构节弯转速度以及控制循环时间，计算得出柔性手术工具目标构节弯转角度值，并将其发送到柔性手术工具的控制器以驱动各个构节；9)控制循环结束并重复循环执行上述步骤2)至步骤8)的动作。...

【技术特征摘要】
1.一种柔性手术工具系统在运动约束下的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)设置一柔性手术工具系统，其包括多自由度机械臂、柔性手术工具、远程操控设备和控制计算机；柔性手术工具包括柔性手术工具驱动单元、外套管、柔性多构节臂体和手术执行器；2)远程操控设备将远程操控设备状态信号传输至控制计算机，控制计算机接收远程操控设备状态信号后并根据配准、映射关系换算得出手术执行器目标位姿；3)控制计算机分别接收由多自由度机械臂反馈的多自由度机械臂关节位置值和柔性手术工具反馈的柔性手术工具构节弯转角度值，并根据多自由度机械臂和柔性手术工具的机械构型采用机器人正向运动学模型换算得出手术执行器当前位姿；4)控制计算机根据手术执行器目标位姿和手术执行器当前位姿计算得出手术执行器期望速度；5)控制计算机根据多自由度机械臂关节位置值、柔性手术工具构节弯转角度值以及鞘套空间位置，并利用机器人正向运动学模型计算得出鞘套当前相对外套管位置；6)通过鞘套当前相对外套管位置得到鞘套施加于外套管的运动限定条件；根据运动限定条件和手术执行器期望速度，应用多优先级目标下的逆运动学算法计算得出多自由度机械臂关节速度以及柔性手术工具构节弯转速度；7)根据多自由度机械臂关节速度以及预设的控制循环时间，计算得出多自由度机械臂目标关节位置值，并将其发送到多自由度机械臂的控制器以驱动各个关节；8)根据柔性手术工具构节弯转速度以及控制循环时间，计算得出柔性手术工具目标构节弯转角度值，并将其发送到柔性手术工具的控制器以驱动各个构节；9)控制循环结束并重复循环执行上述步骤2)至步骤8)的动作。2.如权利要求1所述的一种柔性手术工具系统在运动约束下的控制方法，其特征在于：所述步骤4)中，手术执行器期望速度计算方式如下：x·=vω=vlim(pt-pc)/||pt-pc||ωlimrotr^-1(RtRcT),]]>式中，为手术执行器速度向量，包括线速度向量v与角速度向量ω；pt为手术执行器目标位置，即手术执行器目标位姿中包含的位置向量；Rt为手术执行器目标姿态旋转矩阵，即手术执行器目标位姿中包含的姿态矩阵；pc为手术执行器当前位置，即手术执行器当前位姿中包含的位置向量；Rc为手术执行器当前姿态旋转矩阵，即手术执行器当前位姿中包含的姿态矩阵；vlim为手术执行器线速度限定值；ωlim为手术执行器角速度限定值；为从手术执行器当前姿态旋转到手术执行器目标姿态所需围绕的旋转轴线的单位向量，为标明是单位向量。3.如权利要求1所述的一种柔性手术工具系统在运动约束下的控制方法，其特征在于：所述步骤5)中，鞘套空间位置为鞘套固定于手术切口的空间位置。4.如权利要求1所述的一种柔性手术工具系统在运动约束下的控制方法，其特征在于：所述步骤6)中，运动限定条件为外套管处于鞘套中特定固定点的速度方向应与通过外套管的通道轴线在该特定固定点的切向方向一致；该特定固定点为鞘套中用于通过外套管的通道轴线与皮肤切口的交点。5.如权利要求1所述的一种柔性手术工具系统在运动约束下的控制方法，其特征在于：所述步骤6)中，多优先级目标下逆运动学算法为：C＝vRCM⊥＝0x·=Jq·]]>q&Cente...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐凯，赵江然，戴正晨，阳志雄，朱志军，梁博，
申请(专利权)人：北京术锐技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11