同心管机器人装置及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种用于自然腔道内窥镜手术的多通道同心管机器人装置及其视觉伺服控制方法。其中，该装置包括：至少一个同心管视觉通道，其由至少两个弹性管嵌套而成，且配置为在最内管的末端装有用于视觉反馈的图像传感器；至少两个同心管操作通道，每个同心管操作通道由至少两个弹性管嵌套而成，且配置为在最内管的末端装有用于执行操作的手术器械；和驱动机构，其配置为分别驱动所述视觉通道和所述操作通道的每个弹性管的线性运动和旋转运动。本发明专利技术还提供所述装置基于视觉伺服的控制方法，可以同时对每个同心管通道的运动分别进行独立控制，在微创手术中实现更精确地定位和导航。

Concentric tube robot device and its control method

The invention provides a multi channel concentric tube robot device for the operation of natural cavity endoscope and its visual servo control method. Wherein, the device comprises at least one concentric visual channel, consisting of at least two elastic tube embedded, and at the end of the inner tube is configured with image sensor for visual feedback; at least two concentric tube operation channel, each concentric tube operation channel by at least two elastic tube and a nested in the end, and the configuration for the inner tube with a surgical instrument for performing the operation; and a driving mechanism, which is configured to respectively drive the visual channel and the operating channel of each elastic tube linear motion and rotary motion. The invention also provides a control method based on visual servoing for the device, which can independently control the movement of each concentric channel at the same time, and achieve more precise positioning and navigation in minimally invasive surgery.

【技术实现步骤摘要】
同心管机器人装置及其控制方法
本专利技术属于医疗器械领域。具体而言，涉及一种同心管机器人，尤其是涉及一种用于自然腔道内窥镜手术的多通道同心管机器人。
技术介绍
手术机器人越来越多地应用于自然腔道内窥镜手术中。但是，传统的刚性手术机器人具有体积较大且较为坚硬的缺点，在与身体内重要的器官、组织和血管相接触接触时，容易造成损伤。与传统的刚性手术机器人和手术器械相比较，柔性手术机器人具有灵活和紧凑的优点，因此开始广泛应用在微创手术中。在这些柔性手术机器人中，同心管机器人越来越受到人们的关注并且被广泛应用。同心管机器人一般由一系列直径不同的预弯曲的管套在一起所组成。每一个组成管都有两个自由度，可以前后伸缩和旋转。同心管机器人具有可以沿着身体中三维曲线导航的能力并且同心管机器人可以将手术器械通过管的空腔固定在管的前端，手术师可以在另一端操纵手术器械。与传统的直的刚性手术器械相比较，这种柔性机器人具有实时改变形状的能力，所以可以避免与身体内重要的器官、组织和血管相接触。除此之外，同心管机器人与线驱动柔性机器人以及导管机器人不同的地方是，同心管柔性机器人还具有将在末端施加的力传递到前段的手术器械处的能力。这些优点使同心管柔性机器人在微创手术领域有着独特的优势。同心管柔性机器人已经被提出可应用于心内手术，泌尿手术和神经外科手术。但是，目前的同心管手术机器人均为单通道同心管手术机器人，且无法根据手术目标点的需要，实现基于术中传感器反馈对同心管通道运动的自动化控制。因此，急需开发一种多通道同心管手术机器人，其能够在包含用于执行操作的操作通道之外，更增设传感器通道，又不显著增加手术机器人自身的体积，从而实现对同心管手术机器人的运动的精确控制。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种多通道同心管机器人，其最少包括一个用于视觉反馈的通道和两个可协同完成手术任务的操作通道，并可应用于自然腔道内窥镜手术。本专利技术的一个方面中，提供一种多通道同心管机器人装置，包括：至少一个同心管视觉通道，其由至少两个弹性管嵌套而成，且配置为在最内管的末端装有用于视觉反馈的图像传感器；至少两个同心管操作通道，每个同心管操作通道由至少两个弹性管嵌套而成，且配置为在最内管的末端装有用于执行操作的手术器械；和驱动机构，其配置为分别驱动所述视觉通道和所述操作通道的每个弹性管的线性运动和旋转运动。在其中一个实施例中，优选地，上述多通道同心管机器人装置的所述驱动机构包括直线传动机构和旋转传动机构。在其中一个实施例中，优选地，上述多通道同心管机器人装置的所述直线传动机构包括：步进电机，同步带传动机构和丝杠传动机构，其中所述同步带传动机构连接所述步进电机和所述丝杠传动机构，所述丝杠传动机构连接至所述通道，且所述丝杠传动机构包括静止的丝杠和多个与所述丝杠配合并可在其上运动的丝母。在其中一个实施例中，优选地，上述多通道同心管机器人装置的所述旋转传动机构包括步进电机、同步带传动机构和连杆装置，其中所述同步带传动机构连接所述步进电机和连杆装置，所述连杆装置连接至所述通道。在其中一个实施例中，优选地，上述多通道同心管机器人装置还包括：防干涉传感器系统，其配置为检测所述通道中的至少一个的位置，防止所述通道之间的相互干渉。本专利技术的又一个方面中，如上所述的多通道同心管机器人装置还可以包括驱动装置和外部控制装置。在其中一个实施例中，优选地，上述多通道同心管机器人装置的所述外部控制装置由处理器和输入装置组成。其中所述输入装置配置为接收外部输入并发送到所述处理器；所述处理器配置为，接收并处理所述外部输入，并控制所述多通道同心管机器人装置的运动；且所述处理器还配置为，从所述图像传感器接收图像并进行处理。在其中一个实施例中，优选地，上述多通道同心管机器人装置的外部控制装置还包括图形用户界面，其配置为与用户进行交互。本专利技术的又一个方面中，还提供用于对上述多通道同心管机器人装置的运动进行视觉伺服控制的方法，包括：根据所述图像传感器采集到的图像，对所述多通道同心管机器人装置的运动进行控制。在其中一个实施例中，优选地，上述对多通道同心管机器人装置的运动进行视觉伺服控制的方法，包括以下步骤：通过所述输入装置，向所述多通道同心管机器人装置输入所述多通道同心管机器人装置的目标位置；通过所述图像传感器对所述目标位置采集图像，并输出至所述处理器；通过所述处理器处理所采集的图像特征，比较所述目标位置与所述多通道同心管机器人装置的当前位置，确定所需的运动并输出至所述驱动装置；通过所述驱动装置，根据来自所述处理器的指令，控制所述多通道同心管机器人装置的运动，直到所述多通道同心管机器人装置的通道末端到达所述目标位置。在其中一个实施例中，优选地，所述多通道同心管机器人装置根据所输入的所述目标位置，通过所述图像传感器采集所述目标位置的图像，获取对应于所述目标位置的初始图像雅可比矩阵。在其中一个实施例中，优选地，所述多通道同心管机器人装置根据比较所述当前位置与所述目标位置的图像特征所得的差值，更新所述图像雅可比矩阵，从而计算并控制所述多通道同心管机器人装置的运动。在其中一个实施例中，优选地，对所述多通道同心管机器人装置的运动的控制，包括先控制所述同心管视觉通道的末端的所述图像传感器到达所述目标位置，再控制所述同心管操作通道的末端的所述器械到达目标位置。本专利技术的又一个方面中，还提供一种单通道同心管机器人系统，包括：同心管操作通道，其配置为包括内管和外管；驱动机构，其配置为包括与所述同心管操作通道相连接的直线传动机构和旋转传动机构；和外部控制模块，其包括与所述驱动机构相连接的摇杆和一个或多个按钮；其中，所述摇杆配置为控制所述内管的线性运动和旋转；所述按钮配置为独立控制所述内管和所述外管的运动和旋转。本专利技术的上述单通道同心管机器人系统，具有三个自由度，具有设计紧凑、轻便、可手持、易控制的优点。在本专利技术提供的多通道同心管机器人装置中，通过使用上述巧妙设计，例如如上所述的直线传动机构和旋转传动机构，使得所有通道限制在一个直径不超过10毫米的鞘空间内，解决了多通道可能带来的体积过大、难以操作的问题；通过所述结构，还能同时对每个通道分别进行独立控制。此外，在优选的实施例中，通过防干涉传感器系统，可以协调各个通道的运动，防止了通道之前的碰撞，更好地优化了本专利技术的技术方案。本专利技术提供的多通道同心管机器人装置和系统可以同时控制所有通道的运动，所以多个通道可以实时协同工作。此外，本专利技术提供的多通道同心管机器人装置和系统可以有两种不同的工作模式：第一种是根据运动学模型对系统进行建模，然后由手术医师进行遥操作。第二种是基于可以运动的图像传感器所反馈回的图像，在不需要系统模型的情况下自动追踪标记，运动到需要做手术的部位。其中，基于视觉伺服的控制算法具有不需要系统模型，并且可以在很狭窄的空间中实现更加精确的运动的优点，能够实现对同心管手术机器人的运动的精确控制，在微创手术中实现更精确地定位和导航。附图说明图1是本专利技术的一个实施例中所述的多通道同心管机器人装置的整体视图。图2是本专利技术的一个实施例中所述的多通道同心管机器人装置的同心管视觉通道的结构示意图。图3是本专利技术的一个实施例中所述的多通道同心管机器人装置的同心管操作通道的结构示意图。图4是本专利技术的一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
多通道同心管机器人装置，包括：至少一个同心管视觉通道，其由至少两个弹性管嵌套而成，且配置为在最内管的末端装有用于视觉反馈的图像传感器；至少两个同心管操作通道，每个同心管操作通道由至少两个弹性管嵌套而成，且配置为在最内管的末端装有用于执行操作的手术器械；和驱动机构，其配置为分别驱动所述视觉通道和所述操作通道的每个弹性管的线性运动和旋转运动。

【技术特征摘要】
1.多通道同心管机器人装置，包括：至少一个同心管视觉通道，其由至少两个弹性管嵌套而成，且配置为在最内管的末端装有用于视觉反馈的图像传感器；至少两个同心管操作通道，每个同心管操作通道由至少两个弹性管嵌套而成，且配置为在最内管的末端装有用于执行操作的手术器械；和驱动机构，其配置为分别驱动所述视觉通道和所述操作通道的每个弹性管的线性运动和旋转运动。2.根据权利要求1所述的多通道同心管机器人装置，其特征在于，所述驱动机构包括直线传动机构和旋转传动机构。3.根据权利要求2所述的多通道同心管机器人装置，其特征在于，所述直线传动机构包括：步进电机，同步带传动机构和丝杠传动机构，其中所述同步带传动机构连接所述步进电机和所述丝杠传动机构，所述丝杠传动机构连接至所述通道，且所述丝杠传动机构包括静止的丝杠和多个与所述丝杠配合并可在其上运动的丝母。4.根据权利要求2所述的多通道同心管机器人装置，其特征在于，所述旋转传动机构包括步进电机、同步带传动机构和连杆装置，其中所述同步带传动机构连接所述步进电机和连杆装置，所述连杆装置连接至所述通道。5.根据权利要求1所述的多通道同心管机器人装置，其特征在于，还包括：防干涉传感器系统，其包括设置在所述驱动机构上的光学传感器和设置在至少一个所述同心管通道上并随其转动的可检测传感器标志，其中当所述同心管通道运动到最大可允许角度时，所述光学传感器检测到来自所述传感器标志的信号，由此使所述同心管通道停止转动，防止其超出最大可允许角度。6.根据权利要求1-5中任一项所述的多通道同心管机器人装置，其特征在于，还包括驱动装置和外部控制装置。7.根据权利要求6所述的多通道同心管机器人装置，其特征在于，所述外部控制装置由处理器和输入装置组成；其中所述输入装置配置为接收外部输入并发送到所述处理器；所述处理器配置为，接...

【专利技术属性】
技术研发人员：任洪亮，吴聊，于海博，
申请(专利权)人：新加坡国立大学，苏州工业园区新国大研究院，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG