一种基于5G网络和边缘计算的手术机器人主从手操控系统技术方案

本发明专利技术涉及手术机器人技术领域，具体地说，涉及一种基于5G网络和边缘计算的手术机器人主从手操控系统。包括基础建设单元、边缘计算单元、智能调控单元和扩展应用单元；基础建设单元用于提供支持系统运行的基础设备及技术；边缘计算单元用于在机器人运行系统的边缘侧就近提供智能服务；智能调控单元用于对机器人主从手进行统一集控及自治管理；扩展应用单元用于增设多种扩展服务来完善系统的功能性。本发明专利技术设计可以实现主从手机器人的快速部署，统一调控主从手的运行过程，同时提高工作网络的质量及稳定性，进而可以提高计算效率、减少成本，且可以及时将视频影像上云，保障资料的存储便捷性、及时性和安全性，提高手术效率。提高手术效率。提高手术效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于5G网络和边缘计算的手术机器人主从手操控系统


[0001]本专利技术涉及手术机器人
，具体地说，涉及一种基于5G网络和边缘计算的手 术机器人主从手操控系统。

技术介绍

[0002]手术机器人系统是集多项现代高科技手段于一体的综合体，其用途广泛，在临床上外 科上有大量的应用。外科医生可以远离手术台操纵机器进行手术，完全不同于传统的手术 概念，在微创外科领域是当之无愧的革命性外科手术工具。随着医疗技术和网路技术的不 断发展，各种微创手术机器人的应用场景越来越广泛，尤其是远程手术。各种机器人手术 系统均由控制台和操作臂组成，控制台由计算机系统、手术操作监视器、机器人控制监视 器、操作手柄和输入输出设备等组成，医生双手控制操作杆，手部动作传达到机械臂的尖 端，完成手术操作。但是，目前常规的手术机器人控制台和操作臂都是通过有线连接，即 一对一主
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仆式操作模式，无法实现远程控制操作臂；无法实现一个控制台控制多个机械 臂。此外控制台的计算机系统数据处理能力有限从而导致机械反应、内窥镜成像与图像处 理、视频编解码等主要指标均存在明显延迟。基于以上背景，突破传统有线网络连接方式， 并提高计算机处理能力的技术会极大提高手术机器人的性能并能够拓展其应用场景。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供了一种基于5G网络和边缘计算的手术机器人主从手操控系统， 以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0004]为实现上述技术问题的解决，本专利技术的目的之一在于，提供了一种基于5G网络和边 缘计算的手术机器人主从手操控系统，包括
[0005]基础建设单元、边缘计算单元、智能调控单元和扩展应用单元；所述基础建设单元的 信号输出端与所述边缘计算单元的信号输入端连接，所述边缘计算单元的信号输出端与所 述智能调控单元的信号输入端连接，所述智能调控单元的信号输出端与所述扩展应用单元 的信号输入端连接；所述基础建设单元用于提供支持系统运行的基础设备及技术；所述边 缘计算单元用于通过边缘节点控制技术在机器人运行系统的边缘侧就近提供智能服务；所 述智能调控单元用于对机器人的操作主手及从手进行统一的集控及分布自治管理；所述扩 展应用单元用于在系统正常运行的基础上增设多种扩展服务来完善系统的功能性；
[0006]所述基础建设单元包括应用终端模块、云端数库模块、网络通信模块和功能服务模块；
[0007]所述边缘计算单元包括边缘部署模块、数据处理模块、边缘节点模块和安全防护模块；
[0008]所述智能调控单元包括集中管控模块、快捷布控模块、主手独控模块和从手云控模块；
[0009]所述扩展应用单元包括间歇连接模块、预测维护模块、能效管理模块、智能制造模块 和灵活更换模块。
[0010]作为本技术方案的进一步改进，所述应用终端模块、所述云端数库模块与所述功能服 务模块依次通过以太网通讯连接且并列运行；所述应用终端模块用于提供构建系统的基础 应用设备及终端平台并对各设备进行管理分配；所述云端数库模块用于在云端建立数据库 以存储机器人主手和从手端上传的影像资料及其他工作数据；所述网络通信模块用于通过 多种网络通信技术给系统各层面之间提供信号连接及数据传输的通道；所述功能服务模块 用于通过设置多种服务项目来支持系统的运行。
[0011]其中，应用终端包括但不限于机器人、机器人主手接口、机器人从手接口、处理器、 显示器、边缘计算服务器mec设备、路由网关、网络设备、网络切换器、摄像头等。
[0012]其中，网络通信技术包括专线网络、局域网、有线网、无线WiFi、蓝牙、5G网络等， 其中尤其以5G为主、专线网络为辅。
[0013]作为本技术方案的进一步改进，所述功能服务模块包括网路监测模块、专网切换模块、 影像摄录模块和数据上云模块；所述网路监测模块的信号输出端与所述专网切换模块的信 号输入端连接，所述网路监测模块与所述影像摄录模块并列运行，所述影像摄录模块的信 号输出端与所述数据上云模块的信号输入端连接；所述网路监测模块用于在系统运行过程 中实时对网络链路情况进行监测以判断各链路是否连接畅通；所述专网切换模块用于在现 行工作网络如5G网络出现问题时切换到专线网络进行工作并提供乒乓保护机制；所述影 像摄录模块用于通过设置在机器人主/从手端的摄像装置对工作环境如手术流程、术野情 况等进行摄录；所述数据上云模块用于及时将摄录的影像视频通过无线传输技术传输到云 端数库进行存储。
[0014]作为本技术方案的进一步改进，所述专网切换模块中，不同网络切换过程中采用作业 优先级的算法，其计算公式为：
[0015]Pj[i]＝Po[i]+N*Twait；
[0016]其中，Po[i]为作业提交时指定的优先级，Twait为作业在队列中等待的时间，N为常 数因子，随着等待时间的增加，作业优先级动态的增加，直到增加到阈值，即最高优先级。
[0017]作为本技术方案的进一步改进，所述所述边缘部署模块、所述数据处理模块、所述边 缘节点模块与所述安全防护模块依次通过以太网通讯连接并独立运行；所述边缘部署模块 用于将边缘计算的工作负载部署在不同的网络层次以实现对各种5G业务的针对性支持； 所述数据处理模块用于通过边缘计算对系统内的数据信息进行处理和自我管理；所述边缘 节点模块用于利用更靠近用户的边缘节点作为云计算的有益补充以减少网络等待时间；所 述安全防护模块用于在各边缘节点之间建立横跨云计算和边缘计算的端到端的安全防护 措施。
[0018]其中，边缘计算工作负载的部署要求为：对于低时延场景，边缘计算需要部署在靠近 基站的接入云；对于大流量热点场景，边缘计算可以部署在边缘云提高复用率；对于广域 大连接场景，边缘计算可部署在更高的汇聚云以实现大范围覆盖区域内的业务需求。
[0019]作为本技术方案的进一步改进，所述数据处理模块包括数据过滤模块、数据计算模块、 数据存储模块和数据传输模块；所述数据过滤模块的信号输出端与所述数据计算模
块的信 号输入端连接，所述数据计算模块的信号输出端与所述数据存储模块的信号输入端连接， 所述数据存储模块的信号输出端与所述数据传输模块的信号输入端连接；所述数据过滤模 块用于在边缘节点处对数据进行过滤或分析以减少云端计算的压力；所述数据计算模块用 于在靠近物或数据源头的网络边缘实现数据的计算分析以减少数据的传输；所述数据存储 模块用于对边缘侧计算分析后的数据进行就地存储；所述数据传输模块用于对存储在边缘 侧的数据进行传输以便使用。
[0020]作为本技术方案的进一步改进，所述数据过滤模块中，本地计算过程的计算能耗表达 式为：
[0021][0022]式中，κ为K个CPU周期的能耗，计算能耗与工作负载线性相关。
[0023]作为本技术方案的进一步改进，所述集中管控模块的信号输出端与所述快捷布控模块 的信号输入端连接，所述快捷布控模块的信号输出端同时与所述主手独控模块、所述从手 云控模块的信号输入端连接；所述集中管控模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于5G网络和边缘计算的手术机器人主从手操控系统，其特征在于：包括基础建设单元(100)、边缘计算单元(200)、智能调控单元(300)和扩展应用单元(400)；所述基础建设单元(100)的信号输出端与所述边缘计算单元(200)的信号输入端连接，所述边缘计算单元(200)的信号输出端与所述智能调控单元(300)的信号输入端连接，所述智能调控单元(300)的信号输出端与所述扩展应用单元(400)的信号输入端连接；所述基础建设单元(100)用于提供支持系统运行的基础设备及技术；所述边缘计算单元(200)用于通过边缘节点控制技术在机器人运行系统的边缘侧就近提供智能服务；所述智能调控单元(300)用于对机器人的操作主手及从手进行统一的集控及分布自治管理；所述扩展应用单元(400)用于在系统正常运行的基础上增设多种扩展服务来完善系统的功能性；所述基础建设单元(100)包括应用终端模块(101)、云端数库模块(102)、网络通信模块(103)和功能服务模块(104)；所述边缘计算单元(200)包括边缘部署模块(201)、数据处理模块(202)、边缘节点模块(203)和安全防护模块(204)；所述智能调控单元(300)包括集中管控模块(301)、快捷布控模块(302)、主手独控模块(303)和从手云控模块(304)；所述扩展应用单元(400)包括间歇连接模块(401)、预测维护模块(402)、能效管理模块(403)、智能制造模块(404)和灵活更换模块(405)。2.根据权利要求1所述的基于5G网络和边缘计算的手术机器人主从手操控系统，其特征在于：所述应用终端模块(101)、所述云端数库模块(102)与所述功能服务模块(104)依次通过以太网通讯连接且并列运行；所述应用终端模块(101)用于提供构建系统的基础应用设备及终端平台并对各设备进行管理分配；所述云端数库模块(102)用于在云端建立数据库以存储机器人主手和从手端上传的影像资料及其他工作数据；所述网络通信模块(103)用于通过多种网络通信技术给系统各层面之间提供信号连接及数据传输的通道；所述功能服务模块(104)用于通过设置多种服务项目来支持系统的运行。3.根据权利要求2所述的基于5G网络和边缘计算的手术机器人主从手操控系统，其特征在于：所述功能服务模块(104)包括网路监测模块(1041)、专网切换模块(1042)、影像摄录模块(1043)和数据上云模块(1044)；所述网路监测模块(1041)的信号输出端与所述专网切换模块(1042)的信号输入端连接，所述网路监测模块(1041)与所述影像摄录模块(1043)并列运行，所述影像摄录模块(1043)的信号输出端与所述数据上云模块(1044)的信号输入端连接；所述网路监测模块(1041)用于在系统运行过程中实时对网络链路情况进行监测以判断各链路是否连接畅通；所述专网切换模块(1042)用于在现行工作网络如5G网络出现问题时切换到专线网络进行工作并提供乒乓保护机制；所述影像摄录模块(1043)用于通过设置在机器人主/从手端的摄像装置对工作环境如手术流程、术野情况等进行摄录；所述数据上云模块(1044)用于及时将摄录的影像视频通过无线传输技术传输到云端数库进行存储。4.根据权利要求3所述的基于5G网络和边缘计算的手术机器人主从手操控系统，其特征在于：所述专网切换模块(1042)中，不同网络切换过程中采用作业优先级的算法，其计算公式为：Pj[i]＝Po[i]+N*Twait；其中，Po[i]为作业提交时指定的优先级，Twait为作业在队列中等待的时间，N为常数
因子，随着等待时间的增加，作业优先级动态的增加，直到增加到阈值，即最高优先级。5.根据权利要求1所述的基于5G网络和边缘计算的手术机器人主从手操控系统，其特征在于：所述所述边缘部署模块(201)、所述数据处理模块(202)、所述边缘节点模块(203)与所述安全防护模块(204)依次通过以太网通讯连接并独立运行；所述边缘部署模块(201)用于将边缘计算的工作负载部署在不同的网络层次以实现对各种5G业务的针对性支持；所述数据处理模块(202)用于通过边缘计算对系统内的数据信息进行处理和自我管理；所述边缘节点模块(203)用于利用更靠近用户的边缘节点作为云计算的有益补充以减少网络等待时间；所述安全防护模块(204)用...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛海涛，张昕，李建民，王炳强，褚光迪，苑航，
申请(专利权)人：青岛大学附属医院，
类型：发明
国别省市：