一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人及其控制方法，建立中短距离局域网，采用主从遥操作模式，由操作人员使用主手端来控制手术室机器人来执行任务，结合力、图像反馈在狭小空间完成复杂操作；通过融入三种控制算法、迭代优化方法、主手端力感知等功能来提高机器人控制精度、人机协作的安全系数。设计的系统具有低时延、高精度、力感知、稳定性高、安全系数高等优点，且采用双臂协作，自由度高，能够最大程度复现人员实际操作，更符合实际术中任务需求。同时，在系统设计中加入力感知功能开关、场景比例缩放等符合实际操作过程中的实用人机交互功能，能够降低操作难度，提升系统实用性。提升系统实用性。提升系统实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人及其控制方法


[0001]本专利技术涉及辅助牵拉手术机器人领域，特别是涉及一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人及其控制方法。

技术介绍

[0002]头颈部手术一般用于颅底外科、甲状腺等术式，在手术过程中需要造出手术通道，操作面临着颈内动脉、颈内静脉以及后组颅内神经密集分布等问题；同时过程繁杂，摄像照明、支撑、吸引、牵拉和切割等基于多传感和多驱动器的操作无法同时完成。医生和助手需要站在有限的空间相互协助完成手术操作，助手需要手持手术拉钩牵拉手术切口，帮助医生暴露术野，需要保持术中牵拉切口的姿势固定不动，容易造成疲劳损伤。机器人拥有精度高、灵活、能够适应各种特殊环境等优点，目前已经应用于手术医疗领域。但现阶段大多数手术机器人针对腹腔、骨科、牙科等术式设计，术中机器人任务空间相对较大，机械臂与人体接触部位无密布神经、血管和组织等生理结构，运动轨迹固定且单一，无需机器人做复杂、高难度动作，控制难度较低。现有手术机器人其任务空间多为暴露空间，配合外部导航辅助设备即可自行规划路径，并且自由度不高，六自由度机器人即可满本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人，包括机械臂(2)、力反馈设备(10)、力传感器(3)、交换机(8)、主控电脑(9)和显示器(11)，其特征在于：所述机械臂(2)位于手术床两侧，采用两个六自由度机械臂，两个机械臂分别安装在两台可移动的机械臂台车(1)上，所述机械臂工作部分(6)包括机械臂末端法兰连接件(16)和传感器采集模块集成件(17)，所述机械臂末端法兰连接件(16)固定相应的手术器械(5)；所述力反馈设备(10)位于操作台，安装在专用支架(12)上，采用两台六自由度力反馈设备，用于笛卡尔坐标系下六自由度位姿采集，接收力传感器数据并将力反馈给操作人员，实现主手端的力感知功能；所述力传感器(3)内置于两个机械臂(2)腕部，采用六维力传感器，用于机械臂末端执行器和环境接触过程中产生的力信息采集和反馈，以及机械臂柔顺控制功能中的力信息采集；所述交换机(8)负责建立整个控制系统的局域网，实现机械臂(2)、力传感器(3)、交换机(8)、主控电脑(9)之间的实时数据交换，主控电脑(9)通过网线(7)和交换机(8)采集力传感器(3)的数据；所述显示器(11)位于操作台正前方，共三个，安装在专用支架上，分别显示力传感器数据、各摄像头回传图像画面和虚拟场景；所述主控电脑(9)位于操作台旁边，集成包括力反馈设备位姿信息采集功能、机械臂前向运动学算法、力控算法、柔顺控制算法、力传感器数据采集处理算法和力反馈功能，还包括各控制模块之间集成与通讯功能。2.根据权利要求1所述的一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人，其特征在于：两个机械臂(2)工作部分之间设置有摄像头(4)。3.根据权利要求1所述的一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人，其特征在于：所述力反馈设备包括力反馈设备夹爪(21)、扶手(15)及下方两个脚踏板，所述扶手(15)设置在力反馈设备夹爪(21)两侧，力反馈设备夹爪(21)实现力感知功能开关，两个脚踏板分别为脚踏板一(13)和脚踏板二(14)，且通过踩下对应脚踏板来实现增量式控制和运动比例尺的缩放。4.根据权利要求1所述的一种双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人，其特征在于：所述传感器采集模块集成件(17)包括传感器采集模块(18)、传感器电源线(19)和传感器信号线(20)，传感器采集模块(18)内置传感器采集模块集成件(17)的壳体内，传感器信号线(20)通过传感器采集模块集成件(17)的壳体一侧的空隙穿过，传感器电源线(19)通过传感器采集模块集成件(17)的壳体另一侧孔中传出。5.使用权利要求1
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4任意一项所述双臂协作的头颈部辅助牵拉手术机器人的控制方法，其特征在于：所述头颈部辅助牵拉手术机器人的机械臂控制模块，共有位姿控制、力控、柔顺控制三种控制模式，三种控制模式针对不同的手术术式集成到主控系统中，在术前准备过程中启动系统时做出选择；其中位姿控制原理如下：第一步,在系统开机过程中建立IP通讯，初始化机械臂各项参数，获取机械臂当前位姿信息，建立起每个机械臂的笛卡尔坐标系，由于机械臂固定在台车上，坐标相对于场景中世
界坐标系在变动，因此每个机械臂的坐标系固定为本机械臂的基座，方便前向运动学算法位姿关系转换；初始化过程中还需要建立起机械臂的运动学链和前向运动学模型τ＝Mqq+Cq,q+G(q)，用于转换笛卡尔坐标系下任务空间的位姿信息和机械臂关节空间下的控制命令；第二步，在系统运行过程中控制算法实时监测是否有控制命令发布，如果有则先获取机械臂当前关节空间的位姿q，通过x＝g(q)将关节空间位姿转换为任务空间位姿x，将接收到的位姿信息xd和获取到的机械臂当前位姿x作为输入项输入到PID控制器中计算∈i＝xd
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gqi
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1，在PID控制器计算完成后将结果fi＝Kp∈i+Kd∈i发送至前向运动学模型中，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱利丰，申江威，宋爱国，徐佳文，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：