一种基于腹腔镜手术器械位姿的持镜机器人控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于腹腔镜手术器械位姿的持镜机器人控制方法，包括：持镜机器人包括：多个关节单元以及设置在所述关节单元的位置传感器；持镜机器人夹持有腹腔镜；在腹腔镜手术器械上布置腹腔镜手术器械位姿传感器，来获取腹腔镜手术器械的空间位姿；通过各个关节单元的位置传感器获取的各关节位置，计算当前腹腔镜的空间位姿；采集当前腹腔镜手术器械位姿传感器的空间位姿信息，根据腹腔镜手术器械移动过程中位姿变化，通过持镜机器人控制腹腔镜到目标空间位姿。本发明专利技术利用腔镜手术器械作为主动手，持镜机器人作为从动手，实现了主从控制及随动控制。控制及随动控制。控制及随动控制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于腹腔镜手术器械位姿的持镜机器人控制方法


[0001]本专利技术涉及医疗器械控制方法领域，具体涉及一种基于腹腔镜手术器械位姿的持镜机器人控制方法。

技术介绍

[0002]腹腔镜手术是一门新发展起来的微创方法，是未来手术方法发展的一个必然趋势。随着工业制造技术的突飞猛进，相关学科的融合为开展新技术、新方法奠定了坚定的基础，加上医生越来越娴熟的操作，使得许多过去的开放性手术已被腔内手术取而代之，大大增加了手术选择机会。
[0003]腹腔镜手术就是利用腹腔镜及腹腔镜手术器械进行的手术：使用持镜机器人将腹腔镜镜头插入腹腔内，运用数字摄像技术使腹腔镜镜头拍摄到的图像通过光导纤维传导至后级信号处理系统，并且实时显示在专用监视器上。然后医生通过监视器屏幕上所显示患者器官不同角度的图像，对病人的病情进行分析判断，并且运用腹腔镜手术器械进行手术。
[0004]微创手术是外科发展的总趋势和追求目标。腹腔镜手术的金标准是胆囊切除术，一般地说，大部分普通外科的手术，腹腔镜手术都能完成。如阑尾切除术，胃、十二指肠溃疡穿孔修补术、疝气修补术、结肠切除术、脾切除术、肾上腺切除术，还有卵巢囊肿摘除、宫外孕、子宫切除等，随着腹腔镜技术的日益完善和腹腔镜医生操作水平的提高，几乎所有的外科手术都能采用这种手术。
[0005]传统腔镜手术，采用声控或踏板、手柄等控制持镜机器人，主刀医生双手需要离开手术器械去控制、手柄，或分散精力去通过语音或踏板控制持镜机器人。相比于在腹腔镜手术器械臂上安装标记点，通过布置能识别标记点的相机来获取并计算器械臂的位姿的方案，存在因相机被遮挡而无法跟踪器械位姿的情况出现。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种基于腹腔镜手术器械位姿的持镜机器人控制方法，本专利技术利用腔镜手术器械作为主动手，持镜机器人作为从动手，实现了主从控制及随动控制。
[0007]一种基于腹腔镜手术器械位姿的持镜机器人控制方法，包括以下步骤：1）持镜机器人包括：多个关节单元以及设置在所述关节单元的位置传感器；所述的持镜机器人夹持有腹腔镜；2）在腹腔镜手术器械上布置腹腔镜手术器械位姿传感器，来获取腹腔镜手术器械的空间位姿；3）通过各个关节单元的位置传感器获取的各关节位置，计算当前腹腔镜的空间位姿；4）采集当前腹腔镜手术器械位姿传感器的空间位姿信息，根据腹腔镜手术器械移动过程中位姿变化，持镜机器人控制腹腔镜到目标空间位姿。
[0008]本专利技术利用腔镜手术器械作为主动手，持镜机器人作为从动手，实现了主从控制及随动控制，在腹腔镜手术器械在移动过程中，持镜机器人上的腹腔镜能够随着主从控制模式及随动控制模式跟随。
[0009]步骤1）中，进一步优选，持镜机器人包括：旋转关节单元，所述的旋转关节单元上布置旋转关节位置传感器；与所述旋转关节单元连接的俯仰关节单元，所述的俯仰关节单元布置俯仰关节位置传感器；以及与所述俯仰关节单元连接的升降关节单元，所述的升降关节单元布置升降关节位置传感器；所述的升降关节单元与腹腔镜连接；通过所述旋转关节位置传感器、俯仰关节位置传感器及升降关节位置传感器获取的各关节位置，可以得到腹腔镜的空间位姿。
[0010]步骤2）中，所述的位姿包含位置和姿态两部分，位姿传感器安装位置不限于手柄，只要位姿传感器与器械的相对位姿固定，就可以得到手术器械的空间位姿。进一步优选，在腹腔镜手术器械的手柄上布置腹腔镜手术器械位姿传感器，来获取手柄的空间位姿。
[0011]在手柄上设置有模式的切换开关，如主从控制模式和随动控制模式的切换开关，开关位置可以设置在手柄上，方便医生操作。
[0012]在手柄上还设置有主从控制模式的离合开关，通过离合开关，主从模式按下离合，腹腔镜手术器械可以当成控制手柄用，来控制持镜机器人和持镜机器人上的腹腔镜的空间位姿；松开离合开关，持镜机器人不在随着腹腔镜手术器械动。
[0013]步骤3）中，通过旋转关节位置传感器、俯仰关节位置传感器、升降关节位置传感器获取的各关节位置，计算当前腹腔镜的空间位姿。
[0014]步骤4）中，所述的控制可采用主从控制模式或随动控制模式。
[0015]主从控制模式包括：4.1.1）采集相邻的下一个控制周期腹腔镜手术器械位姿传感器的空间位姿信息；4.1.2）计算和之间的位置变化ΔT
T
，根据ΔT
T
来计算腹腔镜空间位置信息变换量ΔT
E
；4.1.3）根据及ΔT
E
来计算腹腔镜下一控制周期的目标空间位姿信息；4.1.4）根据腹腔镜的目标空间位姿信息，反推计算持镜机器人各关节的目标位置，调整持镜机器人各关节至目标位置，则持镜机器人夹持腹腔镜实现了一个控制周期内的主从控制。
[0016]重复上述步骤，则持镜机器人夹持腹腔镜实现了连续不断的主从控制。
[0017]所述离合开关用于建立或断开主从控制关系，在离合开关建立主从控制关系时，上述过程生效；离合开关断开主从控制关系时，则上述过程不生效，持镜机器人保持当前的空间位姿。
[0018]采用主从控制模式，手术过程中，主刀医生需要调节腹腔镜的空间位姿，则按下手术器械上附着安装的主从控制模式按钮，此时通过移动腹腔镜手术器械控制腹腔镜动作，腹腔镜手术器械（简称器械）与腹腔镜（简称腔镜）的动作趋势符合人的直观感受，从而实现器械动作对腔镜位姿的控制。当调整过程中器械位置达到极限位置，而无法继续移动，从而无法继续移动腔时，可通过器械手柄上附着安装的离合按钮，断开主从控制的连接，调整器械到合适位姿后，再次按下离合按钮，重新建立主从控制，从而可以继续通过器械调节主手位姿。
[0019]随动控制模式包括：4.2.1）根据、以及腹腔镜景深参数、腹腔镜视场角参数计算得到腹腔镜手术器械的末端执行器在图像平面S中的位置P
T
；4.2.2）设定百分比形式的阈值t%，当P
T
处于S中央t%的面积内（面积可用圆形、矩形等几何图像圈出），认为腔镜观察器械的角度合理，持镜机器人夹持腔镜保持当前位姿即可；步骤4.2.2）中，所述的中央t%的面积是指图像平面S中心向外占图像平面S的t%的指定区域，该指定区域可用圆形、矩形等几何图像圈出， t%为指定区域与图像平面S的百分比；4.2.3）当P
T
处于S中央t%面积以外时，认为腔镜观察器械角度不合理，持镜机器人根据偏差的方向调整夹持的腹腔镜的空间位姿，使P
T
重新回到S中央t%的面积内。
[0020]重复上述过程，实现随动控制模式。
[0021]随动控制模式中，获取器械位姿及腔镜位姿的方法与主从模式相同。
[0022]与上述主从模式的区别在于，主从模式腹腔镜动作完全取决于腹腔镜手术器械动作，腹腔镜手术器械不动则腹腔镜不动，而随动模式下，腹腔镜动作与腹腔镜手术器械动作有关，但不完全取决于腹腔镜手术器械动作，存在腹腔镜手术器械小范围运动，腹腔镜不动；腹腔镜手术器械大范围运动移到腔镜视野外，腹腔镜才本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于腹腔镜手术器械位姿的持镜机器人控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1）持镜机器人包括：多个关节单元以及设置在所述关节单元的位置传感器；所述的持镜机器人夹持有腹腔镜；2）在腹腔镜手术器械上布置腹腔镜手术器械位姿传感器，来获取腹腔镜手术器械的空间位姿；3）通过各个关节单元的位置传感器获取的各关节位置，计算当前腹腔镜的空间位姿；4）采集当前腹腔镜手术器械位姿传感器的空间位姿信息，根据腹腔镜手术器械移动过程中位姿变化，持镜机器人控制腹腔镜到目标空间位姿。2.根据权利要求1所述的基于腹腔镜手术器械位姿的持镜机器人控制方法，其特征在于，步骤1）中，所述的持镜机器人包括：旋转关节单元，所述的旋转关节单元上布置旋转关节位置传感器；与所述旋转关节单元连接的俯仰关节单元，所述的俯仰关节单元布置俯仰关节位置传感器；以及与所述俯仰关节单元连接的升降关节单元，所述的升降关节单元布置升降关节位置传感器；所述的升降关节单元与腹腔镜连接。3.根据权利要求1所述的基于腹腔镜手术器械位姿的持镜机器人控制方法，其特征在于，步骤2）中，在所述手柄上设置有主从控制模式和随动控制模式的切换开关。4.根据权利要求1所述的基于腹腔镜手术器械位姿的持镜机器人控制方法，其特征在于，步骤2）中，在所述手柄上还设置有主从控制模式的离合开关。5.根据权利要求1所述的基于腹腔镜手术器械位姿的持镜机器人控制方法，其特征在于，步骤3）中，所述的各个关节单元的位置传感器包括：旋转关节位置传感器、俯仰关节位置传感器、升降关节位置传感器。6.根据权利要求1所述的基于腹腔镜手术器械位姿的持镜机器人控制方法，其特征在于，步骤4）中，所述的控制采用主从控制模式或随动控制模式。7.根据权利要求6所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯再麟，王一帆，缪国超，江业廷，高连胜，冯立强，余益君，魏晖，帅应根，王蒋波，
申请(专利权)人：杭州华匠医学机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：