内窥镜手术控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种内窥镜手术控制系统，该系统包括：至少有一个机械臂安装有内窥镜；至少有一个机械臂安装有手术器械；所述操作手柄由医生操作；所述定位标记刚性连接于被测对象，用于获得被测对象的当前位姿，所述被测对象为内窥镜、手术器械和操作手柄；所述定位设备通过定位标记获得被测对象的当前位姿，并传输至主控制器；主控制器，用于根据操作手柄的当前位姿，计算手术设备的目标位姿，驱动机械臂控制手术设备到达目标位姿；判断手术设备的当前位姿与目标位姿是否一致，若是，停止驱动，其中，手术设备为内窥镜和手术器械。本发明专利技术不采用编码器，误差小，硬件简单，占用空间小，安装方式灵活。装方式灵活。装方式灵活。

【技术实现步骤摘要】
内窥镜手术控制系统


[0001]本专利技术涉及医疗器械控制
，尤其涉及内窥镜手术控制系统。

技术介绍

[0002]本部分旨在为权利要求书中陈述的本专利技术实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
[0003]现有内窥镜手术机器人系统由外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统三部分组成。
[0004]外科医生控制台是医生坐在控制台中，位于手术室无菌区之外，使用双手(通过操作两个主控制器)及脚(通过脚踏板)来控制器械和一个三维高清内窥镜。
[0005]床旁机械臂系统是外科手术机器人的操作部件，其主要功能是为器械臂和摄像臂提供支撑。助手医生在无菌区内的床旁机械臂系统周围工作，负责更换器械和内窥镜，协助医生完成手术。
[0006]成像系统内装有外科手术机器人的核心处理器以及图象处理设备，在手术过程中位于无菌区外，可由巡回护士操作，并可放置各类辅助手术设备。
[0007]但是，现有内窥镜手术机器人控制系统结构复杂、目标定位误差大、制造及使用成本高。主要体现在：
[0008]1、该系统使用多个串联的编码器通过复杂的算法得出操作手柄的位姿，并将其映射到床旁机械臂系统，此方法误差较大且系统整体成本较高。
[0009]2、床旁机械臂系统占用空间较大，侵占医生有限的手术操作空间。

技术实现思路

[0010]本专利技术实施例提供一种内窥镜手术控制系统，不采用编码器，误差小，硬件简单，占用空间小，安装方式灵活，该系统包括：至少一个机械臂、至少一个内窥镜、至少一个手术器械、至少一个操作手柄、至少一个定位标记、至少一个定位设备、和主控制器；其中，
[0011]至少有一个机械臂安装有内窥镜；
[0012]至少有一个机械臂安装有手术器械；
[0013]所述操作手柄由医生操作；
[0014]所述定位标记刚性连接于被测对象，用于获得被测对象的当前位姿，所述被测对象为内窥镜、手术器械和操作手柄；
[0015]所述定位设备通过定位标记获得被测对象的当前位姿，并传输至主控制器；
[0016]主控制器，用于根据操作手柄的当前位姿，计算手术设备的目标位姿，驱动机械臂控制手术设备到达目标位姿；判断手术设备的当前位姿与目标位姿是否一致，若是，停止驱动，其中，手术设备为内窥镜和手术器械。
[0017]本专利技术实施例中，通过定位设备和定位标记代替编码器，直接测量操作手柄、手术设备的位姿：省略大量硬件，减轻软件算法工作，且避免了编码器组成的串联系统的误差放
大。另外，通过定位设备测量各机械臂的位姿，使机械臂不再局限于一个相同的基座，安装方式更灵活。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
[0019]图1为本专利技术实施例中内窥镜手术控制系统的示意图之一；
[0020]图2为本专利技术实施例中内窥镜手术控制系统的示意图之二；
[0021]图3为本专利技术实施例中内窥镜手术控制系统的示意图之三；
[0022]图4为本专利技术实施例中机械臂自由度示意图之一；
[0023]图5为本专利技术实施例中机械臂自由度示意图之二；
[0024]图6为本专利技术实施例中操作手柄设有位姿离合器的原理图；
[0025]图7为本专利技术实施例中融合多个定位设备的位姿的原理图；
[0026]图8为本专利技术实施例中内窥镜手术控制系统进行控制的总体流程图；
[0027]图9为本专利技术实施例中采用机械测量法确定机械臂基座的相对位置的流程图；
[0028]图10为本专利技术实施例中采用定位设备测量法确定机械臂基座的相对位置的流程图之一；
[0029]图11为本专利技术实施例中采用定位设备测量法确定机械臂基座的相对位置的流程图之二；
[0030]图12为本专利技术实施例中实现重力补偿的流程图；
[0031]图13为本专利技术实施例中手术床运动时重力方向测量的原理示意图之一；
[0032]图14为本专利技术实施例中手术床运动时重力方向测量的原理示意图之二；
[0033]图15为本专利技术实施例中主控制器计算手术设备的目标位姿的流程图；
[0034]图16为本专利技术实施例中多个定位设备进行操作手柄的位姿测量的示意图；
[0035]图17为本专利技术实施例中采用增量法进行位姿映射的流程图；
[0036]图18为本专利技术实施例中采用点对点映射法进行位姿映射的流程图；
[0037]图19为本专利技术实施例中定位设备的测量延迟校正流程图；
[0038]图20为本专利技术实施例中计算手术设备的目标位姿的流程图。
具体实施方式
[0039]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本专利技术实施例做进一步详细说明。在此，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。
[0040]图1为本专利技术实施例中内窥镜手术控制系统的示意图之一，包括：
[0041]至少一个机械臂11、至少一个内窥镜13、至少一个手术器械14、至少一个操作手柄12、至少一个定位设备15、至少一个定位标记(未示出)和主控制器(未示出)；
[0042]至少有一个机械臂11安装有内窥镜13；
[0043]至少有一个机械臂11安装有手术器械14；
[0044]所述操作手柄12由医生操作；
[0045]所述定位标记刚性连接于被测对象，用于获得被测对象的当前位姿，所述被测对象为内窥镜、手术器械和操作手柄12；
[0046]所述定位设备15通过定位标记获得被测对象的当前位姿，并传输至主控制器；
[0047]主控制器，用于根据操作手柄的当前位姿，计算手术设备的目标位姿，驱动机械臂控制手术设备到达目标位姿；判断手术设备的当前位姿与目标位姿是否一致，若是，停止驱动，其中，手术设备为内窥镜或手术器械。
[0048]其中，手术器械14可以为带有多关节末端的手术器械14。
[0049]图1中，有两个定位设备15，其中，图1左侧的定位设备15用于获得手术设备的当前位姿，图1右侧的定位设备15用于获得操作手柄的当前位姿。
[0050]所述定位标记刚性连接于被测对象，其中，刚性连接是相对于柔性连接来说的，通过刚性连接，才能够通过标记测量出被测对象的位姿。
[0051]本专利技术实施例中，位姿包括空间的位置(例如，可用X\Y\Z三个坐标轴表示)和不同导航坐标系下的姿态。
[0052]在图1中，机械臂具有7个自由度，两个操作手柄12，一个内窥镜13和两个带有多关节末端的手术器械14，以及光学定位设备15(用于获得刚性连接于手术设备的定位标记)和电磁定位设备15(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种内窥镜手术控制系统，其特征在于，包括：至少一个机械臂、至少一个内窥镜、至少一个手术器械、至少一个操作手柄、至少一个定位标记、至少一个定位设备和主控制器；其中，至少有一个机械臂安装有内窥镜；至少有一个机械臂安装有手术器械；所述操作手柄由医生操作；所述定位标记刚性连接于被测对象，用于获得被测对象的当前位姿，所述被测对象为内窥镜、手术器械和操作手柄；所述定位设备通过定位标记获得被测对象的当前位姿，并传输至主控制器；主控制器，用于根据操作手柄的当前位姿，计算手术设备的目标位姿，驱动机械臂控制手术设备到达目标位姿；判断手术设备的当前位姿与目标位姿是否一致，若是，停止驱动，其中，手术设备为内窥镜和手术器械。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机械臂使用被动远程不动点或混合远程不动点的方式控制手术设备，其中混合远程不动点包括混合远程的主动不动点和混合远程的被动不动点；所述机械臂具有7自由度，所述机械臂包括顺序连接的第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节、第六关节和第七关节，其中，第一关节、第二关节、第三关节、第四关节和第七关节为能够主动转动的主动关节、第五关节、第六关节为只能随动的被动关节；第五关节、第六关节正交；第五关节、第六关节和第七关节交于一点。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机械臂使用虚拟远程不动点的方式控制手术设备；机械臂具有至少6个能够主动运动的自由度。4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述操作手柄设置有位姿离合器；定位设备用于在操作手柄的位姿离合器处于开时，主动捕获该操作手柄上的定位标记。5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，机械臂安装于手术床边导轨上；或机械臂固定于手术床上。6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述内窥镜和手术器械能够拆卸并独立使用。7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，主控制器还用于：在手术之前，标定机械臂的RCM位置；根据机械臂的RCM位置，确定机械臂基座的相对位置，完成手术前标定。8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，主控制器还用于：通过机械臂基座的相对位置，计算手术设备末端的当前位姿；判断手术设备末端的当前位姿与目标位姿是否一致。9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，主控制器具体用于：采用如下步骤通过机械臂基座的相对位置，计算手术设备末端的当前位姿：
获得通过机械臂主动关节的编码器计算得到的机械臂末端的位置；获得根据手术前标定时测得的手术设备进入点的位置；根据机械臂基座的相对位置、机械臂末端的位置、手术设备进入点的位置，计算得到手术设备的整体位姿；获得通过手术设备内部主动关节的编码器计算得到的手术设备末端相对于手术设备整体的位姿；叠加手术设备的整体位姿与手术设备末端相对于手术设备整体的位姿，获得手术设备末端的当前位姿。10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，主控制器具体用于：采用如下的机械测量法确定机械臂基座的相对位置：确定所有机械臂均能到达的至少一个点，作为机械臂相对位置的测量点；在各个机械臂到测量点后，记录机械臂的当前位姿，其中，各个机械臂是拖动到上述测量点的；通过各机械臂的内置传感器，根据机械臂的当前位姿，逆推出相对上述测量点的各机械臂基座的相对位置。11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，主控制器具体用于：采用如下的定位设备测量法确定机械臂基座的相对位置：获得使用定位设备的探针测量的探针在机械臂基座的位置；根据探针在机械臂基座的位置，获得机械臂的RCM位置；根据机械臂的RCM位置，计算出机械臂基座的相对位置。12.如权利要求9所述的系统，其特征在于，主控制器具体用于：采用如下的定位设备测量法确定机械臂基座的相对位置：获得定位设备通过定位标记获得的机械臂的RCM位置；根据机械臂的RCM位置，计算出各机械臂基座的相对位置。13.如权利要求1所述的系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ七四专利代理机构，
申请(专利权)人：易达医北京健康科技有限公司，
类型：发明
国别省市：