遥操作微创手术柔性臂机构及系统及其遥操作方法技术方案

遥操作微创手术柔性臂机构及系统及其遥操作方法，该遥操作微创手术柔性臂系统，包括采集层、处理层、控制层、执行层，其中采集层包括手势识别传感器，执行层包括移动平台、驱动电机、臂身机构、执行器、驱动绳索，该遥操作方法的步骤为：第一步通过采集层采集手术操作者的手势信息；第二步由处理层判断是否执行，通过比例映射处理采集数据，解算出驱动绳索长度改变量；第三步由控制层解算出电机运转数据，并将结果发送到执行层；第四步执行层根据接收到的数据运动到相应位置。本发明专利技术具有柔性好、轻量化、易于控制、操作便捷、交互性好的优点，适用于狭小空间内的微创手术。适用于狭小空间内的微创手术。适用于狭小空间内的微创手术。

【技术实现步骤摘要】
遥操作微创手术柔性臂机构及系统及其遥操作方法


[0001]本专利技术属于微创手术机器人
，更具体的说是遥操作微创手术柔性臂机构及系统及其遥操作方法。

技术介绍

[0002]遥操作微创手术是一种新兴的手术模式，利用先进的手术机器人和遥操作技术，允许外科医生对距离较远的患者进行手术，且有助于外科医生在狭小的腔体内实现较为复杂和精密的微创手术。遥操作微创手术系统不仅有利于改善目前高水平外科医生短缺的现状，消除地理障碍，还可以协助外科医生完成更高难度的手术，为患者带来及时、高质量的手术干预，减轻患者经济负担、减少并发症和远距离就医的苦恼。
[0003]但是，目前的遥操作系统大多依赖于主从端的协调控制，对于操作者的技术要求较高，且存在着精准定位困难，从端操作设备穿戴不便、体积较大、交互性不强等问题。这些问题使得遥操作技术在微创手术领域难以得到较好的发展。
[0004]现有技术如下：
[0005]公开号：CN104622585B，名称“一种腹腔镜微创手术机器人主从同构式遥操作主手”，主要包括基座、设置在基座上的万向节机构组件Ⅰ及依次通过关节联接件对应连接的万向节机构组件Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、拇指部件与食指部件，所述万向节机构组件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及Ⅳ上对应设有角度传感器S1、角度传感器S2、角度传感器S3、位移传感器S4、角度传感器S5、角度传感器S6及角度传感器S7；该遥操作主手上的各关节自由度与手术执行端手术器械的运动自由度一一对应，实现了主从同构，可直接通过对应(映射)关系实现遥操作主手对手术执行端的控制与调整，避免了主从异构遥操作所需的运动解析时间，减小系统延迟；也使得遥操作本身的直观性得到增强，有效降低了操作难度与操作误差。
[0006]其采用的方案是，采用基于主从端的遥操作方式，遥操作主手结构实现了主从同构，即遥操作主手的各运动关节与手术执行端上手术器械的各运动自由度间存在一一对应关系，可直接通过对应(映射)关系实现遥操作主手对手术执行端的控制与调整。而我们的专利中并没有采取主从端控制的方式，而是采用手势识别传感器，直接捕捉手部动作，并实时控制执行端完成相应手术任务，我们加入了滤波环节，映射环节等预处理操作，精准地将手势的位姿映射为执行端的位姿，这样的优点是在空间上省去了主端机械手的设置，且交互性更强，极大地减小了操作难度。
[0007]公开号：CN110584790A，名称“基于手臂刚度的手术机器人遥操作比例控制方法”，该方法在进行手术操作之前，进行同类型手术案例的收集，进而得到此类手术手臂刚度变化水平的取值范围；在进行手术操作时，针对于手术操作过程中获取的操作者手臂关节旋转及运动的相关信息，计算手臂刚度随手腕处的关节旋转角速度、关节旋转角加速度的变化水平与关节旋转角速度和关节旋转角加速度的关系；然后得到手臂刚度随手臂运动轨迹曲率的变化水平与曲率的变化率的关系，在此基础上，建立手臂刚度的变化水平随手腕关节角速度、角加速度、运动轨迹曲率变化率的模型关系，利用所述的手臂刚度变化水平的取
值范围对所述的模型关系进行归一化，即得到遥操作比例。
[0008]其采用的方案是，在进行手术操作之前，进行同类型手术案例的收集；在进行手术操作时，针对于手术操作过程中获取的操作者手臂运动等数据信息，在此基础上，建立手臂刚度的变化水平随手腕关节角速度、角加速度、运动轨迹曲率变化率的模型关系。而我们的专利中，并不需要大量的数据收集，而是采用牛顿迭代算法进行逆运动学解算，在采集到手势坐标并预处理之后将坐标迭代解算成柔性臂的驱动绳索长度的改变量，并发送到电机运行，这样的解算更加快速，不需要前期大量的数据收集，并且对于操作者的包容性更强，相比起专利CN110584790A需要同类型的手术案例，我们的方案在探索尚未成熟的手术操作方面更有优势。
[0009]公开号：CN111839740B，名称“微创手术机器人主从同构式遥操作力反馈主手”，其包括万向节机构组件、平动自转组件、平行四边形机构、与平动自转组件连接的操纵手柄；万向节机构组件固定于基座，平动自转组件与万向节机构组件的偏转框架转动连接，平行四边形机构与平动自转组件转动连接。本专利技术可实现围绕一定点的三维转动和沿操作手柄轴的直线运动四个自由度，对于俯仰、偏航以及直线运动自由度实现了力反馈功能，各自由度与微创手术执行端器械的运动自由度采用同构式布置，实现了一一映射关系，减小主从控制系统延时和运动学求解时带来的误差，提高操作直观性；力反馈驱动器固定安装，通过平行四边形机构传递运动与反馈力，减小主手移动部分运动惯量，提高操纵灵活性。
[0010]其在主从同构式遥操作的基础上加上了力反馈装置，而我们采用的方案中使用的是位姿反馈结合操作者视觉反馈的方式，避免了力反馈解算不精准等问题，更加自热，交互性更强，符合操作者的操作规律，且计算量更小，体积更小，更适用于需要实时跟踪反馈的高精度微创手术。
[0011]公开号：CN106903665A，名称“一种基于立体视觉的主从式遥操作手术机器人控制系统”，包括运动控制系统和立体视觉系统，运动控制系统包括运动控制算法模块和底层控制模块；立体视觉系统包括立体视觉算法模块；各从手机械臂实时接收主手操作臂传递过来的位置控制指令，运动控制算法模块解算得到各关节期望位置，底层控制模块控制伺服驱动器使从手机械臂运动到指定位置；立体视觉系统实时采集从手机械臂所处位置信息并传递给视觉算法计算线程，通过立体视觉算法模块计算机械臂相对于世界坐标系的位置，通过以太网将位置信息反馈至运动控制系统；操作者通过立体显示装置观察从臂运动情况操作主手操作臂完成手术任务。本专利技术在系统稳定性、实时性和高精度等方面达到了较高的水平。
[0012]其提供了一种基于立体视觉的主从式遥操作手术机器人，通过在从手端采用立体视觉功能，以提高医生实施遥操作手术机器人时的真实感，主要用到了世界坐标系到相机坐标系的转换。而我们的专利直接采用手势识别，将手部运动状态实时反映到执行端上，并可以结合内窥镜等进一步提高手术操作者实施手术时的真实感，与此同时，我们拥有更强的交互性，不依赖于大型的传感器件或相机设备，减少空间的占用，为微创手术操作带来了便利。
[0013]本专利技术结合手势识别技术，提供了遥操作微创手术柔性臂机构及系统及其遥操作方法，用于进行微创外科手术。

技术实现思路

[0014]为了使外科微创手术操作更加便捷、精确，并克服传统刚性器件的局限，本专利技术提出了遥操作微创手术柔性臂机构及系统及其遥操作方法，其是一种准确、灵活、柔性的，并可在狭小空间内自由运动以代替人手进行手术的遥操作微创手术柔性臂系统及其遥操作方法，用于进行微创外科手术，通过设计连续体形式的结构、前向运动学模型、指定末端运动下的机器人智能控制算法，最终实现了优良的人机交互和遥操作控制，完成在狭小空间内目标组织的抓取、移动、剥离等手术任务。
[0015]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0016]本专利技术提供遥操作微创手术柔性臂机构，包括末端夹钳执行器、柔性臂和可移动平台正面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.遥操作微创手术柔性臂机构，包括末端夹钳执行器、柔性臂和可移动平台正面结构，其特征在于：所述末端夹钳执行器包括末端关节套筒(1
‑
5)、夹钳套筒(1
‑
6)、夹钳连接器(1
‑
8)、活动夹钳(1
‑
10)以及固定夹钳(1
‑
11)，所述夹钳连接器(1
‑
8)将两个活动夹钳(1
‑
10)连接在夹钳套筒(1
‑
6)上，所述活动夹钳(1
‑
10)旋转开合用于加持手术工具和提拉病变组织；所述柔性臂包括固定套筒(1
‑
1)，外壁套筒(1
‑
2)、连杆(1
‑
3)以及与其相连接的万向节(1
‑
4)，所述连杆(1
‑
3)将外壁套筒(1
‑
2)与万向节(1
‑
4)连接起来作为关节单元，相邻的两个关节单元共用一个万向节，依次连接组成柔性臂；每个关节单元都有四个相同的小穿线孔(1
‑
12)和一个中心穿线孔(1
‑
13)，控制柔性臂运动的移动牵引绳(1
‑
14)由小穿线孔(1
‑
12)穿入，由穿线孔(1
‑
7)穿出，控制夹钳开合的开合牵引绳(1
‑
15)由中心穿线孔(1
‑
13)穿入，由穿线孔(1
‑
9)穿出；相邻的两个关节单元绕万向节(1
‑
4)进行旋转，通过移动牵引绳(1
‑
14)的长度使每个关节单元绕万向节发生旋转偏移，从而达到任意的弯曲角度；两根控制开合的开合牵引绳(1
‑
15)与活动夹钳(1
‑
10)相连，通过控制两根开合牵引绳的张紧与放松，带动活动夹钳(1
‑
10)相对于固定夹钳(1
‑
11)旋转，实现夹钳的开合；所述可移动平台正面结构包括驱动电机、可移动平台(2
‑
1)、固定装置(2
‑
2)、电机固定装置(2
‑
3)、电机固定槽(2
‑
4)、转轴固定正面装置(2
‑
5)、转轴后端固定槽(2
‑
6)、转轴前端固定槽(2
‑
7)、转轴(2
‑
8)、臂身固定结构(2
‑
9)和转轴固定背面装置(2
‑
10)，所述可移动平台(2
‑
1)通过固定装置(2
‑
2)与外部升降装置相连接；所述驱动电机通过螺丝固定在电机固定装置(2
‑
3)上，再使用螺丝通过电机固定装置(2
‑
3)的固定槽与可移动平台(2
‑
1)的电机固定槽(2
‑
4)将驱动电机固定在可移动平台(2
‑
1)上；所述转轴(2
‑
8)通过转轴固定正面装置(2
‑
5)固定在可移动平台(2
‑
1)上，并通过卡槽与驱动电机输出轴相连，由此驱动电机带动转轴(2
‑
8)转动；所述转轴固定正面装置(2
‑
5)通过转轴后端固定槽(2
‑
6)与转轴前端固定槽(2
‑
7)以及转轴固定背面装置(2
‑
10)固定在可移动平台(2
‑
1)上，通过电机固定槽(2
‑
4)、转轴前端固定槽(2
‑
7)、转轴后端固定槽(2
‑
6)实现转轴(2
‑
8)位置的自由移动；所述移动牵引绳(1
‑
14)通过转轴(2
‑
8)上的小孔固定并连至臂身固定结构的穿线孔，通过改变移动牵引绳(1
‑
14)在转轴(2
‑
8)上的绕线圈数调整牵引绳的松紧；所述转轴固定背面装置(2
‑
10)通过背面小孔与转轴前端固定槽(2
‑
7)固定，转轴固定背面装置(2
‑
10)的另一端与转轴固定正面装置(2
‑
5)的卡槽相连使之成为一体；所述臂身固定结构(2
‑
9)通过外壁套筒(1
‑
2)与臂身尾端万向节(1
‑
4)相连接实现臂身的固定。2.根据权利要求1所述的遥操作微创手术柔性臂机构，其特征在于：所述柔性臂为三级机械臂由三个关节单元构成。3.根据权利要求1所述的遥操作微创手术柔性臂机构，其特征在于：所述转轴(2
‑
8)上有保证穿绳的凹槽。4.对应权利要求1
‑
3任意一项所述遥操作微创手术柔性臂机构的系统，包括采集层、处理层、控制层和执行层，其特征在于，所述采集层包括手势识别传感器，所述执行层包括移
动平台、驱动电机、臂身机构、执行器和驱动绳索，通过手势识别传感器采集手部坐标信息，进行逆运动学解算，通过驱动绳索长度的改变实现柔性臂的遥操作控制；处理层包括对手势识别并判断是否执行，通过比例映射实现空间实际坐标到解算坐标的转换，采用牛顿迭代法进行坐标解算，得到驱动绳索长度改变量；控制层包括实现驱动绳索长度改变量到电机运转时间的转换；所述执行层包括：驱动电机与移动平台通过滑槽结合，通过调节驱动电机位置改变驱动绳索长度与松紧度，从而手动调整柔性臂位置；臂身机构由多个关节单元构成，每个关节单元包括臂筒、连接杆、连接环，驱动绳索穿过每个关节单元，且每个关节单元弯曲的角度相同，末端的关节单元与移动平台中心连接，前端的关节单元与执行器连接。5.根据权利要求4所述遥操作微创手术柔性臂机构的系统，其特征在于：所述执行器包括内窥镜或手术钳头。6.对应权利要求4...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱利丰，陈鑫，张宇恒，孙之寒，熊翔翔，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：