一种分体式微创手术机器人的控制系统

实用新型 · 2020-04-16
著录项
  • CN201510974846.X
  • 20151222
  • CN105395254B
  • 20180330
  • 哈尔滨工业大学
  • 付宜利;艾跃;潘博;王树国;牛国君;曲效锋
  • A61B34/37
  • A61B34/37 A61B34/32 G05B19/04

  • 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号
  • 黑龙江(23)
  • 哈尔滨市松花江专利商标事务所
  • 牟永林
  • 技术关键词
  • 控制系统
  • 微创手术机器人
  • 驱动单元
  • 机械臂
  • 解算模块
  • 多轴控制器
  • 数据接口
  • 直流电机
  • 硬件子系统
  • 主控制台
  • 摘要
    一种分体式微创手术机器人的控制系统,它涉及一种控制系统,具体涉及一种分体式微创手术机器人的控制系统。本发明为了解决现有微创手术机器人的控制系统软硬件开放性差、结构复杂、实时性不好、开发和维护不方便问题。本发明包括硬件子系统和软件子系统,所述硬件子系统包括主控制台和从手机械臂,主控制台包括枢纽工控机、控制面板、脚踏开关、控制电路、第一主操作手、第二主操作手、显示器、3D显示系统和工业路由器,枢纽工控机由供电结构、第一数据接口、第二数据接口、第三数据接口和通信接口。本发明属于微创手术领域。
    权利要求

    权利要求数量(2)

    独立权利要求数量(1)

    1.一种分体式微创手术机器人的控制系统,它包括硬件子系统和软件子系统,所述硬 件子系统包括主控制台(0-1)和从手机械臂(0-2),主控制台(0-1)包括枢纽工控机(1)、控 制面板(2)、脚踏开关(3)、控制电路(4)、第一主操作手(5)、第二主操作手(6)、显示器(7)、 3D显示系统(8)和工业路由器(9),枢纽工控机(1)由供电结构(1-1)、第一数据接口(1-2)、 第二数据接口(1-3)、第三数据接口(1-4)和通信接口(1-5),控制面板(2)和脚踏开关(3)均 通过控制电路(4)与第一数据接口(1-2)连接,供电接口(1-1)与控制电路(4)连接,第一主 操作手(5)与第二数据接口(1-3)连接,第二主操作手(6)与第三数据接口(1-4)连接,通信 接口(1-5)通过工业路由器与从手机械臂(0-2)连接,显示器(7)与3D显示系统(8)连接,3D 显示系统(8)的图像信号接收端与腹腔镜(15)连接;其特征在于:所述软件子系统包括人机 交互层(17)、核心控制层(18)和设备控制层(19),

    人机交互层(17)包括参数配置模块(17-1)、特定功能模块(17-2)、数据记录模块(17- 3)、数据显示模块(17-4)和状态显示模块(17-5),参数配置模块(17-1)用于记录术前或术 中对机器人系统的主从控制比例设置以及主手和从手机械臂的对应关系;特定功能模块 (17-2)用于记录术中重新调整第一主操作手(1)和第二主操作手(2)的位置,特定功能模块 (17-2)还用于记录切换第一主操作手(1)、第二主操作手(2)控制对象的控制信号;数据记 录模块(17-3)用作记录系统中出现的错误代号;数据显示模块(17-4)用于显示关键系统数 据以及实时观察系统状态;状态显示模块(17-5)用于显示系统运行状态以及错误状态提 示;

    核心控制层(18)包括第二主手数据采集模块(18-1)、第一主手数据采集模块(18-2)、 控制算法模块(18-3)、辅助控制模块(18-4)、第一机械臂运动解算模块(18-5)、第二机械臂 运动解算模块(18-6)、第三机械臂运动解算模块(18-7)、第一通信模块(18-8)、第二通信模 块(18-9)、第三通信模块(18-10)、安全检测模块(18-11)和数据读取模块(18-12),第一主 手数据采集模块(18-2)和第二主手数据采集模块(18-1)用于采集第一主操作手(5)和第二 主操作手(6)的运动信息;辅助控制模块(18-4)用于处理来自参数配置模块(17-1)和特定 功能模块(17-2)的控制信号;数据读取模块(18-12)用于读取从两个第一多轴控制器(101) 和第二多轴控制器(201)上传的数据;安全检测模块(18-11)用于监测从两个第一多轴控制 器(101)和第二多轴控制器(201)传给控制算法模块(18-3)和人机交互层(17)的数据;控制 算法模块(18-3)用于结合第二主手数据采集模块(18-1)、第一主手数据采集模块(18-2)、 辅助控制模块(18-4)、安全检测模块(18-11)传递来的数据进行控制算法解算,并将结果发 送给对应的第一机械臂运动解算模块(18-5)、第二机械臂运动解算模块(18-6)、第三机械 臂运动解算模块(18-7);第一机械臂运动解算模块(18-5)、第二机械臂运动解算模块(18- 6)、第三机械臂运动解算模块(18-7)用于接收控制算法模块(18-3)的运算结果,并根据对 应的机械臂模型进行逆运动学求解;第一通信模块(18-8)、第二通信模块(18-9)、第三通信 模块(18-10)用于将第一机械臂运动解算模块(18-5)、第二机械臂运动解算模块(18-6)、第 三机械臂运动解算模块(18-7)的数据按照MODBUS协议进行打包,并传递给设备控制层 (19);

    设备控制层(19)包括七个第一电机控制模块(19-3)、七个第一信息反馈模块(19-4)、 九个第一编码器反馈模块(19-5)、三个第二电机控制模块(19-7)、三个第二信息反馈模块 (19-8)、五个第二编码器反馈模块(19-9)、七个第三电机控制模块(19-11)、七个第三信息 反馈模块(19-12)和九个第三编码器反馈模块(19-13),七个第一电机控制模块(19-3)、三 个第二电机控制模块(19-7)、七个第三电机控制模块(19-11)用于将来自核心控制层(18) 的数据按照EtherCat协议转换成电机控制命令发送给机械臂关节驱动电机,带动第一机械 臂关节(10)、第二机械臂关节(11)、第三机械臂关节(12)运动;七个第一信息反馈模块(19- 4)、三个第二信息反馈模块(19-8)、七个第三信息反馈模块(19-12)用于读取所在机械臂关 节驱动电机的运行状态及运行参数,并上传到核心控制层(18)进行处理;九个第一编码器 反馈模块(19-5)、九个第三编码器反馈模块(19-13)用于将第一机械臂关节(10)和第三机 械臂关节(12)各自的第一外置编码器(104)、第二外置编码器(105)、七个第三外置编码器 (107)的读数上传到核心控制层(18)进行处理;五个第二编码器反馈模块(19-9)用于将第 二机械臂关节(11)的第四外置编码器(204)、第五外置编码器(205)、三个第六外置编码器 (207)的读数上传到核心控制层(18)进行处理。

    2.根据权利要求1所述一种分体式微创手术机器人的控制系统,其特征在于:从手机械 臂(0-2)包括第一分体式机械臂(10)、第二分体式机械臂(11)和第三分体式机械臂(12),

    第一分体式机械臂(10)和第三分体式机械臂(12)均由第一多轴控制器(101)、第一驱 动单元(102)、第二驱动单元(103)、第一外置编码器(104)、第二外置编码器(105)、七个第 三驱动单元(106)、七个第三外置编码器(107)、七个第一直流电机(108)和七个第一直流电 机编码器(109)组成,每个第一直流电机(108)与相对应的一个第一直流电机编码器(109) 组成一个控制闭环,第一多轴控制器(101)、第一驱动单元(102)、第二驱动单元(103)、七个 第三驱动单元(106)依次连接,第一外置编码器(104)与第一驱动单元(102)连接,第二外置 编码器(105)与第二驱动单元(103)连接,每个第三驱动单元(106)分别与一个第一直流电 机(108)连接和一个第三外置编码器(107)连接;

    第二分体式机械臂(11)由第二多轴控制器(201)、第四驱动单元(202)、第五驱动单元 (203)、第四外置编码器(204)、第五外置编码器(205)、三个第六驱动单元(206)、三个第六 外置编码器(207)、三个第二直流电机(208)和三个第二直流电机编码器(209)组成,每个第 二直流电机(208)与相对应的一个第二直流电机编码器(209)组成一个控制闭环,第二多轴 控制器(201)、第四驱动单元(202)、第五驱动单元(203)、三个第六驱动单元(206)依次连 接,第四驱动单元(202)与第四外置编码器(204)连接,第五驱动单元(203)与第五外置编码 器(205)连接,每个第六驱动单元(206)分别与一个第二直流电机(208)和一个第六外置编 码器(207)连接;

    第二多轴控制器(201)、两个第一多轴控制器(101)均与工业路由器(9)连接。

    1.一种分体式微创手术机器人的控制系统,它包括硬件子系统和软件子系统,所述硬 件子系统包括主控制台(0-1)和从手机械臂(0-2),主控制台(0-1)包括枢纽工控机(1)、控 制面板(2)、脚踏开关(3)、控制电路(4)、第一主操作手(5)、第二主操作手(6)、显示器(7)、 3D显示系统(8)和工业路由器(9),枢纽工控机(1)由供电结构(1-1)、第一数据接口(1-2)、 第二数据接口(1-3)、第三数据接口(1-4)和通信接口(1-5),控制面板(2)和脚踏开关(3)均 通过控制电路(4)与第一数据接口(1-2)连接,供电接口(1-1)与控制电路(4)连接,第一主 操作手(5)与第二数据接口(1-3)连接,第二主操作手(6)与第三数据接口(1-4)连接,通信 接口(1-5)通过工业路由器与从手机械臂(0-2)连接,显示器(7)与3D显示系统(8)连接,3D 显示系统(8)的图像信号接收端与腹腔镜(15)连接;其特征在于:所述软件子系统包括人机 交互层(17)、核心控制层(18)和设备控制层(19), 人机交互层(17)包括参数配置模块(17-1)、特定功能模块(17-2)、数据记录模块(17- 3)、数据显示模块(17-4)和状态显示模块(17-5),参数配置模块(17-1)用于记录术前或术 中对机器人系统的主从控制比例设置以及主手和从手机械臂的对应关系;特定功能模块 (17-2)用于记录术中重新调整第一主操作手(1)和第二主操作手(2)的位置,特定功能模块 (17-2)还用于记录切换第一主操作手(1)、第二主操作手(2)控制对象的控制信号;数据记 录模块(17-3)用作记录系统中出现的错误代号;数据显示模块(17-4)用于显示关键系统数 据以及实时观察系统状态;状态显示模块(17-5)用于显示系统运行状态以及错误状态提 示; 核心控制层(18)包括第二主手数据采集模块(18-1)、第一主手数据采集模块(18-2)、 控制算法模块(18-3)、辅助控制模块(18-4)、第一机械臂运动解算模块(18-5)、第二机械臂 运动解算模块(18-6)、第三机械臂运动解算模块(18-7)、第一通信模块(18-8)、第二通信模 块(18-9)、第三通信模块(18-10)、安全检测模块(18-11)和数据读取模块(18-12),第一主 手数据采集模块(18-2)和第二主手数据采集模块(18-1)用于采集第一主操作手(5)和第二 主操作手(6)的运动信息;辅助控制模块(18-4)用于处理来自参数配置模块(17-1)和特定 功能模块(17-2)的控制信号;数据读取模块(18-12)用于读取从两个第一多轴控制器(101) 和第二多轴控制器(201)上传的数据;安全检测模块(18-11)用于监测从两个第一多轴控制 器(101)和第二多轴控制器(201)传给控制算法模块(18-3)和人机交互层(17)的数据;控制 算法模块(18-3)用于结合第二主手数据采集模块(18-1)、第一主手数据采集模块(18-2)、 辅助控制模块(18-4)、安全检测模块(18-11)传递来的数据进行控制算法解算,并将结果发 送给对应的第一机械臂运动解算模块(18-5)、第二机械臂运动解算模块(18-6)、第三机械 臂运动解算模块(18-7);第一机械臂运动解算模块(18-5)、第二机械臂运动解算模块(18- 6)、第三机械臂运动解算模块(18-7)用于接收控制算法模块(18-3)的运算结果,并根据对 应的机械臂模型进行逆运动学求解;第一通信模块(18-8)、第二通信模块(18-9)、第三通信 模块(18-10)用于将第一机械臂运动解算模块(18-5)、第二机械臂运动解算模块(18-6)、第 三机械臂运动解算模块(18-7)的数据按照MODBUS协议进行打包,并传递给设备控制层 (19); 设备控制层(19)包括七个第一电机控制模块(19-3)、七个第一信息反馈模块(19-4)、 九个第一编码器反馈模块(19-5)、三个第二电机控制模块(19-7)、三个第二信息反馈模块 (19-8)、五个第二编码器反馈模块(19-9)、七个第三电机控制模块(19-11)、七个第三信息 反馈模块(19-12)和九个第三编码器反馈模块(19-13),七个第一电机控制模块(19-3)、三 个第二电机控制模块(19-7)、七个第三电机控制模块(19-11)用于将来自核心控制层(18) 的数据按照EtherCat协议转换成电机控制命令发送给机械臂关节驱动电机,带动第一机械 臂关节(10)、第二机械臂关节(11)、第三机械臂关节(12)运动;七个第一信息反馈模块(19- 4)、三个第二信息反馈模块(19-8)、七个第三信息反馈模块(19-12)用于读取所在机械臂关 节驱动电机的运行状态及运行参数,并上传到核心控制层(18)进行处理;九个第一编码器 反馈模块(19-5)、九个第三编码器反馈模块(19-13)用于将第一机械臂关节(10)和第三机 械臂关节(12)各自的第一外置编码器(104)、第二外置编码器(105)、七个第三外置编码器 (107)的读数上传到核心控制层(18)进行处理;五个第二编码器反馈模块(19-9)用于将第 二机械臂关节(11)的第四外置编码器(204)、第五外置编码器(205)、三个第六外置编码器 (207)的读数上传到核心控制层(18)进行处理。 2.根据权利要求1所述一种分体式微创手术机器人的控制系统,其特征在于:从手机械 臂(0-2)包括第一分体式机械臂(10)、第二分体式机械臂(11)和第三分体式机械臂(12), 第一分体式机械臂(10)和第三分体式机械臂(12)均由第一多轴控制器(101)、第一驱 动单元(102)、第二驱动单元(103)、第一外置编码器(104)、第二外置编码器(105)、七个第 三驱动单元(106)、七个第三外置编码器(107)、七个第一直流电机(108)和七个第一直流电 机编码器(109)组成,每个第一直流电机(108)与相对应的一个第一直流电机编码器(109) 组成一个控制闭环,第一多轴控制器(101)、第一驱动单元(102)、第二驱动单元(103)、七个 第三驱动单元(106)依次连接,第一外置编码器(104)与第一驱动单元(102)连接,第二外置 编码器(105)与第二驱动单元(103)连接,每个第三驱动单元(106)分别与一个第一直流电 机(108)连接和一个第三外置编码器(107)连接; 第二分体式机械臂(11)由第二多轴控制器(201)、第四驱动单元(202)、第五驱动单元 (203)、第四外置编码器(204)、第五外置编码器(205)、三个第六驱动单元(206)、三个第六 外置编码器(207)、三个第二直流电机(208)和三个第二直流电机编码器(209)组成,每个第 二直流电机(208)与相对应的一个第二直流电机编码器(209)组成一个控制闭环,第二多轴 控制器(201)、第四驱动单元(202)、第五驱动单元(203)、三个第六驱动单元(206)依次连 接,第四驱动单元(202)与第四外置编码器(204)连接,第五驱动单元(203)与第五外置编码 器(205)连接,每个第六驱动单元(206)分别与一个第二直流电机(208)和一个第六外置编 码器(207)连接; 第二多轴控制器(201)、两个第一多轴控制器(101)均与工业路由器(9)连接。

    说明书
    技术领域

    本发明涉及一种控制系统,具体涉及一种分体式微创手术机器人的控制系统,属 于微创手术领域。

    技术背景

    微创手术机器人作为诸多医疗机器人的一种,不仅能够克服传统微创手术自身的 缺点,更可以协助医生完成手术部位的精确定位,减轻医生的劳动强度,提高手术治疗的精 度与质量,缩短治疗时间。其作为发展中的新型产业,有着不可估量的广阔市场前景。

    在现有的对微创手术机器人的研究中,有的系统采用专用的机器人控制器。虽然 这种方案提高了控制系统的运算速度,有利于系统的实时性,但是所采用的控制器基本上 都是采用专用语言、专用操作系统、专用微处理器等,使得控制器不通用,更不利于系统的 维护与开发;有的采用基于DSP嵌入式结构的控制系统。这种方案运算速度高、稳定性好、开 放性好,但却存在开发周期长、编程调试繁琐、非相关专业人员维护困难等缺点;另外,基于 运动控制卡的微创手术机器人系统在国内外的研究中也比较常见。由于软、硬件结构的开 放性,这种方案使用方便,编程相对简单,但是板卡体积较大,板卡、电机驱动器、电机之间 的连线冗余,布线复杂。因此,设计一套软、硬件结构开放性好、结构简单、实时性好、开发、 维护方便的控制系统对于微创手术机器人是非常必要的。

    发明内容

    本发明为解决现有微创手术机器人的控制系统软硬件开放性差、结构复杂、实时 性不好、开发和维护不方便问题,进而提出一种体式微创手术机器人的控制系统。

    本发明为解决上述问题采取的技术方案是:本发明包括硬件子系统和软件子系 统,所述硬件子系统包括主控制台和从手机械臂,主控制台包括枢纽工控机、控制面板、脚 踏开关、控制电路、第一主操作手、第二主操作手、显示器、3D显示系统和工业路由器,枢纽 工控机由供电结构、第一数据接口、第二数据接口、第三数据接口和通信接口,控制面板和 脚踏开关均通过控制电路与第一数据接口连接,供电接口与控制电路连接,第一主操作手 与第二数据接口连接,第二主操作手与第三数据接口连接,通信接口通过工业路由器与从 手机械臂连接,显示器与3D显示系统连接,3D显示系统的图像信号接收端与腹腔镜连接。

    本发明的有益效果是:本发明结构简单,层次分明,布线简洁,扩展性好、开发与维 护方便的控制系统。本发明的硬件子系统采用分布式的现场总线控制方式,布线简洁,便于 调试与维护,系统安装成本低;软件子系统根据整个系统所要实现的功能,采用模块化编 程,分块设计。整个控制系统结构清晰,层次分明,开发与维护方便,并且具有良好的可扩展 性和可移植性。

    附图说明

    图1是本发明的硬件子系统结构示意图,图1中13-患者,14-手术器械,15-腹腔镜, 16-手术器械,图2是本发明的软件子系统结构示意图。

    具体实施方式

    具体实施方式一:结合图1和图2说明本实施方式,本实施方式所述一种分体式微 创手术机器人的控制系统包括硬件子系统和软件子系统,所述硬件子系统包括主控制台0- 1和从手机械臂0-2,主控制台0-1包括枢纽工控机1、控制面板2、脚踏开关3、控制电路4、第 一主操作手5、第二主操作手6、显示器7、3D显示系统8和工业路由器9,枢纽工控机1由供电 结构1-1、第一数据接口1-2、第二数据接口1-3、第三数据接口1-4和通信接口1-5,控制面板 2和脚踏开关3均通过控制电路4与第一数据接口1-2连接,供电接口1-1与控制电路4连接, 第一主操作手5与第二数据接口1-3连接,第二主操作手6与第三数据接口1-4连接,通信接 口1-5通过工业路由器与从手机械臂0-2连接,显示器7与3D显示系统8连接,3D显示系统8的 图像信号接收端与腹腔镜15连接。

    本实施方式中枢纽工控机1作为控制系统的核心运算单元,用于初始化控制系统 及设置系统参数,实时采集主手的位置指令,运行控制算法,发送关节运动指令,接收从手 关节运动信息、I/O信号,管理各个模块之间的关系,实现医生与主控台信息的交互。

    控制面板2在术前以及术中根据不同手术需求,进行参数设置。

    脚踏开关3用于执行一些特殊操作,辅助医生进行手术。

    控制电路4用于转换控制面板2和脚踏开关3的控制信号,并与枢纽工控机1进行通 信。

    第一主操作手5和第二主操作手6作为输入设备,用于采集主控台侧医生的手部运 动信息,并发送给枢纽工控机1。

    显示器7和3D图像显示系统8作为显示设备,用于将病人腹腔内的实时场景转换为 3D图像并显示给操作医生。

    工业路由器9作为连接主控制台0-1和从手机械臂0-2两端的网络通讯设备,用作 它们之间的进行数据交换。

    从手机械臂0-2由第一分体式机械臂10、第二分体式机械臂11和第三分体式机械 臂12组成,其中第一分体式机械臂10和第三分体式机械臂12主要包括第一多轴控制器101, 与多个驱动单元组成现场总线网络,负责接收枢纽工控机1发来的运动数据和命令,进行数 据处理、规划等过程,发送控制指令和数据给每个驱动单元,使每个直流电机进行相应动 作,从而带动关节运动;同时也用于读取每个外置编码器、以及关节驱动电机的状态等信 息,写入指定的保持寄存器,并在枢纽工控机1的命令下,将数据反馈给枢纽工控机1。每个 驱动单元用于接收第一多轴控制器101的指令和数据,控制直流电机的运动,且还能读取直 流电机的运动参数和状态,以及外置编码器的数值,并上传给第一多轴控制器101。每个直 流电机与相应的一个编码器组成控制闭环,带动各个关节运动;每个外置编码器固连在关 节上,用于读取关节的实时角度值。腹腔镜15用于实时捕捉手术图像。手术器械14和手术器 械15用于进行夹持、切割等手术操作。

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