遙操作手術(shù)機器人的磁阻式力反饋控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種遙操作手術(shù)機器人的磁阻式力反饋控制系統(tǒng)及方法，屬于人機交互【技術(shù)領(lǐng)域】。該系統(tǒng)包括手術(shù)操控端和手術(shù)執(zhí)行端；所述手術(shù)操控端包括連桿Ⅰ、電磁線圈Ⅰ、電磁線圈Ⅱ、位移傳感器、直線驅(qū)動機構(gòu)Ⅰ、電流源Ⅰ和電流源Ⅱ；所述手術(shù)執(zhí)行端包括直線驅(qū)動機構(gòu)Ⅱ、連桿Ⅱ和力傳感器；所述位移傳感器的輸入端連接連桿Ⅰ，輸出端連接直線驅(qū)動機構(gòu)Ⅰ；所述連桿Ⅱ固定設(shè)置在直線驅(qū)動機構(gòu)Ⅱ上，且與力傳感器連接，且所述力傳感器輸出至電流源Ⅰ輸入端，電流源Ⅰ輸出至電磁線圈Ⅰ輸入端。本發(fā)明通過兩電磁線圈產(chǎn)生的相互作用力來反饋手術(shù)執(zhí)行端的作用力，磁阻式力反饋控制方法構(gòu)建的力反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，精確度高且易于實現(xiàn)。
【專利說明】遙操作手術(shù)機器人的磁阻式力反饋控制系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種力反饋重建及控制技術(shù)，特別涉及遙操作手術(shù)機器人的磁阻式力反饋控制技術(shù)，屬于人機交互【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]遙操作微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)為外科醫(yī)生提供了傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)的操作環(huán)境，但是可以協(xié)助醫(yī)生完成更精細的手術(shù)動作，減少手術(shù)時由于疲勞產(chǎn)生的誤操作或手部震顫造成的損傷。同時，微創(chuàng)手術(shù)因損傷小、愈合快為患者帶來更理想的手術(shù)結(jié)果而得到廣泛的應(yīng)用。觸覺力反饋在微創(chuàng)外科手術(shù)中發(fā)揮著極其重要的作用，醫(yī)生通過觸覺感受組織硬度、測量組織屬性、評估解剖學結(jié)構(gòu)從而實施安全的手術(shù)行為。美國的達芬奇手術(shù)機器人系統(tǒng)(daVinciSystem)提高了傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)的操控能力，同時還提供了自動糾錯功能，但由于缺乏力和觸覺反饋功能，醫(yī)生憑借內(nèi)窺鏡圖像及經(jīng)驗難以獲取末端執(zhí)行器和組織間的動態(tài)力學信息。美國Sensable公司的PHANTOM系統(tǒng)具有6個自由度，具有較好的靜態(tài)特性以及較高的動態(tài)響應(yīng)能力，但是該設(shè)備的反饋力較小，無法滿足微創(chuàng)手術(shù)機器人在力覺導航方面的需求。ForceDimens1n公司的Omega和Delta系列力/觸覺設(shè)備采用獨特結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了較大的工作空間、作用力輸出以及再現(xiàn)剛度，但是缺乏空間返回功能且力反饋精度較低，距離實際臨床應(yīng)用還有距離。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種遙操作手術(shù)機器人的磁阻式力反饋控制系統(tǒng)及方法，通過力反饋技術(shù)，提高手術(shù)安全性以及可靠性，讓醫(yī)生在實施遙操作手術(shù)時感受到遠端執(zhí)行機構(gòu)與組織間的相互作用力。
[0004]本發(fā)明的目的之一在于提出一種遙操作手術(shù)機器人的磁阻式力反饋控制系統(tǒng)，且通過下述的技術(shù)方案實現(xiàn):
[0005]包括手術(shù)操控端和手術(shù)執(zhí)行端；所述手術(shù)操控端包括連桿1、電磁線圈1、電磁線圈I1、位移傳感器、直線驅(qū)動機構(gòu)1、電流源I和電流源II ;所述手術(shù)執(zhí)行端包括直線驅(qū)動機構(gòu)I1、連桿II和力傳感器；
[0006]所述連桿I設(shè)置在手術(shù)操控手柄上，且固定設(shè)置與電磁線圈I上，電磁線圈II固定設(shè)置在直線驅(qū)動機構(gòu)I上，所述位移傳感器的輸入端連接連桿I，輸出端連接直線驅(qū)動機構(gòu)I ;
[0007]所述連桿II固定設(shè)置在直線驅(qū)動機構(gòu)II上，且與力傳感器連接，且所述力傳感器輸出至電流源I輸入端，電流源I輸出至電磁線圈I輸入端；所述電流源II輸出至電磁線圈II輸入端，用于向電磁線圈II提供恒定電流。
[0008]本發(fā)明的目的之二在于提出一種遙操作手術(shù)機器人的磁阻式力反饋控制方法，且通過下述的技術(shù)方案實現(xiàn):
[0009]I)位移傳感器獲取手術(shù)操控手柄的連桿I以及電磁線圈I的直線位移，并將該信號輸出至直線驅(qū)動機構(gòu)I;
[0010]2)直線驅(qū)動機構(gòu)I根據(jù)獲取的位移信號驅(qū)動電磁線圈II產(chǎn)生相同的位移，以保持電磁線圈I和電磁線圈II之間的距離do恒定；
[0011]3)電流源II以恒定電流1在電磁線圈II產(chǎn)生恒定磁場；
[0012]4)力傳感器通過連桿II檢測手術(shù)執(zhí)行端的力學信號Fe，電流源I根據(jù)該力學信號Fe在電磁線圈I上產(chǎn)生可變磁場；
[0013]5)電磁線圈I的磁場與電磁線圈II的磁場產(chǎn)生相互作用力FM，其大小與方向等同于手術(shù)執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)連桿II上力傳感器受到的作用力Fe ；
[0014]6)直線驅(qū)動機構(gòu)II通過控制連桿II的位移控制手術(shù)執(zhí)行端的動作。
[0015]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:本發(fā)明通過兩電磁線圈產(chǎn)生的相互作用力來反饋手術(shù)執(zhí)行端的作用力，磁阻式力反饋控制方法構(gòu)建的力反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，精確度高且易于實現(xiàn)；能夠使醫(yī)生在實施手術(shù)遙操作的過程中感受到手術(shù)執(zhí)行端與組織之間的作用力，有效地提高了手術(shù)的安全性。
[0016]本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其它優(yōu)點可以通過下面的說明書，權(quán)利要求書，以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中:
[0018]圖1為本發(fā)明遙操作手術(shù)機器人的磁阻式力反饋控制系統(tǒng)的結(jié)果示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明遙操作手術(shù)機器人的磁阻式力反饋控制方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0020]以下是本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細描述，應(yīng)當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。
[0021]參見附圖1，本發(fā)明一種遙操作手術(shù)機器人的磁阻式力反饋控制系統(tǒng)，包括手術(shù)操控端和手術(shù)執(zhí)行端；所述手術(shù)操控端包括連桿1、電磁線圈1、電磁線圈I1、位移傳感器、直線驅(qū)動機構(gòu)1、電流源I和電流源II ;所述手術(shù)執(zhí)行端包括直線驅(qū)動機構(gòu)I1、連桿II和力傳感器；
[0022]所述連桿I設(shè)置在手術(shù)操控手柄上，且固定設(shè)置與電磁線圈I上，電磁線圈II固定設(shè)置在直線驅(qū)動機構(gòu)I上，所述位移傳感器的輸入端連接連桿I，輸出端連接直線驅(qū)動機構(gòu)I ;
[0023]所述連桿II固定設(shè)置在直線驅(qū)動機構(gòu)II上，且與力傳感器連接，且所述力傳感器輸出至電流源I輸入端，電流源I輸出至電磁線圈I輸入端；所述電流源II輸出至電磁線圈II輸入端，用于向電磁線圈II提供恒定電流。
[0024]參照附圖2，本發(fā)明一種遙操作微創(chuàng)手術(shù)機器人力反饋控制方法，包括以下步驟:
[0025]I)位移傳感器獲取手術(shù)操控手柄的連桿I以及電磁線圈I的直線位移，并將該信號輸出至直線驅(qū)動機構(gòu)I;
[0026]2)直線驅(qū)動機構(gòu)I根據(jù)獲取的位移信號驅(qū)動電磁線圈II產(chǎn)生相同的位移，以保持電磁線圈I和電磁線圈II之間的距離do恒定；
[0027]3)電流源II以恒定電流1在電磁線圈II產(chǎn)生恒定磁場；
[0028]4)力傳感器通過連桿II檢測手術(shù)執(zhí)行端的力學信號Fe，電流源I根據(jù)該力學信號Fe在電磁線圈I上產(chǎn)生可變磁場；
[0029]5)電磁線圈I的磁場與電磁線圈II的磁場產(chǎn)生相互作用力FM，其大小與方向等同于手術(shù)執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)連桿II上力傳感器受到的作用力Fe ；
[0030]6)直線驅(qū)動機構(gòu)II通過控制連桿II的位移控制手術(shù)執(zhí)行端的動作。
[0031]醫(yī)生在利用手術(shù)機器人進行遙操作的手術(shù)過程中，通常不能有效地感受到手術(shù)執(zhí)行端與手術(shù)組織之間的作用力，因此導致醫(yī)生在手術(shù)操控端的作用力不能很精確，但是通過本力反饋系統(tǒng)以及方法，使得手術(shù)操控端可以反饋得到手術(shù)執(zhí)行端對組織的作用力，醫(yī)生可以參考反饋的作用力，進一步調(diào)節(jié)對手術(shù)組織的作用力的位置或大小。
[0032]最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其做出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種遙操作手術(shù)機器人的磁阻式力反饋控制系統(tǒng)，其特征在于:包括手術(shù)操控端和手術(shù)執(zhí)行端；所述手術(shù)操控端包括連桿1、電磁線圈1、電磁線圈I1、位移傳感器、直線驅(qū)動機構(gòu)1、電流源I和電流源II ;所述手術(shù)執(zhí)行端包括直線驅(qū)動機構(gòu)I1、連桿II和力傳感器； 所述連桿I設(shè)置在手術(shù)操控手柄上，且固定設(shè)置與電磁線圈I上，電磁線圈II固定設(shè)置在直線驅(qū)動機構(gòu)I上，所述位移傳感器的輸入端連接連桿I，輸出端連接直線驅(qū)動機構(gòu)I ； 所述連桿II固定設(shè)置在直線驅(qū)動機構(gòu)II上，且與力傳感器連接，且所述力傳感器輸出至電流源I輸入端，電流源I輸出至電磁線圈I輸入端；所述電流源II輸出至電磁線圈II輸入端，用于向電磁線圈II提供恒定電流。
2.一種遙操作手術(shù)機器人的磁阻式力反饋控制方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)位移傳感器獲取手術(shù)操控手柄的連桿I以及電磁線圈I的直線位移，并將該信號輸出至直線驅(qū)動機構(gòu)I; 2)直線驅(qū)動機構(gòu)I根據(jù)獲取的位移信號驅(qū)動電磁線圈II產(chǎn)生相同的位移，以保持電磁線圈I和電磁線圈II之間的距離dO恒定； 3)電流源II以恒定電流1在電磁線圈II產(chǎn)生恒定磁場； 4)力傳感器通過連桿II檢測手術(shù)執(zhí)行端的力學信號Fe，電流源I根據(jù)該力學信號Fe在電磁線圈I上產(chǎn)生可變磁場； 5)電磁線圈I的磁場與電磁線圈II的磁場產(chǎn)生相互作用力FM,其大小與方向等同于手術(shù)執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)連桿II上力傳感器受到的作用力Fe ； 6)直線驅(qū)動機構(gòu)II通過控制連桿II的位移控制手術(shù)執(zhí)行端的動作。
【文檔編號】A61B19/00GK104127245SQ201410400306
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】施益智, 李耀, 傅艦艇 申請人:中國科學院重慶綠色智能技術(shù)研究院