分體式微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的手眼協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種手眼協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及方法，具體涉及一種分體式微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的手眼協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及方法，屬于醫(yī)療機(jī)器人操控領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]與傳統(tǒng)的人工微創(chuàng)手術(shù)相比，微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人作為諸多醫(yī)療機(jī)器人的一種，它可以協(xié)助醫(yī)生完成手術(shù)部位的精確定位，減輕醫(yī)生的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高手術(shù)治療的精度與質(zhì)量，縮短治療時(shí)間，其作為發(fā)展中的新型產(chǎn)業(yè)，有著不可估量的廣闊市場(chǎng)前景。在傳統(tǒng)的腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)過(guò)程中，手持式的手術(shù)器械通過(guò)患者腹腔上的切口插入患者腹腔內(nèi)，于是在切口處由于支點(diǎn)效應(yīng)，醫(yī)生的手部運(yùn)行與通過(guò)腹腔鏡傳輸給屏幕顯示的腹腔內(nèi)手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)不一致，這樣會(huì)給醫(yī)生的手術(shù)操作帶來(lái)不便。而在微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中，由于醫(yī)生不直接操作手術(shù)器械，而是采用主從控制的模式，即醫(yī)生操作主控制臺(tái)上的主操作手，來(lái)控制位于病床端的機(jī)械臂，由機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)手術(shù)器械完成操作。目前，醫(yī)生在操控微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的機(jī)械臂時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生醫(yī)生手部運(yùn)行與通過(guò)腹腔鏡傳輸給屏幕顯示的由機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)的手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)不一致的情況，影響了手術(shù)操作精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為解決現(xiàn)有微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人操控過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生手眼協(xié)調(diào)不一致的問(wèn)題，進(jìn)而提出分體式微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的手眼協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及方法
[0004]本發(fā)明為解決上述問(wèn)題采取的技術(shù)方案是:本發(fā)明所述控制系統(tǒng)包括主控制臺(tái)、第一持械臂、第二持械臂、持鏡臂、第一手術(shù)器械、腹腔鏡和第二手術(shù)器械，主控制臺(tái)上設(shè)有3D顯示系統(tǒng)、3D顯示器、第一主操作手、第二主操作手、工控機(jī)和工業(yè)路由器，腹腔鏡安裝在持鏡臂的持鏡端上，3D顯示系統(tǒng)的圖像信號(hào)接收端通過(guò)腹腔鏡的圖像信號(hào)發(fā)送端連接，3D顯示系統(tǒng)將圖像信息傳輸給3D顯示器顯示出來(lái)，第一手術(shù)器械與第一持械臂的從手機(jī)械臂端連接，第二手術(shù)器械與第二持械臂的從手機(jī)械臂端連接，工控機(jī)的通信端口與工業(yè)路由器連接，第一持械臂、第二持械臂、持鏡臂的通信端口均與工業(yè)路由器連接。
[0005]本發(fā)明所述方法的具體步驟如下:
[0006]步驟一、建立主手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型:通過(guò)主操作手正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算獲得主手末端坐標(biāo)系與基座坐標(biāo)系的關(guān)系；
[0007]步驟二、利用實(shí)際測(cè)量結(jié)果得到主手基坐標(biāo)系相對(duì)于顯示器坐標(biāo)系的變換矩陣A，進(jìn)而求出主手末端坐標(biāo)系相對(duì)于顯示器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣B ;
[0008]步驟三、將步驟二中得到的轉(zhuǎn)換矩陣B映射到持械臂的從手機(jī)械臂端，得到手術(shù)器械的末端相對(duì)于腹腔鏡末端的轉(zhuǎn)換矩陣C ；
[0009]步驟四、利用持鏡臂關(guān)節(jié)處安裝的外置編碼器，讀取當(dāng)前持鏡臂的關(guān)節(jié)角度，并進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，得到腹腔鏡末端坐標(biāo)系相對(duì)于其極坐標(biāo)系變換矩陣D ;
[0010]步驟五、利用位姿跟蹤測(cè)量系統(tǒng)分別測(cè)出持械臂和持鏡臂的基坐標(biāo)系在位姿跟蹤測(cè)量系統(tǒng)中的位置和方向；
[0011]步驟六、記錄持鏡臂基坐標(biāo)系相對(duì)于位姿跟蹤測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系的變換矩陣E和持械臂基坐標(biāo)系相對(duì)于位姿跟蹤測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系的變換矩陣F，根據(jù)變換矩陣E和變換矩陣F計(jì)算出持械臂基坐標(biāo)系與持鏡臂基坐標(biāo)系變換矩陣G ;
[0012]步驟七、根據(jù)變換矩陣D和變換矩陣G求出持械臂基坐標(biāo)系與腹腔鏡末端坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣Η ；
[0013]步驟八、結(jié)合轉(zhuǎn)換矩陣C得到手術(shù)器械末端坐標(biāo)系相對(duì)于其基座標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣I ;
[0014]步驟九、對(duì)持械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，最終求出持械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息，將持械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息發(fā)送給持械臂的關(guān)節(jié)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)生通過(guò)3D顯示器觀察到的手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)與手部運(yùn)動(dòng)保持一致。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明通過(guò)對(duì)主操作手、顯示器、持械機(jī)械臂以及持鏡機(jī)械臂所建立的參考坐標(biāo)系進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，并利用機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，使得操作者利用3D顯示器觀察到的從手手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)與操作主操作手產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)保持一致，實(shí)現(xiàn)直覺(jué)控制；本發(fā)明能夠克服傳統(tǒng)腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)中醫(yī)生手眼動(dòng)作不一致的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)直覺(jué)控制。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明的俯視圖，圖2是機(jī)械臂與位姿跟蹤測(cè)量系統(tǒng)相關(guān)坐標(biāo)關(guān)系示意圖，圖3是主控制臺(tái)相應(yīng)坐標(biāo)系關(guān)系不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1說(shuō)至圖3明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述分體式微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的手眼協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包括主控制臺(tái)1、第一持械臂8、第二持械臂9、持鏡臂10、第一手術(shù)器械12、腹腔鏡13和第二手術(shù)器械14，主控制臺(tái)1上設(shè)有3D顯示系統(tǒng)2、3D顯示器
3、第一主操作手4、第二主操作手5、工控機(jī)6和工業(yè)路由器7，腹腔鏡13安裝在持鏡臂10的持鏡端上，3D顯示系統(tǒng)2的圖像信號(hào)接收端通過(guò)腹腔鏡13的圖像信號(hào)發(fā)送端連接，3D顯示系統(tǒng)2將圖像信息傳輸給3D顯示器3顯示出來(lái)，第一手術(shù)器械12與第一持械臂18的從手機(jī)械臂端連接，第二手術(shù)器械14與第二持械臂9的從手機(jī)械臂端連接，工控機(jī)6的通信端口與工業(yè)路由器7連接，第一持械臂8、第二持械臂9、持鏡臂10的通信端口均與工業(yè)路由器7連接。
[0018]【具體實(shí)施方式】二:結(jié)合圖1至圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述分體式微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的手眼協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)還包括位姿跟蹤測(cè)量系統(tǒng)11，位姿跟蹤測(cè)量系統(tǒng)11設(shè)置在患者手術(shù)部位的上方。其它組成及連接關(guān)系與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0019]【具體實(shí)施方式】三:結(jié)合圖1至圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述分體式微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的手眼協(xié)調(diào)控制方法是通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)的:
[0020]步驟一、建立主手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型:通過(guò)主操作手正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算獲得主手末端坐標(biāo)系與基座坐標(biāo)系的關(guān)系；
[0021]步驟二、利用實(shí)際測(cè)量結(jié)果得到主手基坐標(biāo)系相對(duì)于顯示器坐標(biāo)系的變換矩陣A，進(jìn)而求出主手末端坐標(biāo)系相對(duì)于顯示器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣B ;
[0022]步驟三、將步驟二中得到的轉(zhuǎn)換矩陣B映射到持械臂的從手機(jī)械臂端，得到手術(shù)器械的末端相對(duì)于腹腔鏡13末端的轉(zhuǎn)換矩陣C ；
[0023]步驟四、利用持鏡臂關(guān)節(jié)處安裝的外置編碼器，讀取當(dāng)前持鏡臂的關(guān)節(jié)角度，并進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，得到腹腔鏡13末端坐標(biāo)系相對(duì)于其極坐標(biāo)系變換矩陣D ;
[0024]步驟五、利用位姿跟蹤測(cè)量系統(tǒng)11分別測(cè)出持械臂和持鏡臂10的基坐標(biāo)系在位姿跟蹤測(cè)量系統(tǒng)11中的位置和方向；
[0025]步驟六、記錄持鏡臂10基坐標(biāo)系相對(duì)于位姿跟蹤測(cè)量系統(tǒng)11坐標(biāo)系的變換矩陣Ε和持械臂基坐標(biāo)系相對(duì)于位姿跟蹤測(cè)量系統(tǒng)11坐標(biāo)系的變換矩陣F，根據(jù)變換矩陣Ε和變換矩陣F計(jì)算出持械臂基坐標(biāo)系與持鏡臂10基坐標(biāo)系變換矩陣G ;
[0026]步驟七、根據(jù)變換矩陣D和變換矩陣G求出持械臂基坐標(biāo)系與腹腔鏡13末端坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣Η ；
[0027]步驟八、結(jié)合轉(zhuǎn)換矩陣C得到手術(shù)器械末端坐標(biāo)系相對(duì)于其基座標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣I ;
[0028]步驟九、對(duì)持械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，最終求出持械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息，將持械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息發(fā)送給持械臂的關(guān)節(jié)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)生通過(guò)3