[发明专利]一种带力反馈的手术机器人控制系统及其方法

说明书

本发明涉及力反馈手术机器人技术领域，具体涉及一种带力反馈的手术机器人控制系统及其方法，包括用于执行手术动作的手术机器人以及用于控制手术机器人的机器人控制装置；手术机器人包括运动模块，运动模块用于驱动介入器械运动；机器人控制装置包括操作模块，操作模块用于手动操作手术机器人；手术机器人工作过程中实时采集介入器械运动产生的力信号，并通过操作模块传递至操作者手上。根据装置提供的力反馈结合视觉反馈，从而帮助医生实时判断器械对组织的作用力以及其他组织特征，帮助手术进程顺利进行，提高手术效率。

技术领域

本发明涉及手术机器人技术领域，尤其涉及一种带力反馈的手术机器人控制系统及其方法。

背景技术

手术机器人是通过医生操控机器人控制模块，控制机器人动作，对患者进行手术，能够减小患者病灶切口。机器人控制模块可以为按钮、摇杆等形式。当按钮保持按下/摇杆保持随送时，数据传输模块将器械的操作模块将按钮或者摇杆产生的运动信号发送到手术机器人，手术机器人控制其器械运动装置进行运动。例如，用于治疗恶性滋养细胞肿瘤的血管介入手术，需要对器械进行精准介入，而血管介入手术机器人则能够很好的辅助手术进行。

但是，本申请人发现现有技术至少存在以下问题：

现阶段手术的机器人大多采用视觉反馈系统，外科医生在控制机械臂做手术时，需要通过分析视觉信息，实时判断器械对组织的作用力以及其他组织特征，一定程度上影响手术效率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种带力反馈的手术机器人控制系统及其方法，以解决医生手术时需要实时判断器械对组织的作用力以及其他组织特征，一定程度上影响手术效率的问题。

基于上述目的，本发明提供了一种带力反馈的手术机器人控制系统，包括用于执行手术动作的手术机器人以及用于控制手术机器人的机器人控制装置；手术机器人包括运动模块，运动模块用于驱动介入器械运动；机器人控制装置包括操作模块，操作模块用于手动操作手术机器人；手术机器人工作过程中实时采集介入器械运动产生的力信号，并通过操作模块传递至操作者手上。

可选地，运动模块包括直流电机、编码器、电机驱动器和至少一组滚轮；滚轮由直流电机驱动，用于夹紧介入器械和驱动介入器械运动；编码器连接直流电机，用于向电机驱动器反馈直流电机的转速和位置反馈信号；电机驱动器用于给直流电机提供额定电压和驱动电流，通过直流电机反馈线监测直流电机实时使用的驱动电流大小，并且将监测到的驱动电流经过AD转换得到数字信号；

所述手术机器人还包括机器人数据传输模块，所述机器人数据传输模块包括手术机器人CPU和接口，手术机器人CPU接收电机驱动器实时反馈的数字信号，并通过接口将数字信号传输到机器人控制装置。

可选地，电机驱动器根据CPU的指令为直流电机提供驱动电流，并监测直流电机实时的转速以及使用的驱动电流大小；驱动电流值对应直流电机产生的转矩，并可换算成直流电机在直线方向对介入器械产生的直线推力；该直线推力与直流电机扭矩、滚轮半径扭矩存在以下关系：

F＝T/r

其中，F为直线推力，T为直流电机扭矩，r为滚轮半径。

可选地，所述操作模块包括基板、安装在基板一侧的摇杆和安装在基板靠近摇杆一侧侧面的安装板，摇杆信号控制手术机器人动作，扭簧安装于安装板上且位于摇杆的两侧，扭簧包括两端接触杆，两端接触杆之间呈一定角度设置，一端接触杆抵触连接有凸轮，另一端接触杆用于与摇杆配合，凸轮动力连接有步进电机。

可选地，所述机器人控制装置还包括具有控制装置CPU的控制装置数据传输模块，机器人控制装置接收到手术机器人采集回传的力信号时，控制装置CPU根据力信号计算得到对应步进电机所需产生的脉冲数Plus数值，通知对应步进电机按照计算所得的Plus值转动相应的角度压缩扭簧，最终在摇杆处按照一定的比例对手指产生作用力。

可选地，所述步进电机的脉冲数计算方式如下：