一种小型手术机器人的主手控制系统技术方案

本发明专利技术涉及手术机器人技术领域，具体地说，涉及一种小型手术机器人的主手控制系统。包括基础建设单元、运动控制单元、视频显示单元、通信连接单元和电源管理单元；基础建设单元用于管理构建系统的基础设备；运动控制单元用于对主手控制从手运动进行管控；视频显示单元用于对术野视频进行显示；通信连接单元用于支撑系统的信号连接和数据传输；电源管理单元用于对能量源进行智能管配。本发明专利技术设计可以实现微创手术下眼

【技术实现步骤摘要】
一种小型手术机器人的主手控制系统


[0001]本专利技术涉及手术机器人
，具体地说，涉及一种小型手术机器人的主手控制系统。

技术介绍

[0002]手术机器人指的是医生借助机械系统的辅助对患者进行微创手术，在这类手术中，医生的双手不触碰患者，机器人系统作为辅助手术的平台。远程手术机器人系统是集多学科高科技技术手段于一体的综合体，一般具有本地手术功能和远程手术功能两种操控模式。但是，目前的手术机器人系统中，主刀医生需要通过操作两个医生机械臂来控制手术器械和一个三维腹腔镜，但因为通信技术或同步控制器的协作效果不佳，导致传统微创手术中存在眼
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手运动不协调的固有缺陷，以及动作不够精细，导致手术操作不灵活、难以完成精细动作，从而影响手术的效果，甚至可能因医生的手部抖动损伤患者的脏器组织。同时，传统微创手术中，还存在因网络时延导致医生操作术野不够清晰直观的局限，因现存的大量不足，大大制约了远程手术机器人的应用发展。然而，目前却没有较为稳定精确的小型手术机器人的主手控制系统。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供了一种小型手术机器人的主手控制系统，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0004]为实现上述技术问题的解决，本专利技术的目的之一在于，提供了一种小型手术机器人的主手控制系统，包括
[0005]基础建设单元、运动控制单元、视频显示单元、通信连接单元和电源管理单元；所述基础建设单元、所述运动控制单元、所述视频显示单元、所述通信连接单元与所述电源管理单元依次通过网络通信连接；所述基础建设单元用于提供并管理构建主手控制系统的基础设备并控制各设备之间的连接关系；所述运动控制单元用于对主手的运动及通过主手控制从手运动的过程进行管理控制；所述视频显示单元用于对主手端可查看的手术视野视频进行显示管理；所述通信连接单元用于通过多种通信手段来给系统运行提供信号连接和数据传输的通道；所述电源管理单元用于对支撑系统稳定运行的能量源进行智能管理和分配；
[0006]所述基础建设单元包括主操作台模块、主控制箱模块、3D显示器模块和辅助设备模块；
[0007]所述运动控制单元包括同步运动模块、比例缩放模块、能量控制模块和器械切换模块；
[0008]所述视频显示单元包括图像传输模块、图像处理模块、三维展示模块和视频压缩模块；
[0009]所述通信连接单元包括实时通信模块、远程信号模块、专用网络模块和安全机制
模块；
[0010]所述电源管理单元包括系统电源模块、备用电源模块和断电处理模块。
[0011]作为本技术方案的进一步改进，所述主操作台模块、所述主控制箱模块、所述3D显示器模块与所述辅助设备模块依次通过网络通信连接；所述主操作台模块用于提供并管理作为手术机器人系统的控制中心的医生操作台，其作为医生端的交互平台，可供主刀医生用双手通过操作两个医生机械臂来控制手术器械和一个三维腹腔镜；所述主控制箱模块用于提供医生操作台远程控制箱来支撑非本地的远程手术，主端远程控制箱在远程手术主操作端与医生操作台连接使用，采集医生操作台各路信号传输给远程患者端，并接收远程患者端的传输信号及三维图像，并传输到医生操作台上；所述3D显示器模块用于通过具有三维显示功能的3D显示器来接收由三维内窥镜摄像系统实时采集的患者体内术野的三维影像；所述辅助设备模块用于对多种可扩展系统功能且能够支撑系统顺畅运行的辅助设备进行连接控制和管理。
[0012]其中，主端远程控制器主要由工控机、显示器、控制器、图像处理器、键盘等组成。
[0013]其中，辅助设备包括但不限于除患者操作台、三维内窥镜摄像系统、主/从端远程控制箱之外的所有电气元件，如行走驱动装置、工控机、电能量平台等。
[0014]作为本技术方案的进一步改进，所述同步运动模块、所述比例缩放模块、所述能量控制模块与所述器械切换模块依次通过网络通信连接；所述同步运动模块用于通过预先编设的软件程序、低时延的网络及同步运动控制器来实现手术器械末端与外科医生的双手同步运动；所述比例缩放模块用于通过在主手控制系统中增加运动比例缩放功能，将医生操作台机械臂的运动按一定的比例缩小后映射为患者机械臂的运动，最大程度的减小医生手部的自然抖动或无意识的移动，提升微创机器人精细操作的手术质量；所述能量控制模块用于通过远程主操作端预设的控制接口连接电能量平台，以供电刀、超声刀电能量设备连接，可以最大限度将主手能量控制系统集成在一起，并且能够将机器能量指令转化为数字化信息，并搭载远程手术模块，实现网络支持下操作指令同传，以拓展手术机器人的应用场景；所述器械切换模块用于根据不同末端手术器械的使用需求，预先设定各手术器械对应的运动缩放比例，并提供在更换手术器械后进行快速的模式切换的功能。
[0015]作为本技术方案的进一步改进，所述同步运动模块的设计最大限度的还原了开放式手术中医生的眼睛
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手术器械
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手部运动同步运动的情形，实现微创手术下眼
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手协调运动的直觉运动映射。
[0016]作为本技术方案的进一步改进，所述图像传输模块、所述图像处理模块、所述三维展示模块与所述视频压缩模块依次通过网络通信连接；所述图像传输模块用于通过高速的数据传输手段将三维内窥镜拍摄系统拍摄的术野影像传输到主手控制系统；所述图像处理模块用于对获取的术野影像进行降噪、缩放等处理，以便为主刀医生提供高清的术野图像；所述三维展示模块用于通过具有三维显示功能的显示器，直观地展现采用高分辨率光学三维镜头的三维腹腔镜拍摄的患者腹腔内三维立体高清图像，使主刀医生在手术过程中对深度有良好感知，能更清晰辨认解剖结构，提高了手术精确度，也可以减少主刀医生的视觉疲劳；所述视频压缩模块用于在患者端需采用外置高速数据采集卡对图像进行采集和3D压缩处理，以节约系统处理及传输时间，降低图像传输时延，并在此基础上增加断点续传功能，可在图像中断后再连接时从断点续传，确保术中图像的连续性。
[0017]作为本技术方案的进一步改进，所述实时通信模块、所述远程信号模块、所述专用网络模块与所述安全机制模块依次通过网络通信连接；所述实时通信模块用于通过以5G移动通信技术为主的多种通信手段，来给远程手术提供低时延、高质量的实时通信支持；所述远程信号模块用于具有较高实时性的双向传输机制，在机器人远程手术中，支持医生发送操作指令来控制患者端的机械臂进行手术操作，同时实时不断接收并确认患者端的反馈信息，以确保手术的安全进行；所述专用网络模块用于在医院范围内设置用于支撑远程手术的专用网络，以便给远程手术提供稳定、安全的通信支持；所述安全机制模块用于设定受控于通信传输的安全处理机制，以便在机器人远程手术中，保障处于物理环境中的医生与患者之间的信息对接、操作对接、故障处理等的安全，对保证远程手术的安全性和操作性尤为重要。
[0018]其中，目前的远程通信系统传输硬件主要以上位机为主，针对较高实时性的需求，大多数传输机制采用基于UDP的机器人控制信息传输协议本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种小型手术机器人的主手控制系统，其特征在于：包括基础建设单元(100)、运动控制单元(200)、视频显示单元(300)、通信连接单元(400)和电源管理单元(500)；所述基础建设单元(100)、所述运动控制单元(200)、所述视频显示单元(300)、所述通信连接单元(400)与所述电源管理单元(500)依次通过网络通信连接；所述基础建设单元(100)用于提供并管理构建主手控制系统的基础设备并控制各设备之间的连接关系；所述运动控制单元(200)用于对主手的运动及通过主手控制从手运动的过程进行管理控制；所述视频显示单元(300)用于对主手端可查看的手术视野视频进行显示管理；所述通信连接单元(400)用于通过多种通信手段来给系统运行提供信号连接和数据传输的通道；所述电源管理单元(500)用于对支撑系统稳定运行的能量源进行智能管理和分配；所述基础建设单元(100)包括主操作台模块(101)、主控制箱模块(102)、3D显示器模块(103)和辅助设备模块(104)；所述运动控制单元(200)包括同步运动模块(201)、比例缩放模块(202)、能量控制模块(203)和器械切换模块(204)；所述视频显示单元(300)包括图像传输模块(301)、图像处理模块(302)、三维展示模块(303)和视频压缩模块(304)；所述通信连接单元(400)包括实时通信模块(401)、远程信号模块(402)、专用网络模块(403)和安全机制模块(404)；所述电源管理单元(500)包括系统电源模块(501)、备用电源模块(502)和断电处理模块(503)；该小型手术机器人的主手控制系统在运行时，首先在手术时，主刀医生坐在医生操作台前，通过3D显示器观看通过三维内窥镜摄像系统采集并传输来的患者腹腔内部的术野内的三维影像，同时双手握住手柄操作医生机械臂，在实时的高速通信技术支撑下，通过比例缩放和能量控制平台，将手部动作同步到控制患者机械臂上的手术器械以执行各种手术动作，并通过远程信号实时确认患者端反馈的信号，另外整个手术过程中，还需辅助医生在患者操作台端进行器械安装与更换等辅助操作；当出现通信中断或电源中断，则系统按照预设程度执行安全处理机制，以保证手术的安全性。2.根据权利要求1所述的小型手术机器人的主手控制系统，其特征在于：所述主操作台模块(101)、所述主控制箱模块(102)、所述3D显示器模块(103)与所述辅助设备模块(104)依次通过网络通信连接；所述主操作台模块(101)用于提供并管理作为手术机器人系统的控制中心的医生操作台，其作为医生端的交互平台，可供主刀医生用双手通过操作两个医生机械臂来控制手术器械和一个三维腹腔镜；所述主控制箱模块(102)用于提供医生操作台远程控制箱来支撑非本地的远程手术，主端远程控制箱在远程手术主操作端与医生操作台连接使用，采集医生操作台各路信号传输给远程患者端，并接收远程患者端的传输信号及三维图像，并传输到医生操作台上；所述3D显示器模块(103)用于通过具有三维显示功能的3D显示器来接收由三维内窥镜摄像系统实时采集的患者体内术野的三维影像；所述辅助设备模块(104)用于对多种可扩展系统功能且能够支撑系统顺畅运行的辅助设备进行连接控制和管理。3.根据权利要求1所述的小型手术机器人的主手控制系统，其特征在于：所述同步运动模块(201)、所述比例缩放模块(202)、所述能量控制模块(203)与所述器械切换模块(204)
依次通过网络通信连接；所述同步运动模块(201)用于通过预先编设的软件程序、低时延的网络及同步运动控制器来实现手术器械末端与外科医生的双手同步运动；所述比例缩放模块(202)用于通过在主手控制系统中增加运动比例缩放功能，将医生操作台机械臂的运动按一定的比例缩小后映射为患者机械臂的运动，最大程度的减小医生手部的自然抖动或无意识的移动，提升微创机器人精细操作的手术质量；所述能量控制模块(203)用于通过远程主操作端预设的控制接口连接电能量平台，以供电刀、超声刀电能量设备连接，可以最大限度将主手能量控制系统集成在一起，并且能够将机器能量指令转化为数字化信息，并搭载远程手术模块，实现网络支持下操作指令同传，以拓展手术机器人的应用场景；所述器械切换模块(204)用于根据不同末端手术器械的使用需求，预先设定各手术器械对应的运动缩放比例，并提供在更换手术器械后进行快速的模式切换的功能。4.根据权利要求3所述的小型手术机器人的主手控制系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛海涛，焦伟，李建民，王炳强，褚光迪，赵文铄，
申请(专利权)人：青岛大学附属医院，
类型：发明
国别省市：