一种玻璃体视网膜手术机器人系统、控制方法及终端技术方案

本发明专利技术提供一种玻璃体视网膜手术机器人系统、控制方法及终端，包括：第一机械臂，所述第一机械臂包含至少一个自由度；第二机械臂，所述第一机械臂与第二机械臂连接，所述第二机械臂包含若干个自由度；基于所述第一机械臂和第二机械臂，实现所述机器人系统各个自由度解耦并控制手术器械在设定的虚拟不动点处进行运动。本发明专利技术可实现在虚拟远程运动中心(RCM点)处进行四个自由度的运动，避免医生在术中对巩膜切口可能造成的撕扯以及其他不安全运动；实现了二自由度运动的末端执行器，可以实现绕器械自身轴线的自转和沿器械轴线的进给/退出运动；实现了位置信息和力信息的传感，从而为医生提供精确导航，感知器械深度和器械与眼组织接触力的大小。眼组织接触力的大小。眼组织接触力的大小。

【技术实现步骤摘要】
一种玻璃体视网膜手术机器人系统、控制方法及终端


[0001]本专利技术涉及一种主从式机器人系统，具体地，涉及一种玻璃体视网膜手术机器人系统、控制方法及终端。

技术介绍

[0002]微创玻璃体视网膜手术系统(Micro Incision Vitrectomy System,MIVS)是近十年来治疗眼底视网膜疾病的主要手术方式。新术式的出现降低了手术并发症，改善了手术治疗效果，却对术者操作的精细度、稳定性以及触觉反馈感知力均有非常高的要求，学习曲线长，稍有不慎易导致视网膜医源性损伤，造成视功能不可逆下降，因而严重制约了高水平手术医生培养以及手术效率，造成有限的术者与庞大的患者群体之间的供需矛盾。
[0003]申请号为“CN201811532198.2”的中国专利技术专利提出了一种二自由度末端执行器，虽实现了二自由度的运动，但此种结构设计不够紧凑，增加了执行器整体的长度，且其缺乏机器人系统的设计与控制系统的描述。
[0004]另外，申请号为“CN201811487948.9”的中国专利技术专利提出了一种眼科显微手术辅助机器人，其采用双平行四杆构型的结构实现了不动点功能，但其末端执行器只能实现进给运动，不能实现器械的自转运动，且未实现运动缩放、稳手与眼内运动约束算法于一体的安全控制策略。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种玻璃体视网膜手术机器人系统、控制方法及终端。
[0006]根据本专利技术的一个方面，提供一种玻璃体视网膜手术机器人系统，包括：
[0007]第一机械臂，所述第一机械臂包含至少一个自由度；
[0008]第二机械臂，所述第一机械臂与第二机械臂连接，所述第二机械臂包含若干个自由度；
[0009]基于所述第一机械臂和第二机械臂，实现所述机器人系统各个自由度解耦并控制手术器械在设定的虚拟不动点处进行运动。
[0010]优选地，所述第二机械臂包括：
[0011]底座，所述底座的一端与所述第一机械臂连接；
[0012]直线驱动机构，所述直线驱动机构设置于所述底座内；
[0013]杆件机构，所述杆件机构与所述直线驱动机构连接；
[0014]末端执行器，所述末端执行器设置于所述杆件机构的末端，所述直线驱动机构驱动所述杆件机构，带动所述末端执行器运作。
[0015]优选地，所述直线驱动机构，包括：
[0016]电机，所述电机为驱动源；
[0017]电机固定件，所述电机固定件固定于所述底座，所述电机固定件固定所述电机；
[0018]丝杠固定件，所述丝杠固定件固定于所述底座；
[0019]丝杆，所述丝杆的一端与所述电机加工为一体，一端由所述丝杠固定件固定；
[0020]滑台，所属滑台套于所述丝杠；
[0021]导轨，所述导轨位于所述丝杆下方，与所述滑台连接。
[0022]优选地，所述杆件机构设计为前后一体形式，包括：
[0023]驱动杆，驱动杆与所述滑台铰接；
[0024]双平行四杆，所述双平行四杆铰接呈W型，其一端铰接于所述底座处，中端与所述驱动杆铰接，另一端夹持所述末端执行器。
[0025]优选地，所述末端执行器，包括：
[0026]支架，所述支架与所述杆件机构连接；
[0027]第一电机，所述第一电机固定于所述支架内，控制手术器械绕自身轴线进行旋转；
[0028]第二电机，所述第二电机固定于所述支架顶部，控制所述手术器械进给或退出运动。
[0029]优选地，所述末端执行器设有精度机构，所述精度机构包括FBG和OCT光纤，分别用来感知所述手术器械与眼组织的接触力和手术器械尖端的深度信息。
[0030]根据本专利技术的第二个方面，提供一种所述的玻璃体视网膜手术机器人操控方法，包括：
[0031]通过软件界面与玻璃体视网膜手术机器人系统进行交互，输入指令并得到第一机械臂和第二机械臂，即从手的视觉和位置的信息反馈；
[0032]依据所述输入指令完成机械臂初始化和虚拟不动点定位；
[0033]选择操作模式；
[0034]后台根据选择的操作模式控制机器人完成相应的操控。
[0035]优选地，所述操作模式，包括：
[0036]半自主模式，所述软件界面中所有直接对应从手运动的操作按钮均为半自主运动模式；当选择半自主操作模式时，主手运动将被屏蔽，从手运动由软件界面的操作按钮直接对从手机械臂进行控制；
[0037]主从模式，从手与主手间的运动遵循映射关系；其中，所述映射关系包括：
[0038]主手获取运动增量；
[0039]所述运动增量经滤波、运动缩放后得到从手运动变量；
[0040]将通过操作空间的运动约束方法对所述从手运动变量进行安全处理；
[0041]安全处理后的从手运动变量通过逆运动学计算得到最终的各电机运动增量。
[0042]优选地，通过主手反馈的实时位置信号，得到运动增量X
i
；
[0043]运动增量X
i
通过滤波处理，处理后的运动增量信号为ΔP
m
；
[0044]将所述运动增量信号ΔP
m
经过运动缩放方法进行倍缩，经运动缩放δ得到的从手运动变量X
d
表示为X
d
＝δΔP
m
，0<δ<1，即从手末端执行器的最终预期运动ΔP
e
；
[0045]将最终预期运动ΔP
e
经过运动约束方法处理后，通过逆运动学计算最终的各电机运动增量。
[0046]根据本专利技术的第三个方面，提供一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时执行上述的玻璃体视网膜
手术机器人操控方法。
[0047]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0048]本专利技术实施例中的玻璃体视网膜手术机器人系统，可实现绕虚拟远程运动中心(RCM点)四个自由度的运动，从而避免医生在术中对巩膜切口可能造成的撕扯以及其他不安全运动。
[0049]本专利技术实施例中的玻璃体视网膜手术机器人系统，实现了二自由度运动(自转运动和进给/退出运动)的末端执行器，可以实现绕器械自身轴线的自转和沿器械轴线的进给/退出运动。
[0050]本专利技术实施例中的玻璃体视网膜手术机器人系统，实现了位置信息和力信息的传感，从而为医生提供精确导航，感知器械深度和器械与眼组织接触力的大小。
[0051]本专利技术实施例中的玻璃体视网膜手术机器人控制方法，构建了主从式控制系统，医生在机械臂的辅助下手术时常会因为末端抖动而导致手术不稳定，本专利技术实施例整合了运动缩放和滤波方法，可以实现从手相对于主手的运动缩小，并实现手术稳定，从而提高手术操作精度，降低对医生操作输入的要求。
附图说明
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种玻璃体视网膜手术机器人系统，其特征在于，包括：第一机械臂，所述第一机械臂包含至少一个自由度；第二机械臂，所述第一机械臂与第二机械臂连接，所述第二机械臂包含若干个自由度；基于所述第一机械臂和第二机械臂，实现所述机器人系统各个自由度解耦并控制手术器械在设定的虚拟不动点处进行运动。2.根据权利要求1所述的一种玻璃体视网膜手术机器人系统，其特征在于，所述第二机械臂包括：底座，所述底座的一端与所述第一机械臂连接；直线驱动机构，所述直线驱动机构设置于所述底座内；杆件机构，所述杆件机构与所述直线驱动机构连接；末端执行器，所述末端执行器设置于所述杆件机构的末端，所述直线驱动机构驱动所述杆件机构，带动所述末端执行器运作。3.根据权利要求2所述的一种玻璃体视网膜手术机器人系统，其特征在于，所述直线驱动机构，包括：电机，所述电机为驱动源；电机固定件，所述电机固定件固定于所述底座，所述电机固定件固定所述电机；丝杠固定件，所述丝杠固定件固定于所述底座；丝杆，所述丝杆的一端与所述电机加工为一体，一端由所述丝杠固定件固定；滑台，所属滑台套于所述丝杠；导轨，所述导轨位于所述丝杆下方，与所述滑台连接。4.根据权利要求3所述的玻璃体视网膜手术机器人系统，其特征在于，所述杆件机构设计为前后一体形式，包括：驱动杆，驱动杆与所述滑台铰接；双平行四杆，所述双平行四杆铰接呈W型，其一端铰接于所述底座处，中端与所述驱动杆铰接，另一端夹持所述末端执行器。5.根据权利要求2所述的玻璃体视网膜手术机器人系统，其特征在于，所述末端执行器，包括：支架，所述支架与所述杆件机构连接；第一电机，所述第一电机固定于所述支架内，控制手术器械绕自身轴线进行旋转；第二电机，所述第二电机固定于所述支架顶部，控制所述手术器械进给或退出运动。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述的玻璃体视网膜手术机器人系统，其特征在于，所述末端执行器设有精度机构，所述精度机构包括FBG光纤和OCT光纤，分别用来感知所述手术器械与眼组织的接触力和手术器械尖端的深度信息。7.一种玻璃体视网膜手术机器人...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢叻，代倩琳，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：