一種消化內鏡輔助介入機器人的控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種消化內鏡輔助介入機器人的控制系統(tǒng)，屬于醫(yī)療機器人領域。本實用新型包括主端控制裝置、手柄、腳踏板、底層控制器、電機驅動器、氣壓調節(jié)裝置、光電耦合器、電磁閥、力反饋裝置和限位保護裝置。采用本實用新型提高了消化內鏡輔助介入機器人的安全性。
【專利說明】一種消化內鏡輔助介入機器人的控制系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于醫(yī)療設備【技術領域】，公開了一種消化內鏡輔助介入機器人的控制裝置，用于柔性內鏡介入輔助機器人的控制。
【背景技術】
[0002]據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，全球有70%左右的人患有不同程度的胃腸道疾病。我國有近8000萬的胃腸道疾病患者，且隨著老齡化人口增長、生活節(jié)奏加快、社會應激因素的增加等，胃腸腫瘤、胃腸道出血、胃腸功能紊亂等疾病發(fā)病率增加，社會需求巨大。消化內鏡檢查已成為消化道疾病診斷與治療的常規(guī)手段，具有損傷小、痛苦少、并發(fā)癥少、恢復快等優(yōu)點。國內縣級及以上醫(yī)院98%均已開展消化內鏡檢查，但醫(yī)生的操作和診斷水平存在較大的差異，而且病人數(shù)量遠遠多于所需要的內鏡檢查醫(yī)生；此外，消化道疾病內鏡檢查診治具有高污染的風險特點。醫(yī)生在診斷過程中長期接觸病人的唾液、胃腸液、分泌物及污染的血液等，職業(yè)風險大，致使工作人員成為易受感染和輻射等的高危人群，并且通過醫(yī)護人員可能在患者中廣泛傳播。隨著內鏡下治療項目越來越多，感染性疾病患者的內鏡檢查與治療，內鏡結合X射線等操作增加，受射線照射的機會大為增加。一方面輻射造成全身或局部損害，如致癌、遺傳、造血器官、皮膚等損害；另一方面，開展此類手術需要置鉛屏、穿鉛衣、戴鉛帽、脖套，必要時帶防護鏡，使得醫(yī)護人員的操作環(huán)境昂貴和體力消耗巨大。
[0003]利用機器人的高精度、穩(wěn)定性、靈活性輔助醫(yī)生進行消化內鏡的操作，提高消化內鏡操作的水平、效率和安全性，減輕醫(yī)護人員的人力工作，提高職業(yè)防護水平；緩解患者數(shù)量眾多與訓練有素醫(yī)生嚴重不足的矛盾。本實用新型提出的控制系統(tǒng)與控制方法可以通過機器人輔助醫(yī)生更高精度的完成內鏡介入診斷與治療，并提供力感知，提高操作的安全性。
實用新型內容
[0004]鑒于以上問題，本實用新型提出一種能夠適用于消化內鏡輔助介入機器人的控制系統(tǒng)與控制方法，提高消化內鏡輔助機器人介入操作的安全性。
[0005]本實用新型為實現(xiàn)上述目的所采用的技術方案是:一種消化內鏡輔助介入機器人的控制系統(tǒng)，包括主端控制裝置、手柄、腳踏板、底層控制器、電機驅動器、氣壓調節(jié)裝置、光電耦合器、電磁閥、力反饋裝置和限位保護裝置；
[0006]所述力反饋裝置，用于測量消化內鏡介入時近端遇到的阻力和阻力矩；
[0007]所述氣壓調節(jié)裝置，用于調節(jié)氣路的氣壓，控制執(zhí)行器對消化內鏡的夾持力；
[0008]所述電磁閥，由光電耦合器控制其通斷，用于控制執(zhí)行器夾持機構的充氣與放氣，配合執(zhí)行器驅動機構完成消化內鏡輸送；
[0009]所述底層控制器，用于接收主端控制裝置命令處理后發(fā)送給所述電機驅動器、氣壓調節(jié)裝置、光電耦合器，采樣阻力與阻力矩信息傳送給所述主端控制裝置；
[0010]所述限位保護裝置，用于保護機器人執(zhí)行器與消化內鏡操作部旋鈕不受損壞；
[0011]所述主端控制裝置，與底層控制器雙向連接；[0012]所述底層控制器，第一輸出端連接所述電機驅動器，第二輸出端連接所述氣壓調節(jié)裝置的輸入端，IO輸出端連接所述光電耦合器的輸入端，第一輸入端連接所述力傳感器的輸出端，第二輸入端連接所述扭矩傳感器的輸出端，第三輸入端連接所述限位保護裝置的輸出端；
[0013]所述手柄，連接主端控制裝置，用于控制胃鏡的末端位姿；
[0014]所述腳踏板，連接主端控制裝置，用于切換工作模式與控制送氣、送水、抽吸功能。
[0015]所述力反饋裝置包括安裝在機器人執(zhí)行器端的阻力測量裝置和阻力矩測量裝置。
[0016]所述主端控制裝置包括:
[0017]手柄信息提取與處理模塊，用于提取手柄動作信息，并處理得到機器人運動指令；
[0018]腳踏板信息提取與處理模塊，用于提取腳踏板動作信息，處理得到工作模式以及送氣、送水與抽吸命令；
[0019]力反饋信息處理模塊，用于去除力反饋裝置測量阻力和阻力矩中零偏和重力的干擾，顯示至人機交互界面模塊，并根據(jù)預設比例映射到主端控制手柄；
[0020]人機交互界面模塊，用于工作模式的顯示設定與機器人狀態(tài)的顯示。
[0021]所述人機交互界面模塊包括:
[0022]力信息提示與報警模塊，用于顯示輸送阻力與扭轉阻力矩信息，并在所述阻力與阻力矩超過預設值時啟動圖像或聲音提示報警；
[0023]消化內鏡動態(tài)信息提示模塊，用于提示機器人末端執(zhí)行器的動態(tài)信息，包括對消化內鏡的輸送、旋轉、彎曲以及送氣、送水、抽吸操作；
[0024]消化內鏡末端三維姿態(tài)顯示模塊，用于提示消化內鏡末端的三維姿態(tài)信息，方便操作者進行操作；
[0025]工作模式顯示設定模塊，用于顯示與設定控制模式。
[0026]所述工作模式的修改方式包括人機交互界面修改與腳踏板修改方式。
[0027]本實用新型具有以下優(yōu)點及有益效果:
[0028]1.本實用新型控制消化內鏡輔助機器人的輸送器與操作器實現(xiàn)消化內鏡的前進、后退、旋轉、末端彎曲、送氣、送水功能；
[0029]2.在控制過程中，采集力傳感器與扭矩傳感器的信息，給予主手力反饋；當力信息超出安全閾值時，通過局部自主調節(jié)輸送力至安全范圍；
[0030]3.計算機人機界面顯示消化內鏡狀態(tài)信息、力與扭矩信息并有報警功能；
[0031]4.輔助醫(yī)生完成消化內鏡在人體內的介入操作，降低操作難度，提高操作的安全性，保障醫(yī)護人員的身心健康。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是控制系統(tǒng)總體框圖；
[0033]圖2是人機界面示意圖；
[0034]圖3是本實用新型的流程示意圖。
【具體實施方式】[0035]下面結合附圖及實施例對本實用新型做進一步的詳細說明。
[0036]如圖1所示，一種消化內鏡輔助介入機器人系統(tǒng)，包括主端控制裝置1、手柄2、底層控制器3、電機驅動器4、氣壓調節(jié)裝置5、電磁閥6、力反饋裝置7、限位保護裝置8、腳踏板9和光電耦合器10 ;所述力反饋裝置7包括安裝在機器人執(zhí)行器端的阻力測量裝置701和阻力矩測量裝置702，用于測量消化內鏡介入時近端遇到的阻力和阻力矩，所述氣壓調節(jié)裝置5用于調節(jié)氣路的氣壓，控制執(zhí)行器對消化內鏡的夾持力以及對消化內鏡操作部按鈕的壓力，所述電磁閥6由光電耦合器10控制其通斷，用于控制執(zhí)行器夾持機構的充氣與放氣，配合執(zhí)行器驅動機構完成消化內鏡輸送，所述電磁閥6還用于控制執(zhí)行器按鈕操作機構的運動，完成送氣、送水、抽吸功能，所述底層控制器3用于接收主端控制裝置命令處理后發(fā)送給電機驅動器4、氣壓調節(jié)裝置5、光電耦合器10，采樣阻力與阻力矩信息傳送給主端控制裝置1，所述限位保護裝置用于保護機器人執(zhí)行器與消化內鏡操作部旋鈕不受損壞；所述手柄2與所述主端控制裝置I雙向連接，所述腳踏板9與所述主端控制裝置I雙向連接，所述主端控制裝置I與底層控制器2雙向連接，所述底層控制器3的第一輸出端連接電機驅動器4，所述底層控制器3的第二輸出端連接氣壓調節(jié)裝置5的輸入端，所述底層控制器3的IO輸出端連接光電耦合器106的輸入端，所述底層控制器3的第一輸入端連接所述阻力測量裝置701的輸出端，所述底層控制器3的第二輸入端連接所述阻力矩測量裝置702的輸出端，所述底層控制器3的第三輸入端連接所述限位保護裝置8的輸出端；
[0037]所述主端控制裝置I包括手柄信息提取與處理模塊101、力反饋信息處理模塊102、人機交互界面模塊103、腳踏板信息提取與處理模塊104，所述手柄信息提取與處理模塊101用于提取手柄動作信息，并處理得到機器人運動指令；力反饋信息處理模塊102用于去除力反饋裝置測量阻力和阻力矩中零偏和重力的干擾，顯示至人機交互界面模塊，并根據(jù)預設比例映射到主端控制手柄2 ;所述腳踏板信息提取與處理模塊104用于提取腳踏板信息，并處理得到運動模式切換與送氣、送水、抽吸指令；
[0038]所述人機交互界面模塊103用于工作模式的顯示設定與機器人狀態(tài)的顯示，如圖2所示，所述人機交互模塊103包括力信息提示與報警模塊1031、消化內鏡末端三維姿態(tài)顯示模塊1032、消化內鏡動態(tài)信息顯示模塊1033和工作模式顯示設定模塊1034，所述力信息提示與報警模塊1031包括阻力顯示與阻力矩顯示，以同心圓的方式給予操作者直觀顯示，同心圓的半徑與力信息的大小成正比關系，根據(jù)臨床實驗預設安全與警告兩個閾值，分別對應內圓和外圓，當阻力或阻力矩小于安全閾值時，力信息顯示呈綠色，當阻力或阻力矩在安全閾值與警告閾值之間時，力信息顯示呈黃色，當阻力或阻力矩信息大于警告閾值時，力信息顯示呈紅色，并伴有聲音提示；所述消化內鏡末端三維姿態(tài)顯示模塊1032根據(jù)主端控制裝置發(fā)送的指令計算消化內鏡末端姿態(tài)并使用三維繪圖在人機界面實時顯示；所述消化內鏡動態(tài)信息顯示模塊1033顯示執(zhí)行器操作消化內鏡的各個動作，包括前進、后退、上彎、下彎、左彎、右彎、順時針旋轉、逆時針旋轉、送氣、送水、抽吸，當執(zhí)行器執(zhí)行上述動作之一或更多時，相應的動作會閃爍，提示操作者正在進行的操作；所述工作模式顯示設定模塊1034，用于顯示與設定控制模式。
[0039]本實施例中，底層控制器采用Delta Tau公司的Clipper型多軸運動控制卡。Clipper多軸運動控制卡CPU為80MHz的DSP5603，具有256K*24的用戶SRAM，使用IOOMbps的Ethernet與上位機通訊，主板具有4通道軸接口電路，可擴充至12軸，適用于多軸機器人的控制；其可配置附件支持多路AD采樣與10。
[0040]如圖3所示，一種消化內鏡輔助介入機器人的控制方法，包括以下步驟:
[0041]步驟一，主端控制裝置與底層控制器參數(shù)初始化，設定工作模式，工作模式可在介入操作中根據(jù)要求實時更改；
[0042]步驟二，啟動定時器，在定時響應函數(shù)里有兩類信息需要處理，分別為讀取手柄信息作為機器人執(zhí)行器的控制命令，讀取力反饋裝置返回的阻力與阻力矩信息，讀取腳踏板信息作為模式切換與送氣、送水、抽吸命令；
[0043]步驟三，工作模式選擇；當設定工作模式為速度控制模式時執(zhí)行步驟四，當設定工作模式為位置控制模式時執(zhí)行步驟五；
[0044]步驟四，計算手柄按鍵按下后的位移變化，對位移變化進行比例放大作為執(zhí)行器的運行速度，發(fā)送命令至底層控制器
[0045]步驟五，根據(jù)建立的消化內鏡的近遠端對應關系模型，通過手柄的位置變化進行雅克比反變換計算機器人各關節(jié)變量的變化量，并發(fā)送控制命令至底層控制器；
[0046]步驟六，主端控制裝置通過發(fā)送的控制命令根據(jù)消化內鏡近遠端對應關系模型計算消化內鏡末端三維姿態(tài)的變化；
[0047]步驟七，消化內鏡末端三維姿態(tài)變化顯示至人機交互界面；
[0048]步驟八，底層控制器對主端控制裝置的命令進行轉換，發(fā)送給電機驅動器、氣壓調節(jié)裝置、光電耦合器；
[0049]步驟九，電機驅動器驅動電機按照控制命令運動，氣壓調節(jié)裝置調節(jié)氣路氣壓，光電耦合器通過控制電磁閥通斷控制執(zhí)行器夾持機構配合驅動機構完成鏡體的輸送；
[0050]步驟十，在步驟二中，主端控制裝置定時采集力信息與扭矩信息，處理如步驟十一到步驟十三，與步驟三到九是并行的；
[0051]步驟十一，主端控制裝置力反饋信息處理模塊對采集到得阻力信息與阻力矩信息進行處理，去除零偏與重力干擾；
[0052]步驟十二，力信息經處理后反饋至人機界面顯示，并根據(jù)阻力與阻力矩值的大小進行顯示，當阻力或阻力矩值大于預設警告閾值時，人機界面出現(xiàn)畫面提示并伴隨有聲音提示，此時末端執(zhí)行器具有一定的自主性，通過調節(jié)自身位姿使阻力或阻力矩恢復至安全范圍內；
[0053]步驟十三，力信息經處理后，經預設比例放大后，映射至手柄給操作者提供力感知。
[0054]步驟十四，判斷相應腳踏板是否按下，如按下進行工作模式切換，否則進入步驟十五;
[0055]步驟十五，判斷相應腳踏板是否按下，如按下進行送氣、送水或抽吸操作，否則返回步驟二 ；
[0056]所述消化內鏡的近遠端對應關系模型與雅克比反變換參照論文“0tt，L.，etal.，Robotic Assistance to Flexible Endoscopy by Physiological-Motion Tracking.1EEE Transactions on Robotics, 2011.27 (2):p.346-359.，，。
[0057]以上所述，僅為本實用新型的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，對于熟悉該技術的人員在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形與 改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種消化內鏡輔助介入機器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，包括主端控制裝置、手柄、腳踏板、底層控制器、電機驅動器、氣壓調節(jié)裝置、光電耦合器、電磁閥、力反饋裝置和限位保護裝置； 所述力反饋裝置，用于測量消化內鏡介入時近端遇到的阻力和阻力矩； 所述氣壓調節(jié)裝置，用于調節(jié)氣路的氣壓，控制執(zhí)行器對消化內鏡的夾持力； 所述電磁閥，由光電耦合器控制其通斷，用于控制執(zhí)行器夾持機構的充氣與放氣，配合執(zhí)行器驅動機構完成消化內鏡輸送； 所述底層控制器，用于接收主端控制裝置命令處理后發(fā)送給所述電機驅動器、氣壓調節(jié)裝置、光電耦合器，采樣阻力與阻力矩信息傳送給所述主端控制裝置； 所述限位保護裝置，用于保護機器人執(zhí)行器與消化內鏡操作部旋鈕不受損壞； 所述主端控制裝置，與底層控制器雙向連接； 所述底層控制器，第一輸出端連接所述電機驅動器，第二輸出端連接所述氣壓調節(jié)裝置的輸入端，IO輸出端連接所述光電耦合器的輸入端，第一輸入端連接所述力反饋裝置的輸出端，第二輸入端連接所述主端控制裝置的輸出端，第三輸入端連接所述限位保護裝置的輸出端； 所述手柄，連接主端控制裝置，用于控制胃鏡的末端位姿； 所述腳踏板，連接主端控制裝置，用于切換工作模式與控制送氣、送水、抽吸功能。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種消化內鏡輔助介入機器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述力反饋裝置包括安裝在機器人執(zhí)行器端的阻力測量裝置和阻力矩測量裝置。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種消化內鏡輔助介入機器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述主端控制裝置包括: 手柄信息提取與處理模塊，用于提取手柄動作信息，并處理得到機器人運動指令；腳踏板信息提取與處理模塊，用于提取腳踏板動作信息，處理得到工作模式以及送氣、送水與抽吸命令； 力反饋信息處理模塊，用于去除力反饋裝置測量阻力和阻力矩中零偏和重力的干擾，顯示至人機交互界面模塊，并根據(jù)預設比例映射到主端控制手柄； 人機交互界面模塊，用于工作模式的顯示設定與機器人狀態(tài)的顯示。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種消化內鏡輔助介入機器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述人機交互界面模塊包括: 力信息提示與報警模塊，用于顯示輸送阻力與扭轉阻力矩信息，并在所述阻力與阻力矩超過預設值時啟動圖像或聲音提示報警； 消化內鏡動態(tài)信息提示模塊，用于提示機器人末端執(zhí)行器的動態(tài)信息，包括對消化內鏡的輸送、旋轉、彎曲以及送氣、送水、抽吸操作； 消化內鏡末端三維姿態(tài)顯示模塊，用于提示消化內鏡末端的三維姿態(tài)信息，方便操作者進行操作； 工作模式顯示設定模塊，用于顯示與設定控制模式。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種消化內鏡輔助介入機器人的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述工作模式的修改方式包括人機交互界面設定修改與腳踏板設定修改方式。
【文檔編號】A61B17/94GK203802428SQ201420001790
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年1月2日 優(yōu)先權日:2014年1月2日
【發(fā)明者】周圓圓, 李言民, 劉浩, 韓建平, 楊云生, 李洪誼 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所