一種消化內鏡輔助介入機器人的控制系統(tǒng)與控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于醫(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。本發(fā)明提出的控制系統(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。

【發(fā)明內容】

[0004]鑒于以上問題，本發(fā)明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]本發(fā)明為實現(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，1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]—種消化內鏡輔助介入機器人的控制方法，包括以下步驟:
[0028]主端控制裝置與底層控制器參數(shù)初始化，設定工作模式:速度控制模式或位置控制模式；
[0029]啟動定時器，讀取手柄信息作為機器人執(zhí)行器的控制命令；
[0030]當設定工作模式為速度控制模式時，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；
[0031]當設定工作模式為位置控制模式時，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；
[0032]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；
[0033]消化內鏡末端三維姿態(tài)變化顯示至人機交互界面；
[0034]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、光電稱合器；
[0035]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。
[0036]所述計算消化內鏡末端三維姿態(tài)的變化包括以下步驟:
[0037]消化內鏡末端三維姿態(tài)是實時更新的，在控制指令發(fā)出的同時，消化內鏡末端的三維姿態(tài)顯示模塊會根據(jù)消化內鏡近遠端對應關系模型計算出內鏡末端的位置與姿態(tài)變化，與當前位姿比較并進行更新。
[0038]所述啟動定時器時，還讀取力反饋裝置返回的阻力與阻力矩信息，執(zhí)行如下操作:
[0039]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；
[0040]力信息經(jīng)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，回復至其上一狀態(tài)，直至阻力或阻力矩恢復至安全范圍內；
[0041]力信息經(jīng)處理后，經(jīng)預設比例放大后，映射至手柄給操作者提供力感知。
[0042]所述啟動定時器時，還讀取腳踏板的信息，根據(jù)腳踏板的狀態(tài)實現(xiàn)工作模式切換與送氣、送水、抽吸功能。
[0043]本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果:
[0044]1.本發(fā)明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；
[0045]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；
[0046]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；
[0047]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。
【附圖說明】
[0048]圖1是控制系統(tǒng)總體框圖；
[0049]圖2是人機界面示意圖；
[0050]圖3是本發(fā)明的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0051]下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0052]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1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；
[0053]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；
[0054]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