專利名稱：具有力感覺的顯微外科手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種顯微外科手術(shù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，特別是一種具有力感覺的顯微外科手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
顯微外科手術(shù)是醫(yī)生在顯微鏡下完成的手術(shù)。由于該類手術(shù)的對(duì)象大都是微小的神經(jīng)和血管，因此該類手術(shù)操作需要高的操作精度和動(dòng)作穩(wěn)定性，這樣就提高了對(duì)醫(yī)生的要求，縮短了醫(yī)生的工作壽命。尤其對(duì)于腦外科的神經(jīng)和血管(直徑小于1mm)進(jìn)行操作時(shí)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類的能力范圍，在這種情況下，迫切需要一種醫(yī)療機(jī)器能夠取代人完成一些復(fù)雜的微操作，如微小血管的縫合、組織剝離、和器官切除等動(dòng)作。
國外比較成熟的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)包括已經(jīng)獲得美國FDA認(rèn)證的達(dá)芬奇系統(tǒng)和Zeus系統(tǒng)，和日本東京大學(xué)通過internet網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程手術(shù)控制系統(tǒng)。但上述系統(tǒng)在手術(shù)過程中，醫(yī)生都只是通過圖像觀察來完成手術(shù)的，不具備力感覺功能。外科手術(shù)過程中，醫(yī)生所操作的對(duì)象都是柔軟的組織和器官，外科大夫手術(shù)時(shí)對(duì)力的感覺要求很高。目前國內(nèi)醫(yī)療機(jī)器人的應(yīng)用大多依靠國外的整機(jī)進(jìn)口，自主研發(fā)的醫(yī)療機(jī)器人，還僅僅能從事對(duì)外科手術(shù)中的體內(nèi)探察、定位、夾線等輔助工作，而不能代替醫(yī)生完成整個(gè)手術(shù)。
傳統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)都是采用專用計(jì)算機(jī)、專用機(jī)器人語言，專用的操作系統(tǒng)，其開放性和通用性比較差。由于工作在主從方式下的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)，除了要求完成簡單的運(yùn)動(dòng)控制功能以外，還要具有圖像采集和顯示、實(shí)時(shí)通訊以及力信息控制等功能，所以傳統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)無法滿足要求。因此，有必要開發(fā)應(yīng)用于顯微外科手術(shù)的具有力感覺的顯微外科手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是，提供一種具有力感覺的顯微外科手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作于主從方式，能夠代替主刀醫(yī)生完成切開、剝離、縫合和打結(jié)等基本動(dòng)作。
為了實(shí)現(xiàn)上述所要解決的技術(shù)問題，本發(fā)明的具有力感覺的顯微外科手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括操作級(jí)、控制策略級(jí)和執(zhí)行級(jí)，所述的操作級(jí)由上層管理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)和主手操作系統(tǒng)組成，用于監(jiān)控和管理系統(tǒng)信息，記錄工作域圖像顯示以及醫(yī)生操作信息；所述的控制策略級(jí)包括主從手位姿映射模塊、驅(qū)動(dòng)算法模塊、主手通訊模塊和圖像采集與顯示模塊，用于完成主從手之間運(yùn)動(dòng)和力映射的計(jì)算；所述的執(zhí)行級(jí)是由運(yùn)動(dòng)控制單元、交流伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)及光碼盤組成的，用于完成主操作手運(yùn)動(dòng)信號(hào)和附加開關(guān)信號(hào)的輸入，驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的輸出到從操作手以及實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作。
所述的主手操作系統(tǒng)是梵特姆(采用音譯，原文為Phantom Desktop)觸感裝置。
所述的運(yùn)動(dòng)控制單元包括位置閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制單元和姿態(tài)開環(huán)運(yùn)動(dòng)控制單元；所述的位置閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制單元是伺服控制系統(tǒng)，由PCI-7344運(yùn)動(dòng)控制卡、交流電機(jī)、光碼盤和交流驅(qū)動(dòng)器組成，用于實(shí)現(xiàn)從手操作器中位置的驅(qū)動(dòng)；所述的姿態(tài)開環(huán)運(yùn)動(dòng)控制單元的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是步進(jìn)電機(jī)和PCI-7764運(yùn)動(dòng)控制卡，采用開環(huán)控制方式。
所述的圖像采集與顯示模塊包括手術(shù)顯微鏡、顯示器、2個(gè)圖像采集卡和3臺(tái)CCD攝像機(jī)，第一臺(tái)CCD攝像機(jī)設(shè)置在手術(shù)顯微鏡附加的弧形導(dǎo)軌上，用于實(shí)現(xiàn)全局視場的圖像采集與顯示功能；第二臺(tái)和第三臺(tái)CCD攝像機(jī)用于實(shí)現(xiàn)手術(shù)局部視場的圖像采集與顯示功能，第二臺(tái)攝像機(jī)與手術(shù)顯微鏡的輸出光路相連，直接對(duì)顯微手術(shù)微操作區(qū)域進(jìn)行攝像，第三臺(tái)設(shè)置在主體顯微鏡的附加弧形導(dǎo)軌上，與主體顯微鏡成一定就角度，并在CCD攝像機(jī)前端安裝倍數(shù)為6.5倍的放大鏡。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果(一)本發(fā)明能夠代替主刀醫(yī)生完成切開、剝離、縫合和打結(jié)等基本動(dòng)作；(二)本發(fā)明除具有三維圖像信息以外，還增加了力反饋的功能，使醫(yī)生能夠更加真實(shí)的感知病人情況，從而大大的提高了手術(shù)的安全性和成功率；(三)開放性、標(biāo)準(zhǔn)化軟件系統(tǒng)與模塊化的硬件結(jié)構(gòu)，突破傳統(tǒng)機(jī)器人軟硬件捆綁關(guān)系，適合醫(yī)療機(jī)器人控制系統(tǒng)的需要；(四)本發(fā)明的控制系統(tǒng)具有運(yùn)動(dòng)控制、圖像采集與顯示和數(shù)據(jù)的高速傳輸?shù)榷喾N功能；(五)本發(fā)明的多種控制模式的實(shí)時(shí)切換，方便了醫(yī)生在進(jìn)行長時(shí)間大型手術(shù)的休息，大大減輕了醫(yī)生手術(shù)時(shí)的疲勞；(六)本發(fā)明采用了模塊化的設(shè)計(jì)方式，控制系統(tǒng)能擴(kuò)展出各種功能模塊，以滿足外科醫(yī)療手術(shù)不斷發(fā)展的要求。


圖1是本發(fā)明控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方框圖；圖2是本發(fā)明位置閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制單元的方框圖；圖3是本發(fā)明姿態(tài)開環(huán)控制原理方框圖；圖4是本發(fā)明圖像采集與顯示系統(tǒng)；圖5是本發(fā)明控制系統(tǒng)軟件主界面；圖6是本發(fā)明主從異構(gòu)控制方案方框圖；圖7是本發(fā)明主從手?jǐn)?shù)據(jù)流程圖；圖8是本發(fā)明Phantom Desktop與Labview通訊程序；圖9是本發(fā)明關(guān)節(jié)空間示意圖；圖10是本發(fā)明是單關(guān)節(jié)控制板上數(shù)據(jù)流程圖。
具體實(shí)施例方式
妙手(原文MicroHand)機(jī)器人的控制系統(tǒng)是基于PC機(jī)的開放式系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用Windows豐富的軟件資源和PC機(jī)的多種通訊接口，具有移植性強(qiáng)、柔性大等特點(diǎn)。如圖1是本發(fā)明控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方框圖本發(fā)明控制系統(tǒng)包括三層級(jí)，分別是操作級(jí)、控制策略級(jí)和執(zhí)行級(jí)。操作級(jí)是控制系統(tǒng)的最上層，由上層管理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(高性能PC機(jī))和主手操作系統(tǒng)(Phantom)組成，承擔(dān)系統(tǒng)信息的監(jiān)控與管理，工作域圖像顯示以及醫(yī)生操作信息的記錄等工作；控制策略級(jí)主要包括主從手位姿映射模塊、驅(qū)動(dòng)算法模塊和主手通訊模塊，用來完成主從手之間運(yùn)動(dòng)和力映射的計(jì)算，是控制系統(tǒng)的核心部分；執(zhí)行級(jí)是由高性能的運(yùn)動(dòng)控制單元、交流伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)及光碼盤組成的，主要完成信號(hào)的輸入(主操作手運(yùn)動(dòng)信號(hào)、附加開關(guān)信號(hào))，驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的輸出(輸出到從操作手)以及實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作的功能。
本發(fā)明控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)1、具有三維力感覺的Phantom Desktop主手操作系統(tǒng)本發(fā)明的主手操作系統(tǒng)采用美國Sensable公司生產(chǎn)的Phantom desktop，它是一個(gè)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域中的產(chǎn)品，該系統(tǒng)具有6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，每個(gè)關(guān)節(jié)上裝有碼盤可以記錄各關(guān)節(jié)的角度值，同時(shí)該系統(tǒng)還有三個(gè)力矩電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)三維力重構(gòu)。
2、位置閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制單元從手操作器中位置的驅(qū)動(dòng)是由松下交流電機(jī)來完成。為滿足醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)精確位置控制，我們采用了伺服控制系統(tǒng)的該系統(tǒng)的組成包括1)PCI運(yùn)動(dòng)控制卡及其附件，2)松下交流電機(jī)及光碼盤，3)松下交流驅(qū)動(dòng)器。
位置閉環(huán)的運(yùn)動(dòng)控制單元采用的是三閉環(huán)控制方式，如圖2所示。其反饋控制系統(tǒng)(即加速度閉環(huán)，速度閉環(huán)，位置閉環(huán))中，速度和加速度閉環(huán)是在交流電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間實(shí)現(xiàn)的，而為了使伺服閉環(huán)具有良好的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)剛度，將位置閉環(huán)移到控制器上，這樣可以通過調(diào)節(jié)位置閉環(huán)的PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定、精確的位置控制。
3、姿態(tài)開環(huán)運(yùn)動(dòng)控制單元由于外科手術(shù)中，對(duì)于姿態(tài)的控制不同于位置控制需要較高的精確度，其主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)是靈活性，所以姿態(tài)運(yùn)動(dòng)控制單元執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是步進(jìn)電機(jī)，采用開環(huán)控制方式。該種結(jié)構(gòu)控制簡單，其步進(jìn)電機(jī)通過控制器發(fā)出的數(shù)字脈沖來運(yùn)動(dòng)，數(shù)字脈沖的個(gè)數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)的角位移，脈沖的頻率控制電機(jī)速度；平穩(wěn)運(yùn)行由于沒有伺服系統(tǒng)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，所以不會(huì)出現(xiàn)因參數(shù)不當(dāng)而產(chǎn)生的振動(dòng)；結(jié)構(gòu)簡單，由于采用開環(huán)控制方式，所以沒有碼盤或電位器等機(jī)構(gòu)，這樣既減輕了重量又減少了體積，比較適合應(yīng)用在剛性不是很大的機(jī)器人上；有利于全數(shù)字式控制系統(tǒng)的開發(fā)。姿態(tài)運(yùn)動(dòng)控制單元主要包括以下硬件1)PCI運(yùn)動(dòng)控制卡及其附件，2)步進(jìn)電機(jī)，3)直流電源，其結(jié)構(gòu)如圖3。
4、圖像采集與顯示模塊圖像采集與顯示系統(tǒng)主要包括以下硬件手術(shù)顯微鏡，圖像采集卡，CCD攝像機(jī)以及顯示器。圖像采集部件接收由多路CCD攝像機(jī)傳輸來的圖像信息，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，通過PC機(jī)實(shí)時(shí)地顯示在屏幕上，多路圖像信號(hào)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)切換。圖像采集與顯示系統(tǒng)由2塊PCI圖像采集卡以及三臺(tái)CCD攝像機(jī)組成，其中，一臺(tái)CCD攝像機(jī)安裝在手術(shù)顯微鏡附加的弧形導(dǎo)軌上，實(shí)現(xiàn)全局視場的圖像采集與顯示功能；另外兩臺(tái)CCD攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)手術(shù)局部視場(顯微圖像視場)的圖像采集與顯示功能，其中一臺(tái)攝像機(jī)與手術(shù)顯微鏡的輸出光路相連，直接對(duì)顯微手術(shù)微操作區(qū)域進(jìn)行攝像，另外一臺(tái)安裝在主體顯微鏡的附加弧形導(dǎo)軌上，與主體顯微鏡成一定就角度，并在CCD攝像機(jī)前端安裝倍數(shù)為6.5倍的放大鏡。這樣，通過兩個(gè)成一定角度的CCD攝像機(jī)來獲取工作區(qū)域下物體的立體信息。
本發(fā)明控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)1、軟件系統(tǒng)的主界面控制系統(tǒng)軟件主界面如圖5，右側(cè)為控制按鈕區(qū)，點(diǎn)擊按鈕可分別調(diào)用不同的功能模塊。其主要包括1)Phantom初始化；2)從手初始化；3)電機(jī)開；4)圖像顯示程序；5)單步運(yùn)行模式；6)程序關(guān)。主界面的主從映射關(guān)系區(qū)包括兩部分，其中右面提供了主從映射的信息，便于用戶實(shí)時(shí)的查看系統(tǒng)的工作情況；左面部分的第一列是用來初始化主操作，第二列表示主手的六個(gè)碼盤值的當(dāng)前值。從手運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模塊是用來監(jiān)控從手運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的。通過LED型的顯示燈可以判斷從手所處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
2、主從操作手映射模塊主手操作器采用Sensable公司的Phantom Desktop裝置，從手則是根據(jù)顯微手術(shù)的要求設(shè)計(jì)開發(fā)的，這導(dǎo)致主從操作器的“異構(gòu)”問題。為了解決此問題，首先，分別建立主從手的數(shù)學(xué)模型，然后，根據(jù)主從手廣義坐標(biāo)系下位姿相等的條件，建立主從之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)主從對(duì)應(yīng)控制的目的，如圖6所示。
3、從手運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解與線性化主從操作器的“異構(gòu)”問題的出現(xiàn)，使主從手對(duì)應(yīng)關(guān)系復(fù)雜化，大大的增加了控制算法的計(jì)算量，延長了主從手響應(yīng)時(shí)間。尤其在從手運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解過程中還會(huì)有許多超越函數(shù)和奇異值的出現(xiàn)，嚴(yán)重的影響了系統(tǒng)的安全性。本發(fā)明采用主從手之間微變化對(duì)應(yīng)相等的關(guān)系，將復(fù)雜的從手逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型線性化，從而大大的減少了計(jì)算量，提高了計(jì)算速度。該方法從根本上避免了奇異解，提高了系統(tǒng)的安全性。圖7是本發(fā)明主從手?jǐn)?shù)據(jù)流程圖。
4、主手操作器通訊及力反饋模塊Phantom系統(tǒng)主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中。為使其應(yīng)用于本系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行了二次開發(fā)，直接對(duì)Phantom的底層力矩電機(jī)和光碼盤進(jìn)行控制和測量，使其應(yīng)用于控制真實(shí)機(jī)器人和實(shí)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境的觸覺感知。程序結(jié)果如圖8所示。
Phantom的力反饋功能的實(shí)現(xiàn)，首先，通過六維力傳感器Mini40檢測出其所在位置的力；其次，通過傳感器至末端工具操作點(diǎn)的力平衡模型，可以換算出末端點(diǎn)的作用力；然后，將該作用力映射于Phantom Desktop工作點(diǎn)；最后，通過Phantom Desktop結(jié)構(gòu)的力平衡計(jì)算并乘以加權(quán)因子獲得各關(guān)節(jié)力矩值，從而使操作者具有力感覺。
5、從操作手驅(qū)動(dòng)控制模塊MicroHand的異構(gòu)主從控制方式有別于主從同構(gòu)機(jī)器人的控制，其從手運(yùn)動(dòng)的軌跡來自于由人操作的主手，其運(yùn)動(dòng)的形式不可能是規(guī)則的直線、圓弧、拋物線等，這樣在運(yùn)動(dòng)控制方面就不能用通常的方法對(duì)從手運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行各種通常的軌跡插補(bǔ)算法。所以在這里采用“關(guān)節(jié)空間法”對(duì)機(jī)器人進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，即不在機(jī)器人的直角坐標(biāo)系下描述兩點(diǎn)之間的位姿變化，而是通過機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解求出位置點(diǎn)的各個(gè)關(guān)節(jié)變化量，再將關(guān)節(jié)的變化量進(jìn)行三次樣條插值算法，從而達(dá)到軌跡平滑控制的目的，由于關(guān)節(jié)空間和直角坐標(biāo)系之間并不是連續(xù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因而這種插值算法不會(huì)發(fā)生奇異值的問題。實(shí)驗(yàn)證明這種控制方法是可行的。圖9是定義的關(guān)節(jié)空間示意圖。將運(yùn)動(dòng)控制卡上的三個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)控制通道定義成為一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量空間，在這個(gè)空間里，三個(gè)軸之間可以實(shí)現(xiàn)同步起停、實(shí)時(shí)通訊、協(xié)調(diào)動(dòng)作等功能。
由于MicroHand的主從通訊模塊架構(gòu)在windows操作系統(tǒng)下的軟件層，所以穩(wěn)定運(yùn)行條件下，通訊最高頻率為100Hz，即對(duì)主手每隔10ms采樣一次，而位置伺服系統(tǒng)是由板載硬件實(shí)現(xiàn)，其速度最快可以達(dá)到每一個(gè)PID循環(huán)時(shí)間在62.5μs，所以信號(hào)輸出控制電機(jī)之前，還要通過板載硬件模塊的插值運(yùn)算來平滑模擬信號(hào)。其數(shù)據(jù)流程如圖10。
從操作手控制與通訊模塊基于Labview軟件環(huán)境開發(fā)。其主要功能為從主從操作手空間映射模塊實(shí)時(shí)獲得從操作手各關(guān)節(jié)控制量，在運(yùn)動(dòng)控制器中開辟緩存空間，將各關(guān)節(jié)控制量成批按矢量空間方式寫入緩存，上位機(jī)從控制器緩存中按先后順序獲得驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制量，并按三次樣條插補(bǔ)的形式計(jì)算出電機(jī)運(yùn)動(dòng)的角度變化量以及速度和加速度值，將這些運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(下位機(jī))驅(qū)動(dòng)電機(jī)按要求平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主從操作控制。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、開放性、標(biāo)準(zhǔn)化軟件系統(tǒng)與模塊化的硬件結(jié)構(gòu)，突破傳統(tǒng)機(jī)器人軟硬件捆綁關(guān)系，適合醫(yī)療機(jī)器人控制系統(tǒng)的需要；2、控制系統(tǒng)具有運(yùn)動(dòng)控制、圖像采集與顯示和數(shù)據(jù)的高速傳輸?shù)榷喾N功能；3、多種控制模式的實(shí)時(shí)切換，方便了醫(yī)生在進(jìn)行長時(shí)間大型手術(shù)的休息，大大減輕了醫(yī)生手術(shù)時(shí)的疲勞；4、采用了模塊化的設(shè)計(jì)方式，控制系統(tǒng)擴(kuò)展出各種功能模塊，以滿足外科醫(yī)療手術(shù)不斷發(fā)展的要求。
權(quán)利要求
1.一種具有力感覺的顯微外科手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征是，它包括操作級(jí)、控制策略級(jí)和執(zhí)行級(jí)，所述的操作級(jí)由上層管理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)和主手操作系統(tǒng)組成，用于監(jiān)控和管理系統(tǒng)信息，記錄工作域圖像顯示以及醫(yī)生操作信息；所述的控制策略級(jí)包括主從手位姿映射模塊、驅(qū)動(dòng)算法模塊、主手通訊模塊和圖像采集與顯示模塊，用于完成主從手之間運(yùn)動(dòng)和力映射的計(jì)算；所述的執(zhí)行級(jí)是由運(yùn)動(dòng)控制單元、交流伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)及光碼盤組成的，用于完成主操作手運(yùn)動(dòng)信號(hào)和附加開關(guān)信號(hào)的輸入，驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的輸出到從操作手以及實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有力感覺的顯微外科手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征是，所述的主手操作系統(tǒng)是梵特姆觸感裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有力感覺的顯微外科手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征是，所述的運(yùn)動(dòng)控制單元包括位置閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制單元和姿態(tài)開環(huán)運(yùn)動(dòng)控制單元；所述的位置閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制單元為伺服控制系統(tǒng)，由PCI-7344運(yùn)動(dòng)控制卡、交流電機(jī)、光碼盤和交流驅(qū)動(dòng)器組成，用于實(shí)現(xiàn)從手操作器中位置的驅(qū)動(dòng)；所述的姿態(tài)開環(huán)運(yùn)動(dòng)控制單元的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)和PCI-7764運(yùn)動(dòng)控制卡組成，采用開環(huán)控制方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有力感覺的顯微外科手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征是，所述的圖像采集與顯示模塊包括手術(shù)顯微鏡、顯示器、2個(gè)圖像采集卡和3臺(tái)CCD攝像機(jī)，第一臺(tái)CCD攝像機(jī)設(shè)置在手術(shù)顯微鏡附加的弧形導(dǎo)軌上，用于實(shí)現(xiàn)全局視場的圖像采集與顯示功能；第二臺(tái)和第三臺(tái)CCD攝像機(jī)用于實(shí)現(xiàn)手術(shù)局部視場的圖像采集與顯示功能，可提供手術(shù)對(duì)象的立體信息，第二臺(tái)攝像機(jī)與手術(shù)顯微鏡的輸出光路相連，直接對(duì)顯微手術(shù)微操作區(qū)域進(jìn)行攝像，第三臺(tái)設(shè)置在主體顯微鏡的附加弧形導(dǎo)軌上，與主體顯微鏡成一定就角度，并在CCD攝像機(jī)前端安裝倍數(shù)為6.5倍的放大鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有力感覺的顯微外科手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括操作級(jí)、控制策略級(jí)和執(zhí)行級(jí)，操作級(jí)由上層管理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)和主手操作系統(tǒng)組成，用于監(jiān)控和管理系統(tǒng)信息，記錄工作域圖像顯示以及醫(yī)生操作信息；控制策略級(jí)包括主從手位姿映射模塊、驅(qū)動(dòng)算法模塊、主手通訊模塊和圖像采集與顯示模塊，用于完成主從手之間運(yùn)動(dòng)和力映射的計(jì)算；執(zhí)行級(jí)是由運(yùn)動(dòng)控制單元、交流伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)及光碼盤組成，用于完成主操作手運(yùn)動(dòng)信號(hào)和附加開關(guān)信號(hào)的輸入，驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的輸出到從操作手以及實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作。本發(fā)明能夠代替主刀醫(yī)生完成手術(shù)基本動(dòng)作，增加了力反饋的功能，使醫(yī)生能夠更加真實(shí)的感知病人情況，開放性、標(biāo)準(zhǔn)化軟件系統(tǒng)與模塊化的硬件結(jié)構(gòu)，突破傳統(tǒng)機(jī)器人軟硬件捆綁關(guān)系。
文檔編號(hào)B25J13/08GK1669532SQ200510016290
公開日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2005年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月11日
發(fā)明者王樹新, 丁杰男, 贠今天, 張建勛, 李群智 申請(qǐng)人:天津大學(xué)