CN113116528B - 一种腹腔镜手术机器人的滑台运动控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及手术机器人技术领域，具体而言，涉及一种腹腔镜手术机器人的滑台运动控制方法及装置。包括：确定滑台在机械臂上的运动控制区；获取施加于滑台的作用力并确定滑台的当前速度；获取运动控制区内的最高限速，将当前速度和最高限速进行对比，当当前速度大于最高限速时，则将最高限速设置为输出速度，当当前速度小于最高限速时，则将当前速度设置为输出速度；将输出速度发送给电机，并控制电机驱动滑台运动。滑台由起始位置运动到目标位置的过程为变速运动，滑台运动到目标位置时通过控制作用力的大小控制滑台的输出速度为零，由此可以保证医生使用手术器械进行手术操作的稳定性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及手术机器人技术领域，具体而言，涉及一种腹腔镜手术机器人的滑台运动控制方法及装置。
背景技术
随着腹腔镜技术和手术机器人的发展，腹腔镜手术应用范围不断扩大，需精细操作且时间较长的手术不断出现。手术机器人可部分取代枯燥、重复、劳累的操作，利用机器人系统图像的稳定性和精细的手术器械，可完成小管道吻合等传统腹腔镜手术中难度较大的操作。在高难度手术中，医生需要频繁切换手术器械以完成切割、分离、剥离、缝合及打结等手术操作，同时手术器械设置在滑台上，因此手术机器人机械臂上的滑台如何能够准确、稳定且安全地将手术器械带动到目标位置，对整个手术的成功率有着较大影响。
目前大多数腹腔镜手术机器人的滑台运动控制方法只是单纯依靠人手，大大降低了手术器械运动到目标位置的准确性。
发明内容
本发明解决的问题是如何提升手术器械运动到目标位置的准确性。
为解决上述问题，本发明提供一种腹腔镜手术机器人的滑台运动控制方法，包括：
确定滑台在机械臂上的运动控制区；
获取施加于所述滑台的作用力并确定所述滑台的当前速度；
获取所述运动控制区内的最高限速，将所述当前速度和所述最高限速进行对比，当所述当前速度大于所述最高限速时，则将所述最高限速设置为输出速度，当所述当前速度小于所述最高限速时，则将所述当前速度设置为所述输出速度；
将所述输出速度发送给电机，并控制所述电机驱动所述滑台运动。
可选地，所述确定滑台在机械臂上的运动控制区包括：
获得电机码盘值并根据所述电机码盘值获得所述滑台在所述机械臂上的位置数值，并检测控制按键中的压力以确定所述滑台的运动方向；
根据所述滑台的位置数值和所述滑台的运动方向确定所述滑台在所述机械臂上的所述运动控制区。
可选地，所述检测控制按键中的压力以确定所述滑台的运动方向包括：当检测所述控制按键中的上按键受到压力时，则确定所述滑台朝所述机械臂的上端运动，当检测到所述控制按键中的下按键受到压力时，则确定所述滑台朝所述机械臂的下端运动。
可选地，所述获取施加于所述滑台的作用力并确定所述滑台的当前速度包括：
检测所述控制按键中前一时刻和后一时刻的所述压力，并将所述前一时刻和所述后一时刻的所述压力分别转化为所述前一时刻和所述后一时刻的所述作用力；
根据所述前一时刻和所述后一时刻的所述作用力获得所述滑台的加速度，根据所述加速度获得所述滑台的所述当前速度。
可选地，所述压力的大小与所述作用力的大小成正比。
可选地，不同所述运动控制区内所述加速度的变化率不同。
可选地，当所述滑台朝所述机械臂的一端运动时，所述运动控制区设置为A区、B区，当所述滑台朝所述机械臂的另一端运动时，所述运动控制区设置为C区、D区，所述A区和所述C区内所述加速度与所述作用力的计算关系式均设置为F＝ma，所述B区和所述D区内所述加速度与所述作用力的计算关系式均设置为F＝ma+cv，a为所述滑台的加速度，F为所述作用力，m为所述滑台的质量，v为所述滑台的实时速度，c为系数。
可选地，当检测到所述滑台以所述输出速度运动将撞击所述机械臂时，控制所述电机驱动所述滑台进行做减速运动。
可选地，所述A区和所述C区的最高限速均为50mm/s，所述B区和所述D区的最高限速均为10mm/s。
本发明还提供了一种腹腔镜手术机器人的滑台运动控制装置，包括：
选择模块，确定滑台在机械臂上的运动控制区；
计算模块，获取施加于所述滑台的作用力并确定所述滑台的当前速度；
筛选模块，获取所述运动控制区内的最高限速，将所述当前速度和所述最高限速进行对比，当所述当前速度大于所述最高限速时，则将所述最高限速设置为输出速度，当所述当前速度小于所述最高限速时，则将所述当前速度设置为所述输出速度；
控制模块，将所述输出速度发送给所述电机，并控制所述电机驱动所述滑台运动。
本发明的技术效果：滑台由起始位置运动到目标位置的过程为变速运动，滑台运动到目标位置时通过控制作用力的大小控制滑台的输出速度为零，从而使得滑台可以稳定而准确地停留在目标位置，由此可以保证医生使用手术器械进行手术操作的稳定性和准确性。同时，设置最高限速，可以使滑台的运动速度不超出可控范围，即可以防止滑台的运动速度过快撞击到机械臂上，由此可以及时对滑台的运动速度进行调整，从而保证了滑台在机械臂上运动的安全性。此外，设置最高限速并使用电机驱动滑台，可以限定每个单周期内滑台运动的距离，提升滑台在每个单周期内运动的精度，即从人手每次带动滑台运动几厘米提升到电机每次带动滑台运动几毫米，从而可以通过精确调控使滑台运动到目标位置。
附图说明
图1为本发明实施例的腹腔镜手术机器人的机械臂的结构示意图；
图2为本发明实施例的腹腔镜手术机器人的滑台运动控制方法的流程图；
图3为本发明实施例的腹腔镜手术机器人的运动控制区的结构示意图；
图4为本发明实施例的腹腔镜手术机器人的滑台运动控制方法的流程图；
附图标记：
1、控制按键；2、传感器；3、滑台；4、机械臂。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
如图1、图2以及图4所示，本发明实施例提供了一种腹腔镜手术机器人的滑台3运动控制方法，包括：
步骤一：确定滑台3在机械臂4上的运动控制区；
步骤二：获取施加于滑台3的作用力并确定滑台3的当前速度；
步骤三：获取运动控制区内的最高限速，将当前速度和最高限速进行对比，当当前速度大于最高限速时，则将最高限速设置为输出速度，当当前速度小于最高限速时，则将当前速度设置为输出速度；
步骤四：将输出速度发送给电机，并控制电机驱动滑台3运动。
在本实施例中，需要设置一个控制系统对腹腔镜手术机器人的滑台3运动控制方法进行调控。具体地，控制系统需要先确定滑台3在机械臂4上的运动控制区，并确定前一时刻滑台3的加速度、前一时刻的速度以及运动方向；之后可以计算获得滑台3下一时刻的加速度和下一时刻的速度，即当前速度；根据滑台3前一时刻所在的运动控制区确定最高限速，将最高限速与当前速度进行对比，取最小值作为输出速度；将输出速度输入到电机中，由电机对滑台3下一时刻的运动速度进行调控。滑台3做循环单周期运动且每个单周期均包括上述四个步骤，其中，在最后一个单周期中，滑台3做减速运动直至在目标位置停止。同时滑台3从起始位置运动到目标位置的过程大致分为两个阶段：加速阶段、减速阶段。具体地，滑台3由起始位置开始运动时由于速度为零，因此需要进入加速阶段做加速运动，而当滑台3接近目标位置时，需要滑台3进入减速阶段做减速运动。同时，当加速阶段滑台3的运动速度达到该运动控制区内的最高限速时，该滑台3从起始位置运动到目标位置的过程大致分为三个阶段：加速阶段、匀速阶段、减速阶段。
综上，当滑台3由起始位置运动到目标位置的过程中一直匀速运动时，滑台3运动到目标位置时滑台3的速度不为零，因此不会停留在目标位置，而当滑台3由起始位置运动到目标位置的过程为变速运动时，滑台3运动到目标位置时控制作用力的大小可以控制滑台3的输出速度为零，使得滑台3可以稳定而准确地停留在目标位置，由此可以保证医生使用手术器械进行手术操作的稳定性和准确性。同时，设置最高限速，可以使滑台3的运动速度不超出可控范围，即可以防止滑台3的运动速度过快撞击到机械臂4上，由此可以及时对滑台3的运动速度进行调整，从而保证了滑台3在机械臂4上运动的安全性。此外，设置最高限速并使用电机驱动滑台3，可以限定每个单周期内滑台3运动的距离，提升滑台3在每个单周期内运动的精度，即从人手每次带动滑台3运动几厘米提升到电机每次带动滑台3运动几毫米，从而可以通过精确调控使滑台3运动到目标位置。
可选地，如图4所示，控制系统确定滑台3在机械臂4上的运动控制区包括：获得电机码盘值并根据电机码盘值获得滑台3在机械臂4上的位置数值，并检测控制按键1中的压力以确定滑台3的运动方向，其中，控制按键1包括上按键和下按键，并在上按键和下按键上分别设置传感器2。具体地，按压上按键，上按键中的传感器2检测到压力向控制系统传递滑台3向上运动的信号，按压下按键，下按键中的传感器2检测到压力向控制系统传递滑台3向下运动的信号；根据滑台3的位置数值和滑台3的运动方向确定滑台3在机械臂4上的运动控制区。具体地，如图2所示，箭头方向为滑台3的运动方向，当滑台3向下运动时，运动控制区包括A区和B区，而当滑台3向上运动时，运动控制区包括C区和D区，其中A区和D区分布在机械臂4的上半部分，而B区和C区分布在机械臂4的下半部分。
在本实施例中，控制系统获取电机码盘值，并根据电机码盘值进行计算获得滑台3在机械臂4上的位置数值，同时通过检测控制按键1中受到压力的是上按键还是下按键判断滑台3的运动方向。具体地，当根据获取的电机码盘值确定滑台3在机械臂4的上半部分，同时控制系统也检测到滑台3向下运动时，可以判断运动控制区在A区；当根据获取的电机码盘值确定滑台3在机械臂4的下半部分，同时控制系统也检测到滑台3向下运动时，可以判断运动控制区在B区；当根据获取的电机码盘值确定滑台3在机械臂4的下半部分，同时控制系统也检测到滑台3向上运动时，可以判断运动控制区在C区；当根据获取的电机码盘值确定滑台3在机械臂4的上半部分，控制系统也检测到滑台3向上运动时，可以判断运动控制区在D区。
可选地，如图4所示，控制系统获取施加于滑台3的作用力并计算滑台3的当前速度包括：检测控制按键1上的前一时刻和后一时刻的压力，并将前一时刻和后一时刻的压力分别转化为前一时刻和后一时刻的作用力；根据前一时刻和后一时刻的作用力计算获得滑台3的加速度，根据加速度计算获得滑台3的当前速度。
在本实施例中，根据常识，人手不易精确控制滑台3的速度，但却易于控制施加在控制按键1上的压力大小。通过将人手按在控制按键1上并按压控制按键1，同时作用在控制按键1上的压力可以通过控制系统转换为作用于滑台3的作用力，即作用在控制按键1上的压力越大，作用在滑台3上的作用力也越大。因此通过人为控制作用在控制按键1上的压力，可以对驱动滑台3的作用力进行调节，由此可以通过调节人手作用在控制按键1上的压力，可以使滑台3做不同的运动。同时，由于控制按键1包括上按键和下按键，按压不同的按键可以将给滑台3施加不同方向的作用力。具体地，当滑台3朝上方加速运动时，继续按压上按键，并提高按压的压力，可以使滑台3做加速幅度增大的加速运动；当滑台3朝上方加速运动时，继续按压上按键，并降低按压的压力，可以使滑台3做加速幅度减小的加速运动；当滑台3朝上方加速运动时，松开上按键并按压下按键，即可以提供一个反作用力，使滑台3向上方做减速运动。
可选地，如图3和图4所示，不同运动控制区内加速度的变化率不同。
在本实施例中，在A区和C区，滑台3在机械臂4上的可移动距离较大，为节省调整手术器械的位置的时间，滑台3需要以较快的速度运动，具体地，滑台3运动过程中加速度相对作用力的变化率成正比例直线分布，加速度逐渐增大且增大幅度逐渐扩大。在B区和D区，滑台3在机械臂4上的可移动距离较小，滑台3的运动速度过快可能会与机械臂4发生碰撞，因此需要以较慢的速度运动，具体地，滑台3运动过程中加速度相对作用力的变化率成正比例曲线分布，加速度逐渐增大且增大幅度逐渐缩小。
可选地，如图3和图4所示，A区、C区内加速度与作用力的计算关系式设置为F＝ma，B区、D区内加速度与作用力的计算关系式设置为F＝ma+cv，a为滑台的加速度，F为作用力，m为滑台3的质量，v为滑台的实时速度，c为系数。
在本实施例中，滑台3在机械臂4上的运动控制区为A区或C区时，检测滑台3前一时刻的运动速度v1和加速度a1，检测控制按键1在前一时刻和下一时刻受到的压力S1和S2，将S1和S2输入控制系统中进行换算可以得到前一时刻和后一时刻驱动滑台3的作用力F1和F2，其中，F1＝ma1，F2＝ma2，a2为下一时刻滑台的加速度。计算下一时刻的运动速度过程：计算F1和F2的差值得到ΔF，将ΔF代入到加速度与作用力的计算关系式得到下一时刻滑台3的加速度a2＝ΔF/m+a1，将v1、a2以及前一时刻和下一时刻的时间差t代入到速度的计算公式中获得下一时刻的运动速度，即当前速度v2＝v1+a2t。将当前速度v2和最高限速50mm/s进行比较，当v2>50mm/s时，控制系统使用反作用力作用于滑台3并将当前速度v2降低到50mm/s并作为输出速度；当v2<50mm/s时，直接将v2作为输出速度。
滑台3在机械臂4上的运动控制区为B区或D区时，检测前一个周期中滑台3的输出速度v0；检测本周期内滑台3前一时刻的运动速度v1和加速度a1，检测控制按键1在前一时刻和下一时刻受到的压力S1和S2，并将S1和S2输入控制系统中进行换算可以得到前一时刻和后一时刻驱动滑台3的作用力F1和F2，其中，F1＝ma1+cv0，F2＝ma2+cv1，a2为下一时刻滑台的加速度。计算下一时刻的运动速度过程：计算F1和F2的差值得到ΔF。将ΔF代入到加速度与作用力的计算关系式得到下一时刻滑台3的加速度a2＝[ΔF-c(v1-v0)]/m+a1，将v1、a2以及前一时刻和下一时刻的时间差t代入到速度的计算公式中获得下一时刻的运动速度，即当前速度v2＝v1+a2t。将当前速度v2和最高限速10mm/s进行比较，当v2>10mm/s时，控制系统使用反作用力作用于滑台3并将当前速度v2降低到10mm/s并作为输出速度；当v2<10mm/s时，直接将v2作为输出速度。
可选地，当控制系统检测到滑台3以输出速度运动即将撞击滑台3时，控制系统控制电机驱动滑台3进行减速缓冲。一般情况下，滑台3只在B区和D区内靠近机械臂4的端部时进行缓冲减速。
在本实施例中，当滑台3朝一端运动且靠近该端时需要注意防护，以防止滑台3在运动过程中撞击到机械臂4上，使手术器械、滑台3以及机械臂4产生破坏。因此需要对滑台3运动的速度进行调控以对滑台3运动的距离进行控制。当控制系统通过检测计算得知到滑台3以一定的输出速度朝一端运动时会撞击到机械臂4时，会自动提供反作用力作用于滑台3以降低滑台3的运动速度，直至滑台3以该速度运动时不会撞击机械臂4，从而提升手术操作中的安全性。
可选地，A区、C区的最高限速均为50mm/s，B区、D区的最高限速均为10mm/s。
在本实施例中，设置一个较小的最高限速，可以缩短每个单周期内滑台3的运动距离，由此可以精确调控滑台3运动的距离，从而保证滑台3运动到目标位置的准确性。
本发明另一实施例提供了一种腹腔镜手术机器人的滑台3运动控制装置，包括：
选择模块，确定滑台3在机械臂4上的运动控制区；
计算模块，获取施加于滑台3的作用力并确定滑台3的当前速度；
筛选模块，获取运动控制区内的最高限速，将当前速度和最高限速进行对比，当当前速度大于最高限速时，则将最高限速设置为输出速度，当当前速度小于最高限速时，则将当前速度设置为输出速度；
控制模块，将输出速度发送给电机，并控制电机驱动滑台3运动。
在本实施例中，选择模块需要先确定并选择滑台3在机械臂4上的运动控制区，并确定前一时刻滑台3的加速度、前一时刻的速度以及此时运动方向；之后计算模块可以计算获得滑台3下一时刻的加速度和下一时刻的速度，即当前速度；筛选模块根据滑台3前一时刻所在的运动控制区确定最高限速，将最高限速与当前速度进行对比，取最小值作为输出速度；控制模块将输出速度输入到电机中，并控制电机对滑台3下一时刻的运动速度进行调控。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种腹腔镜手术机器人的滑台运动控制方法，其特征在于，包括：
确定滑台(3)在机械臂(4)上的运动控制区；
获取施加于所述滑台(3)的作用力并确定所述滑台(3)的当前速度；
获取所述运动控制区内的最高限速，将所述当前速度和所述最高限速进行对比，当所述当前速度大于所述最高限速时，则将所述最高限速设置为输出速度，当所述当前速度小于所述最高限速时，则将所述当前速度设置为所述输出速度；
将所述输出速度发送给电机，并控制所述电机驱动所述滑台(3)运动。
2.如权利要求1所述的腹腔镜手术机器人的滑台运动控制方法，其特征在于，所述确定滑台(3)在机械臂(4)上的运动控制区包括：
获得电机码盘值并根据所述电机码盘值获得所述滑台(3)在所述机械臂(4)上的位置数值，并检测控制按键(1)中的压力以确定所述滑台(3)的运动方向；
根据所述滑台(3)的位置数值和所述滑台(3)的运动方向确定所述滑台(3)在所述机械臂(4)上的所述运动控制区。
3.如权利要求2所述的腹腔镜手术机器人的滑台运动控制方法，其特征在于，所述检测控制按键(1)中的压力以确定所述滑台(3)的运动方向包括：当检测所述控制按键(1)中的上按键受到压力时，则确定所述滑台(3)朝所述机械臂(4)的上端运动，当检测到所述控制按键(1)中的下按键受到压力时，则确定所述滑台(3)朝所述机械臂(4)的下端运动。
4.如权利要求2所述的腹腔镜手术机器人的滑台运动控制方法，其特征在于，所述获取施加于所述滑台(3)的作用力并确定所述滑台(3)的当前速度包括：
检测所述控制按键(1)中前一时刻和后一时刻的所述压力，并将所述前一时刻和所述后一时刻的所述压力分别转化为所述前一时刻和所述后一时刻的所述作用力；
根据所述前一时刻和所述后一时刻的所述作用力获得所述滑台(3)的加速度，根据所述加速度获得所述滑台(3)的所述当前速度。
5.如权利要求4所述的腹腔镜手术机器人的滑台运动控制方法，其特征在于，所述压力的大小与所述作用力的大小成正比。
6.如权利要求4所述的腹腔镜手术机器人的滑台运动控制方法，其特征在于，不同所述运动控制区内所述加速度的变化率不同。
7.如权利要求4所述的腹腔镜手术机器人的滑台运动控制方法，其特征在于，当所述滑台(3)朝所述机械臂(4)的一端运动时，所述运动控制区设置为A区、B区，当所述滑台(3)朝所述机械臂(4)的另一端运动时，所述运动控制区设置为C区、D区，所述A区和所述C区内所述加速度与所述作用力的计算关系式均设置为F＝ma，所述B区和所述D区内所述加速度与所述作用力的计算关系式均设置为F＝ma+cv，a为所述滑台的加速度，F为所述作用力，m为所述滑台(3)的质量，v为所述滑台(3)的实时速度，c为系数。
8.如权利要求1所述的腹腔镜手术机器人的滑台运动控制方法，其特征在于，所述将所述输出速度发送给电机，并控制所述电机驱动所述滑台(3)运动包括：当检测到所述滑台(3)以所述输出速度运动将撞击所述机械臂(4)时，控制所述电机驱动所述滑台(3)进行做减速运动。
9.如权利要求7所述的腹腔镜手术机器人的滑台运动控制方法，其特征在于，所述A区和所述C区的最高限速均为50mm/s，所述B区和所述D区的最高限速均为10mm/s。
10.一种腹腔镜手术机器人的滑台运动控制装置，其特征在于，包括：
选择模块，确定滑台(3)在机械臂(4)上的运动控制区；
计算模块，获取施加于所述滑台(3)的作用力并确定所述滑台(3)的当前速度；
筛选模块，获取所述运动控制区内的最高限速，将所述当前速度和所述最高限速进行对比，当所述当前速度大于所述最高限速时，则将所述最高限速设置为输出速度，当所述当前速度小于所述最高限速时，则将所述当前速度设置为所述输出速度；
控制模块，将所述输出速度发送给电机，并控制所述电机驱动所述滑台(3)运动。
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- 2021-04-15 CN CN202110405332.8A patent/CN113116528B/zh active Active
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