CN116439784A

CN116439784A - 一种手术器械钳头旋转控制方法及系统

Info

Publication number: CN116439784A
Application number: CN202310230715.5A
Authority: CN
Inventors: 王迎智; 董先公; 周毅
Original assignee: Jixian Artificial Intelligence Co Ltd
Current assignee: Jixian Artificial Intelligence Co Ltd
Priority date: 2023-03-07
Filing date: 2023-03-07
Publication date: 2023-07-18

Abstract

本发明涉及手术器械技术领域，提供了一种手术器械钳头旋转控制方法及系统，包括：获取手柄旋钮的角度变量和在随动中心线所在点的角度，并计算两者差值；在两者差值未超过随动控制旋转角度时，对器械钳头进行随动控制；在两者差值超过随动控制旋转角度时，控制器械钳头按照某速度持续运动，同时，控制随动中心线所在点以该速度持续运动。实现了模式切换时光滑无跳跃。

Description

一种手术器械钳头旋转控制方法及系统

技术领域

本发明属于手术器械技术领域，尤其涉及一种手术器械钳头旋转控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

微创医疗器械一般分为两种，一种为纯机械传动，通过机械传动，将简易的动作指令传递给末端的执行器械，功能较为单一；另一种是电控的，输入设备发信号给控制系统，控制系统通过电机驱动传动机构带动末端的执行器械动作，形成真正意义上的手术机器人，可以执行复杂动作。

对于腹腔手术机器人来讲，在执行手术动作时，输入设备发送信号给控制器，控制器发出控制指令给电机，电机经传动机构带动末端器械，末端器械执行动作。

医生在执行腹腔手术过程中，经常发生的一个动作是打结，即钳头夹着针，在人体组织上走线，对医生的技术要求比较高。现在的手术机器人，通过电控手术器械一般会要求器械钳头有旋转的功能，但是旋转的方式各有不同，效果也各有区别。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种手术器械钳头旋转控制方法及系统，引入中间线的关系，实现分模式控制，进而实现模式切换时光滑无跳跃。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种手术器械钳头旋转控制方法，其包括：

获取手柄旋钮的角度变量和在随动中心线所在点的角度，并计算两者差值；

在两者差值未超过随动控制旋转角度时，对器械钳头进行随动控制；

在两者差值超过随动控制旋转角度时，控制器械钳头按照某速度持续运动，同时，控制随动中心线所在点以该速度持续运动。

进一步地，所述随动控制旋转角度为：

c＝αO–αC＝αD-αO

其中，手柄旋钮在随动中心线所在点的角度为αO，手柄旋钮在随动控制第一端点的角度为αC，手柄旋钮在随动控制第二端点的角度为αD。

进一步地，对器械钳头进行随动控制时，器械钳头角度变量为：

β＝(α-αO)*k+βO

其中，手柄旋钮角度变量为α，手柄旋钮在随动中心线所在点的角度为αO，k是可调的确定常数，器械钳头在随动中心线所在点的角度为βO。

进一步地，当α-αO>c时，器械钳头角度变量为：

β＝v*t+βD

其中，手柄旋钮角度变量为α，手柄旋钮在随动中心线所在点的角度为αO，器械钳头持续运动的速度为v，持续运动时间为t，器械钳头在随动控制第二端点的角度为βD，c为随动控制旋转角度。

进一步地，当α-αO>c时，更新手柄旋钮在随动中心线所在点的角度：

αO＝αO+v*t

其中，手柄旋钮角度变量为α，器械钳头持续运动的速度为v，持续运动时间为t，c为随动控制旋转角度。

进一步地，当α-αO<-c时，器械钳头角度变量为：

β＝-v*t+βD

进一步地，当α-αO<-c时，更新手柄旋钮在随动中心线所在点的角度：

αO＝αO-v*t

本发明的第二个方面提供一种手术器械钳头旋转控制系统，其包括：

差值计算模块，其被配置为：获取手柄旋钮的角度变量和在随动中心线所在点的角度，并计算两者差值；

随动控制模块，其被配置为：在两者差值未超过随动控制旋转角度时，对器械钳头进行随动控制；

持续控制模块，其被配置为：在两者差值超过随动控制旋转角度时，控制器械钳头按照某速度持续运动，同时，控制随动中心线所在点以该速度持续运动。

本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种手术器械钳头旋转控制方法中的步骤。

本发明的第四个方面提供一种计算机设备，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实现如上述所述的一种手术器械钳头旋转控制方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种手术器械钳头旋转控制方法，其引入中间线的关系，实现分模式控制，进而实现模式切换时光滑无跳跃。

本发明提供的一种手术器械钳头旋转控制方法，其获取位置信息，实现基于绝对位置的闭环控制。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例一的钳头旋转示意图；

图2(a)是本发明实施例一的未发生旋转时的手柄旋钮示意图；

图2(b)是本发明实施例一的向左旋转时的手柄旋钮示意图；

图2(c)是本发明实施例一的向右旋转时的手柄旋钮示意图；

图3是本发明实施例一的手柄旋转位置模拟图；

图4是本发明实施例一的器械钳头旋转位置第一模拟图；

图5是本发明实施例一的器械钳头旋转位置第二模拟图；

图6是本发明实施例一的器械钳头旋转位置第三模拟图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例一

本实施例提供了一种手术器械钳头旋转控制方法。

手术器械的钳头的一般结构如图1所示，可以旋转任意角度，支持多圈旋转。因为手术器械的钳头只旋转一个自由度，用一个电机就能控制。因此，传输机构由电机、减速器加传动杆组成。

获取旋转轴位置信息，对钳头作基于位置的旋转控制。具体的，旋转轴位置信息获取的方法是在旋转轴的截面上安装径向磁铁，通过霍尔检测传感器检测磁铁角度，就检测出了旋转轴的旋转角度；因为刚性连接，也就是检测出了器械钳头的旋转角度。

输入设备是手柄旋钮，如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示，手柄旋钮机械上有回弹力，默认在中点，可向左向右分别旋转R6度，即30度。定义中点位置为0度，向右运动，角度逐渐增加，范围为0～30度，右边极限位置为30度；向左运动，角度逐渐减小，范围为0～-30度，左边极限位置为-30度。手柄旋钮也是通过霍尔传感器读取径向磁铁角度获得。

做基于手柄位置的差异化控制，手柄模拟图如图3所示，具体包括：

(1)O点是默认状态，即手柄运动的中心点；在CD段，做随动控制，即手柄旋转α度，器械钳头旋转k*α度，k是个可调的确定常数；在DB段，做持续控制，即手柄在这一段时，器械钳头持续向右旋转，器械钳头回到CD段时，再转为随动控制；在AC段时，做持续控制，即手柄在这一段时，器械钳头持续向左旋转，器械钳头回到CD段时，再转为随动控制。

为说明方便，定义CO段的范围[-25°～0°]度，OD段为[0°～25°]，AC段为[-30°～-25°)，DB段为(25°～30°]。手柄旋钮与钳头旋转比例关系为2，也就是手柄旋转10度，钳头旋转20度；手柄旋转-15度，钳头旋转-30度。手柄旋钮与钳头旋转比例大于1是放大关系，大于0小于是缩小关系，小于0的情况是手柄和钳头运动方向相反。

(2)手柄位置大于25度时，做向右的持续控制；小于-25度时，做向左的持续控制。

(3)理论上，钳头是可以无限旋转的，但是，实际产品中不会用到这么大的范围，因此，限定整个旋转范围是1000°，即钳头从最左端点向右一直旋转1000°就到达钳头的最右端点。

(4)当两种模式互相切换时，要平滑，不能出现位置跳变。假如手柄旋钮当前处于24°，器械钳头是随动状态，器械钳头当前位置是48°；手柄旋钮继续向右，此时旋钮位置为28°，也就是大于25°，器械钳头以固定速度向右持续旋转，器械钳头位置持续增加，当超过360°之后，器械钳头旋转圈数计数+1，基于霍尔传感器读取的角度值继续增加；当手柄向左旋转，直到等于25°或小于25°的时候，此时钳头的旋转状态由持续运动模式，转变为随动模式，假设转变前为289°，转变是瞬间，随动模式的钳头最右边极限位置也就是289°，按照定义的手柄旋钮与钳头旋转比例为2的比例关系，也就是说，此时随动范围变为[189°,289°]。钳头小于-25°情况与此相同，无非是钳头读到的霍尔值减小。

为了解决平滑运动，不能有跳跃的问题，引入中间线的概念。

(5)定义随动模式下旋转的中心线概念，即钳头随动模式下随动范围的中间点，称为随动中心线。按照举例的运动范围是[189°,289°]，随动范围是100°，随动中心线的位置就是239°，随动中心线左边和右边的运动距离相等。

器械钳头旋转的模拟图如图4所示。当器械钳头运动在随动位置时，器械钳头在CD范围内做随动控制；当手柄运动在持续运动位置时，器械钳头就开始在DB或者AC范围内做持续向右或向左运动了。此时，检测到的旋转位置是在不断增加或减少的。如果CD段的位置没有变化，那么当进行模式切换的时候，钳头的目标位置就会直接跳跃到D点或者C点。

因此，为了解决模式切换时的平滑运动关系，器械在持续运动模式下，即处于AD或DB段时，CD段也需要持续运动。CD段的运动，就通过随动中心线来表示。

如图5所示，假如器械钳头在DB段按照速度v向右持续运动，随动中心线所在点O也以速度v持续运动。

同理，钳头在AC段按照速度v向左持续运动，随动中心线所在点O也以速度v持续向左运动，如图6所示。

这样，就实现切换状态时的角度为随动范围边缘，即实现了无跳跃切换。

获取手柄旋钮的角度变量和在随动中心线所在点的角度，并计算两者差值；在两者差值未超过随动控制旋转角度时，对器械钳头进行随动控制；在两者差值超过随动控制旋转角度时，控制器械钳头按照某速度持续运动，同时，控制随动中心线所在点以该速度持续运动。整理成公式：

如图3所示，定义手柄旋钮角度变量为α，手柄旋钮最右边位置B点的角度为αmax，手柄旋钮最左边位置A点的角度为αmin，手柄旋钮在随动中心线所在点O点的角度为αO，手柄旋钮在随动控制第一端点C点的角度为αC，手柄旋钮在随动控制第二端点D点的角度为αD，其中αO–αC＝αD-αO＝c(c为常数，即随动控制旋转角度)。

如图4所示，定义器械钳头角度变量为β，器械钳头的最右边位置B点的角度为βmax，器械钳头的最左边位置A点的角度为βmin，器械钳头在O点随动中心线所在点的角度记为βO，器械钳头在C点的角度为βC，器械钳头在D点的角度为βD，定义器械钳头持续运动的速度为v，持续运动时间为t。

则，当|α-αO|≤c时，器械钳头的旋转状态为随动控制，β＝(α-αO)*k+βO；

当α-αO>c时，器械钳头的旋转状态为向右持续控制，β＝v*t+βD，αO＝αO+v*t；

当α-αO<-c时，器械钳头的旋转状态为向左持续控制，β＝-v*t+βD，αO＝αO-v*t。

本实施例提供的一种手术器械钳头旋转控制方法，通过磁传感器，获取位置信息，实现基于绝对位置的闭环控制；引入中间线的关系，实现分模式控制，且模式切换时光滑无跳跃。

实施例二

本实施例提供了一种手术器械钳头旋转控制系统，其具体包括：

此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。

实施例三

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的一种手术器械钳头旋转控制方法中的步骤。

实施例四

本实施例提供了一种计算机设备，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实现如上述实施例一所述的一种手术器械钳头旋转控制方法中的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种手术器械钳头旋转控制方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种手术器械钳头旋转控制方法，其特征在于，所述随动控制旋转角度为：

c＝αO–αC＝αD-αO

3.如权利要求1所述的一种手术器械钳头旋转控制方法，其特征在于，对器械钳头进行随动控制时，器械钳头角度变量为：

β＝(α-αO)*k+βO

4.如权利要求1所述的一种手术器械钳头旋转控制方法，其特征在于，当α-αO>c时，器械钳头角度变量为：

β＝v*t+βD

5.如权利要求1所述的一种手术器械钳头旋转控制方法，其特征在于，当α-αO>c时，更新手柄旋钮在随动中心线所在点的角度：

αO＝αO+v*t

6.如权利要求1所述的一种手术器械钳头旋转控制方法，其特征在于，当α-αO<-c时，器械钳头角度变量为：

β＝-v*t+βD

7.如权利要求1所述的一种手术器械钳头旋转控制方法，其特征在于，当α-αO<-c时，更新手柄旋钮在随动中心线所在点的角度：

αO＝αO-v*t

8.一种手术器械钳头旋转控制系统，其特征在于，包括：

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种手术器械钳头旋转控制方法中的步骤。

10.一种计算机设备，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，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种手术器械钳头旋转控制方法中的步骤。