CN119257754A - 一种带力反馈主从操作手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带力反馈主从操作手术机器人系统，包括主操作手模块、从执行器模块以及上位机，主操作手模块、从执行器模块均与上位机通信连接，从执行器模块设置有力矩传感器，传感器用于采集力矩信号并发送至上位机，主操作手模块设置有力反馈电机，力反馈电机用于施加阻力矩。通过从执行器模块的力矩传感器采集力矩信号并发送至上位机，依靠上位机对力矩信号进行分析判断，后续再发送指令至主操作手模块，以使主操作手模块的力反馈电机产生阻力矩，实现医生在主操作手模块操作时的力反馈，保证了主操作手模块力反馈的可靠性、精度，且主操作手模块与从执行器模块之间通过不断交流与迭代，形成准确可靠的手术操作过程。

Description

一种带力反馈主从操作手术机器人系统

技术领域

本发明涉及手术机器人技术领域，特别涉及一种带力反馈主从操作手术机器人系统。

背景技术

微创手术是一种医生通过内窥镜、专用手术器械，在不造成巨大创口的情况下施行的手术。为了追求创伤小、术后恢复好的效果，微创手术经历了从多孔、单孔腔镜手术到自然腔道手术的发展过程，自然腔道内镜手术是将机械臂通过人体腔道到达病变组织进行手术的方式，可以达到体表无疤痕的效果。目前，内镜式微创手术机器人的设计和相关关键技术的研究已经成为了手术机器人领域的研究热点问题之一。现有内镜式微创手术机器人普遍采用主从操作模式。主操作手作为医生与从执行器的人机交互设备，医生通过控制主操作手实现从执行器在腔道内进行病变探查与人体组织操作。

为了使医生能够感受到与人体组织之间的相互作用力，主操作手通常还应该具有力反馈的功能。传统的力反馈主操作手通常为通用型设计，对于手术机器人系统来说有缺少自由度、工作空间不匹配、姿态角输出范围受限、手腕不够灵活等缺点，另外还具有力反馈精度不足等缺陷。

发明内容

本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，提供一种主操作手操作便捷、力反馈精度高的主从操作手术机器人系统。

为了达到上述目的，本发明提供了一种带力反馈主从操作手术机器人系统，包括主操作手模块、从执行器模块以及上位机，所述主操作手模块、所述从执行器模块均与所述上位机通信连接，所述从执行器模块设置有力矩传感器，所述传感器用于采集力矩信号并发送至上位机，所述主操作手模块设置有力反馈电机，所述力反馈电机用于施加阻力矩，以在操作过程中手部感受到力反馈；

所述主操作手模块包括主手偏航组件、主手俯仰组件、主手旋转组件以及主手剪切组件；所述主手偏航组件用于控制所述从执行器模块整体的偏航角度，操作时对应手腕的偏航角度；所述主手俯仰组件用于控制所述从执行器模块整体的俯仰角度，操作时对应手腕的俯仰角度；所述主手旋转组件用于控制所述从执行器模块整体的旋转角度，作时对应手腕相对于小臂中心轴的旋转角度；所述主手剪切组件用于控制所述从执行器模块的夹持剪切部的张开与闭合，操作时对应手指的剪切动作。

所述从执行器模块包括执行驱动端以及执行末端，所述执行驱动端包括多个执行驱动电机和执行驱动座。

系统的执行过程包括执行驱动电机驱动执行末端、力矩传感器采集力矩信号、信号传递给上位机、上位机对力矩信号通过训练后的深度学习模型进行分析判断来获得执行末端各个自由度的状态、上位机向主操作手模块的各个力反馈电机发送指令、力反馈电机作出响应、手部感受到力反馈电机的阻力矩并对应调整操作状态，循环过程。

进一步地，所述主手偏航组件包括偏航力反馈电机和支撑座，所述支撑座与所述偏航力反馈电机连接，所述主手俯仰组件与所述支撑座连接，所述偏航力反馈电机施加的阻力矩使所述支撑座、手腕的偏航运动受到与所述执行末端一致的阻力。

进一步地，所述支撑座设置为半圆环形，操作时便于手腕放置在所述支撑座上。

进一步地，所述主手俯仰组件包括俯仰力反馈电机和连杆，所述连杆与所述俯仰力反馈电机连接，所述俯仰力反馈电机与所述支撑座连接，所述主手旋转组件、所述主手剪切组件与所述连杆连接，所述俯仰力反馈电机施加的阻力矩使所述连杆、手腕的俯仰运动受到与所述执行末端一致的阻力。

进一步地，所述连杆设置为门架形，所述连杆的第一端与所述俯仰力反馈电机连接，所述支撑座还连接有重力平衡电机，所述连杆的第二端与所述重力平衡电机连接，所述重力平衡电机用于产生与所述连杆上所述主手旋转组件以及所述主手剪切组件形成的重力矩相反的平衡力矩。

进一步地，所述主手旋转组件包括旋转力反馈电机和旋转座，所述旋转力反馈电机与所述连杆连接，所述旋转座的第一端与所述旋转力反馈电机连接，所述旋转座的第二端与所述主手剪切组件连接，所述旋转力反馈电机施加的阻力矩使所述旋转座、手腕的旋转运动受到与所述执行末端一致的阻力。

进一步地，所述主手剪切组件包括剪切力反馈电机、剪切座、握把以及控制扳机，所述剪切座与所述旋转座的第二端连接，所述握把与所述剪切座连接，所述剪切力反馈电机设置在所述剪切座上，所述控制扳机与所述剪切力反馈电机连接，所述控制扳机设置有环扣，所述剪切力反馈电机施加的阻力矩使所述剪切座、手指的动作受到与所述执行末端一致的阻力。

进一步地，所述控制扳机的旋转轴与所述主手俯仰组件的旋转轴平行设置，与所述主手旋转组件的旋转轴正交设置，以符合手部的操作习惯并使手腕进行俯仰以及剪切操作时顺畅。

进一步地，所述执行驱动电机包括偏航驱动电机、俯仰驱动电机、旋转驱动电机和剪切驱动电机，所述偏航驱动电机、所述俯仰驱动电机、所述旋转驱动电机以及所述剪切驱动电机与所述执行末端分别通过对应的钢丝连接，每个所述执行驱动电机均配置所述力矩传感器。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提供的带力反馈主从操作手术机器人系统，通过从执行器模块的力矩传感器采集力矩信号并发送至上位机，依靠上位机对力矩信号进行分析判断，后续再发送指令至主操作手模块，以使主操作手模块的力反馈电机产生阻力矩，实现医生在主操作手模块操作时的力反馈，保证了主操作手模块力反馈的可靠性、精度，且主操作手模块与从执行器模块之间通过不断交流与迭代，形成准确可靠的手术操作过程；

本发明提供的带力反馈主从操作手术机器人系统，主操作手模块的四个自由度组件符合人体手部的运动习惯，让医生拥有更好的手部操作空间，同时各个组件设置合理，保证了医生操作的舒适性、便捷性、准确性；

本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明的示意图框图；

图2为本发明的主操作手模块整体示意图；

图3为本发明的从执行器模块整体示意图；

图4为本发明的对应步骤流程图。

【附图标记说明】

10-主操作手模块；11-偏航力反馈电机；12-支撑座；13-俯仰力反馈电机；14-连杆；15-旋转力反馈电机；16-旋转座；17-剪切力反馈电机；18-剪切座；19-握把；110-控制扳机；111-重力平衡电机；20-从执行器模块；21-力矩传感器；22-偏航驱动电机；23-俯仰驱动电机；24-旋转驱动电机；25-剪切驱动电机；26-执行驱动座；30-上位机。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种带力反馈主从操作手术机器人系统，包括主操作手模块10、从执行器模块20以及上位机30。其中，主操作手模块10用于医生手部直接进行操作，从执行器模块20用于控制以及执行在腔道内的病变探查与人体组织操作。主操作手模块10、从执行器模块20均与上位机30通信连接，从执行器模块20上设置的力矩传感器21采集力矩信号并发送至上位机30，依靠上位机30对力矩信号进行分析判断，后续再发送指令至主操作手模块10，以使主操作手模块10产生阻力矩，实现医生在主操作手模块10操作时的力反馈。因此，本实施例中力反馈是基于上位机30进行判断的，通过上位机30能够对力矩信号进行分析，再准确控制主操作手模块10来提升力反馈的可靠性、精度。

在本实施例中，主操作手模块10包括主手偏航组件、主手俯仰组件、主手旋转组件以及主手剪切组件。其中，主手偏航组件、主手俯仰组件、主手旋转组件以及主手剪切组件分别对应一个主操作手模块10的自由度。主手偏航组件用于控制从执行器模块20整体的偏航角度，操作时对应手腕的偏航角度；主手俯仰组件用于控制从执行器模块20整体的俯仰角度，操作时对应手腕的俯仰角度；主手旋转组件用于控制从执行器模块20整体的旋转角度，即相对于从执行器模块20自身中心轴的旋转角度，操作时对应手腕相对于小臂中心轴的旋转角度；主手剪切组件用于控制从执行器模块20的夹持剪切部的张开与闭合，操作时对应手指的剪切动作。这四个自由度的设置符合人体手部的运动习惯，让医生拥有更好的手部操作空间。

由前所述，本实施例中主手偏航组件、主手俯仰组件、主手旋转组件以及主手剪切组件与从执行器模块20的对应执行组件之间采用了基于上位机30的信号互联方式，主操作手模块10的每个组件均设置有力反馈电机，通过力反馈电机施加阻力矩，从而在操作过程中手部感受到阻力矩，达到力反馈的目的。

同时如图2所示，主手偏航组件包括偏航力反馈电机11和支撑座12，支撑座12与偏航力反馈电机11连接。作为优选的实施方式，本实施例中支撑座12设置为半圆环形，以方便手腕放置在支撑座12上并保持舒服的姿势。当手腕偏航时，能够带动支撑座12相对于偏航力反馈电机11旋转，偏航力反馈电机11发送信号至上位机30，通过上位机30发送信号控制从执行器模块20的偏航驱动电机22，使偏航驱动电机22驱动同样的角度，而偏航力反馈电机11施加的阻力矩能够使支撑座12、手腕的偏航运动受到阻力。因此，保证了主手偏航组件与从执行器模块20偏航运动和力反馈的一致。

主手俯仰组件包括俯仰力反馈电机13和连杆14。其中，连杆14优选设置为门架形，连杆14的端部与俯仰力反馈电机13连接，俯仰力反馈电机13设置在支撑座12的半圆环形端部位置。连杆14的中心位置则用于安装主手旋转组件、主手剪切组件等。当手腕俯仰时，由于手指是握持在主手剪切组件上的，因此可以带动连杆14相对于俯仰力反馈电机13旋转。类似地，俯仰力反馈电机13发送信号至上位机30，通过上位机30发送信号控制从执行器模块20的俯仰驱动电机23，使俯仰驱动电机23驱动同样的角度，而俯仰力反馈电机13施加的阻力矩能够使连杆14、手腕的俯仰运动受到一致的阻力。

主手旋转组件包括旋转力反馈电机15和旋转座16。其中，旋转力反馈电机15设置在连杆14的中心位置，旋转座16的第一端与旋转力反馈电机15连接，旋转座16的第二端与主手剪切组件连接。当手腕旋转时，同样由于手指是握持在主手剪切组件上的，能够带动旋转座16相对于旋转力反馈电机15旋转。类似地，旋转力反馈电机15发送信号至上位机30，通过上位机30发送信号控制从执行器模块20的旋转驱动电机24，使旋转驱动电机24驱动同样的角度，而旋转力反馈电机15施加的阻力矩能够使旋转座16、手腕的旋转运动受到一致的阻力。

在本实施例中，主手剪切组件包括剪切力反馈电机17、剪切座18、握把19以及控制扳机110。其中，剪切座18与旋转座16的第二端固定连接，握把19与剪切座18固定连接（一体结构），用于手掌进行握持。剪切力反馈电机17设置在剪切座18上，控制扳机110与剪切力反馈电机17连接，操作时通常将食指放入控制扳机110的环扣内，需要让夹持剪切部剪切时则将食指收紧，使控制扳机110相对于剪切力反馈电机17、剪切座18旋转。类似地，剪切力反馈电机17发送信号至上位机30，通过上位机30发送信号控制从执行器模块20的剪切驱动电机25，使剪切驱动电机25驱动同样的角度，而剪切力反馈电机17施加的阻力矩能够使剪切座18、食指的动作受到一致的阻力。

由上所述，本实施例提供的主操作手模块10通过四个自由度组件的具体设置，保证了人体手部操作的合理性、便捷性，且对应的力反馈电机能够准确进行角度的反馈以及阻力矩的施加，保证了主操作手模块10与从执行器模块20运动和力反馈的一致。

需要说明的是，本实施例中主手剪切组件的控制扳机110的旋转轴与主手俯仰组件的旋转轴平行设置，与主手旋转组件的旋转轴正交设置，更加符合手部的操作习惯，使手腕进行俯仰以及剪切操作时更加顺畅，不会产生不舒适的感觉。

作为优选的实施方式，本实施例中对于主手俯仰组件，支撑座12两个端部的其中一个设置有重力平衡电机111，依靠重力平衡电机111产生一个与连杆14上主手旋转组件以及主手剪切组件产生的重力矩相反的平衡力矩，从而保证另一个端部的俯仰力反馈电机13不受外界的干扰，能够产生真实有效的俯仰力反馈，进一步提升了力反馈的准确性。考虑重力的方向，其它组件无需设置重力平衡电机111产生平衡力矩（控制扳机110自身的重力较小影响不大），因此通过支撑座12其中一个端部设置的重力平衡电机111，即可保证整个主操作手模块10的重力平衡。

同时如图3所示，从执行器模块20包括执行驱动端以及执行末端。其中，执行驱动端通过偏航驱动电机22、俯仰驱动电机23、旋转驱动电机24、剪切驱动电机25等执行驱动电机对执行末端的各个自由度进行驱动及控制，偏航驱动电机22、俯仰驱动电机23、旋转驱动电机24以及剪切驱动电机25均设置在执行驱动座26上，与执行末端分别通过对应的钢丝连接以进行驱动及控制。同时，执行驱动电机均配置力矩传感器21，在驱动过程中执行末端通过钢丝将人体组织产生的反力矩传递至对应的力矩传感器21，力矩传感器21采集反力矩并将每个自由度的反力矩传输至上位机30，上位机30在收到反力矩信号后，对信号进行分析判断，再将指令发送至主操作手模块10的各个力反馈电机，以在主操作手模块10产生准确的阻力矩，使手部真实地感受到执行末端的各个自由度状态。

由上所述，本实施例提供的带力反馈主从操作手术机器人系统，其整个过程如图4所示，包括执行驱动电机驱动执行末端→力矩传感器21采集力矩信号→信号传递给上位机30→上位机30对力矩信号进行分析判断→上位机30分析执行末端各个自由度的状态，并准确向主操作手模块10的各个力反馈电机发送指令→力反馈电机迅速作出响应→手部感受到力反馈电机的阻力矩，实现力反馈并对应调整操作状态，然后循环这个过程。同时在这个过程中，主操作手模块10与从执行器模块20之间通过不断交流与迭代，形成准确可靠的手术操作过程。

可以理解的是，由于人体组织以及手术本身的复杂性，力矩传感器21采集的反力矩信号可能存在噪声等，因此需要上位机30对信号进行处理后再分析判断执行末端的各个自由度状态。显然，上位机30对信号的处理能力越强，主操作手模块10的力反馈准确性也越高。基于此，本实施例中通过建立深度学习模型，对上位机30的信号处理能力进行改良。在力反馈过程中，深度学习模型可以用来分析来自执行末端的反力矩信号，优化系统的精度和安全性。

在本实施例中，所构建的深度学习模型可以为CNN（卷积神经网络），其能够用于分析力反馈数据，包括：

输入层：设输入数据为力反馈信号，其中是不同的传感器维度，是时间序列长度；卷积层：提取特征表示，其中，是卷积核，是激活函数（如ReLU），是卷积后的特征图；池化层：通过池化操作来减少特征维度，其中是池化后的特征图；全连接层：最终输出层的计算公式，其中为全连接层的权重，为预测输出，为全连接层的偏置向量。

同时，本实施例中对于力反馈的预测任务，使用均方误差（MSE）作为损失函数：

；

其中，表示样本的真实值，表示样本的预测值。同时，通过优化器（如SGD或Adam）来更新模型参数：

；

其中，是学习率，是权重参数，是更新后的权重参数。

本实施例中通过ROC曲线评估深度学习模型性能，特别是针对不同手术场景下的力反馈响应，绘制ROC曲线通过计算不同阈值下的假阳性率和真正率来进行展示和评估。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种带力反馈主从操作手术机器人系统，其特征在于，包括主操作手模块、从执行器模块以及上位机，所述主操作手模块、所述从执行器模块均与所述上位机通信连接，所述从执行器模块设置有力矩传感器，所述传感器用于采集力矩信号并发送至上位机，所述主操作手模块设置有力反馈电机，所述力反馈电机用于施加阻力矩，以在操作过程中手部感受到力反馈；

所述主操作手模块包括主手偏航组件、主手俯仰组件、主手旋转组件以及主手剪切组件；所述主手偏航组件用于控制所述从执行器模块整体的偏航角度，操作时对应手腕的偏航角度；所述主手俯仰组件用于控制所述从执行器模块整体的俯仰角度，操作时对应手腕的俯仰角度；所述主手旋转组件用于控制所述从执行器模块整体的旋转角度，作时对应手腕相对于小臂中心轴的旋转角度；所述主手剪切组件用于控制所述从执行器模块的夹持剪切部的张开与闭合，操作时对应手指的剪切动作；

所述从执行器模块包括执行驱动端以及执行末端，所述执行驱动端包括多个执行驱动电机和执行驱动座；

系统的执行过程包括执行驱动电机驱动执行末端、力矩传感器采集力矩信号、信号传递给上位机、上位机对力矩信号通过训练后的深度学习模型进行分析判断来获得执行末端各个自由度的状态、上位机向主操作手模块的各个力反馈电机发送指令、力反馈电机作出响应、手部感受到力反馈电机的阻力矩并对应调整操作状态，循环过程。

2.根据权利要求1所述的一种带力反馈主从操作手术机器人系统，其特征在于，所述主手偏航组件包括偏航力反馈电机和支撑座，所述支撑座与所述偏航力反馈电机连接，所述主手俯仰组件与所述支撑座连接，所述偏航力反馈电机施加的阻力矩使所述支撑座、手腕的偏航运动受到与所述执行末端一致的阻力。

3.根据权利要求2所述的一种带力反馈主从操作手术机器人系统，其特征在于，所述支撑座设置为半圆环形，操作时便于手腕放置在所述支撑座上。

4.根据权利要求2所述的一种带力反馈主从操作手术机器人系统，其特征在于，所述主手俯仰组件包括俯仰力反馈电机和连杆，所述连杆与所述俯仰力反馈电机连接，所述俯仰力反馈电机与所述支撑座连接，所述主手旋转组件、所述主手剪切组件与所述连杆连接，所述俯仰力反馈电机施加的阻力矩使所述连杆、手腕的俯仰运动受到与所述执行末端一致的阻力。

5.根据权利要求4所述的一种带力反馈主从操作手术机器人系统，其特征在于，所述连杆设置为门架形，所述连杆的第一端与所述俯仰力反馈电机连接，所述支撑座还连接有重力平衡电机，所述连杆的第二端与所述重力平衡电机连接，所述重力平衡电机用于产生与所述连杆上所述主手旋转组件以及所述主手剪切组件形成的重力矩相反的平衡力矩。

6.根据权利要求4所述的一种带力反馈主从操作手术机器人系统，其特征在于，所述主手旋转组件包括旋转力反馈电机和旋转座，所述旋转力反馈电机与所述连杆连接，所述旋转座的第一端与所述旋转力反馈电机连接，所述旋转座的第二端与所述主手剪切组件连接，所述旋转力反馈电机施加的阻力矩使所述旋转座、手腕的旋转运动受到与所述执行末端一致的阻力。

7.根据权利要求6所述的一种带力反馈主从操作手术机器人系统，其特征在于，所述主手剪切组件包括剪切力反馈电机、剪切座、握把以及控制扳机，所述剪切座与所述旋转座的第二端连接，所述握把与所述剪切座连接，所述剪切力反馈电机设置在所述剪切座上，所述控制扳机与所述剪切力反馈电机连接，所述控制扳机设置有环扣，所述剪切力反馈电机施加的阻力矩使所述剪切座、手指的动作受到与所述执行末端一致的阻力。

8.根据权利要求7所述的一种带力反馈主从操作手术机器人系统，其特征在于，所述控制扳机的旋转轴与所述主手俯仰组件的旋转轴平行设置，与所述主手旋转组件的旋转轴正交设置，以符合手部的操作习惯并使手腕进行俯仰以及剪切操作时顺畅。

9.根据权利要求1所述的一种带力反馈主从操作手术机器人系统，其特征在于，所述执行驱动电机包括偏航驱动电机、俯仰驱动电机、旋转驱动电机和剪切驱动电机，所述偏航驱动电机、所述俯仰驱动电机、所述旋转驱动电机以及所述剪切驱动电机与所述执行末端分别通过对应的钢丝连接，每个所述执行驱动电机均配置所述力矩传感器，以检测执行末端通过钢丝传递的人体组织产生的反力矩。