本發(fā)明涉及醫(yī)療器械領(lǐng)域，尤其涉及一種醫(yī)療用遠(yuǎn)程控制裝置。

背景技術(shù)：

醫(yī)用機(jī)器人，是指用于醫(yī)院、診所的醫(yī)療或輔助醫(yī)療的機(jī)器人。是一種智能型服務(wù)機(jī)器人，它能獨(dú)自編制操作計(jì)劃，依據(jù)實(shí)際情況確定動作程序，然后把動作變?yōu)椴僮鳈C(jī)構(gòu)的運(yùn)動。其包括了多種類型：

醫(yī)用機(jī)器人，可識別周圍情況及自身——機(jī)器人的意識和自我意識)，從事醫(yī)療或輔助醫(yī)療等工作。

運(yùn)送藥品機(jī)器人，可代替護(hù)士送飯、送病例和化驗(yàn)單等，較為著名的有美國trc公司的helpmate機(jī)器人。

移動病人機(jī)器人，主要幫助護(hù)士移動或運(yùn)送癱瘓、和行動不便的病人，如英國的pam機(jī)器人；

外科手術(shù)機(jī)器人和診斷與治療機(jī)器人，可以進(jìn)行精確的外科手術(shù)或診斷，如日本的wapru－4胸部腫瘤診斷機(jī)器人；美國科學(xué)家正在研發(fā)一種手術(shù)機(jī)器人“達(dá)·芬奇系統(tǒng)”，這種手術(shù)機(jī)器人得到了美國食品和藥物管理局認(rèn)證。

美國醫(yī)用機(jī)器人還將被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。2005年，美國軍方投資1200萬美元研究“戰(zhàn)地外傷處理系統(tǒng)”。這套機(jī)器人裝置被安放在坦克和裝甲車輛中，戰(zhàn)時(shí)通過醫(yī)生從總部傳來的指令，機(jī)器人可以對傷者進(jìn)行簡單手術(shù)，穩(wěn)定其傷情等待救援。

康復(fù)機(jī)器人，可以幫助殘疾人恢復(fù)獨(dú)立生活能力，如美國的prabcommand系統(tǒng)。

護(hù)理機(jī)器人，能用來分擔(dān)護(hù)理人員繁重瑣碎的護(hù)理工作。新研制的護(hù)理機(jī)器人將幫助醫(yī)護(hù)人員確認(rèn)病人的身份，并準(zhǔn)確無誤地分發(fā)所需藥品。將來，護(hù)理機(jī)器人還可以檢查病人體溫、清理病房，甚至通過視頻傳輸幫助醫(yī)生及時(shí)了解病人病情。

由上述可知，醫(yī)療機(jī)器人種類繁多，用途甚廣，本發(fā)明結(jié)合多年科研成果提供一種醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的醫(yī)療用遠(yuǎn)程控制裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種醫(yī)療用遠(yuǎn)程控制裝置。

本發(fā)明是以如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種醫(yī)療用遠(yuǎn)程控制裝置，所述裝置包括用于感知用戶操作的感知機(jī)械臂、響應(yīng)于用戶操作而運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)械臂和與所述感知機(jī)械臂以及所述執(zhí)行機(jī)械臂均通訊連接的控制模塊；在所述感知機(jī)械臂和所述執(zhí)行機(jī)械臂的末端分別設(shè)置有感知末端執(zhí)行器和執(zhí)行末端執(zhí)行器。

進(jìn)一步地，所述感知機(jī)械臂上設(shè)置有用于獲取驅(qū)動所述感知機(jī)械臂的運(yùn)動指令和獲取所述感知機(jī)械臂姿態(tài)的第一感知模塊，所述執(zhí)行機(jī)械臂上設(shè)置有用于獲取所述執(zhí)行機(jī)械臂的姿態(tài)的第二感知模塊，所述第一感知模塊和所述第二感知模塊均與所述控制模塊通訊連接；

所述感知機(jī)械臂上設(shè)置有用于獲取驅(qū)動所述感知機(jī)械臂的運(yùn)動指令的第一控制器，所述執(zhí)行機(jī)械臂上設(shè)置有控制所述執(zhí)行機(jī)械臂運(yùn)動的第二控制器，所述第一控制器與第一感知模塊通訊連接；所述第二控制器與所述控制模塊通訊連接；

所述控制模塊通過獲取感知機(jī)械臂的姿態(tài)與所述執(zhí)行機(jī)械臂的姿態(tài)得到所述執(zhí)行機(jī)械臂相對于所述感知機(jī)械臂的姿態(tài)差，根據(jù)所述姿態(tài)差控制所述執(zhí)行機(jī)械臂的運(yùn)動以使得所述執(zhí)行機(jī)械臂達(dá)到與所述感知機(jī)械臂相同的姿態(tài)；

所述第一感知模塊和所述第二感知模塊上分別設(shè)置有第一力傳感器和第二力傳感器，所述控制模塊還通過比較第一力傳感器和第二力傳感器產(chǎn)生的信號差來控制感知機(jī)械臂的運(yùn)動；

所述控制模塊還將獲取到的驅(qū)動所述感知機(jī)械臂的運(yùn)動指令進(jìn)行記錄用于在后續(xù)的控制過程中能夠脫離用戶操作而自主使用所述運(yùn)動指令生成的記錄控制執(zhí)行機(jī)械臂重現(xiàn)之間進(jìn)行過的運(yùn)動。

進(jìn)一步地，所述控制模塊按照下述控制策略控制感知機(jī)械臂和執(zhí)行機(jī)械臂的運(yùn)動：

所述感知機(jī)械臂的控制策略遵循公式其中τm＝kf(fm-fs)，具體地，f0為操作者是加給感知機(jī)械臂的操縱力的向量；fm為第一感知模塊力傳感器所受的力向量；fs為第二感知模塊上力傳感器所受的力向量；τm為驅(qū)動感知機(jī)械臂的力向量；mm為感知機(jī)械臂的質(zhì)量矩陣；bm為感知機(jī)械臂的阻尼矩陣；xm為感知機(jī)械臂的姿態(tài)；kf為力增益矩陣；km為感知機(jī)械臂的剛度矩陣；

所述執(zhí)行機(jī)械臂的控制策略遵循公式其中，τs＝ka(xm-xs)+kv(xm-xs)+kp(xm-xs)，具體地，fe為執(zhí)行機(jī)械臂與周圍環(huán)境之間的作用力向量，τs為驅(qū)動執(zhí)行機(jī)械臂的力向量；ms為執(zhí)行機(jī)械臂質(zhì)量矩陣；bs為執(zhí)行機(jī)械臂的阻尼矩陣；xs為執(zhí)行機(jī)械臂的姿態(tài)；kv為執(zhí)行機(jī)械臂的速度增益矩陣；kp為執(zhí)行機(jī)械臂的位置增益矩陣；ka為執(zhí)行機(jī)械臂的加速度增益矩陣。

進(jìn)一步地，所述感知機(jī)械臂包括第一基座，所述第一基座與第一轉(zhuǎn)動副連接，所述第一轉(zhuǎn)動副和第一連接臂的一端連接，所述第一連接臂的另一端與第一移動副連接；所述第一移動副還與第二連接臂的一端連接；所述第二連接臂的另一端與第二轉(zhuǎn)動副連接，所述第二轉(zhuǎn)動副還與第三連接臂連接；所述第一控制器包括控制第一轉(zhuǎn)動副的第一主轉(zhuǎn)動控制器、控制第二轉(zhuǎn)動副的第一從轉(zhuǎn)動控制器和控制第一移動副的第一移動控制器；

所述第一控制器響應(yīng)于所述感知機(jī)械臂產(chǎn)生的運(yùn)動，根據(jù)所述運(yùn)動生成所述運(yùn)動對應(yīng)的運(yùn)動控制信號，并將所述運(yùn)動信號傳輸至第一感知模塊以使得第一感知模塊將所述運(yùn)動信號傳輸至控制模塊；

所述執(zhí)行機(jī)械臂包括第二基座，所第二述基座與第三轉(zhuǎn)動副連接，所述第三轉(zhuǎn)動副和第四連接臂的一端連接，所述第四連接臂的另一端與第二移動副連接；所述第二移動副還與第五連接臂的一端連接；所述第五連接臂的另一端與第四轉(zhuǎn)動副連接，所述第四轉(zhuǎn)動副還與第六連接臂連接；所述第二控制器包括控制第三轉(zhuǎn)動副的第二主轉(zhuǎn)動控制器、控制第四轉(zhuǎn)動副的第二從轉(zhuǎn)動控制器和控制第二移動副的第二移動控制器。

進(jìn)一步地，所述第一感知模塊與所述第二感知模塊均由絕對編碼器構(gòu)成。

進(jìn)一步地，所述醫(yī)療用遠(yuǎn)程控制裝置還包括視覺模塊，所述視覺模塊與所述控制模塊通訊連接；

所述視覺模塊包括第一ccd攝像頭、第二ccd攝像頭、第三ccd攝像頭、第一攝像器和第二攝像器；

所述第一ccd攝像頭安裝于手術(shù)顯微鏡附加的弧形導(dǎo)軌上以實(shí)現(xiàn)手術(shù)全局視場圖像的采集；

所述第二ccd攝像頭和所述第三ccd攝像頭分別用于實(shí)現(xiàn)手術(shù)局域局部視場圖像的采集；

第一攝像器與手術(shù)顯微鏡的輸出光路相連，直接對顯微手術(shù)微操作區(qū)域進(jìn)行攝像，第二攝像器安裝在副顯微鏡的附加弧形導(dǎo)軌上，與副顯微鏡成一定角度，所述第二攝像器前端安裝有一放大鏡，所述第二攝像器與所述副顯微鏡協(xié)同獲取手術(shù)工作區(qū)域下物體的立體圖像的采集。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提供一種醫(yī)療用遠(yuǎn)程控制裝置，首先提供了監(jiān)控全局和局部的視覺模塊，進(jìn)一步地，提供了對于感知機(jī)械臂和執(zhí)行機(jī)械臂的控制策略，所述控制策略能夠使得所述控制裝置對其機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)基于力傳感器的非對稱控制。所述非對稱控制對于其機(jī)械臂的傳動裝置的要求都可降低并且使得裝置整體的慣性和時(shí)間常數(shù)變小，以保證有較好的動態(tài)響應(yīng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種醫(yī)療用遠(yuǎn)程控制裝置框圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的反饋結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的視覺模塊工作示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

本發(fā)明實(shí)施例如圖1所示，提供了一種醫(yī)療用遠(yuǎn)程控制裝置，所述裝置包括用于感知用戶操作的感知機(jī)械臂、響應(yīng)于用戶操作而運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)械臂和與所述感知機(jī)械臂以及所述執(zhí)行機(jī)械臂均通訊連接的控制模塊；在所述感知機(jī)械臂和所述執(zhí)行機(jī)械臂的末端分別設(shè)置有感知末端執(zhí)行器和執(zhí)行末端執(zhí)行器。具體地，所述控制模塊還與預(yù)設(shè)的顯示器以及輸入控制器相連用以接收用戶發(fā)布的控制指令以及向用戶顯示希望被顯示的信息。

在本發(fā)明實(shí)施例中，感知機(jī)械臂和執(zhí)行機(jī)械臂間通過所述控制模塊可傳遞下述三種信息：

(1)周期性數(shù)據(jù)包括感知機(jī)械臂發(fā)給控制模塊的指令、執(zhí)行機(jī)械臂反饋給控制模塊的信息等；

(2)實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包括安全檢測信號和事件信號，當(dāng)執(zhí)行機(jī)械臂處于危險(xiǎn)或不是期望的狀態(tài)時(shí)，這些信息就以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)方式反饋給控制模塊；

(3)非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)包括運(yùn)行時(shí)間、歷史記錄等。其中周期性與實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)對實(shí)時(shí)性的要求較高。

在下面的描述中，本發(fā)明實(shí)施例通過提供反饋控制策略以及非對稱控制方法減少裝置固有的時(shí)間延遲已達(dá)到周期性與實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)對實(shí)時(shí)性的要求。

具體地，本發(fā)明實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了反饋控制，其反饋控制所基于的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，所述感知機(jī)械臂上設(shè)置有用于獲取驅(qū)動所述感知機(jī)械臂的運(yùn)動指令和獲取所述感知機(jī)械臂姿態(tài)的第一感知模塊，所述執(zhí)行機(jī)械臂上設(shè)置有用于獲取所述執(zhí)行機(jī)械臂的姿態(tài)的第二感知模塊，所述第一感知模塊和所述第二感知模塊均與所述控制模塊通訊連接；

所述感知機(jī)械臂上設(shè)置有用于獲取驅(qū)動所述感知機(jī)械臂的運(yùn)動指令的第一控制器，所述執(zhí)行機(jī)械臂上設(shè)置有控制所述執(zhí)行機(jī)械臂運(yùn)動的第二控制器，所述第一控制器與第一感知模塊通訊連接；所述第二控制器與所述控制模塊通訊連接；進(jìn)一步地，所述第一控制器也能響應(yīng)于控制模塊的指令驅(qū)動感知機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動。

所述控制模塊通過獲取感知機(jī)械臂的姿態(tài)與所述執(zhí)行機(jī)械臂的姿態(tài)得到所述執(zhí)行機(jī)械臂相對于所述感知機(jī)械臂的姿態(tài)差，根據(jù)所述姿態(tài)差控制第二控制器，第二控制器驅(qū)動所述執(zhí)行機(jī)械臂運(yùn)動以使得所述執(zhí)行機(jī)械臂達(dá)到與所述感知機(jī)械臂相同的姿態(tài)；

所述第一感知模塊和所述第二感知模塊上分別設(shè)置有第一力傳感器和第二力傳感器，所述控制模塊還通過比較第一力傳感器和第二力傳感器產(chǎn)生的信號差來控制感知機(jī)械臂的運(yùn)動；

所述控制模塊還將獲取到的驅(qū)動所述感知機(jī)械臂的運(yùn)動指令進(jìn)行記錄用于在后續(xù)的控制過程中能夠脫離用戶操作而自主使用所述運(yùn)動指令生成的記錄控制執(zhí)行機(jī)械臂重現(xiàn)之間進(jìn)行過的運(yùn)動。

具體地，所述控制模塊為所述裝置的核心部件，其綜合實(shí)現(xiàn)下述功能：

實(shí)時(shí)獲取感知機(jī)械臂和執(zhí)行機(jī)械臂的動力學(xué)信息，并對動力學(xué)信息進(jìn)行綜合處理以及傳遞；根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略控制感知機(jī)械臂和執(zhí)行機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動。

進(jìn)一步地，在第一感知模塊和所述第二感知模塊上還分別設(shè)置有光電編碼器用于檢測感知機(jī)械臂和執(zhí)行機(jī)械臂的轉(zhuǎn)角。

在一個(gè)可行的實(shí)施例中，所述醫(yī)療用遠(yuǎn)程控制裝置被用于遠(yuǎn)程手術(shù)，所述醫(yī)療用遠(yuǎn)程控制裝置還包括視覺模塊，所述視覺模塊與所述控制模塊通訊連接；所述控制模塊將所述視覺模塊感知的數(shù)據(jù)整合，并在預(yù)設(shè)的顯示器中分屏顯示所述數(shù)據(jù)對應(yīng)的圖像。具體地，可分為兩個(gè)屏幕顯示，一個(gè)顯示全局圖像，一個(gè)顯示局部圖像。

如圖3所示，所述視覺模塊包括第一ccd攝像頭、第二ccd攝像頭、第三ccd攝像頭、第一攝像器和第二攝像器；

所述第一ccd攝像頭安裝于手術(shù)顯微鏡附加的弧形導(dǎo)軌上以實(shí)現(xiàn)手術(shù)全局視場圖像的采集；

所述第二ccd攝像頭和所述第三ccd攝像頭分別用于實(shí)現(xiàn)手術(shù)局域局部視場圖像的采集；

第一攝像器與手術(shù)顯微鏡的輸出光路相連，直接對顯微手術(shù)微操作區(qū)域進(jìn)行攝像，第二攝像器安裝在副顯微鏡的附加弧形導(dǎo)軌上，與副顯微鏡成一定角度，所述第二攝像器前端安裝有一放大鏡，所述第二攝像器與所述副顯微鏡協(xié)同獲取手術(shù)工作區(qū)域下物體的立體圖像的采集。

具體地，所述控制模塊按照預(yù)設(shè)的能夠感知力反射的非對稱控制策略控制控制感知機(jī)械臂和執(zhí)行機(jī)械臂的運(yùn)動，所述能夠感知力反射的非對稱控制策略包括：

(1)所述感知機(jī)械臂的控制策略遵循公式其中τm＝kf(fm-fs)，具體地，f0為操作者是加給感知機(jī)械臂的操縱力的向量；fm為第一感知模塊力傳感器所受的力向量；fs為第二感知模塊上力傳感器所受的力向量；τm為驅(qū)動感知機(jī)械臂的力向量；mm為感知機(jī)械臂的質(zhì)量矩陣；bm為感知機(jī)械臂的阻尼矩陣；xm為感知機(jī)械臂的姿態(tài)；kf為力增益矩陣；km為感知機(jī)械臂的剛度矩陣；

(2)所述執(zhí)行機(jī)械臂的控制策略遵循公式其中，τs＝ka(xm-xs)+kv(xm-xs)+kp(xm-xs)，具體地，fe為執(zhí)行機(jī)械臂與周圍環(huán)境之間的作用力向量，τs為驅(qū)動執(zhí)行機(jī)械臂的力向量；ms為執(zhí)行機(jī)械臂質(zhì)量矩陣；bs為執(zhí)行機(jī)械臂的阻尼矩陣；xs為執(zhí)行機(jī)械臂的姿態(tài)；kv為執(zhí)行機(jī)械臂的速度增益矩陣；kp為執(zhí)行機(jī)械臂的位置增益矩陣；ka為執(zhí)行機(jī)械臂的加速度增益矩陣；ks為執(zhí)行機(jī)械臂的剛度矩陣；

(3)對于執(zhí)行機(jī)械臂與周圍環(huán)境之間的作用力向量，滿足下述公式：其中xe＝-xs，具體地，me為環(huán)境質(zhì)量矩陣，be為環(huán)境阻尼矩陣，xe為環(huán)境位置向量，ke為環(huán)境剛度矩陣。

具體地，在一個(gè)可行的實(shí)施例中，兩個(gè)機(jī)械臂的具體結(jié)構(gòu)如下：

所述感知機(jī)械臂包括第一基座，所述第一基座與第一轉(zhuǎn)動副連接，所述第一轉(zhuǎn)動副和第一連接臂的一端連接，所述第一連接臂的另一端與第一移動副連接；所述第一移動副還與第二連接臂的一端連接；所述第二連接臂的另一端與第二轉(zhuǎn)動副連接，所述第二轉(zhuǎn)動副還與第三連接臂連接；所述第一控制器包括控制第一轉(zhuǎn)動副的第一主轉(zhuǎn)動控制器、控制第二轉(zhuǎn)動副的第一從轉(zhuǎn)動控制器和控制第一移動副的第一移動控制器；

所述第一控制器響應(yīng)于所述感知機(jī)械臂產(chǎn)生的運(yùn)動，根據(jù)所述運(yùn)動生成所述運(yùn)動對應(yīng)的運(yùn)動控制信號，并將所述運(yùn)動信號傳輸至第一感知模塊以使得第一感知模塊將所述運(yùn)動信號傳輸至控制模塊；

所述執(zhí)行機(jī)械臂包括第二基座，所第二述基座與第三轉(zhuǎn)動副連接，所述第三轉(zhuǎn)動副和第四連接臂的一端連接，所述第四連接臂的另一端與第二移動副連接；所述第二移動副還與第五連接臂的一端連接；所述第五連接臂的另一端與第四轉(zhuǎn)動副連接，所述第四轉(zhuǎn)動副還與第六連接臂連接；所述第二控制器包括控制第三轉(zhuǎn)動副的第二主轉(zhuǎn)動控制器、控制第四轉(zhuǎn)動副的第二從轉(zhuǎn)動控制器和控制第二移動副的第二移動控制器。

以上所揭露的僅為本發(fā)明較佳實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。