模拟显示辅助的控制系统以及手术机器人的制作方法

1.本公开涉及医疗器械领域，尤其涉及模拟显示辅助的控制系统以及手术机器人。


背景技术：

2.操作者在使用手术机器人进行操作的过程中，例如术前摆位过程中，需要通过交互界面进行操作，来操作手术机器人进行运动。为了顺利的进行手术，人机交互界面以及操作方式要相对简洁以及直观，不能影响操作，拖慢手术进度以及容易出现误操作的情况。


技术实现要素：

3.一种模拟显示辅助的控制系统，用于控制一个或多个机械臂的运动，所述控制系统包括：
4.操作模块，所述操作模块用于接收用于控制所述一个或多个机械臂的运动控制命令，所述机械臂包括一个或多个臂体、连接所述一个或多个臂体的一个或多个关节以及驱动所述一个或多个关节的一个或多个电机；
5.控制器，用于接收所述一个或多个机械臂中的一个或多个受控机械臂的一个或多个电机的电机位置信息，基于所述电机位置信息生成模拟显示信息，以及基于所述操作模块接收的运动控制命令生成用于驱动所述一个或多个电机的驱动控制信号；以及
6.显示模块，所述显示模块用于基于所述模拟显示信息，显示所述一个或多个机械臂的模拟姿态。
7.在一些实施例中，所述显示模块用于显示所述一个或多个机械臂的三维模型，并且基于所述一个或多个机械臂的三维模型，显示所述一个或多个机械臂的模拟姿态。
8.在一些实施例中，所述控制器包括：
9.电机控制模块，用于从所述一个或多个电机接收所述电机位置信息，以及基于所述驱动控制信号，控制所述一个或多个电机的运动；以及
10.中央控制模块，与所述电机控制模块通信连接，用于接收所述电机控制模块发送的所述电机位置信息，基于所述电机位置信息生成所述模拟显示信息，以及基于所述运动控制命令，生成所述驱动控制信号。
11.在一些实施例中，所述显示模块还用于接收调整所述一个或多个机械臂的模拟姿态的显示控制命令。
12.在一些实施例中，所述显示控制命令包括高亮、隐藏、缩放、平移、横向旋转、纵向旋转、斜向旋转中的一个或多个。
13.在一些实施例中，所述显示模块包括一个或多个按钮，所述按钮用于接收所述显示控制命令；和/或
14.所述显示模块用于接收用户手势以接收所述显示控制命令。
15.在一些实施例中，所述显示模块还用于显示多个用于指示受控机械臂运动方向的标记，所述运动方向包括上下方向、左右方向、前后方向、顺逆时针旋转和顺逆时针翻转中
的一个或多个。
16.在一些实施例中，所述显示模块还用于突出显示所述一个或多个机械臂中的受控机械臂或者受控关节。
17.在一些实施例中，所述显示模块还用于接收选择控制命令，所述选择控制命令指示选择所述一个或多个机械臂或者所述一个或多个机械臂的一个或多个关节中的一个以便被控制。
18.在一些实施例中，所述显示模块基于接收到的选择控制命令，显示用于指示调整所选择的一个或多个机械臂或者一个或多个关节的一个或多个显示控制命令的一个或多个信息或者接收调整所选择的一个或多个机械臂或者一个或多个关节的一个或多个显示控制命令的一个或多个按钮。
19.在一些实施例中，所述显示模块用于显示受控机械臂的移动距离、翻转角度或者旋转角度中的一个或多个。
20.在一些实施例中，所述电机控制模块用于以预定周期采集受控机械臂的所述一个或多个电机的转动圈数，所述中央控制模块用于基于所述一个或多个电机的转动圈数，计算所述受控机械臂在各个方向的移动距离或者旋转角度，生成所述模拟显示信息。
21.在一些实施例中，所述操作模块包括：
22.多个触控按钮，接收用于控制所述一个或多个机械臂运动模式的运动模式控制命令；和/或
23.多个机械按钮，包括：一个或多个运动按钮和一个或多个功能按钮，所述一个或多个运动按钮用于接收运动控制命令，并且所述一个或多个功能按钮用于接收运动步骤切换命令。
24.在一些实施例中，所述运动模式包括上下运动、左右运动、前后运动、顺逆时针旋转和顺逆时针翻转。
25.在一些实施例中，所述触控按钮包括以下中的一个或多个：
26.前运动按钮，用于接收控制受控机械臂向前运动的向前运动命令；以及
27.后运动按钮，用于接收控制受控机械臂向后运动的向后运动命令；以及
28.上运动按钮，用于接收控制受控机械臂向上运动的向上运动命令；以及
29.下运动按钮，用于接收控制受控机械臂向下运动的向下运动命令；以及
30.左运动按钮，用于接收控制受控机械臂向左运动的向左运动命令；以及
31.右运动按钮，用于接收控制受控机械臂向右运动的向右运动命令；以及
32.顺时针旋转按钮，用于接收控制受控机械臂顺时针旋转的顺时针旋转命令；以及
33.逆时针旋转按钮，用于接收控制受控机械臂逆时针旋转的逆时针旋转命令；以及
34.顺时针翻转按钮，用于接收控制受控机械臂顺时针翻转的顺时针翻转命令；以及
35.逆时针翻转按钮，用于接收控制受控机械臂逆时针翻转的逆时针翻转命令。
36.在一些实施例中，所述功能按钮包括步骤前进按钮和步骤后退按钮，所述步骤前进按钮用于接收运动步骤前进命令；以及所述步骤后退按钮用于接收运动步骤后退命令。
37.本公开还提供了一种手术机器人，包括：一个或多个机械臂；以及如上述任一项所述的模拟显示辅助的控制系统。
38.本公开的一些实施例能够带来有益的技术效果。例如，在一些实施例中，显示模块
可以实时显示机械臂的状态，便于操作者观察以及确认机械臂的姿态，以及在机械臂运动之前确认机械臂的运动是否正确，避免误操作。将按钮分为机械按钮和触控按钮，触控按钮将机械臂所有的运动模式列出，直观且便于选择。机械按钮中的运动按钮用于接收运动确认命令，将运动模式接收按钮和运动确认按钮设置成不同的操作模式，能够避免操作人员误触导致的机械臂运动。机械按钮中的步骤前进按钮和步骤后退按钮能够实现机械臂运动的步骤调整，避免操作过程中漏掉某一步操作或者便于某个步骤操作失误之后重新设置机械臂的姿态。
附图说明
39.为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对本公开实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。下面描述中的附图仅仅示出本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本公开实施例的内容和这些附图获得其他的实施例。
40.图1示出根据本公开一些实施例的模拟显示辅助的控制系统的结构框图；
41.图2示出根据本公开一些实施例的显示模块的结构框图；
42.图3示出根据本公开一些实施例的操作模块的结构框图；
43.图4示出根据本公开一些实施例的手术机器人的结构示意图。
具体实施方式
44.为使本公开解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本公开实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开示例性实施例，而不是全部的实施例。
45.图1示出根据本公开的一些实施例的模拟显示辅助的控制系统1000的结构框图。控制系统1000可以用于控制一个或多个机械臂的运动。如图1所示，控制系统1000 可以包括控制器1100、显示模块1200和操作模块1300。操作模块1300可以接收用于控制一个或多个机械臂1400的运动控制命令。应当理解，运动控制命令可以由操作者通过操作模块1300输入，操作模块1300可以包括，但不限于，键盘、按钮、话筒等。运动控制命令也可以由计算机自动输入。在一些实施例中，机械臂1400可以包括一个或多个臂体1410、连接一个或多个臂体的一个或多个关节1420以及驱动一个或多个关节的一个或多个电机1430。控制器1100可以用于接收一个或多个电机1430的电机位置信息，例如接收一个或多个受控机械臂的电机1430的电机位置信息，基于电机位置信息生成模拟显示信息，以及基于操作模块1300接收的运动控制命令生成用于驱动一个或多个电机1430的驱动控制信号。显示模块1200可以用于基于模拟显示信息，显示一个或多个机械臂1400的模拟姿态。操作者可以通过一个或多个机械臂1400的模拟姿态，观察以及确认机械臂1400的实际姿态，以及在机械臂1400运动之前确认机械臂1400的运动是否正确，以避免误操作。
46.在一些实施例中，如图1所示，控制器1100可以包括电机控制模块1110和中央控制模块1120。电机控制模块1110可以用于从一个或多个电机1430接收电机位置信息，以及基于驱动控制信号，控制一个或多个电机1430的运动。中央控制模块1120，可以与电机控制模块1110通信连接，用于接收电机控制模块1110发送的电机位置信息，基于电机位置信息生
成模拟显示信息，以及基于运动控制命令，生成驱动控制信号。在一些实施例中，电机控制模块1110可以位于机械臂1400上。
47.在一些实施例中，电机控制模块1110可以采集一个或多个电机1430的转动圈数，中央控制模块1120可以用于基于一个或多个电机1430的转动圈数，计算受控机械臂 1400在各个方向的移动距离或者旋转角度，生成模拟显示信息。中央控制模块1120 可以将模拟显示信息发送至显示模块1200。显示模块1200可以基于接收到的模拟显示信息，显示一个或多个机械臂1400的模拟姿态。在一些实施例中，电机控制模块 1110可以用于以预定周期(例如，预定周期可以包括，但不限于，30ms，100ms)采集一个或多个电机1430的转动圈数，以便于中央控制模块1120实时计算一个或多个受控机械臂1400在各个方向的移动距离或者旋转角度，以实时显示一个或多个机械臂 1400的模拟姿态。在一些实施例中，显示模块1200可以用于基于模拟显示信息，显示一个或多个机械臂1400的三维模型1210，并基于一个或多个机械臂1400的三维模型1210，显示一个或多个机械臂1400的模拟姿态。三维模型1210可以是一个或多个机械臂1400的模拟图像、当前受控机械臂1400的模拟图像、或者包括一个或多个机械臂1400的手术机器人(例如，手术机器人3000)的模拟图像。通过显示不同状态的机械臂1400的模拟姿态，以显示机械臂1400的运动状态。应当理解，显示模块1200 可以包括显示屏、触控屏、投影显示界面等。
48.在一些实施例中，显示模块1200还可以用于接收调整一个或多个机械臂1400的模拟姿态的显示控制命令。应当理解，显示控制命令可以包括高亮、隐藏、缩放、平移、横向旋转、纵向旋转、斜向旋转中的一个或多个。图2示出根据本公开一些实施例的显示模块1200的结构框图。在一些实施例中，如图2所示，显示模块1200可以包括一个或多个按钮1220，按钮1220用于接收显示控制命令。应当理解，按钮1220 可以为界面触摸式按钮，也可以为手动按压式按钮。应当理解，按钮1220的数量可以与显示控制命令对应。在一些实施例中，按钮1220可以包括缩放按钮1221、平移按钮1222、横向旋转按钮1223、纵向旋转按钮1224、斜向旋转按钮1225。在一些实施例中，显示模块1200可以通过按钮1220接收用户手势以接收显示控制命令，以控制机械臂1400的三维模型1210进行相应动作的显示控制命令，例如缩放、平移、旋转等，从而便于任意角度地观察机械臂1400的三维模型1210的整体姿态或者局部情况。在一些实施例中，如图2所示，显示模块1200还可以包括滑动按钮1226，滑动按钮 1226可以用于控制机械臂1400的三维模型1210缩放的程度、在横向顺、逆时针旋转的角度、纵向顺、逆时针旋转的角度等。显示模块1200还可以用于显示多个用于指示一个或多个机械臂1400运动方向的标记，例如箭头。应当理解，机械臂1400的运动方向可以包括上下方向、左右方向、前后方向、顺逆时针旋转和顺逆时针翻转中的一个或多个。通过箭头可以更加直观的显示机械臂的运动方向，方便操作者进行操作。
49.在一些实施例中，显示模块1200还可以用于突出显示(例如，高亮显示)一个或多个机械臂1400中的受控机械臂或者受控关节。在一些实施例中，显示模块1200还用于接收选择控制命令，选择控制命令指示选择一个或多个机械臂或者一个或多个机械臂的一个或多个关节中的一个或多个，以便被控制。应当理解，显示模块1200可以通过高亮显示或者不同颜色区分，以显示受控机械臂或者受控关节或者被选中的机械臂或被选中的关节。例如，一个或多个机械臂1400的三维模型1210可以为灰色，在机械臂1400或关节被选中或者受控，可以由灰色变为高亮，也可以由灰色变为其他不同于灰色的颜色，以便于操作者快速直
观地确定所选择的机械臂或关节是否准确，或者便于观察受控机械臂或受控关节是否正常运行。
50.在一些实施例中，显示模块1200可以基于接收到的选择控制命令，显示用于指示调整所选择的一个或多个机械臂或一个或多个关节的一个或多个显示控制命令的一个或多个信息或者接收调整所选择的一个或者多个机械臂或者一个或多个关节的一个或多个显示控制命令的一个或多个按钮。例如，该一个或多个信息或者一个或多个按钮可以包括显示高亮、隐藏、缩放、平移、横向旋转、纵向旋转、斜向旋转中的一个或多个。例如，显示模块1200基于选择控制命令，显示被选中的一个或多个机械臂或关节，以及显示用于指示调整所选中的机械臂或关节的多个显示控制命令的一个或多个信息或一个或多个按钮，以便于操作者基于显示控制命令对选中的机械臂或关节进行高亮、隐藏、缩放、平移、横向旋转、纵向旋转、斜向旋转中的一个或多个操作。在一些实施例中，显示模块1200还可以用于显示一个或多个机械臂1400的移动距离、翻转角度或者旋转角度中的一个或多个。例如，显示模块1200可以基于中央控制模块 1120发出的指示显示的控制命令显示机械臂1400在各个方向的移动距离或者旋转角度的具体数值。
51.图3示出根据本公开一些实施例的操作模块1300的结构框图。在一些实施例中，如图3所示，操作模块1300可以包括多个触控按钮1310和/或多个机械按钮1320。触控按钮1310可以接收用于控制机械臂运动模式的运动模式控制命令。机械按钮1320 可以包括一个或多个运动按钮1311和一个或多个功能按钮1312。运动按钮1311可以用于接收运动控制命令，功能按钮1312可以用于接收运动步骤切换命令。在实际操作中，控制机械臂1400运动至指定的位置时，机械臂1400会经历多个运动步骤的过程。功能按钮1312可以用于控制不同运动步骤之间的切换。应当理解，运动按钮1311可以接收运动控制命令以及确认机械臂1400的运动。在一些实施例中，运动按钮1311 可以包括用于接收运动控制命令的接收按钮和确认机械臂1400运动的确认按钮。通过将接收按钮和确认按钮分开设置，可以避免操作人员误触导致的机械臂运动。应当理解操作者可以通过操作不同的运动按钮1311，以控制机械臂向上下方向、左右方向、前后方向、顺逆时针旋转或翻转等。在一些实施例中，多个触控按钮1310可以显示在显示模块1200上。
52.在一些实施例中，显示模块可以用于报警显示和/或进度显示。应当理解，报警显示可以用于基于控制器1100(例如电机控制模块1110和中央控制模块1120)发出的一个或多个报错信息，并在显示模块1200上显示一个或多个报错信息。例如，在操作步骤遗漏、出现误操作或者出现故障时，显示模块1200上可以显示对应的报错信息，以便于操作者快速发现问题并及时解决。进度显示可以用于基于控制器1100(例如中央控制模块1120)发出的当前步骤完成信息，并在显示模块1200上显示当前步骤的完成进度。例如，在当前步骤完成30％时，显示模块1200上显示完成进度为30％，在当前步骤完成时，显示模块1200上显示完成进度为100％，这样，可以便于操作者更加直观地知道每个步骤的完成进度。
53.在一些实施例中，如图3所示，功能按钮1312可以包括步骤前进按钮1312a和步骤后退按钮1312b。步骤前进按钮1312a可以用于接收运动步骤前进命令，步骤后退按钮1312ba用于接收运动步骤后退命令。在实际操作中，控制机械臂1400运动至指定的位置时，机械臂1400会经历多个步骤的运动过程。机械按钮1310中的步骤前进按钮1312a和步骤后退按钮1312b能够实现机械臂1400运动过程中的步骤调整。通过操作不同的功能按钮1312，
可以实现操作过程中各步骤的前进或者后退，以实现机械臂1400运动过程中的步骤调整，以便于在当前步骤操出现不期望的误操作或者遗漏某个操作步骤时，操作者可以通过步骤后退按钮1312b返回到上一个步骤，重新设置机械臂的姿态。或者在当前步骤操作完毕后，操作者可以通过步骤前进按钮1312a，进入下一个步骤。应当理解，在当前步骤操作完毕后，也可以自动进入下一个步骤。
54.在一些实施例中，运动模式可以包括上下运动、左右运动、前后运动、顺逆时针旋转和顺逆时针翻转。应当理解，每个触控按钮1310可以分别对应一个运动模式。在一些实施例中，如图3所示，触控按钮1310可以包括以下中的一个或多个：前运动按钮1311a、后运动按钮1311b、上运动按钮1312a、下运动按钮1312b、左运动按钮1313a、右运动按钮1313b、顺时针旋转按钮1314a、逆时针旋转按钮1314b、顺时针翻转按钮 1315a和逆时针翻转按钮1315b。应当理解，前运动按钮1311a可以用于接收控制受控机械臂1400向前运动的向前运动命令，后运动按钮1311b可以用于接收控制受控机械臂1400向后运动的向后运动命令，上运动1312a可以用于接收控制受控机械臂1400 向上运动的向上运动命令，下运动按钮1312b可以用于接收控制受控机械臂1400向下运动的向下运动命令，左运动按钮1313a可以用于接收控制受控机械臂1400向左运动的向左运动命令，右运动按钮1313b可以用于接收控制受控机械臂1400向右运动的向右运动命令，顺时针旋转按钮1314a可以用于接收控制受控机械臂1400顺时针旋转的顺时针旋转命令，逆时针旋转按钮1314b可以用于接收控制受控机械臂1400逆时针旋转的逆时针旋转命令，顺时针翻转按钮1315a可以用于接收控制受控机械臂1400顺时针翻转的顺时针翻转命令，逆时针翻转按钮1315b可以用于接收控制受控机械臂1400 逆时针翻转的逆时针翻转命令。通过触控按钮1310将机械臂所有的运动模式列出，可以更直观且便于操作者选择。
55.图4示出根据本公开一些实施例的手术机器人3000的结构示意图。在一些实施例中，如图4所示，手术机器人3000可以包括一个或多个机械臂3400以及上述任意实施例中的模拟显示辅助的控制系统1000。如图4所示，手术机器人3000可以包括4 个机械臂3400。在一些实施例中，手术机器人3000可以包括基座3500，一个或多个机械臂3400可以设置在基座3500上。各机械臂3400可以分别具有对应的电机控制模块1110或者共用电机控制模块1110。显示模块1200可以为触控屏3200。应当理解，触控屏3200可以单独设置。或者触控屏3200可以设置在基座3500上，如图4所示，设置在基座3500背离机械臂3400的一侧。在一些实施例中，触控屏3200上可以显示机械臂3400的三维模型(例如图2所示的三维模型1210)，用于对机械臂3400进行运动显示。
56.在一些实施例中，触控屏3200可以包括按钮1220。在一些实施例中，触控屏3200 也可以包括触控按钮1310。应当理解，操作模块1300的触控按钮1310可以设置在触控屏3200上。或者，触控按钮1310也可以设置在手术机器人3000的其他位置，例如可以设置在基座3500的触控面板(图中未示)上等。
57.在一些实施例中，操作模块1300的机械按钮1320可以设置在手术机器人3000 的基座3500的侧壁上，例如可以设置在靠近手术台的一侧(图中未示出)，机械按钮 1320可以包括运动按钮1311、步骤前进按钮1312a和步骤后退按钮1312b，为了便于用户区分，步骤前进按钮1312a和步骤后退按钮1312b可以设置在运动按钮1311d的两侧。
58.在本公开的描述中，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公开和简化描述，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公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
59.在本公开的描述中，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”、“耦合”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；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，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。在本公开中，定义靠近操作者(例如医生)的一端为近端、近部或后端、后部，靠近手术患者的一端为远端、远部或前端、前部。本领域技术人员可以理解，本公开的实施例可以用于医疗器械或手术机器人，也可以用于其他非医疗装置。
60.注意，上述仅为本公开的示例性实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本公开不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本公开的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本公开进行了较为详细的说明，但是本公开不仅仅限于以上实施例，在不脱离本公开构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本公开的范围由所附的权利要求范围决定。