医疗用精准定位控制装置的制作方法

本实用新型涉及医疗器械领域，尤其涉及医疗用精准定位控制装置。

背景技术：

医用机器人，是指用于医院、诊所的医疗或辅助医疗的机器人。是一种智能型服务机器人，它能独自编制操作计划，依据实际情况确定动作程序，然后把动作变为操作机构的运动。其包括了多种类型：

医用机器人，可识别周围情况及自身——机器人的意识和自我意识)，从事医疗或辅助医疗等工作。

运送药品机器人，可代替护士送饭、送病例和化验单等，较为著名的有美国TRC公司的Help Mate机器人。

移动病人机器人，主要帮助护士移动或运送瘫痪、和行动不便的病人，如英国的PAM机器人；

外科手术机器人和诊断与治疗机器人，可以进行精确的外科手术或诊断，如日本的WAPRU－4胸部肿瘤诊断机器人；美国科学家正在研发一种手术机器人“达·芬奇系统”，这种手术机器人得到了美国食品和药物管理局认证。

美国医用机器人还将被应用于军事领域。2005年，美国军方投资1200万美元研究“战地外伤处理系统”。这套机器人装置被安放在坦克和装甲车辆中，战时通过医生从总部传来的指令，机器人可以对伤者进行简单手术，稳定其伤情等待救援。

康复机器人，可以帮助残疾人恢复独立生活能力，如美国的Prab Command系统。

护理机器人，能用来分担护理人员繁重琐碎的护理工作。新研制的护理机器人将帮助医护人员确认病人的身份，并准确无误地分发所需药品。 将来，护理机器人还可以检查病人体温、清理病房，甚至通过视频传输帮助医生及时了解病人病情。

由上述可知，医疗机器人种类繁多，用途甚广，本实用新型结合多年科研成果提供一种医疗机器人领域的医疗用精准定位控制装置。

技术实现要素：

本实用新型提供一种医疗用远程控制装置。

本实用新型是以如下技术方案实现的：

医疗用精准定位控制装置，所述装置包括：所述装置包括用于感知用户操作的感知机械臂、响应于用户操作而运动的执行机械臂、用于观察手术情形的视觉模块、显示器、输入控制器和综合控制模块，所述感知机械臂、执行机械臂、视觉模块、显示器和输入控制器均与所述综合控制模块通讯连接；所述视觉模块与所述显示器通讯连接；在所述感知机械臂和所述执行机械臂的末端分别设置有第一末端执行器和第二末端执行器。

进一步地，所述视觉模块包括CCD摄像头、精准定位用球机、精准定位用枪机、主显微用摄像模块和副显微用摄像模块；所述视觉模块还包括精准定位控制器和立体图像生成器，所述精准定位用球机和精准定位用枪机均与所述精准定位控制器通讯连接，所述主显微用摄像模块和副显微用摄像模块均与所述立体图像生成器通讯连接。

进一步地，所述CCD摄像头安装于主显微镜附加的弧形导轨上以实现手术全局视场图像的采集；

所述精准定位用球机用于拍摄手术全景，并将拍摄到的图像传输至精准定位控制器以使得所述精准定位控制器能够获取所述第二末端执行器所在具体位置；

所述精准定位用枪机用于获取所述第二末端执行器所在具体位置，根据所述具体位置调整姿态拍摄所述第二末端执行器的工作场景；

所述CCD摄像头和所述精准定位用枪机采集到的数据被传输至所述显示器以图像形式进行显示；

所述主显微用摄像模块包括主显微摄像机和第一放大镜，所述主显微 摄像机与主显微镜的输出光路相连，所述主显微摄像机得到的图像经过所述第一放大镜被输出值所述立体图像生成器；

所述副显微用摄像模块包括副显微摄像机和第二放大镜，所述副显微摄像机与副显微镜的输出光路相连，所述副显微摄像机得到的图像经过所述第二放大镜被输出值所述立体图像生成器；

所述立体图像生成器根据所述主显微用摄像模块和副显微用摄像模块输出的数据生成立体图像，并将所述立体图像传输至显示器。

进一步地，所述精准定位控制器包括：

获取模块，用于获取所述精准定位用球机拍摄到的图像；

预处理模块，用于对所述图像进行灰度变换和中值滤波；

图像分割模块，用于进行图像分割得到第二末端执行器所在区域；

目标点获取模块，用于在所述得到的得到第二末端执行器所在区域定位第二末端执行器中心的具体位置；

姿态调整指令处理模块，根据所述具体位置生成姿态调整指令，并将所述姿态调整指令传输至所述精准定位用枪机。

进一步地，所述感知机械臂上设置有用于获取驱动所述感知机械臂的运动指令和获取所述感知机械臂姿态的第一感知模块，所述执行机械臂上设置有用于获取所述执行机械臂的姿态的第二感知模块，所述第一感知模块和所述第二感知模块均与所述控制模块通讯连接；

所述感知机械臂上设置有用于获取驱动所述感知机械臂的运动指令的第一控制器，所述执行机械臂上设置有控制所述执行机械臂运动的第二控制器，所述第一控制器与第一感知模块通讯连接；所述第二控制器与所述控制模块通讯连接；所述第一控制器还能够响应于控制模块的指令驱动感知机械臂进行运动；

所述控制模块通过获取感知机械臂的姿态与所述执行机械臂的姿态得到所述执行机械臂相对于所述感知机械臂的姿态差，根据所述姿态差控制所述执行机械臂的运动以使得所述执行机械臂达到与所述感知机械臂相同的姿态；

所述第一感知模块和所述第二感知模块上分别设置有第一力传感器和 第二力传感器，所述控制模块还通过比较第一力传感器和第二力传感器产生的信号差来控制感知机械臂的运动；

所述控制模块还将获取到的驱动所述感知机械臂的运动指令进行记录用于在后续的控制过程中能够脱离用户操作而自主使用所述运动指令生成的记录控制执行机械臂重现之间进行过的运动。

进一步地，所述控制模块按照预设的能够感知力反射的非对称控制策略控制控制感知机械臂和执行机械臂的运动，所述能够感知力反射的非对称控制策略包括：

所述感知机械臂的控制策略遵循公式其中τ_m＝K_f(F_m-F_s)，具体地，F₀为操作者是加给感知机械臂的操纵力的向量；F_m为第一感知模块力传感器所受的力向量；F_s为第二感知模块上力传感器所受的力向量；τ_m为驱动感知机械臂的力向量；M_m为感知机械臂的质量矩阵；B_m为感知机械臂的阻尼矩阵；X_m为感知机械臂的姿态；K_f为力增益矩阵；K_m为感知机械臂的刚度矩阵；

所述执行机械臂的控制策略遵循公式其中，τ_s＝K_a(X_m-X_s)+K_v(X_m-X_s)+K_p(X_m-X_s)，具体地，F_e为执行机械臂与周围环境之间的作用力向量，τ_s为驱动执行机械臂的力向量；M_s为执行机械臂质量矩阵；B_s为执行机械臂的阻尼矩阵；X_s为执行机械臂的姿态；K_v为执行机械臂的速度增益矩阵；K_p为执行机械臂的位置增益矩阵；K_a为执行机械臂的加速度增益矩阵；K_s为执行机械臂的刚度矩阵。

进一步地，所述感知机械臂包括第一基座，所述第一基座与第一转动副连接，所述第一转动副和第一连接臂的一端连接，所述第一连接臂的另一端与第一移动副连接；所述第一移动副还与第二连接臂的一端连接；所述第二连接臂的另一端与第二转动副连接，所述第二转动副还与第三连接臂连接；所述第一控制器包括控制第一转动副的第一主转动控制器、控制第二转动副的第一从转动控制器和控制第一移动副的第一移动控制器；

所述第一控制器响应于所述感知机械臂产生的运动，根据所述运动生成所述运动对应的运动控制信号，并将所述运动信号传输至第一感知模块以使得第一感知模块将所述运动信号传输至控制模块；

所述执行机械臂包括第二基座，所第二述基座与第三转动副连接，所述第三转动副和第四连接臂的一端连接，所述第四连接臂的另一端与第二移动副连接；所述第二移动副还与第五连接臂的一端连接；所述第五连接臂的另一端与第四转动副连接，所述第四转动副还与第六连接臂连接；所述第二控制器包括控制第三转动副的第二主转动控制器、控制第四转动副的第二从转动控制器和控制第二移动副的第二移动控制器。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供医疗用精准定位控制装置，首先提供了监控全局和局部的视觉模块，能够对于第二末端执行器进行跟踪，便于用户始终能够观察到第二末端执行器的工作状态，并且根据主副显微镜拍摄到的生成立体图像，使得正在进行的手术能够以更加直观的形式被显示。进一步地，提供了对于感知机械臂和执行机械臂的控制策略，使得所述控制装置对其机械臂实现基于力传感器的非对称控制。所述非对称控制对于其机械臂的传动装置的要求都可降低并且使得装置整体的惯性和时间常数变小，以保证有较好的动态响应。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的医疗用精准定位控制装置框图；

图2是本实用新型实施例提供的反馈结构框图；

图3是本实用新型实施例提供的视觉模块框图；

图4是本实用新型实施例提供的精准定位控制器框图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。

本实用新型实施例如图1所示，医疗用精准定位控制装置，所述装置包括：所述装置包括用于感知用户操作的感知机械臂、响应于用户操作而运动的执行机械臂、用于观察手术情形的视觉模块、显示器、输入控制器 和综合控制模块，所述感知机械臂、执行机械臂、视觉模块、显示器和输入控制器均与所述综合控制模块通讯连接；所述视觉模块与所述显示器通讯连接；在所述感知机械臂和所述执行机械臂的末端分别设置有第一末端执行器和第二末端执行器。

在本实用新型实施例中，感知机械臂和执行机械臂间通过所述控制模块可传递下述三种信息：

(1)周期性数据包括感知机械臂发给控制模块的指令、执行机械臂反馈给控制模块的信息等；

(2)实时性数据包括安全检测信号和事件信号，当执行机械臂处于危险或不是期望的状态时，这些信息就以实时数据方式反馈给控制模块；

(3)非实时性数据包括运行时间、历史记录等。其中周期性与实时性数据对实时性的要求较高。

在下面的描述中，本实用新型实施例通过提供反馈控制策略以及非对称控制方法减少装置固有的时间延迟已达到周期性与实时性数据对实时性的要求。

具体地，本实用新型实施例实现了反馈控制，其反馈控制所基于的具体结构如图2所示，所述感知机械臂上设置有用于获取驱动所述感知机械臂的运动指令和获取所述感知机械臂姿态的第一感知模块，所述执行机械臂上设置有用于获取所述执行机械臂的姿态的第二感知模块，所述第一感知模块和所述第二感知模块均与所述控制模块通讯连接；

所述感知机械臂上设置有用于获取驱动所述感知机械臂的运动指令的第一控制器，所述执行机械臂上设置有控制所述执行机械臂运动的第二控制器，所述第一控制器与第一感知模块通讯连接；所述第二控制器与所述控制模块通讯连接；进一步地，所述第一控制器也能响应于控制模块的指令驱动感知机械臂进行运动。

所述控制模块通过获取感知机械臂的姿态与所述执行机械臂的姿态得到所述执行机械臂相对于所述感知机械臂的姿态差，根据所述姿态差控制第二控制器，第二控制器驱动所述执行机械臂运动以使得所述执行机械臂达到与所述感知机械臂相同的姿态；

所述第一感知模块和所述第二感知模块上分别设置有第一力传感器和第二力传感器，所述控制模块还通过比较第一力传感器和第二力传感器产生的信号差来控制感知机械臂的运动；

所述控制模块还将获取到的驱动所述感知机械臂的运动指令进行记录用于在后续的控制过程中能够脱离用户操作而自主使用所述运动指令生成的记录控制执行机械臂重现之间进行过的运动。

具体地，所述控制模块为所述装置的核心部件，其综合实现下述功能：

实时获取感知机械臂和执行机械臂的动力学信息，并对动力学信息进行综合处理以及传递；根据预设的控制策略控制感知机械臂和执行机械臂进行运动。

进一步地，在第一感知模块和所述第二感知模块上还分别设置有光电编码器用于检测感知机械臂和执行机械臂的转角。

具体地，所述控制模块按照预设的能够感知力反射的非对称控制策略控制控制感知机械臂和执行机械臂的运动，所述能够感知力反射的非对称控制策略包括：

(1)所述感知机械臂的控制策略遵循公式其中τ_m＝K_f(F_m-F_s)，具体地，F₀为操作者是加给感知机械臂的操纵力的向量；F_m为第一感知模块力传感器所受的力向量；F_s为第二感知模块上力传感器所受的力向量；τ_m为驱动感知机械臂的力向量；M_m为感知机械臂的质量矩阵；B_m为感知机械臂的阻尼矩阵；X_m为感知机械臂的姿态；K_f为力增益矩阵；K_m为感知机械臂的刚度矩阵；

(2)所述执行机械臂的控制策略遵循公式其中，τ_s＝K_a(X_m-X_s)+K_v(X_m-X_s)+K_p(X_m-X_s)，具体地，F_e为执行机械臂与周围环境之间的作用力向量，τ_s为驱动执行机械臂的力向量；M_s为执行机械臂质量矩阵；B_s为执行机械臂的阻尼矩阵；X_s为执行机械臂的姿态；K_v为执行机械臂的速度增益矩阵；K_p为执行机械臂的位置增益矩阵；K_a为执行机械臂的加速度增益矩阵；K_s为执行机械臂的刚度矩阵；

(3)对于执行机械臂与周围环境之间的作用力向量，满足下述公式： 其中X_e＝-X_s，具体地，M_e为环境质量矩阵，B_e 为环境阻尼矩阵，X_e为环境位置向量，K_e为环境刚度矩阵。

具体地，在一个可行的实施例中，两个机械臂的具体结构如下：

所述感知机械臂包括第一基座，所述第一基座与第一转动副连接，所述第一转动副和第一连接臂的一端连接，所述第一连接臂的另一端与第一移动副连接；所述第一移动副还与第二连接臂的一端连接；所述第二连接臂的另一端与第二转动副连接，所述第二转动副还与第三连接臂连接；所述第一控制器包括控制第一转动副的第一主转动控制器、控制第二转动副的第一从转动控制器和控制第一移动副的第一移动控制器；

所述第一控制器响应于所述感知机械臂产生的运动，根据所述运动生成所述运动对应的运动控制信号，并将所述运动信号传输至第一感知模块以使得第一感知模块将所述运动信号传输至控制模块；

所述执行机械臂包括第二基座，所第二述基座与第三转动副连接，所述第三转动副和第四连接臂的一端连接，所述第四连接臂的另一端与第二移动副连接；所述第二移动副还与第五连接臂的一端连接；所述第五连接臂的另一端与第四转动副连接，所述第四转动副还与第六连接臂连接；所述第二控制器包括控制第三转动副的第二主转动控制器、控制第四转动副的第二从转动控制器和控制第二移动副的第二移动控制器。

在本实用新型实施例中，所述医疗用远程控制装置被用于远程手术，所述视觉模块如图3所示。

所述视觉模块包括CCD摄像头、精准定位用球机、精准定位用枪机、主显微用摄像模块和副显微用摄像模块；所述视觉模块还包括精准定位控制器和立体图像生成器，所述精准定位用球机和精准定位用枪机均与所述精准定位控制器通讯连接，所述主显微用摄像模块和副显微用摄像模块均与所述立体图像生成器通讯连接。

所述CCD摄像头安装于主显微镜附加的弧形导轨上以实现手术全局视场图像的采集；所述精准定位用球机用于拍摄手术全景，并将拍摄到的图像传输至精准定位控制器以使得所述精准定位控制器能够获取所述第二末端执行器所在具体位置；

所述精准定位用枪机用于获取所述第二末端执行器所在具体位置，根 据所述具体位置调整姿态拍摄所述第二末端执行器的工作场景；

所述CCD摄像头和所述精准定位用枪机采集到的数据被传输至所述显示器以图像形式进行显示；

所述主显微用摄像模块包括主显微摄像机和第一放大镜，所述主显微摄像机与主显微镜的输出光路相连，所述主显微摄像机得到的图像经过所述第一放大镜被输出值所述立体图像生成器；

所述副显微用摄像模块包括副显微摄像机和第二放大镜，所述副显微摄像机与副显微镜的输出光路相连，所述副显微摄像机得到的图像经过所述第二放大镜被输出值所述立体图像生成器；

所述立体图像生成器根据所述主显微用摄像模块和副显微用摄像模块输出的数据生成立体图像，并将所述立体图像传输至显示器。

具体地，如图4所示，所述精准定位控制器包括：

获取模块，用于获取所述精准定位用球机拍摄到的图像。

预处理模块，用于对所述图像进行灰度变换和中值滤波。

图像分割模块，用于进行图像分割得到第二末端执行器所在区域。

具体地，所述图像分割模块进行图像分割的具体步骤为：

(1)根据图像的灰度直方图选择一个阈值的初值T；

(2)利用T将图像分为两部分R1和R2；

(3)计算区域R1的灰度均值μ₁和区域R2的灰度均值μ₂；

(4)求出新的阈值T＝(μ₁+μ₂)/2；

(5)重复步骤(2)-(4)直至μ₁和μ₂均不再变化；

(6)基于最终得到的阈值T进行图像分割并将分割出的前景图像所在区域判定为第二末端执行器所在区域。

目标点获取模块，用于在所述得到的得到第二末端执行器所在区域定位末端执行器中心的具体位置。

目标点获取模块根据下述公式得到第二末端执行器中心的具体位置：

其中I(i,j)为某个像素点的灰度，S为像素点所在的区域集合。

姿态调整指令处理模块，根据所述具体位置生成姿态调整指令，并将所述姿态调整指令传输至所述精准定位用枪机。

以上所揭露的仅为本实用新型较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。