用於骨科手術輔助機器人的手動操縱裝置的製作方法

2023-07-10 19:33:51 1

專利名稱：用於骨科手術輔助機器人的手動操縱裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種機器人技術領域的裝置，具體是一種用於骨科手術輔助機器 人的手動操縱裝置。
背景技術：
骨科手術輔助機器人的主要目標是在骨科手術中輔助醫師完成特定的精細操作。 該機器人在手術中可以完成以下幾項功能截骨切削、磨削鑽孔、夾持固定等。這些操作由 機器人完成具有很大的優勢，一方面動作比較簡單，機器人可以勝任；另一方面這些操作需 要很高的精確性和穩定性，而機械手的定位比人更為準確、穩定且有力。機器人使用過程 中主要由機器人在導航裝置的引導下完成手術前規劃好的動作，但是在手術過程中也需要 醫師對機器人的位置和姿態進行調整和確認，這就需要醫師能以手動的方式直接操縱機器 人。現有的多自由度關節型機器人通常採用示教器的方式實現對機器人的手動操縱， 即操作者手持一個示教器，通過示教器上的幾組按鈕控制機器人各關節獨立運動或者沿坐 標方向運動。也有些示教器上使用六維滑鼠來控制機器人的運動，例如KUKA工業機器人。 但是這種方法並不適合手術過程1、如果手動操縱由專門的輔助人員來完成，這不僅浪費 有限的手術空間以及人力資源，而且動作指令在口頭表述時不甚方便，也容易有歧義，會增 加誤操作的風險；2、如果手動操作由主刀醫師親自完成，則佔用醫師雙手，醫師不能完成其 它動作，且示教器必須設計符合防水標準並消毒；3、無論誰來操作，使用示教器方式操縱機 器人都不直觀示教器和機器人是分離的，操縱者需要換算自身站位與機器人方位的關係， 這不僅效率較低，也容易產生誤操作，可能造成嚴重後果。機器人操作者都需要經過較長時 間的專業培訓才能上崗，通常要花數天時間才能初步掌握，要達到手術所要求的安全性，還 需要更多的時間練習。「手把手」式的示教是一種更為直接的控制方式，即機器人末端裝一個手柄，上面 有六維力傳感器，可以感受人推拉手柄操縱力的大小和方向，根據力的大小和方向來控制 機器人跟隨人手運動。這種方法算法複雜，而且平動和轉動混合操作，難以適用於高精度操 作，目前主要用於噴漆機器人等精度要求較低的示教。而且六維力傳感器成本很高，沒有廣 泛使用。經對現有技術的文獻檢索發現，中國發明專利申請號=200710117890. 4提出了一 種基於3D滑鼠操作的微創骨科手術機器人，由橫向移動組件、減速器組件、上下移動組件、 小臂移動組件、小臂組件、腕部組件和3D滑鼠組成；3D滑鼠安裝在小臂組件的小臂殼體上， 方便醫生操作和控制，該3D滑鼠含有六個自由度，可以實現笛卡爾坐標系中的六個方向運 動控制。但是此技術的機械結構本身僅有兩個自由度，3D滑鼠僅用於粗定位，而且完全沒有 提及控制方法，另外，3D滑鼠可實現移動和轉動同時控制，這就增加了移動與轉動混操縱的 風險，在手術過程中容易釀成重大事故。

發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種用於骨科手術輔助機器人的手動 操縱裝置，可以使操縱者實現對七自由度機器人末端執行器的位置和姿態控制。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明所述裝置安裝於機械手臂末端，包括 通過信號電纜與信號處理器相連接的三自由度操縱杆、模式選擇開關和冗餘姿態控制開關。所述的三自由度操縱杆包括手柄、轉軸、旋鈕、三組電位器和對應的彈簧復位裝 置，其中互相垂直的兩個轉軸位於手柄下端並與手柄相連實現兩軸操作，旋鈕位於手柄上 端實現第三軸調節，三組電位器分別位於操縱杆內並分別與手柄和旋鈕相連以帶動電位器 簧片轉動實現對電位器輸出電壓的控制，三組電位器均與彈簧復位裝置相連，以實現無操 作時手柄與旋鈕復位。所述的模式選擇開關安裝於機械手臂末端並與信號處理器相連接，用於切換操縱 杆控制位置平移操作或姿態調整操作，該模式選擇開關採用三位選擇開關，當開關選擇中 位時，處於安全模式，此時撥動操縱杆無任何動作，另外兩個位置各有信號輸出，兩信號分 別用於切換操縱杆的位置平移操作模式和姿態調整操作模式。所述的冗餘姿態控制開關安裝於機械手臂末端並與信號處理器相連接，該冗餘姿 態控制開關採用具有彈簧復位的三位選擇開關，當開關選擇中位時，處於安全模式，無信號 輸出；另外兩個位置各有信號輸出，兩信號分別用於控制機械臂順時針方向轉動和逆時針 方向轉動。彈簧復位功能可實現無操作時回復至中位。所述的信號處理器，包括數字IO模塊、A/D轉換模塊和計算模塊，其中A/D轉換 器將來自操縱杆內電位器的電壓模擬信號轉換為數位訊號並輸入計算模塊，數字IO模塊 將模式選擇開關和冗餘姿態控制開關的狀態信息輸入計算模塊，計算模塊將控制指令通過 串行總線發送到機器人控制器並由機器人控制器具體實現機器人動作。所述的計算模塊通過串行總線從機器人控制器處獲得機器人當前位置姿態信息， 根據機器人自身姿態進行坐標變換得到操縱杆本身相對於地面坐標的位置與姿態，然後根 據三組電位器的電壓信號計算出手柄的指向方位以及旋鈕的旋轉方向和角度，並結合模式 選擇開關的信號，判斷出操縱者的動作意圖；再根據機器人自身位置姿態進行坐標變換計 算出機器人相對於地面坐標的運動方向和速度；最後計算模塊將機器人運動方向和速度通 過串行總線發送到機器人控制器以生成驅動信號發送到各伺服驅動器，從而控制伺服電機 運動產生相應的動作。通過本裝置最終實現通過操控手柄及旋鈕轉動的方位和角度來控制機器人末端 執行器的運動方向和速度。操縱效果類似於六維力傳感器實現的「手把手」示教控制，但更 為簡單、經濟。這種操縱方式，調整位置的時候專注於刀尖的位置而不必擔心姿態改變，調 整姿態的時候則不必擔心刀尖發生偏移，操縱簡單可靠，不易發生誤操作。相對於六維力傳 感器直接檢測六自由度力/力矩分量，同時實現六自由度控制，適合於手術中的精細位置 姿態調節。除了機器人末端執行器位置姿態的手動操縱，本發明涉及的操縱裝置還實現了機 械臂姿態的調節，該調節由冗餘姿態控制開關實現。六自由度機械臂在工作空間內可以保 證末端執行器達到任意位置和姿態，但是為了避開機構的奇異點及障礙物，使機器人操作更靈活，手術輔助機器人設計為七自由度關節型機器人，其中第三自由度即肘關節為冗餘 自由度。在操作中如果醫師覺得機械臂姿態有妨礙，只需撥動位於機器人腕部的冗餘姿態 控制開關，則控制器控制機器人末端執行器按原規劃運動；同時控制整個手臂以肩關節與 工具參考點的連線為軸線轉動，實現機器人肘關節的避讓，直至醫師覺得不再妨礙其操作， 停止觸碰開關。開關上下位置各有信號輸出，分別用於控制機械臂順時針方向轉動和逆時 針方向轉動。這種方式可在不影響機器人當前操作的前提下實現機器人手臂形態的實時在 線調整。本發明的優點在於(1)可以實現對機器人末端執行器六個自由度的控制，完成 對機器人的手動操作，方便醫生進行更直接、安全的操縱。(2)可以通過模式選擇開關將操 作動作分為三組模式，即進行位置平移操作模式、姿態調整操作模式以及安全模式，這樣就 可大大減少誤操作的機率。(3)可以通過冗餘自由度控制開關對機器人手臂形態進行實時 在線調整，方便與醫生協同作業。


圖1為操縱杆外觀示意圖。圖2為操縱杆內部結構示意圖。圖3為系統結構示意圖。圖4為信號處理器結構圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施 例。如圖1-圖3所示，包括分別通過信號電纜與機器人控制相連接的三自由度操縱杆 1、模式選擇開關2、冗餘姿態控制開關3和信號處理器4。所述的三自由度操縱杆1安裝在機械手臂末端靠近主刀醫師一側，該三自由度操 縱杆1包括手柄5、轉軸6、旋鈕7、彈簧復位裝置8、三組電位器9和對應的連接機構10， 其中互相垂直的兩個轉軸6位於手柄5下端並與手柄5相連實現兩軸操作，旋鈕7位於手 柄5上端實現第三軸調節，三組電位器9分別位於操縱杆1內並通過連接機構10分別與手 柄5和旋鈕7相連以帶動電位器9簧片轉動，實現對電位器9輸出電壓的控制，轉軸6與旋 鈕7均與彈簧復位裝置8相連實現無操作時手柄5與旋鈕7復位。所述的模式選擇開關2安裝於機械手臂末端，用於切換操縱杆1控制位置平移操 作或姿態調整操作，模式選擇開關2採用三位選擇開關，當開關選擇中位時，處於安全模 式，此時撥動操縱杆1無任何作用，另外兩個位置分別用於切換操縱杆1的位置平移操作模 式和姿態調整操作模式。所述的冗餘姿態控制開關3安裝於機械手臂末端，冗餘姿態控制開關3採用具有 彈簧復位的三位選擇開關，當開關選擇中位時，處於安全模式，無信號輸出；另外兩個位置 各有信號輸出，兩信號分別用於控制機械臂順時針方向轉動和逆時針方向轉動。彈簧復位 功能可實現無操作時回復至中位。
所述的信號處理器，包括數字IO模塊、A/D轉換模塊和計算模塊，其中A/D轉換 器將來自操縱杆內電位器的電壓模擬信號轉換為數位訊號，輸入計算模塊。數字IO模塊將 模式選擇開關和冗餘姿態控制開關的狀態信息輸入計算模塊。計算模塊進行計算處理，處 理結果通過串行總線發送到機器人控制器，由機器人控制器具體實現機器人動作。所述的計算模塊的處理過程如下1、通過串行總線從機器人控制器獲得機器人當前位置姿態信息，根據機器人自身 姿態進行坐標變換，計算出機械臂末端，也即是操縱杆本身相對於地面坐標的位置與姿態。2、根據三組電位器的電壓信號，計算出手柄及旋鈕的位置狀態，即手柄的指向方 位以及旋鈕的旋轉方向和角度，並結合模式選擇開關的信號，判斷出操縱者的動作意圖。具 體來說，當模式選擇開關處於位置平移操作模式的時候，要求機器人末端執行器姿態不變， 向手柄和旋鈕所指方向平行移動；當模式選擇開關處於姿態調整操作模式的時候，要求機 器人末端執行器以參考點為圓心(參考點通常設置為器械工作點，如鋸刀的刀尖)，向手柄 和旋鈕所指方向轉動，以調整器械姿態。3、根據機器人自身位置姿態進行坐標變換，計算出機器人相對於地面坐標的運動 方向和速度。其中運動速度正比於手柄或者旋鈕的角度，由於彈簧復位裝置的彈性阻力作 用，運動速度也正比於操作者對操縱杆施加的力和力矩。4、將機器人運動方向和速度通過串行總線發送到機器人控制器，由後者生成具體 的驅動信號發送到各伺服驅動器，從而控制伺服電機運動產生相應的動作。通過本裝置最終實現通過操控手柄及旋鈕轉動的方位和角度來控制機器人末端 執行器的運動方向和速度。操縱效果類似於六維力傳感器實現的「手把手」示教控制，但更 為簡單、經濟。這種操縱方式，調整位置的時候專注於刀尖的位置而不必擔心姿態改變，調 整姿態的時候則不必擔心刀尖發生偏移，操縱簡單可靠，不易發生誤操作。相對於六維力傳 感器直接檢測六自由度力/力矩分量，同時實現六自由度控制，本發明提出的控制方法更 適合於手術中的精細位置姿態調節。所述的三自由度操縱杆，當操縱杆無操作時，在復位彈簧作用下，手柄處於中間位 置。由於輸出模擬電壓信號，可能會發生零點漂移現象，輸出微小的幹擾信號，導致機械手 臂發生蠕動。為防止這種情況的發生，在電位器的零位附近設置一段死區，此範圍內機械手 臂無動作，死區通過信號處理器內程序實現。當電位器輸出電壓在-0. 3V +0. 3V之間波 動時，機械手臂不產生任何動作，這樣當操縱杆不輸入時就能保證其穩定。所述的冗餘姿態控制開關可實現了機械臂姿態的調節。六自由度機械臂在工作空 間內可以保證末端執行器達到任意位置和姿態，但是為了避開機構的奇異點及障礙物，使 機器人操作更靈活，手術輔助機器人設計為七自由度關節型機器人，其中第三自由度即肘 關節為冗餘自由度。在操作中如果醫師覺得機械臂姿態有妨礙，只需撥動位於機器人腕部 的冗餘姿態控制開關，則控制器控制機器人末端執行器按原規劃運動；同時控制整個手臂 以肩關節與工具參考點的連線為軸線轉動，實現機器人肘關節的避讓，直至醫師覺得不再 妨礙其操作，停止觸碰開關。開關上下位置各有信號輸出，分別用於控制機械臂順時針方向 轉動和逆時針方向轉動。這種方式可在不影響機器人當前操作的前提下實現機器人手臂形 態的實時在線調整。採用本發明的操縱杆及其控制方法，操縱者無需專門培訓即可掌握手動操縱機器人運動的方法。操縱過程簡單直觀，可避免由於對機器人方位判斷錯誤引起的操縱失誤。這 類失誤在工業機器人操縱中很容易發生，而在手術應用中將產生嚴重後果。本發明涉及的 方法將機器人位置調整和姿態調整的操作獨立分開，調整位置的時候專注於刀尖的位置而 不必擔心姿態改變，調整姿態的時候則不必擔心刀尖位置發生偏移，操縱簡單可靠，不易發 生誤操作，更適合於手術中的精細位置姿態調節。
權利要求
1.一種用於骨科手術輔助機器人的手動操縱裝置，該手動操縱裝置安裝於機械手臂 末端，其特徵在於，包括通過信號電纜與信號處理器相連接的三自由度操縱杆、模式選擇 開關和冗餘姿態控制開關，所述的信號處理器，包括數字IO模塊、A/D轉換模塊和計算模 塊，其中A/D轉換器將來自操縱杆內電位器的電壓模擬信號轉換為數位訊號並輸入計算 模塊，數字IO模塊將模式選擇開關和冗餘姿態控制開關的狀態信息輸入計算模塊，計算模 塊將控制指令通過串行總線發送到機器人控制器並由機器人控制器具體實現機器人動作。
2.根據權利要求1所述的用於骨科手術輔助機器人的手動操縱裝置，其特徵是，所述 的三自由度操縱杆包括手柄、轉軸、旋鈕、三組電位器和對應的彈簧復位裝置，其中互相 垂直的兩個轉軸位於手柄下端並與手柄相連實現兩軸操作，旋鈕位於手柄上端實現第三軸 調節，三組電位器分別位於操縱杆內並分別與手柄和旋鈕相連以帶動電位器簧片轉動實現 對電位器輸出電壓的控制，三組電位器均與彈簧復位裝置相連，以實現無操作時手柄與旋 鈕復位。
3.根據權利要求1所述的用於骨科手術輔助機器人的手動操縱裝置，其特徵是，所述 的模式選擇開關安裝於機械手臂末端並與信號處理器相連接，該模式選擇開關採用三位選 擇開關。
4.根據權利要求1所述的用於骨科手術輔助機器人的手動操縱裝置，其特徵是，所述 的冗餘姿態控制開關安裝於機械手臂末端並與信號處理器相連接，該冗餘姿態控制開關採 用具有彈簧復位的三位選擇開關。
5.根據權利要求1所述的用於骨科手術輔助機器人的手動操縱裝置，其特徵是，所述 的計算模塊通過串行總線從機器人控制器處獲得機器人當前位置姿態信息，根據機器人自 身姿態進行坐標變換得到操縱杆本身相對於地面坐標的位置與姿態，然後根據三組電位器 的電壓信號計算出手柄的指向方位以及旋鈕的旋轉方向和角度，並結合模式選擇開關的信 號，判斷出操縱者的動作意圖；再根據機器人自身位置姿態進行坐標變換計算出機器人相 對於地面坐標的運動方向和速度；最後計算模塊將機器人運動方向和速度通過串行總線發 送到機器人控制器以生成驅動信號發送到各伺服驅動器，從而控制伺服電機運動產生相應 的動作。
全文摘要
一種醫療器械技術領域的用於骨科手術輔助機器人的操縱杆裝置，該裝置安裝於機械手臂末端，包括分別通過信號電纜與機器人控制相連接的三自由度操縱杆、模式選擇開關和冗餘姿態控制開關，所述的信號處理器，包括數字IO模塊、A/D轉換模塊和計算模塊，A/D轉換器將來自操縱杆內電位器的電壓模擬信號轉換為數位訊號並輸入計算模塊，數字IO模塊將模式選擇開關和冗餘姿態控制開關的狀態信息輸入計算模塊，計算模塊將控制指令通過串行總線發送到機器人控制器並由機器人控制器具體實現機器人動作。本發明可以使操縱者實現對七自由度機器人末端執行器的位置和姿態控制。
文檔編號A61B19/00GK101999938SQ20101051011
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月15日 優先權日2010年10月15日
發明者張曉明, 張詩雷, 徐俊虎, 欒楠, 趙言正 申請人:上海交通大學