本發明涉及醫療器械領域，尤其涉及一種醫療用遠程控制裝置。

背景技術：

醫用機器人，是指用于醫院、診所的醫療或輔助醫療的機器人。是一種智能型服務機器人，它能獨自編制操作計劃，依據實際情況確定動作程序，然后把動作變為操作機構的運動。其包括了多種類型：

醫用機器人，可識別周圍情況及自身——機器人的意識和自我意識)，從事醫療或輔助醫療等工作。

運送藥品機器人，可代替護士送飯、送病例和化驗單等，較為著名的有美國trc公司的helpmate機器人。

移動病人機器人，主要幫助護士移動或運送癱瘓、和行動不便的病人，如英國的pam機器人；

外科手術機器人和診斷與治療機器人，可以進行精確的外科手術或診斷，如日本的wapru－4胸部腫瘤診斷機器人；美國科學家正在研發一種手術機器人“達·芬奇系統”，這種手術機器人得到了美國食品和藥物管理局認證。

美國醫用機器人還將被應用于軍事領域。2005年，美國軍方投資1200萬美元研究“戰地外傷處理系統”。這套機器人裝置被安放在坦克和裝甲車輛中，戰時通過醫生從總部傳來的指令，機器人可以對傷者進行簡單手術，穩定其傷情等待救援。

康復機器人，可以幫助殘疾人恢復獨立生活能力，如美國的prabcommand系統。

護理機器人，能用來分擔護理人員繁重瑣碎的護理工作。新研制的護理機器人將幫助醫護人員確認病人的身份，并準確無誤地分發所需藥品。將來，護理機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生及時了解病人病情。

由上述可知，醫療機器人種類繁多，用途甚廣，本發明結合多年科研成果提供一種醫療機器人領域的醫療用遠程控制裝置。

技術實現要素：

本發明提供一種醫療用遠程控制裝置。

本發明是以如下技術方案實現的：

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

進一步地，所述感知機械臂上設置有用于獲取驅動所述感知機械臂的運動指令和獲取所述感知機械臂姿態的第一感知模塊，所述執行機械臂上設置有用于獲取所述執行機械臂的姿態的第二感知模塊，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；

所述感知機械臂上設置有用于獲取驅動所述感知機械臂的運動指令的第一控制器，所述執行機械臂上設置有控制所述執行機械臂運動的第二控制器，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械臂的姿態與所述執行機械臂的姿態得到所述執行機械臂相對于所述感知機械臂的姿態差，根據所述姿態差控制所述執行機械臂的運動以使得所述執行機械臂達到與所述感知機械臂相同的姿態；

所述第一感知模塊和所述第二感知模塊上分別設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生的信號差來控制感知機械臂的運動；

所述控制模塊還將獲取到的驅動所述感知機械臂的運動指令進行記錄用于在后續的控制過程中能夠脫離用戶操作而自主使用所述運動指令生成的記錄控制執行機械臂重現之間進行過的運動。

進一步地，所述控制模塊按照下述控制策略控制感知機械臂和執行機械臂的運動：

所述感知機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為驅動感知機械臂的力向量；mm為感知機械臂的質量矩陣；bm為感知機械臂的阻尼矩陣；xm為感知機械臂的姿態；kf為力增益矩陣；km為感知機械臂的剛度矩陣；

所述執行機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為執行機械臂與周圍環境之間的作用力向量，τs為驅動執行機械臂的力向量；ms為執行機械臂質量矩陣；bs為執行機械臂的阻尼矩陣；xs為執行機械臂的姿態；kv為執行機械臂的速度增益矩陣；kp為執行機械臂的位置增益矩陣；ka為執行機械臂的加速度增益矩陣。

進一步地，所述感知機械臂包括第一基座，所述第一基座與第一轉動副連接，所述第一轉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動副連接，所述第二轉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動副的第一主轉動控制器、控制第二轉動副的第一從轉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于所述感知機械臂產生的運動，根據所述運動生成所述運動對應的運動控制信號，并將所述運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動信號傳輸至控制模塊；

所述執行機械臂包括第二基座，所第二述基座與第三轉動副連接，所述第三轉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動副連接，所述第四轉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動副的第二主轉動控制器、控制第四轉動副的第二從轉動控制器和控制第二移動副的第二移動控制器。

進一步地，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成。

進一步地，所述醫療用遠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攝像頭安裝于手術顯微鏡附加的弧形導軌上以實現手術全局視場圖像的采集；

所述第二ccd攝像頭和所述第三ccd攝像頭分別用于實現手術局域局部視場圖像的采集；

第一攝像器與手術顯微鏡的輸出光路相連，直接對顯微手術微操作區域進行攝像，第二攝像器安裝在副顯微鏡的附加弧形導軌上，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同獲取手術工作區域下物體的立體圖像的采集。

本發明的有益效果是：

本發明提供一種醫療用遠程控制裝置，首先提供了監控全局和局部的視覺模塊，進一步地，提供了對于感知機械臂和執行機械臂的控制策略，所述控制策略能夠使得所述控制裝置對其機械臂實現基于力傳感器的非對稱控制。所述非對稱控制對于其機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間常數變小，以保證有較好的動態響應。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的一種醫療用遠程控制裝置框圖；

圖2是本發明實施例提供的反饋結構框圖；

圖3是本發明實施例提供的視覺模塊工作示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步地詳細描述。

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

在本發明實施例中，感知機械臂和執行機械臂間通過所述控制模塊可傳遞下述三種信息：

(1)周期性數據包括感知機械臂發給控制模塊的指令、執行機械臂反饋給控制模塊的信息等；

(2)實時性數據包括安全檢測信號和事件信號，當執行機械臂處于危險或不是期望的狀態時，這些信息就以實時數據方式反饋給控制模塊；

(3)非實時性數據包括運行時間、歷史記錄等。其中周期性與實時性數據對實時性的要求較高。

在下面的描述中，本發明實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間延遲已達到周期性與實時性數據對實時性的要求。

具體地，本發明實施例實現了反饋控制，其反饋控制所基于的具體結構如圖2所示，所述感知機械臂上設置有用于獲取驅動所述感知機械臂的運動指令和獲取所述感知機械臂姿態的第一感知模塊，所述執行機械臂上設置有用于獲取所述執行機械臂的姿態的第二感知模塊，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；

所述感知機械臂上設置有用于獲取驅動所述感知機械臂的運動指令的第一控制器，所述執行機械臂上設置有控制所述執行機械臂運動的第二控制器，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；進一步地，所述第一控制器也能響應于控制模塊的指令驅動感知機械臂進行運動。

所述控制模塊通過獲取感知機械臂的姿態與所述執行機械臂的姿態得到所述執行機械臂相對于所述感知機械臂的姿態差，根據所述姿態差控制第二控制器，第二控制器驅動所述執行機械臂運動以使得所述執行機械臂達到與所述感知機械臂相同的姿態；

所述第一感知模塊和所述第二感知模塊上分別設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生的信號差來控制感知機械臂的運動；

所述控制模塊還將獲取到的驅動所述感知機械臂的運動指令進行記錄用于在后續的控制過程中能夠脫離用戶操作而自主使用所述運動指令生成的記錄控制執行機械臂重現之間進行過的運動。

具體地，所述控制模塊為所述裝置的核心部件，其綜合實現下述功能：

實時獲取感知機械臂和執行機械臂的動力學信息，并對動力學信息進行綜合處理以及傳遞；根據預設的控制策略控制感知機械臂和執行機械臂進行運動。

進一步地，在第一感知模塊和所述第二感知模塊上還分別設置有光電編碼器用于檢測感知機械臂和執行機械臂的轉角。

在一個可行的實施例中，所述醫療用遠程控制裝置被用于遠程手術，所述醫療用遠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據整合，并在預設的顯示器中分屏顯示所述數據對應的圖像。具體地，可分為兩個屏幕顯示，一個顯示全局圖像，一個顯示局部圖像。

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攝像頭安裝于手術顯微鏡附加的弧形導軌上以實現手術全局視場圖像的采集；

所述第二ccd攝像頭和所述第三ccd攝像頭分別用于實現手術局域局部視場圖像的采集；

第一攝像器與手術顯微鏡的輸出光路相連，直接對顯微手術微操作區域進行攝像，第二攝像器安裝在副顯微鏡的附加弧形導軌上，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同獲取手術工作區域下物體的立體圖像的采集。

具體地，所述控制模塊按照預設的能夠感知力反射的非對稱控制策略控制控制感知機械臂和執行機械臂的運動，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為驅動感知機械臂的力向量；mm為感知機械臂的質量矩陣；bm為感知機械臂的阻尼矩陣；xm為感知機械臂的姿態；kf為力增益矩陣；km為感知機械臂的剛度矩陣；

(2)所述執行機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為執行機械臂與周圍環境之間的作用力向量，τs為驅動執行機械臂的力向量；ms為執行機械臂質量矩陣；bs為執行機械臂的阻尼矩陣；xs為執行機械臂的姿態；kv為執行機械臂的速度增益矩陣；kp為執行機械臂的位置增益矩陣；ka為執行機械臂的加速度增益矩陣；ks為執行機械臂的剛度矩陣；

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

具體地，在一個可行的實施例中，兩個機械臂的具體結構如下：

所述感知機械臂包括第一基座，所述第一基座與第一轉動副連接，所述第一轉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動副連接，所述第二轉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動副的第一主轉動控制器、控制第二轉動副的第一從轉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于所述感知機械臂產生的運動，根據所述運動生成所述運動對應的運動控制信號，并將所述運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動信號傳輸至控制模塊；

所述執行機械臂包括第二基座，所第二述基座與第三轉動副連接，所述第三轉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動副連接，所述第四轉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動副的第二主轉動控制器、控制第四轉動副的第二從轉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明較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利范圍，因此依本發明權利要求所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的范圍。