[發明專利]一種分體式微創手術機器人的控制系統

在審

• 申請號: 201510974846.X
• 申請日: 2015-12-22
• 公開（公告）號: CN105395254A
• 公開（公告）日: 2016-03-16
• 發明（設計）人: 付宜利;艾躍;潘博;王樹國;牛國君;曲效鋒
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: A61B34/37
• 分類號: A61B34/37;A61B34/32;G05B19/04
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 牟永林

1.一種分體式微創手術機器人的控制系統，其特征在于：所述一種分體式微創手術機器人的控制系統包括硬件子系統和軟件子系統，所述硬件子系統包括主控制臺(0-1)和從手機械臂(0-2)，主控制臺(0-1)包括樞紐工控機(1)、控制面板(2)、腳踏開關(3)、控制電路(4)、第一主操作手(5)、第二主操作手(6)、顯示器(7)、3D顯示系統(8)和工業路由器(9)，樞紐工控機(1)由供電結構(1-1)、第一數據接口(1-2)、第二數據接口(1-3)、第三數據接口(1-4)和通信接口(1-5)，控制面板(2)和腳踏開關(3)均通過控制電路(4)與第一數據接口(1-2)連接，供電接口(1-1)與控制電路(4)連接，第一主操作手(5)與第二數據接口(1-3)連接，第二主操作手(6)與第三數據接口(1-4)連接，通信接口(1-5)通過工業路由器與從手機械臂(0-2)連接，顯示器(7)與3D顯示系統(8)連接，3D顯示系統(8)的圖像信號接收端與腹腔鏡(15)連接。

2.根據權利要求1所述一種分體式微創手術機器人的控制系統，其特征在于：從手機械臂(0-2)包括第一分體式機械臂(10)、第二分體式機械臂(11)和第三分體式機械臂(12)，

第一分體式機械臂(10)和第三分體式機械臂(12)均由第一多軸控制器(101)、第一驅動單元(102)、第二驅動單元(103)、第一外置編碼器(104)、第二外置編碼器(105)、七個第三驅動單元(106)、七個第三外置編碼器(107)、七個第一直流電機(108)和七個第一直流電機編碼器(109)組成，每個第一直流電機(108)與相對應的一個第一直流電機編碼器(109)組成一個控制閉環，第一多軸控制器(101)、第一驅動單元(102)、第二驅動單元(103)、七個第三驅動單元(106)依次連接，第一外置編碼器(104)與第一驅動單元(102)連接，第二外置編碼器(105)與第二驅動單元(103)連接，每個第三驅動單元(106)分別與一個第一直流電機(108)連接和一個第三外置編碼器(107)連接；

第二分體式機械臂(11)由第二多軸控制器(201)、第四驅動單元(202)、第五驅動單元(203)、第四外置編碼器(204)、第五外置編碼器(205)、三個第六驅動單元(206)、三個第六外置編碼器(207)、三個第二直流電機(208)和三個第二直流電機編碼器(209)組成，每個第二直流電機(208)與相對應的一個第二直流電機編碼器(209)組成一個控制閉環，第二多軸控制器(201)、第四驅動單元(202)、第五驅動單元(203)、三個第六驅動單元(206)依次連接，第四驅動單元(202)與第四外置編碼器(204)連接，第五驅動單元(203)與第五外置編碼器(205)連接，每個第六驅動單元(206)分別與一個第二直流電機(208)和一個第六外置編碼器(207)連接；

第二多軸控制器(201)、兩個第一多軸控制器(101)均與工業路由器(9)連接。

3.根據權利要求1或2所述一種分體式微創手術機器人的控制系統，其特征在于：所述軟件子系統包括人機交互層(17)、核心控制層(18)和設備控制層(19)，

人機交互層(17)包括參數配置模塊(17-1)、特定功能模塊(17-2)、數據記錄模塊(17-3)、數據顯示模塊(17-4)和狀態顯示模塊(17-5)，參數配置模塊(17-1)用于記錄術前或術中對機器人系統的主從控制比例設置以及主手和從手機械臂的對應關系；特定功能模塊(17-2)用于記錄術中重新調整第一主操作手(1)和第二主操作手(2)的位置，特定功能模塊(17-2)還用于記錄切換第一主操作手(1)、第二主操作手(2)控制對象的控制信號；數據記錄模塊(17-3)用作記錄系統中出現的錯誤代號；數據顯示模塊(17-4)用于顯示關鍵系統數據以及實時觀察系統狀態；狀態顯示模塊(17-5)用于顯示系統運行狀態以及錯誤狀態提示；

核心控制層(18)包括第二主手數據采集模塊(18-1)、第一主手數據采集模塊(18-2)、控制算法模塊(18-3)、輔助控制模塊(18-4)、第一機械臂運動解算模塊(18-5)、第二機械臂運動解算模塊(18-6)、第三機械臂運動解算模塊(18-7)、第一通信模塊(18-8)、第二通信模塊(18-9)、第三通信模塊(18-10)、安全檢測模塊(18-11)和數據讀取模塊(18-12)，第一主手數據采集模塊(18-2)和第二主手數據采集模塊(18-1)用于采集第一主操作手(5)和第二主操作手(6)的運動信息；輔助控制模塊(18-4)用于處理來自參數配置模塊(17-1)和特定功能模塊(17-2)的控制信號；數據讀取模塊(18-12)用于讀取從兩個第一多軸控制器(101)和第二多軸控制器(201)上傳的數據；安全檢測模塊(18-11)用于監測從兩個第一多軸控制器(101)和第二多軸控制器(201)傳給控制算法模塊(18-3)和人機交互層(17)的數據；控制算法模塊(18-3)用于結合第二主手數據采集模塊(18-1)、第一主手數據采集模塊(18-2)、輔助控制模塊(18-4)、安全檢測模塊(18-11)傳遞來的數據進行控制算法解算，并將結果發送給對應的第一機械臂運動解算模塊(18-5)、第二機械臂運動解算模塊(18-6)、第三機械臂運動解算模塊(18-7)；第一機械臂運動解算模塊(18-5)、第二機械臂運動解算模塊(18-6)、第三機械臂運動解算模塊(18-7)用于接收控制算法模塊(18-3)的運算結果，并根據對應的機械臂模型進行逆運動學求解；第一通信模塊(18-8)、第二通信模塊(18-9)、第三通信模塊(18-10)用于將第一機械臂運動解算模塊(18-5)、第二機械臂運動解算模塊(18-6)、第三機械臂運動解算模塊(18-7)的數據按照MODBUS協議進行打包，并傳遞給設備控制層(19)；

設備控制層(19)包括七個第一電機控制模塊(19-3)、七個第一信息反饋模塊(19-4)、九個第一編碼器反饋模塊(19-5)、三個第二電機控制模塊(19-7)、三個第二信息反饋模塊(19-8)、五個第二編碼器反饋模塊(19-9)、七個第三電機控制模塊(19-11)、七個第三信息反饋模塊(19-12)和九個第三編碼器反饋模塊(19-13)，七個第一電機控制模塊(19-3)、三個第二電機控制模塊(19-7)、七個第三電機控制模塊(19-11)用于將來自核心控制層(18)的數據按照EtherCat協議轉換成電機控制命令發送給機械臂關節驅動電機，帶動第一機械臂關節(10)、第二機械臂關節(11)、第三機械臂關節(12)運動；七個第一信息反饋模塊(19-4)、三個第二信息反饋模塊(19-8)、七個第三信息反饋模塊(19-12)用于讀取所在機械臂關節驅動電機的運行狀態及運行參數，并上傳到核心控制層(18)進行處理；九個第一編碼器反饋模塊(19-5)、九個第三編碼器反饋模塊(19-13)用于將第一機械臂關節(10)和第三機械臂關節(12)各自的第一外置編碼器(104)、第二外置編碼器(105)、七個第三外置編碼器(107)的讀數上傳到核心控制層(18)進行處理；五個第二編碼器反饋模塊(19-9)用于將第二機械臂關節(11)的第四外置編碼器(204)、第五外置編碼器(205)、三個第六外置編碼器(207)的讀數上傳到核心控制層(18)進行處理。