[发明专利]骨科手术辅助机器人的控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种机电技术领域的控制系统，特别是一种骨科手术辅助机器人的控制系统。

背景技术

骨科手术辅助机器人的主要目标是在骨科手术中辅助医师完成特定的精细操作。该机器人在手术中可以完成以下几项功能：截骨切削、磨削钻孔、夹持固定等。这些操作由机器人完成具有很大的优势，一方面动作比较简单，机器人可以胜任；另一方面这些操作需要很高的精确性和稳定性，而机械手的定位比人更为准确、稳定且有力。使用机器人辅助手术医师完成这些费时费力的操作可以大大减低医师的作业强度，节约手术时间，提高作业精度，减少创口大小，还可以避免医师长时间保持某种姿势的操作带来的肌肉疲劳，以及肌肉疲劳可能造成的医生手臂颤动，从而提高了手术的稳定性和安全性。

骨科手术辅助机器人主要由机器人本体机构，机器人控制器系统以及操作杆等部分构成。机器人的基本工作方式有两种：自动方式和手动方式。机器人工作在自动状态时，接受来自导航系统的引导指令，实现术前规划预定的动作，主刀医师可随时终止机器人动作并通过操作杆对规划好的位置、姿态进行调整。机器人工作在手动状态时需要一名操作员配合，由主刀医师通过操作杆控制机器人动作，由操作员通过界面设定速度、运动方式等参数，并在主刀医师的口令指挥下启动机器人完成操作。这主要是考虑主刀医师在手术过程中不便使用触摸屏等方式完成参数输入，而语音识别等方式风险太大，安全性得不到保证。机器人操作员可由护士或助手充任。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为：200710117890.4，专利名称为：一种基于3D鼠标操作的微创骨科手术机器人，该机器人由横向移动组件、减速器组件、上下移动组件、小臂移动组件、小臂组件、腕部组件和3D鼠标组成，其中：3D鼠标安装在小臂组件的小臂壳体上，方便医生操作和控制。该3D鼠标含有六个自由度，可以实现笛卡尔坐标系中的六个方向运动控制，但是该技术中机械结构本身并没有实现六个自由度运动，3D鼠标只能实现粗定位，且不具有自主控制功能，实施骨科手术存在局限性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种骨科手术辅助机器人的控制系统。本发明实现了对7自由度骨科辅助机器人的控制，具有辅助手术医师完成截骨、磨削、夹持定位等特定的精细操作的功能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：嵌入式中央控制模块、多轴运动控制模块、若干交流伺服驱动器、若干交流伺服电机、人机交互模块、传感器模块、开关模块、指示灯模块和操作杆，其中：嵌入式中央控制模块与多轴运动控制模块相连传输运动规划信息以及其它通过后者中转的信息，嵌入式中央控制模块与人机交互模块相连传输图像显示信息和用户输入信息，多轴运动控制模块与交流伺服驱动器相连传输电机控制信息，交流伺服驱动器与交流伺服电机相连传输电机驱动和电机编码器信息，多轴运动控制模块与传感器模块相连传输各运动关节极限位置信息和周边环境信息，多轴运动控制模块与指示灯模块相连传输状态信息，多轴运动控制模块与开关模块相连传输开关信息，多轴运动控制模块与操作杆相连传输手动操纵控制信息。

所述的嵌入式中央控制模块包括：系统界面子模块、状态监控子模块、网络通信子模块和运动调整子模块，其中：系统界面子模块与状态监控子模块相连传输系统运行状态信息，系统界面子模块与运动调整子模块相连传输系统参数以及位姿状态信息，状态监控子模块与运动调整子模块相连传输手动运动控制命令信息，网络通信子模块与运动调整子模块相连传输导航信息，系统界面子模块与人机交互模块相连传输系统参数设定与状态显示信息，状态监控子模块与开关模块相连传输开关信息，状态监控子模块与传感器模块相连传输各运动关节极限位置信息和周边环境信息，状态监控子模块与操作杆相连传输手动操纵控制信息，运动调整子模块与多轴运动控制模块相连传输运动规划信息。

所述的系统界面子模块包括：系统设定单元、IO(输入输出)状态显示单元、位姿显示单元、参数输入单元和坐标标定单元，其中：系统设定单元与人机交互模块相连传输系统设定信息，参数输入单元与系统设定单元相连传输系统参数信息，坐标标定单元与系统设定单元相连传输坐标信息，参数输入单元与运动调整子模块相连传输系统参数信息，坐标标定单元与运动调整子模块相连传输坐标变换矩阵参数信息，IO状态显示单元与状态监控子模块相连传输IO状态信息，位姿显示单元与运动调整子模块相连传输位姿信息。