[发明专利]一种分体式微创手术机器人的控制系统

权利要求书

1.一种分体式微创手术机器人的控制系统，其特征在于：所述一种分体式微创手术机器人的控制系统包括硬件子系统和软件子系统，所述硬件子系统包括主控制台(0-1)和从手机械臂(0-2)，主控制台(0-1)包括枢纽工控机(1)、控制面板(2)、脚踏开关(3)、控制电路(4)、第一主操作手(5)、第二主操作手(6)、显示器(7)、3D显示系统(8)和工业路由器(9)，枢纽工控机(1)由供电结构(1-1)、第一数据接口(1-2)、第二数据接口(1-3)、第三数据接口(1-4)和通信接口(1-5)，控制面板(2)和脚踏开关(3)均通过控制电路(4)与第一数据接口(1-2)连接，供电接口(1-1)与控制电路(4)连接，第一主操作手(5)与第二数据接口(1-3)连接，第二主操作手(6)与第三数据接口(1-4)连接，通信接口(1-5)通过工业路由器与从手机械臂(0-2)连接，显示器(7)与3D显示系统(8)连接，3D显示系统(8)的图像信号接收端与腹腔镜(15)连接。

2.根据权利要求1所述一种分体式微创手术机器人的控制系统，其特征在于：从手机械臂(0-2)包括第一分体式机械臂(10)、第二分体式机械臂(11)和第三分体式机械臂(12)，

第一分体式机械臂(10)和第三分体式机械臂(12)均由第一多轴控制器(101)、第一驱动单元(102)、第二驱动单元(103)、第一外置编码器(104)、第二外置编码器(105)、七个第三驱动单元(106)、七个第三外置编码器(107)、七个第一直流电机(108)和七个第一直流电机编码器(109)组成，每个第一直流电机(108)与相对应的一个第一直流电机编码器(109)组成一个控制闭环，第一多轴控制器(101)、第一驱动单元(102)、第二驱动单元(103)、七个第三驱动单元(106)依次连接，第一外置编码器(104)与第一驱动单元(102)连接，第二外置编码器(105)与第二驱动单元(103)连接，每个第三驱动单元(106)分别与一个第一直流电机(108)连接和一个第三外置编码器(107)连接；

第二分体式机械臂(11)由第二多轴控制器(201)、第四驱动单元(202)、第五驱动单元(203)、第四外置编码器(204)、第五外置编码器(205)、三个第六驱动单元(206)、三个第六外置编码器(207)、三个第二直流电机(208)和三个第二直流电机编码器(209)组成，每个第二直流电机(208)与相对应的一个第二直流电机编码器(209)组成一个控制闭环，第二多轴控制器(201)、第四驱动单元(202)、第五驱动单元(203)、三个第六驱动单元(206)依次连接，第四驱动单元(202)与第四外置编码器(204)连接，第五驱动单元(203)与第五外置编码器(205)连接，每个第六驱动单元(206)分别与一个第二直流电机(208)和一个第六外置编码器(207)连接；

第二多轴控制器(201)、两个第一多轴控制器(101)均与工业路由器(9)连接。

3.根据权利要求1或2所述一种分体式微创手术机器人的控制系统，其特征在于：所述软件子系统包括人机交互层(17)、核心控制层(18)和设备控制层(19)，

人机交互层(17)包括参数配置模块(17-1)、特定功能模块(17-2)、数据记录模块(17-3)、数据显示模块(17-4)和状态显示模块(17-5)，参数配置模块(17-1)用于记录术前或术中对机器人系统的主从控制比例设置以及主手和从手机械臂的对应关系；特定功能模块(17-2)用于记录术中重新调整第一主操作手(1)和第二主操作手(2)的位置，特定功能模块(17-2)还用于记录切换第一主操作手(1)、第二主操作手(2)控制对象的控制信号；数据记录模块(17-3)用作记录系统中出现的错误代号；数据显示模块(17-4)用于显示关键系统数据以及实时观察系统状态；状态显示模块(17-5)用于显示系统运行状态以及错误状态提示；

核心控制层(18)包括第二主手数据采集模块(18-1)、第一主手数据采集模块(18-2)、控制算法模块(18-3)、辅助控制模块(18-4)、第一机械臂运动解算模块(18-5)、第二机械臂运动解算模块(18-6)、第三机械臂运动解算模块(18-7)、第一通信模块(18-8)、第二通信模块(18-9)、第三通信模块(18-10)、安全检测模块(18-11)和数据读取模块(18-12)，第一主手数据采集模块(18-2)和第二主手数据采集模块(18-1)用于采集第一主操作手(5)和第二主操作手(6)的运动信息；辅助控制模块(18-4)用于处理来自参数配置模块(17-1)和特定功能模块(17-2)的控制信号；数据读取模块(18-12)用于读取从两个第一多轴控制器(101)和第二多轴控制器(201)上传的数据；安全检测模块(18-11)用于监测从两个第一多轴控制器(101)和第二多轴控制器(201)传给控制算法模块(18-3)和人机交互层(17)的数据；控制算法模块(18-3)用于结合第二主手数据采集模块(18-1)、第一主手数据采集模块(18-2)、辅助控制模块(18-4)、安全检测模块(18-11)传递来的数据进行控制算法解算，并将结果发送给对应的第一机械臂运动解算模块(18-5)、第二机械臂运动解算模块(18-6)、第三机械臂运动解算模块(18-7)；第一机械臂运动解算模块(18-5)、第二机械臂运动解算模块(18-6)、第三机械臂运动解算模块(18-7)用于接收控制算法模块(18-3)的运算结果，并根据对应的机械臂模型进行逆运动学求解；第一通信模块(18-8)、第二通信模块(18-9)、第三通信模块(18-10)用于将第一机械臂运动解算模块(18-5)、第二机械臂运动解算模块(18-6)、第三机械臂运动解算模块(18-7)的数据按照MODBUS协议进行打包，并传递给设备控制层(19)；

设备控制层(19)包括七个第一电机控制模块(19-3)、七个第一信息反馈模块(19-4)、九个第一编码器反馈模块(19-5)、三个第二电机控制模块(19-7)、三个第二信息反馈模块(19-8)、五个第二编码器反馈模块(19-9)、七个第三电机控制模块(19-11)、七个第三信息反馈模块(19-12)和九个第三编码器反馈模块(19-13)，七个第一电机控制模块(19-3)、三个第二电机控制模块(19-7)、七个第三电机控制模块(19-11)用于将来自核心控制层(18)的数据按照EtherCat协议转换成电机控制命令发送给机械臂关节驱动电机，带动第一机械臂关节(10)、第二机械臂关节(11)、第三机械臂关节(12)运动；七个第一信息反馈模块(19-4)、三个第二信息反馈模块(19-8)、七个第三信息反馈模块(19-12)用于读取所在机械臂关节驱动电机的运行状态及运行参数，并上传到核心控制层(18)进行处理；九个第一编码器反馈模块(19-5)、九个第三编码器反馈模块(19-13)用于将第一机械臂关节(10)和第三机械臂关节(12)各自的第一外置编码器(104)、第二外置编码器(105)、七个第三外置编码器(107)的读数上传到核心控制层(18)进行处理；五个第二编码器反馈模块(19-9)用于将第二机械臂关节(11)的第四外置编码器(204)、第五外置编码器(205)、三个第六外置编码器(207)的读数上传到核心控制层(18)进行处理。