本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備及控制方法。手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備用于檢測(cè)人體上肢的運(yùn)動(dòng)信息，包括：慣性傳感器陣列，布置于操作者的左右臂的手背、前臂及上臂處，檢測(cè)操作者動(dòng)數(shù)據(jù)；壓感開(kāi)關(guān)陣列，安置于操作者的左右手的食指及掌心處，用于激活/中斷手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備，用于向無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)備單向發(fā)送壓感開(kāi)關(guān)的狀態(tài)數(shù)據(jù)；無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用于接收無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)以及慣性傳感器發(fā)送的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，傳輸給數(shù)據(jù)處理設(shè)備；數(shù)據(jù)處理設(shè)備，對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)備返回的運(yùn)動(dòng)信息處理后得到操作者運(yùn)動(dòng)意圖，轉(zhuǎn)換為手術(shù)機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)信息。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)操作者上肢姿態(tài)和操作者控制意圖。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備，特別是涉及一種基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備及控制方法。
技術(shù)介紹
1、經(jīng)自然腔道內(nèi)鏡手術(shù)(natural?orifice?transluminal?endoscopic?surgery，notes)，是指經(jīng)由口腔、食管、胃、結(jié)(直)腸等自然腔道進(jìn)入腹腔、縱隔、胸腔等,進(jìn)行各種內(nèi)鏡下操作，如腹腔探查、腹膜活檢、肝臟活檢、胃腸及腸腸吻合、尾切除、膽囊切除等。其無(wú)需在患者表面開(kāi)孔即可進(jìn)入人體開(kāi)展手術(shù)操作。術(shù)后體表無(wú)創(chuàng)口，減少患者痛苦，減輕患者心理壓力，也縮短了術(shù)后的恢復(fù)時(shí)間。
2、歷經(jīng)十余年的研究和發(fā)展,越來(lái)越多的醫(yī)療單位正在逐步開(kāi)展notes技術(shù)的臨床工作。傳統(tǒng)剛性手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)局限性以及越來(lái)越嚴(yán)苛的腔鏡微創(chuàng)手術(shù)訴求等因素推動(dòng)了以連續(xù)體為代表的柔性手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。柔性手術(shù)機(jī)器人將經(jīng)由狹長(zhǎng)彎曲的上消化道等自然腔道進(jìn)入胃部等區(qū)域，通過(guò)柔性手術(shù)機(jī)器人自帶的相機(jī)實(shí)時(shí)觀察病灶，再通過(guò)配備的柔性末端配合操作以實(shí)現(xiàn)對(duì)病灶的切除或取樣。為盡可能減少對(duì)正常組織的損傷，柔性手術(shù)機(jī)器人必須有較高的可彎曲性質(zhì)，且柔性末端應(yīng)較為靈活，以適應(yīng)不同位置和結(jié)構(gòu)的病灶切除任務(wù)。
3、因此，現(xiàn)有的柔性手術(shù)機(jī)器人配備的柔性末端往往具有較多的自由度，且整體較為細(xì)長(zhǎng)，以便于通過(guò)自然腔道到達(dá)病灶處，通過(guò)控制絲等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)彎曲和器械的開(kāi)合。然而，這導(dǎo)致柔性手術(shù)機(jī)器人的末端剛度不足，且運(yùn)動(dòng)精度不比傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)式機(jī)械臂，除此之外，較長(zhǎng)的控制絲產(chǎn)生的摩擦也會(huì)產(chǎn)生耦合和額外的阻力，影響器械末端運(yùn)動(dòng)。</p>4、為了克服上述缺陷，目前常用的柔性手術(shù)機(jī)器人控制方法多為主從控制，依賴(lài)操作著的視覺(jué)信息來(lái)補(bǔ)足運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的誤差。為了實(shí)現(xiàn)更匹配柔性手術(shù)機(jī)器人高自由度、運(yùn)動(dòng)非線性等特點(diǎn)的主從控制，研究者已經(jīng)提出了多種控制界面和方法，但仍存在諸多不足。
5、現(xiàn)有的控制方法通常依賴(lài)不同結(jié)構(gòu)的控制器，而大部分控制器構(gòu)型與人體上肢的構(gòu)型不同，導(dǎo)致此類(lèi)控制方法不符合使用者在傳統(tǒng)的操作過(guò)程中培養(yǎng)形成的直觀的操作直觀，因此需要進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的培訓(xùn)才能使用。
6、此外，大部分現(xiàn)有的控制方法都需要醫(yī)生做出特定的動(dòng)作、比如擺頭、眨眼、動(dòng)腳或者發(fā)出聲音等才能控制機(jī)器人，這些操作會(huì)給控制過(guò)程帶來(lái)額外的延遲，進(jìn)一步導(dǎo)致手眼協(xié)調(diào)性差，進(jìn)而產(chǎn)生延長(zhǎng)手術(shù)時(shí)間等問(wèn)題。而且這些控制方案所支持的自由度不足，缺乏深度等信息。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專(zhuān)利技術(shù)的目的是為克服克服現(xiàn)有控制方法和設(shè)備支持自由度少，手眼協(xié)調(diào)性差，控制不直觀等缺點(diǎn)，提供一種同時(shí)支持多自由度控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便輕巧，具有靈巧、高精度、高安全性特點(diǎn)，且更符合操作直覺(jué)的基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備以及手術(shù)機(jī)器人控制方法，該可穿戴設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)操作者的上肢姿態(tài)和操作者的控制意圖。
2、本專(zhuān)利技術(shù)的一個(gè)方面，提供一種基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)操作者的上肢的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)意圖，包括：
3、慣性傳感器陣列，包含多個(gè)慣性傳感器，用于布置于操作者的左右臂的手背、前臂及上臂處，檢測(cè)操作者的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；
4、壓感開(kāi)關(guān)陣列，包括多干壓感開(kāi)關(guān)，分別安置于操作者的左右手的食指及掌心處，用于激活/中斷手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；
5、無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備，與壓感開(kāi)關(guān)通過(guò)有線方式連接，用于向無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)備單向發(fā)送所述壓感開(kāi)關(guān)的狀態(tài)數(shù)據(jù)；
6、無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用于以無(wú)線方式接收所述無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)以及慣性傳感器發(fā)送的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，傳輸給數(shù)據(jù)處理設(shè)備；
7、數(shù)據(jù)處理設(shè)備，用于對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)備返回的運(yùn)動(dòng)信息處理后得到操作者的運(yùn)動(dòng)意圖，并轉(zhuǎn)換為手術(shù)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)信息。
8、其中，所述慣性傳感器、無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備與無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用藍(lán)牙無(wú)線通信。
9、其中，位于手背處和前臂處的慣性傳感器近操作者的腕關(guān)節(jié)，上臂處的慣性傳感器位于上臂中點(diǎn)。
10、其中，所述慣性傳感器內(nèi)置的慣性測(cè)量單元用于檢測(cè)六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)信息，包括俯仰角、橫滾角、偏航角、三軸加速度；所述慣性傳感器向數(shù)據(jù)采集設(shè)備單向發(fā)送數(shù)據(jù)，所述慣性傳感器刷新率為n2，n2大于等于100。
11、其中，所述壓感開(kāi)關(guān)陣列刷新率為n1，n1大于等于50，按下激活手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，松開(kāi)中斷手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。
12、其中，所述無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備布置于可穿戴背甲上，所述慣性傳感器安裝于可穿戴甲上，所述壓感開(kāi)關(guān)由內(nèi)外二層包覆材料固定在內(nèi)部。
13、其中，所述基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備，包括顯示設(shè)備，用于顯示所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的上肢末端位姿以及下一時(shí)刻手術(shù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)增量。
14、其中，所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備與受控的手術(shù)機(jī)器人通信連接，控制手術(shù)機(jī)器人對(duì)應(yīng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)末端進(jìn)行持續(xù)的主從控制。
15、本專(zhuān)利技術(shù)的另一方面，提供一種基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備的控制方法，包括步驟：
16、利用所述慣性傳感器陣列計(jì)算操作者當(dāng)前上肢的末端姿態(tài)；
17、數(shù)據(jù)處理設(shè)備將得到的上肢的末端位姿及壓感開(kāi)關(guān)陣列的狀態(tài)反饋信息，基于上肢至手術(shù)機(jī)器人的映射模塊，將上肢運(yùn)動(dòng)映射至手術(shù)機(jī)器人各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換為手術(shù)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)信息，控制手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；
18、在控制過(guò)程中，結(jié)合預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)空間限制約束手術(shù)機(jī)器人各個(gè)自由度的最大運(yùn)動(dòng)距離，通過(guò)壓感開(kāi)關(guān)陣列的壓感開(kāi)關(guān)進(jìn)行手術(shù)機(jī)器人左右側(cè)控制的激活與否，按下時(shí)激活機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，松開(kāi)時(shí)中斷機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。
19、其中，所述利用所述慣性傳感器陣列計(jì)算操作者當(dāng)前上肢的末端姿態(tài)，包括步驟：
20、獲取所述慣性傳感器得到的六自由度數(shù)據(jù)；
21、在靜止?fàn)顟B(tài)下獲取一段時(shí)間內(nèi)所述慣性傳感器的六自由度數(shù)據(jù)，去除其隨時(shí)間積累的偏移；
22、將去除了偏移的六自由度數(shù)據(jù)濾去高頻噪聲后與前一時(shí)刻的數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)合所述慣性傳感器的俯仰角、橫滾角、偏航角與上肢姿態(tài)的關(guān)系，得到當(dāng)前上肢的末端位姿。
23、本專(zhuān)利技術(shù)的可穿戴控制設(shè)備，其結(jié)構(gòu)輕便小巧，通過(guò)慣性傳感器陣列、壓感開(kāi)關(guān)陣列和無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備組成，無(wú)需外圍輔助設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)與手術(shù)機(jī)器人分離，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
24、本專(zhuān)利技術(shù)的可穿戴控制設(shè)備，基于手勢(shì)識(shí)別技術(shù)，識(shí)別操作者的上肢雙臂姿態(tài)，具有很強(qiáng)的直觀性，操作者的運(yùn)動(dòng)意圖和手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向匹配，因此手眼協(xié)調(diào)性好，培訓(xùn)成本低，并擴(kuò)大了運(yùn)動(dòng)空間，改善運(yùn)動(dòng)精度。
25、本專(zhuān)利技術(shù)的可穿戴控制設(shè)備，針對(duì)主從控制下在人體狹窄的自然腔道內(nèi)開(kāi)展手術(shù)時(shí)誤操作會(huì)造成額外損傷或污染等潛在風(fēng)險(xiǎn)，引入了安全運(yùn)動(dòng)空間限制和控制中斷等額外環(huán)節(jié)，緩解了增量控制造成的主從手姿態(tài)不匹配的問(wèn)題，改善了長(zhǎng)時(shí)間操作下操作者易疲勞的問(wèn)題，同時(shí)降低了因視野受阻、疲勞或其他因素造成術(shù)中意外損傷或手術(shù)機(jī)器人損壞的概率。
26、本專(zhuān)利技術(shù)的可穿戴控制設(shè)備，兼容性良好，不使用機(jī)械結(jié)構(gòu)獲取運(yùn)動(dòng)信息，輕本文檔來(lái)自技高網(wǎng)
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【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備，其特征在于，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)操作者的上肢的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)意圖，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備，其特征在于，所述慣性傳感器、無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備與無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用藍(lán)牙無(wú)線通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備，其特征在于，位于手背處和前臂處的慣性傳感器近操作者的腕關(guān)節(jié)，上臂處的慣性傳感器位于上臂中點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備，其特征在于，所述慣性傳感器內(nèi)置的慣性測(cè)量單元用于檢測(cè)六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)信息，包括俯仰角、橫滾角、偏航角、三軸加速度；所述慣性傳感器向數(shù)據(jù)采集設(shè)備單向發(fā)送數(shù)據(jù)，所述慣性傳感器刷新率為N2，N2大于等于100。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備，其特征在于，所述壓感開(kāi)關(guān)陣列刷新率為N1，N1大于等于50，按下激活手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，松開(kāi)中斷手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備，其特征在于，所述無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備布置于可穿戴背甲上，所述慣性傳感器安裝于可穿戴甲上，所述壓感開(kāi)關(guān)由內(nèi)外二層包覆材料固定在內(nèi)部。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備，其特征在于，包括顯示設(shè)備，用于顯示所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的上肢末端位姿以及下一時(shí)刻手術(shù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)增量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1--7任一項(xiàng)所述基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備與受控的手術(shù)機(jī)器人通信連接，控制手術(shù)機(jī)器人對(duì)應(yīng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)末端進(jìn)行持續(xù)的主從控制。
9.權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備的控制方法，其特征在于，包括步驟：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備的控制方法，其特征在于，所述利用所述慣性傳感器陣列計(jì)算操作者當(dāng)前上肢的末端姿態(tài)，包括步驟：
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【技術(shù)特征摘要】
1.基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備，其特征在于，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)操作者的上肢的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)意圖，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備，其特征在于，所述慣性傳感器、無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備與無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用藍(lán)牙無(wú)線通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備，其特征在于，位于手背處和前臂處的慣性傳感器近操作者的腕關(guān)節(jié)，上臂處的慣性傳感器位于上臂中點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備，其特征在于，所述慣性傳感器內(nèi)置的慣性測(cè)量單元用于檢測(cè)六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)信息，包括俯仰角、橫滾角、偏航角、三軸加速度；所述慣性傳感器向數(shù)據(jù)采集設(shè)備單向發(fā)送數(shù)據(jù)，所述慣性傳感器刷新率為n2，n2大于等于100。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于手勢(shì)識(shí)別的手術(shù)機(jī)器人可穿戴控制設(shè)備，其特征在于，所述壓感開(kāi)關(guān)陣列刷新率為n1，n1大于等于50，按下激活手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，松開(kāi)中斷手術(shù)機(jī)...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：左思洋，姚啟文，陳保君，林強(qiáng)，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：天津大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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