一种手术用协作型支撑定位系统及其控制方法与流程

本发明属于医疗器械，具体涉及一种用于手术辅助的支撑定位系统，尤其涉及一种手术用协作型支撑定位系统及其控制方法，适用于经会阴手术、妇科手术等需要长时间稳定持械操作的手术场景。

背景技术：

1、经会阴手术（如经会阴前列腺穿刺活检、经会阴前列腺癌放射性粒子植入等）是泌尿外科的常规术式。该类手术的操作过程中，需要持续经会阴部置入扩肛器或扩阴器以建立手术通道，并在此过程中配合穿刺针、超声探头等器械进行操作。手术的精度和安全性高度依赖于扩肛器/扩阴器位置的稳定性和可调节性。现有临床实践中，扩肛器/扩阴器的保持通常依赖手术助手持续手持固定，这种方式至少存在以下技术缺陷：长时间手术过程中助手手持扩肛器难以保持绝对稳定，人手不可避免地产生微小颤抖和疲劳性位移，即使微小的位置偏移也可能导致手术通道变形，进而影响穿刺精度和粒子植入的准确性；同时，至少需要一名专职助手持续持械，增加了手术团队人员配置要求，在人力资源紧张的手术室环境中进一步加剧了人员调配的困难；此外，术中如需调整扩肛器的角度或置入深度，往往需要重新放置，操作不便且增加患者不适感。

2、现有手术机器人系统虽然能够实现精确定位和稳定持械，但骨科手术机器人、腹腔镜手术机器人等现有系统体积庞大、占用空间大，需要专门改造的手术室空间，无法在常规手术室中灵活部署；购置及维护成本高昂，难以在经会阴手术等相对简单、手术量大的常规手术场景中普及应用。另一方面，市面上现有的持械臂或辅助支架多为被动型支撑装置，仅能提供机械锁定功能，不具备主动控制能力，一旦锁定后无法进行精细的位置和姿态调节，如需调整必须手动松开锁定机构后重新定位，操作繁琐且难以实现连续平滑的微调。

3、因此，亟需一种体积小巧、成本可控、具备主动精细控制能力且能稳定夹持手术器械的手术辅助支撑定位系统，以克服上述现有技术的诸多不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种手术用协作型支撑定位系统及其控制方法，以解决现有技术中因人工持械导致的疲劳漂移、人力占用高、术中缺乏精细微调能力，以及现有机器人系统体积庞大成本高昂、现有持械辅助装置功能单一缺乏主动控制能力的技术问题。

2、根据本发明的一个目的，本发明提供一种手术用协作型支撑定位系统，包括：

3、移动台车，所述移动台车底部设置有移动轮，所述移动台车内部集成有电气控制单元和电源模块；

4、六自由度协作机械臂，安装于所述移动台车上，所述六自由度协作机械臂具有内置控制器和设置于其末端的末端法兰；

5、末端夹持机构，可拆卸地安装于所述六自由度协作机械臂的末端法兰上，用于夹持手术器械；

6、双联脚踏开关，与所述六自由度协作机械臂的内置控制器信号连接，用于向所述内置控制器发送开关量控制指令；

7、多轴摇杆，与所述电气控制单元信号连接，用于发送连续方向控制指令；以及

8、上位机控制器，分别与所述六自由度协作机械臂和所述多轴摇杆通信连接，用于接收所述多轴摇杆的控制指令并将其转换为所述六自由度协作机械臂的运动指令。

9、进一步地，所述末端夹持机构包括卡扣式锁紧结构，所述卡扣式锁紧结构用于固定手术器械的手柄部，且所述卡扣式锁紧结构的夹持面设置有弹性垫层。

10、进一步地，所述末端夹持机构设有快换接口，所述快换接口用于可拆卸地更换适配不同型号扩肛器、扩阴器或穿刺引导架的夹持模块。

11、进一步地，所述上位机控制器复用所述六自由度协作机械臂的电源输出，所述移动台车内部还设置有dc-dc降压模块，所述dc-dc降压模块用于将所述六自由度协作机械臂的48v电源转换为12v和/或5v电源以为所述上位机控制器供电。

12、进一步地，所述移动台车的后部或底部设置有脚踏收纳仓，所述脚踏收纳仓具有用于收纳所述双联脚踏开关的容置空间。

13、进一步地，还包括安装于所述移动台车上的智能支架，所述智能支架的上端设置有机械臂安装接口，所述六自由度协作机械臂通过所述机械臂安装接口固定于所述智能支架上。

14、根据本发明的另一个目的，本发明提供一种基于上述系统的协作型支撑定位控制方法，包括以下步骤：

15、s1、工具坐标系建立步骤：以所述上位机控制器建立所述末端夹持机构在工具坐标系下的位姿模型；

16、s2、脚控模式步骤：响应于所述双联脚踏开关的第一踏板的触发信号，所述六自由度协作机械臂在锁定当前位姿与解锁当前位姿之间切换；并控制所述六自由度协作机械臂进入或退出拖动模式，在所述拖动模式下，所述六自由度协作机械臂相应于外部拖动力改变其位姿，并实时更新当前的位姿数据；

17、s3、手控模式步骤：响应于所述双联脚踏开关的第二触发信号，所述六自由度协作机械臂进入手控模式；在所述手控模式下，响应于所述多轴摇杆的连续方向信号，所述上位机控制器将所述多轴遥杆的摇杆信号转换为工具坐标系下的运动增量，驱动所述六自由度协作机械臂实现末端工具的沿轴平移和绕轴旋转；当所述第二触发信号撤销时，所述六自由度协作机械臂退出所述手控模式，并保持当前位姿；

18、s4、紧急停止步骤：响应于设置于所述移动台车上的紧急停止按钮的触发信号，所述六自由度协作机械臂的内置控制器直接切断电机驱动电源，所述六自由度协作机械臂立即停止所有运动并保持当前位姿。

19、进一步地，步骤s2中，所述第一踏板的触发信号为上升沿触发信号或下降沿触发信号，每次触发所述六自由度协作机械臂在位姿锁定状态与位姿解锁状态之间切换一次。

20、进一步地，步骤s3中：

21、所述多轴摇杆的摇杆信号包括模拟量信号，所述上位机控制器根据所述模拟量信号的幅值确定所述六自由度协作机械臂末端的运动速度，根据所述模拟量信号的方向确定所述六自由度协作机械臂末端的运动方向；

22、所述沿轴平移包括沿工具坐标系x轴、y轴和z轴三个方向的线性运动，所述绕轴旋转包括绕工具坐标系x轴、y轴和z轴三个方向的旋转运动。

23、进一步地，步骤s3中，所述第二踏板的触发信号优先级高于所述多轴摇杆的控制指令，当所述上位机控制器同时接收到所述第二踏板的触发信号和所述多轴摇杆的控制指令时，所述所述第二踏板的触发信号。

24、本发明的技术方案通过移动台车、六自由度协作机械臂、末端夹持机构、双联脚踏开关、多轴摇杆及上位机控制器的有机配合，协作机械臂替代人手实现手术器械的持续稳定支撑，锁定后消除人手疲劳导致的位姿漂移，保证手术精度；操作者通过脚踏开关即可完成位姿锁定与解锁的切换，双手无需离开无菌区，符合手术无菌操作规范；多轴摇杆与上位机控制器配合，实现了工具坐标系下的六自由度连续精细调节，术者可在术中随时微调器械位置与姿态，无需重新放置；移动台车与轻量化协作机械臂的一体化设计，使整机体积小巧、移动灵活，可直接推入现有手术室使用，无需改造空间或配置专用控制柜，购置及维护成本显著低于大型手术机器人系统。上述部件相互配合，共同实现了稳定支撑、精细调节与低成本部署的技术效果。