一种基于5G网络和边缘计算的手术机器人主从手操控系统的制作方法

一种基于5g网络和边缘计算的手术机器人主从手操控系统
技术领域
1.本发明涉及手术机器人技术领域，具体地说，涉及一种基于5g网络和边缘计算的手 术机器人主从手操控系统。


背景技术：

2.手术机器人系统是集多项现代高科技手段于一体的综合体，其用途广泛，在临床上外 科上有大量的应用。外科医生可以远离手术台操纵机器进行手术，完全不同于传统的手术 概念，在微创外科领域是当之无愧的革命性外科手术工具。随着医疗技术和网路技术的不 断发展，各种微创手术机器人的应用场景越来越广泛，尤其是远程手术。各种机器人手术 系统均由控制台和操作臂组成，控制台由计算机系统、手术操作监视器、机器人控制监视 器、操作手柄和输入输出设备等组成，医生双手控制操作杆，手部动作传达到机械臂的尖 端，完成手术操作。但是，目前常规的手术机器人控制台和操作臂都是通过有线连接，即 一对一主
‑
仆式操作模式，无法实现远程控制操作臂；无法实现一个控制台控制多个机械 臂。此外控制台的计算机系统数据处理能力有限从而导致机械反应、内窥镜成像与图像处 理、视频编解码等主要指标均存在明显延迟。基于以上背景，突破传统有线网络连接方式， 并提高计算机处理能力的技术会极大提高手术机器人的性能并能够拓展其应用场景。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供了一种基于5g网络和边缘计算的手术机器人主从手操控系统， 以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述技术问题的解决，本发明的目的之一在于，提供了一种基于5g网络和边 缘计算的手术机器人主从手操控系统，包括
5.基础建设单元、边缘计算单元、智能调控单元和扩展应用单元；所述基础建设单元的 信号输出端与所述边缘计算单元的信号输入端连接，所述边缘计算单元的信号输出端与所 述智能调控单元的信号输入端连接，所述智能调控单元的信号输出端与所述扩展应用单元 的信号输入端连接；所述基础建设单元用于提供支持系统运行的基础设备及技术；所述边 缘计算单元用于通过边缘节点控制技术在机器人运行系统的边缘侧就近提供智能服务；所 述智能调控单元用于对机器人的操作主手及从手进行统一的集控及分布自治管理；所述扩 展应用单元用于在系统正常运行的基础上增设多种扩展服务来完善系统的功能性；
6.所述基础建设单元包括应用终端模块、云端数库模块、网络通信模块和功能服务模块；
7.所述边缘计算单元包括边缘部署模块、数据处理模块、边缘节点模块和安全防护模块；
8.所述智能调控单元包括集中管控模块、快捷布控模块、主手独控模块和从手云控模块；
9.所述扩展应用单元包括间歇连接模块、预测维护模块、能效管理模块、智能制造模块 和灵活更换模块。
10.作为本技术方案的进一步改进，所述应用终端模块、所述云端数库模块与所述功能服 务模块依次通过以太网通讯连接且并列运行；所述应用终端模块用于提供构建系统的基础 应用设备及终端平台并对各设备进行管理分配；所述云端数库模块用于在云端建立数据库 以存储机器人主手和从手端上传的影像资料及其他工作数据；所述网络通信模块用于通过 多种网络通信技术给系统各层面之间提供信号连接及数据传输的通道；所述功能服务模块 用于通过设置多种服务项目来支持系统的运行。
11.其中，应用终端包括但不限于机器人、机器人主手接口、机器人从手接口、处理器、 显示器、边缘计算服务器mec设备、路由网关、网络设备、网络切换器、摄像头等。
12.其中，网络通信技术包括专线网络、局域网、有线网、无线wifi、蓝牙、5g网络等， 其中尤其以5g为主、专线网络为辅。
13.作为本技术方案的进一步改进，所述功能服务模块包括网路监测模块、专网切换模块、 影像摄录模块和数据上云模块；所述网路监测模块的信号输出端与所述专网切换模块的信 号输入端连接，所述网路监测模块与所述影像摄录模块并列运行，所述影像摄录模块的信 号输出端与所述数据上云模块的信号输入端连接；所述网路监测模块用于在系统运行过程 中实时对网络链路情况进行监测以判断各链路是否连接畅通；所述专网切换模块用于在现 行工作网络如5g网络出现问题时切换到专线网络进行工作并提供乒乓保护机制；所述影 像摄录模块用于通过设置在机器人主/从手端的摄像装置对工作环境如手术流程、术野情 况等进行摄录；所述数据上云模块用于及时将摄录的影像视频通过无线传输技术传输到云 端数库进行存储。
14.作为本技术方案的进一步改进，所述专网切换模块中，不同网络切换过程中采用作业 优先级的算法，其计算公式为：
15.pj[i]＝po[i] n*twait；
[0016]
其中，po[i]为作业提交时指定的优先级，twait为作业在队列中等待的时间，n为常 数因子，随着等待时间的增加，作业优先级动态的增加，直到增加到阈值，即最高优先级。
[0017]
作为本技术方案的进一步改进，所述所述边缘部署模块、所述数据处理模块、所述边 缘节点模块与所述安全防护模块依次通过以太网通讯连接并独立运行；所述边缘部署模块 用于将边缘计算的工作负载部署在不同的网络层次以实现对各种5g业务的针对性支持； 所述数据处理模块用于通过边缘计算对系统内的数据信息进行处理和自我管理；所述边缘 节点模块用于利用更靠近用户的边缘节点作为云计算的有益补充以减少网络等待时间；所 述安全防护模块用于在各边缘节点之间建立横跨云计算和边缘计算的端到端的安全防护 措施。
[0018]
其中，边缘计算工作负载的部署要求为：对于低时延场景，边缘计算需要部署在靠近 基站的接入云；对于大流量热点场景，边缘计算可以部署在边缘云提高复用率；对于广域 大连接场景，边缘计算可部署在更高的汇聚云以实现大范围覆盖区域内的业务需求。
[0019]
作为本技术方案的进一步改进，所述数据处理模块包括数据过滤模块、数据计算模块、 数据存储模块和数据传输模块；所述数据过滤模块的信号输出端与所述数据计算模
块的信 号输入端连接，所述数据计算模块的信号输出端与所述数据存储模块的信号输入端连接， 所述数据存储模块的信号输出端与所述数据传输模块的信号输入端连接；所述数据过滤模 块用于在边缘节点处对数据进行过滤或分析以减少云端计算的压力；所述数据计算模块用 于在靠近物或数据源头的网络边缘实现数据的计算分析以减少数据的传输；所述数据存储 模块用于对边缘侧计算分析后的数据进行就地存储；所述数据传输模块用于对存储在边缘 侧的数据进行传输以便使用。
[0020]
作为本技术方案的进一步改进，所述数据过滤模块中，本地计算过程的计算能耗表达 式为：
[0021][0022]
式中，κ为k个cpu周期的能耗，计算能耗与工作负载线性相关。
[0023]
作为本技术方案的进一步改进，所述集中管控模块的信号输出端与所述快捷布控模块 的信号输入端连接，所述快捷布控模块的信号输出端同时与所述主手独控模块、所述从手 云控模块的信号输入端连接；所述集中管控模块用于通过设置在机房内的主处理器对系统 各层面、各功能进行集中管理和统一分配；所述快捷布控模块用于通过集控机房对机器人 主手及若干从手的工作区域进行快速部署及工作内容分配；所述主手独控模块用于通过处 理器经由控制器单独控制机器人主手的运行过程；所述从手云控模块用于以云端承载网为 基础通过处理器经由部署在边缘节点处的控制器分别单独控制各机器人从手的运行过程。
[0024]
其中，一个主手可以操纵多个从手，方便手术结束时快速切换到另外的从手进行手术， 从而可以提高手术效率。
[0025]
作为本技术方案的进一步改进，所述间歇连接模块、所述预测维护模块、所述能效管 理模块、所述智能制造模块与所述灵活更换模块并列运行；所述间歇连接模块用于在遵守 网络安全法规的前提下，通过远程位置间的低间歇连接来降低数据传输成本，并通过即时 分析来获取实时分析的时间数据以降低传输延迟；所述预测维护模块用于通过对各边缘节 点运行状态的监测来预测边缘设备的运行状态以便及时维护，从而实现降低成本、保证安 全及扩展产品到服务的效果；所述能效管理模块用于通过系统运行来进行能源效率的管理 以降低能耗、降低维护成本并提高可靠性；所述智能制造模块用于根据用户的需求对系统 及机器人的功能性进行增加及定制；所述灵活更换模块用于依据边缘节点的特性来灵活调 整机器人的运行计划并快速部署新的流程和模型。
[0026]
本发明的目的之二在于，提供了一种基于5g网络和边缘计算的手术机器人主从手操 控系统的运行方法，包括如下步骤：
[0027]
s1、将机器人主手/从手均通过合适的网络接口接入到系统中，并通过边缘计算将集 中式的运算部署到边缘计算服务器mec设备上；
[0028]
s2、通过工业网关设备同时接入5g网络、专线网络及其他网络技术，通过参数设置， 设定以5g网络为主、专线网络为辅，并设置合适的切换保护机制；
[0029]
s3、操作人员在机房中，通过集中式的处理设备，对机器人主/从手进行快捷部署， 并分别控制主手/从手的独立运行过程；
[0030]
s4、机器人工作过程中，实时对工作环境、手术视频、术野影像信息进行摄录；
[0031]
s5、机器人通过无线传输技术经由现行的网络，及时将摄录的影像视频传输到云
端数 据库并进行自动归类存储；
[0032]
s6、工作网络运行过程中，以5g网络为主，当5g网络出现问题或网络时延超过预设 的阙值时，通过设置在网关设备上的网络切换器自动将工作网络切换到专线网络上，在网 络切换过程中，通过切换保护机制避免频繁切换，提高工作网络的质量，保证系统运行顺 畅；
[0033]
s7、一个主手同时与多个从手连接，在其中一个从手端的手术结束时，主手可以快速 切换到与另一个从手端连接以便操控手术的进行。
[0034]
本发明的目的之三在于，提供了一种基于5g网络和边缘计算的手术机器人主从手操 控系统的运行装置，包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机 程序，处理器用于执行计算机程序时实现上述任一的基于5g网络和边缘计算的手术机器 人主从手操控系统。
[0035]
本发明的目的之四在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程 序被处理器执行时实现上述任一的基于5g网络和边缘计算的手术机器人主从手操控系统。
[0036]
与现有技术相比，本发明的有益效果：该基于5g网络和边缘计算的手术机器人主从 手操控系统中，通过设置机器人主手和从手，机器人主从手的操控系统集中在机房设备中， 并通过边缘计算将运算部署到便于计算服务器上，可以实现主从手机器人的快速部署，统 一调控主从手的运行过程，提高从手的可移动性，同时设置以5g网络为主、专线网络为 辅的可切换工作网络，提高工作网络的质量及稳定性，进而可以提高计算效率、减少成本， 且可以及时将视频影像上云，保障手术视频影像资料的存储便捷性、及时性和安全性，提 高手术效率，减轻医生的工作压力。
附图说明
[0037]
图1为本发明的系统架构结构框图；
[0038]
图2为本发明的整体系统装置结构图；
[0039]
图3为本发明的局部系统装置结构图之一；
[0040]
图4为本发明的局部系统装置结构图之二；
[0041]
图5为本发明的局部系统装置结构图之三；
[0042]
图6为本发明的局部系统装置结构图之四；
[0043]
图7为本发明的局部系统装置结构图之五；
[0044]
图8为本发明的局部系统装置结构图之六；
[0045]
图9为本发明的示例性计算机程序产品结构图。
[0046]
图中各个标号意义为：
[0047]
100、基础建设单元；101、应用终端模块；102、云端数库模块；103、网络通信模块； 104、功能服务模块；1041、网路监测模块；1042、专网切换模块；1043、影像摄录模块； 1044、数据上云模块；
[0048]
200、边缘计算单元；201、边缘部署模块；202、数据处理模块；2021、数据过滤模 块；2022、数据计算模块；2023、数据存储模块；2024、数据传输模块；203、边缘节点 模块；204、安全防护模块；
[0049]
300、智能调控单元；301、集中管控模块；302、快捷布控模块；303、主手独控模块； 304、从手云控模块；
[0050]
400、扩展应用单元；401、间歇连接模块；402、预测维护模块；403、能效管理模块； 404、智能制造模块；405、灵活更换模块。
具体实施方式
[0051]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例，都属于本发明保护的范围。
[0052]
实施例1
[0053]
如图1
‑
图9所示，本实施例提供了一种基于5g网络和边缘计算的手术机器人主从手 操控系统，包括
[0054]
基础建设单元100、边缘计算单元200、智能调控单元300和扩展应用单元400；基础 建设单元100的信号输出端与边缘计算单元200的信号输入端连接，边缘计算单元200的 信号输出端与智能调控单元300的信号输入端连接，智能调控单元300的信号输出端与扩 展应用单元400的信号输入端连接；基础建设单元100用于提供支持系统运行的基础设备 及技术；边缘计算单元200用于通过边缘节点控制技术在机器人运行系统的边缘侧就近提 供智能服务；智能调控单元300用于对机器人的操作主手及从手进行统一的集控及分布自 治管理；扩展应用单元400用于在系统正常运行的基础上增设多种扩展服务来完善系统的 功能性；
[0055]
基础建设单元100包括应用终端模块101、云端数库模块102、网络通信模块103和 功能服务模块104；
[0056]
边缘计算单元200包括边缘部署模块201、数据处理模块202、边缘节点模块203和 安全防护模块204；
[0057]
智能调控单元300包括集中管控模块301、快捷布控模块302、主手独控模块303和 从手云控模块304；
[0058]
扩展应用单元400包括间歇连接模块401、预测维护模块402、能效管理模块403、智 能制造模块404和灵活更换模块405。
[0059]
本实施例中，应用终端模块101、云端数库模块102与功能服务模块104依次通过以 太网通讯连接且并列运行；应用终端模块101用于提供构建系统的基础应用设备及终端平 台并对各设备进行管理分配；云端数库模块102用于在云端建立数据库以存储机器人主手 和从手端上传的影像资料及其他工作数据；网络通信模块103用于通过多种网络通信技术 给系统各层面之间提供信号连接及数据传输的通道；功能服务模块104用于通过设置多种 服务项目来支持系统的运行。
[0060]
其中，应用终端包括但不限于机器人、机器人主手接口、机器人从手接口、处理器、 显示器、边缘计算服务器mec设备、路由网关、网络设备、网络切换器、摄像头等。
[0061]
其中，网络通信技术包括专线网络、局域网、有线网、无线wifi、蓝牙、5g网络等， 其中尤其以5g为主、专线网络为辅。
[0062]
进一步地，功能服务模块104包括网路监测模块1041、专网切换模块1042、影像摄 录模块1043和数据上云模块1044；网路监测模块1041的信号输出端与专网切换模块1042 的信号输入端连接，网路监测模块1041与影像摄录模块1043并列运行，影像摄录模块1043 的信号输出端与数据上云模块1044的信号输入端连接；网路监测模块1041用于在系统运 行过程中实时对网络链路情况进行监测以判断各链路是否连接畅通；专网切换模块1042 用于在现行工作网络如5g网络出现问题时切换到专线网络进行工作并提供乒乓保护机制； 影像摄录模块1043用于通过设置在机器人主/从手端的摄像装置对工作环境如手术流程、 术野情况等进行摄录；数据上云模块1044用于及时将摄录的影像视频通过无线传输技术 传输到云端数库进行存储。
[0063]
具体地，专网切换模块1042中，不同网络切换过程中采用作业优先级的算法，其计 算公式为：
[0064]
pj[i]＝po[i] n*twait；
[0065]
其中，po[i]为作业提交时指定的优先级，twait为作业在队列中等待的时间，n为常 数因子，随着等待时间的增加，作业优先级动态的增加，直到增加到阈值，即最高优先级。
[0066]
本实施例中，边缘部署模块201、数据处理模块202、边缘节点模块203与安全防护 模块204依次通过以太网通讯连接并独立运行；边缘部署模块201用于将边缘计算的工作 负载部署在不同的网络层次以实现对各种5g业务的针对性支持；数据处理模块202用于 通过边缘计算对系统内的数据信息进行处理和自我管理；边缘节点模块203用于利用更靠 近用户的边缘节点作为云计算的有益补充以减少网络等待时间；安全防护模块204用于在 各边缘节点之间建立横跨云计算和边缘计算的端到端的安全防护措施。
[0067]
其中，边缘计算工作负载的部署要求为：对于低时延场景，边缘计算需要部署在靠近 基站的接入云；对于大流量热点场景，边缘计算可以部署在边缘云提高复用率；对于广域 大连接场景，边缘计算可部署在更高的汇聚云以实现大范围覆盖区域内的业务需求。
[0068]
进一步地，数据处理模块202包括数据过滤模块2021、数据计算模块2022、数据存 储模块2023和数据传输模块2024；数据过滤模块2021的信号输出端与数据计算模块2022 的信号输入端连接，数据计算模块2022的信号输出端与数据存储模块2023的信号输入端 连接，数据存储模块2023的信号输出端与数据传输模块2024的信号输入端连接；数据过 滤模块2021用于在边缘节点处对数据进行过滤或分析以减少云端计算的压力；数据计算 模块2022用于在靠近物或数据源头的网络边缘实现数据的计算分析以减少数据的传输； 数据存储模块2023用于对边缘侧计算分析后的数据进行就地存储；数据传输模块2024用 于对存储在边缘侧的数据进行传输以便使用。
[0069]
具体地，数据过滤模块2021中，本地计算过程的计算能耗表达式为：
[0070][0071]
式中，κ为k个cpu周期的能耗，计算能耗与工作负载线性相关。
[0072]
本实施例中，集中管控模块301的信号输出端与快捷布控模块302的信号输入端连接， 快捷布控模块302的信号输出端同时与主手独控模块303、从手云控模块304的信号输入 端连接；集中管控模块301用于通过设置在机房内的主处理器对系统各层面、各功能进行 集中管理和统一分配；快捷布控模块302用于通过集控机房对机器人主手及若干从手的
只读存储器(eprom)，可编程只读存储器(prom)，只读存储器(rom)，磁存储器，快 闪存储器，磁盘或光盘。
[0086]
此外，本发明还提供了计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序， 计算机程序被处理器执行时实现上述的基于5g网络和边缘计算的手术机器人主从手操控 系统。
[0087]
可选的，本发明还提供了包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得 计算机执行上述各方面基于5g网络和边缘计算的手术机器人主从手操控系统。
[0088]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完 成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，上 述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0089]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员 应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优 选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变 化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附 的权利要求书及其等效物界定。