一种基于通信加密的远程手术机器人控制系统及方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，尤其涉及一种基于通信加密的远程手术机器人控制系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着科技发展，远程手术机器人逐渐成为医疗领域热门研究方向，由于它能让医生不受地理限制，进行精准、高效的远程手术。然而，现有的远程手术机器人系统在实际操作中存在一些重要问题。

首先，现有的远程手术机器人系统在数据传输过程中安全性问题尤为突出。由于手术机器人控制信息通常在公共有线或无线网络中传输，这就给数据安全带来了巨大的挑战。如果数据在传输过程中被恶意截获或篡改，可能对手术的安全性和有效性产生非常严重的影响。

其次，现有的远程手术机器人系统在数据传输时也存在时延问题。在网络数据通信过程中，由于网络带宽限制、数据包传输错误等原因，可能会产生数据传输延迟。对于需要精确控制的手术机器人系统而言，即使是最小的时延也可能产生决定性的影响，影响手术结果，甚至威胁到患者生命安全。

此外，现有的远程手术机器人系统一般需要专业的医疗人员进行操作，这对医生的技术要求较高，对普通医生来说，操作难度大，学习成本高。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明第一方面提供一种基于通信加密的远程手术机器人控制系统，其通过引入基于量子密钥分发的通信加密技术，能有效保护手术机器人的控制信息在传输过程中不被窃取或篡改，极大提高了数据的安全性。同时，引入了基于数据预测滤波的间接网络控制技术，可以有效降低网络传输的时延，保证手术的准确执行。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于通信加密的远程手术机器人控制系统，包括手术机器人和上位机监控系统，所述上位机监控系统设置第一控制模块，所述手术机器人内设置第二控制模块，所述第一控制模块内添加第一量子密钥分发QKD设备，所述第二控制模块内添加第二量子密钥分发QKD设备；

所述第一控制模块被配置为：根据患者的身体结构信息构建得到三维模型上标定的目标位置、待移动路径以及敏感区，生成控制指令，通过第一量子密钥分发QKD设备对控制指令加密后发送至第二控制模块；

所述第二控制模块被配置为：解密控制指令，根据控制指令执行相应的手术操作，同时，将实时采集的手术过程中的手术数据，通过第二量子密钥分发QKD设备加密后反馈至第一控制模块。

作为一种实施方式，所述对控制指令加密后生成密钥，具体包括：

发送者任意选择两串随机的二进制数b1和b2；将这两串随机的二进制数b1和b2作为输入，根据这两串二进制数生成一个量子态，通过量子通道发送给接收者这串量子态；

接收者收到这串量子态后，生成相同长度的随机二进制数，设为b3；根据b3来对接收到的量子态进行测量，将测量结果记为b4；通过公开信道把b3告诉发送者；

发送者收到b3后，通过比较b1和b3找出其中相同的部分，记为k1；

接收者也通过比较b1和b3找出其中相同的部分，记为k2；

如果k1和k2相同，则生成秘钥用于信息传输，否则就需要重新生成秘钥。

作为一种实施方式，所述第二控制模块包括延时补偿网络，所述延时补偿网络被配置为：

接收控制指令对应的电信号，将对应的电信号输入至改进的Smith预估器补偿网络，通过改进的Smith预估器补偿网络将第一网络延时和纯滞后延时移到回路外，同时消除第二网络延时，将经过改进的Smith预估器补偿网络补偿后输出相应的手术操作。

作为一种实施方式，所述改进的Smith预估器补偿网络的具体结构为：

闭环传递函数为：

闭环特征方程为：

当G

式中，Y(s)为输入，R(s)为输出，C(s)表示控制器的传递函数，G(s)e

作为一种实施方式，所述第二控制模块被配置为：根据各个执行动作设置机器人各个关节的作业参数，基于信号与槽的思想，利用单击按钮事件产生信号，并用相应的槽函数通过将动作请求转换成控制命令数据包下发至第一控制器；

所述第一控制器被配置为：将机器人的关节位移将通过定时上传的方式间隔发送位移数据包发送至第二控制模块，第二控制模块解析后实时显示在控制界面的位移文本框中。

作为一种实施方式，所述第一控制模块和第二控制模块通过以太网通信系统建立传输通道，所述第一控制模块和第二控制模块通过TCP通信，利用QTcpSocket类建立套接字通信对象，绑定IP地址后监听端口连接从而实现标准的网络协议。

作为一种实施方式，所述第一控制单元还包括最小系统单元、通信单元、存储单元、驱动单元和接口电路；所述存储单元、驱动单元和接口电路分别连接至最小系统单元，所述延时补偿单元一端连接至最小系统单元，另一单通过通信单元和第二控制模块通信连接。

作为一种实施方式，所述驱动单元采用带有过流保护和转换器的微步驱动器，所述微步驱动器包括多种模式，通过不同的模式来调整不同的执行动作，所述模式通过对输出插槽MS1、MS2、MS3的不同组合实现1细分、2细分、4细分、8细分、16细分共5种细分模式。

作为一种实施方式，所述数据存储单元被配置为：存储手术机器人运动过程中机械臂的关键信息。

为了解决上述问题，本发明的第二方面提供一种基于通信加密的远程手术机器人控制方法，应用第一方面所述的基于通信加密的远程手术机器人控制系统，其通过引入基于量子密钥分发的通信加密技术，能有效保护手术机器人的控制信息在传输过程中不被窃取或篡改，极大提高了数据的安全性。。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于通信加密的远程手术机器人控制方法，应用第一方面所述的一种基于通信加密的远程手术机器人控制系统，其特征在于，包括如下步骤：

获取患者的身体结构信息；

基于患者的身体结构信息构建三维模型，在三维模型上标定手术需要达成的目标位置、设定手术器械需要移动的路径以及手术过程中的敏感区域，根据上述信息生成控制指令；

利用量子态编码技术，将控制指令进行加密，并通过量子通信信道将加密后的指令发送至手术机器人；

解密控制指令，根据控制指令执行相应的手术操作，同时，将实时采集的手术过程中的手术数据，利用量子态编码技术，将手术数据加密后通过量子通信信道反馈至上位机监控系统。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过手术机器人和上位机监控系统，采用了易于操作和学习的上位机监控系统，在上位机监控系统发出指令，控制手术机器人执行操作，降低了操作难度，降低了医生的学习成本，使更多的医生能够利用远程手术机器人进行远程手术。

2、本发明在数据传输的过程中引入基于量子密钥分发的通信加密技术，能有效保护手术机器人的控制信息在传输过程中不被窃取或篡改，极大提高了数据的安全性，提高了手术的安全性和有效性，有利于远程手术机器人的普及和应用。

3、本发明引入了基于数据预测滤波的间接网络控制技术，可以有效降低网络传输的时延，不仅能确保手术的顺利进行，还能进一步提升远程手术的效率，因为只有时延控制在一个相对稳定和可预期的范围内，医生才能更加流畅、稳定地操作远程手术机器人，保证手术的准确执行。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例提供的控制系统框图；

图2是本发明实施例提供的最小系统单元电路图；

图3是本发明实施例提供的存储单元电路图；

图4是本发明实施例提供的驱动单元电路图；

图5是本发明实施例提供的通信单元电路图；

图6是本发明实施例提供的接口电路电路图；

图7是本发明实施例提供的改进的Smith预估器补偿网络控制系统；

图8是本发明实施例提供的延时补偿网络等效控制模型；

图9是本发明实施例提供的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

本发明提供了一种基于通信加密的远程手术机器人控制系统及方法，该系统使用ARM控制系统进行本地控制，具有响应性能好、处理能力强、加密通信安全性高等优点。系统包括针对手术现场实时采集的摄像头单元和实时监控的人机界面单元，用于实时下发操作员的指令，并对机器人关键信息进行存储的存储单元，以及进行远程通信的通信单元。此外，系统还配备了量子密钥分发QKD设备用于量子加密，确保远程手术数据的安全传输。在远程手术机器人控制方法中，医生通过三维成像获取患者的详细身体信息，设定手术目标和切割路径，通过量子加密技术进行远程传输，实现手术的精准操作。同时，手术机器人也可以通过量子加密技术实时反馈手术情况。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种基于通信加密的远程手术机器人控制系统，包括：手术机器人和上位机监控系统；

所述手术机器人包括用于本地控制的ARM控制系统保证程序运行的最小系统单元、延时补偿网络、对功率信号进行放大的步进电机驱动单元、用于图像获取的摄像头接口电路和用于检测电机位置信号的编码器接口电路、对手术现场实时采集的摄像头单元和实时监控的人机界面单元、进行远程数据传输的通信单元和数据保存的存储单元、进行远程通信的通信单元、量子密钥分发QKD设备，以太网通信系统、上位机监控系统以及量子密钥分发QKD设备；

如图2所示，所述最小系统单元由CPU和外围电路构成，本实施例中，所述最小系统单元的中央处理单元采用ARM公司的STM32F103RCT6控制器，外围模块包括单片机最小系统电路、电机驱动电路、以太网通信电路、EEPROM数据存储电路、RS232和RS485通信电路。系统主要利用单片机的片上资源有：利用定时器产生PWM控制步进电机；利用IIC实现FM24C16数据存储模块中关键数据的读取；利用SPI实现单片机与网卡的双向通信；利用RS232实现触摸屏的人机界面控制；利用IIC实现摄像头的图像传输；利用串口进行下位机调试。

基于STM32单片机的最小系统电路主要由电源电路、MCU、时钟电路和复位电路等基本外围电路组成，电路图如图所示。在电源电路方面，选取输出电压24V、输出电流15A的开关电源作为系统动力电源，整套电源系统共包含三套直流电源，即24V、5V、3.3V。复位电路是依据电压、电容的稳定性通过电流导通释放电荷的原理实现，在系统中扮演稳定电路的作用，可以有效防止程序跑飞；时钟电路由外部8M无源晶振提供精确的实时时钟信号。

所述存储单元将手术机器人运动过程中机械臂的关键信息，选取具有16K位的非易失性记忆体FM24C16作为数据存储芯片，其原理简单、可靠性高、擦写速度快、擦写次数高达100亿次，广泛应用于各种数据采集系统中。FM24C16通过标准IIC协议进进行数据的读写，其存储空间划分为2048个字节单元共16K，外围电路简单，仅需两个10K的上拉电阻和一个0.1uF的电源滤波电容即可保证芯片稳定的工作，其电路图如图3所示。

所述驱动单元选取带有过流保护和转换器的微步驱动器A4988作为步进电机驱动器芯片。A4988通过对MS1、MS2、MS3的不同组合实现1细分、2细分、4细分、8细分、16细分共5种细分模式，驱动性能在33V到37V之间，使用原理简单。A4988主要功能包括细分、短路保护、过热保护等，通过控制芯片14号STEP引脚控制步进电机的转速，通过控制芯片19号DIR引脚控制步进电机的转向，其原理图如图4所示。

所述通信单元选用ENC28J60利用片选引脚CS、中断引脚INT、时钟引脚SCK、数据发送引脚SDO、数据接收引脚SDI共5个IO与主控制器通过SPI协议在网络上进行数据包传输；利用两个IO连接LED指示网络连接状态；利用差分接收引脚连接脉冲变压器实现网口连接，差分引脚通过连接阻值为50欧、精度为百分之一的精密电阻和0.01uF电容提高信号的抗干扰能力，同时芯片所有的电源信号、地信号应和控制器共一个地线。原理图如图5所示。

所述接口电路包括用于现场监控的触摸屏接口电路、用于图像获取的摄像头接口电路和用于检测电机位置信号的编码器接口电路。系统采用在人机界面中广泛使用的EView系列ET070触摸屏，其显示尺寸为7寸，分辨率高达800*480个像素，同时支持RS232/RS485通信。用户可以通过各种控件如按钮、文本、数字、图形等处理、监控系统状态，并通过通信接口完成数据传输。触摸屏系统由传感器、控制部件、驱动程序及开发软件等三部分组成，具有功能强大、性能稳定的优点。系统采用RS232作为触摸屏与机器人控制器数据传输的通信接口，控制器中的RS232硬件电路如图6所示。

RS232硬件电路简单易实现，只需一片MAX232芯片和几个1uF的滤波电容即可实现。

所述机器人控制系统和上位机监控系统支持串口通信和TCP网络通信两种通信方式；实时显示、更新手术现场的图像信息；实时下发操作员的指令，并对机器人关键信息进行存储；所述上位机监控系统包括控制界面和通信界面。所述控制界面实现XYZ三平移自由度的定位机构和UV二自由度执行机构的各关节运动，最终完成机械臂末端的手术刀在病患区的切除、缝补动作。

所述上位机监控系统被配置为：在驱动机器人执行动作前应调节好各关节包括速度，步进电机的细分等参数，基于信号与槽的思想，利用单击按钮事件如正转/反转信号、加速/减速信号产生信号，并用相应的槽函数通过将用户的动作请求转换成控制命令数据包下发至下位机，实现机器人的远程控制功能。同时机器人的关节位移将通过定时上传的方式间隔发送位移数据包，上位机解析后实时显示在控制界面的位移文本框中。

所述通信界面包括用于上位控制软件通信的接口主要包括串口通信和TCP通信。而串口通信是上位机系统中与嵌入式系统进行数据通信最常用通信方式之一，在Qt中也提供了用于串口通信的类QSerialPort。QSerialPort类提供了操作串口的各种接口函数，利用API接口函数即可完成上位机和下位机之间的串口通信。首先，在.pro文件中添加QT+＝serialport使得串口类的接口函数可以被正常调用；其次，利用availablePorts()函数获取串口号并添加，同时设置波特率为115200，设置数据位为8位，设置奇偶校验位为无，1位停止。最后，利用write()编写数据发送函数，利用readAll()编写数据接收函数。上位机进行TCP网络通信时，利用QTcpSocket类建立套接字通信对象，绑定IP地址后监听端口连接从而实现标准的网络协议。服务器和客户端一旦成功建立连接，便可进行数据传输。

其中，用于TCP通信的以太网通信系统，通过有线或无线的方式建立传输通道，保证系统状态、命令、数据等信息安全、可靠地传输。

所述延时补偿网络被配置为：

接收控制指令对应的电信号，将对应的电信号输入至改进的Smith预估器补偿网络，通过改进的Smith预估器补偿网络将第一网络延时和纯滞后延时移到回路外，同时消除第二网络延时，将经过改进的Smith预估器补偿网络补偿后输出相应的手术操作。

其中，所述延时补偿网络基于改进的Smith预估器补偿网络控制系统；改进的Smith预估器网络控制系统如图7所示，已知被控对象传递函数为G(s)e

控制系统的闭环传递函数为：

闭环特征方程为：

闭环系统特征方程中存在延时指数项，导致相位滞后，系统不稳定；当G

该式子的等效控制模型可以转换为如图8所示的等效控制模型。

该系统具有如下特点：1、将网络延时τ

所述ARM控制系统和上位机监控系统添加有量子密钥分发QKD设备用于量子加密。主要使用了量子力学的两个基本原理，即海森堡的不确定性原理和定向克隆不可得原理。两个通信者，通常被称为Alice和Bob，将创建一个只有他们两人知道的密钥。Alice开始创建一串随机的比特(0或1)，同时随机的选择一套基，可以用+或x来表示。Alice用所选的基将比特编码成量子态，然后发送给Bob。

对于每一个接收到的量子态，Bob也随机选择一套基来进行测量。由于这个选择是随机的，有时他选的基和Alice发的基一样，有时不一样。一个重要的点是，Alice和Bob不能提前协商所用的基。否则，他们的通信就会对潜在的窃听者产生模式，那样就可以被窃听。

测量结束后，Bob通过经典通信信道(例如电话或互联网)告诉Alice他选择的基。他不会告诉她他的测量结果，只是他选择的基。

Alice会对此做出回应，告诉Bob在哪些情况下，他的基和她的一样。对于那些基相同的比特，他们就可以确定测量结果是相同的，所以那些比特就可以构成他们的密钥。整个过程如表1所示。

表1量子加密解密密钥配对示意表

以下是其数学表达方式：

Alice选择“+”基，用|0>＝|H>表示'0'，|1>＝|V>表示'1'，其中|H>和|V>是水平极化和垂直极化；

Alice还可以选择“x”基，用

Bob随机选择“+”基或者“x”基进行测量，测量结果为0或者1。

所述的量子加密解密过程如下：

加密过程如下：

通信者选择一串随机的二进制数，设为b1，长度为n；

选择另外一串随机的二进制数，设为b2，长度也是n；

将b1和b2作为输入，根据这两串二进制数生成一个量子态，设为Qi，对于每一个二进制数，有以下对应关系：

当b1(i)为0，b2(i)为0时，Qi＝|0>；

当b1(i)为0，b2(i)为1时，Qi＝|1>；

当b1(i)为1，b2(i)为0时，Qi＝|+>；

当b1(i)为1，b2(i)为1时，Qi＝|->；

通过量子通道发送给接受者这串量子态；

解密过程如下：

收到这串量子态后，也生成一个长度为n的随机二进制数，设为b3；

根据b3来对接收到的量子态进行测量，测量结果记为b4；

通过公开信道把b3告诉通信者；

通信者收到b3后，通过比较b1和b3找出其中相同的部分，记为k1；

接受者也通过比较b1和b3找出其中相同的部分，记为k2；

如果k1和k2相同，则该秘钥可用于信息传输，否则就需要重新生成秘钥。

实施例二

如图9所示，本实施例提供了一种基于通信加密的远程手术机器人控制方法，应用实施例一所述的一种基于通信加密的远程手术机器人控制系统，包括如下步骤：

步骤1：三维成像就诊患者；

利用医疗成像设备如CT、MRI等设备，扫描患者的体内情况，获取其详细的身体结构信息。随后，将这些二维的扫描结果组合成三维模型，然后通过数据处理技术将这些三维模型数字化。接着，医生将这些数字化的三维模型和相关的医疗信息通过网络发送给远程的手术机器人。

步骤2：设定目标和路径

基于患者的身体结构信息构建三维模型，在数字化的三维模型上，标定手术需要达成的目标位置，设定手术器械需要移动的路径，同时，还需要在三维模型上标记出手术过程中不可接触的敏感区域，如大血管、神经等重要器官。这些信息也同样通过网络传送给远程的手术机器人。

步骤3：量子加密发送数据

在本地，通过上位机监控系统发送控制指令，控制手术过程。为了确保信息的安全传输，防止黑客攻击，上位机监控系统和ARM控制系统添加有量子密钥分发QKD设备。QKD设备利用量子态编码技术，通过量子通信信道产生和分发密钥，利用QKD设备，使用量子态编码技术将控制指令进行加密，并通过量子通信信道安全、可靠地将加密后的指令发送到远程的ARM控制系统。

步骤4：量子加密反馈数据

解密控制指令，远程的手术机器人在接收到控制指令并执行相应操作的同时，手术机器人会实时反馈手术的情况，包括机器人的状态、病人的生命体征信息，利用量子态编码技术，将手术数据加密后通过量子通信信道反馈至上位机监控系统，让医生可以实时地了解手术过程的每一步进展和患者的健康状况。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。