CN101612062A - 多关节臂机械传感式超声影像导航定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种多关节臂机械传感式超声影像导航定位方法，主要由机械传感构件组合和导航定位方法组成，其中，该方法采用带有传感器的六关节臂来直接测定超声探头的实时位置，多关节臂采用的是2个电动式关节与4个被动式关节的转动轴以相互垂直的组合形式，测控探头位置时，其x方向位移量只取决于电动式关节组的转角，而与被动式关节组转角无关；探头座的y方向位移量只取决于被动式关节组的转角，而与电动式关节组的转角无关；是一种电动式关节组与被动式关节组相互配合的半主动结构模式。本发明结构简单紧凑，安全稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波消融治疗肿瘤过程中的超声影像导航定位方法，尤其是采用六关节机械臂直接测定超声探头的实时位置，据此进行肿瘤超声影像的三维重构，对微创外科手术进行视觉导航的方法。
背景技术
目前，超声影像引导下肿瘤热消融治疗技术正在国内外迅速兴起，在超声影像引导下采用微创外科机器人进行肿瘤热消融治疗技术也已成为研究热点。微创外科机器人在手术中主要用于导航定位和辅助插入手术工具，可以使病人摆脱框架的痛苦，同时机器人辅助立体定向外科手术还具有操作稳定，定位精度高的优点，是微创外科的一个发展方向。
超声探头的空间定位是整个微创外科机器人系统的关键，直接关系到系统的精度和计算机辅助手术的成败，其要求是实时测出超声探头在获得超声图像时的空间位置和姿态。计算机集成外科系统中可用的定位传感器包括机械定位、超声定位、光学定位法和电磁定位。超声波定位在手术中容易受到温度、空气位移和空气非均匀性影响且发射器尺寸大；光学定位容易受到遮挡、周围光线及金属物体表面反射的影响。电磁定位系具有非常高的定位精度，且属于非接触式定位，但电磁定位设备的局限在于工作空间中的金属物体以及其他电磁设备对系统磁场干扰很大。基于上述各种定位方式的分析，超声探头采用磁定位器，主要考虑到灵活性。简单的机械定位在手术中较为笨拙，工作范围有限；但机械定位的优点是不会受到工作空间中的金属物体以及其他电磁设备对系统磁场干扰，具有最高的可靠性，因而仍有很大的发展空间。
我国政府有关部门已经开始关注计算机辅助外科手术与机器人系统的研究与开发，虽然起步较晚，但在一些基础性和关键性研究(如影像引导手术、医用机器人结构、传感器技术等)方面已取得很大进展，将对我国医疗器械行业的发展起到推动作用。
发明内容
根据背景技术所述，本发明的目的在于提供一种由悬挂式转盘、二维位移传感器、2个电动式关节和4个被动式关节组成的，电动式关节与被动式关节的关节轴相互垂直的带有传感器的六关节机械臂；
本发明的另一目的在于在微波消融治疗肝脏肿瘤过程中，采用带有传感器的六关节机械臂持超声探头在病体表面进行超声随动扫描，微机系统由各关节的传感器的数据实时测定超声探头的空间位置，据此进行肿瘤超声影像的三维重构，对微创外科手术中进行视觉导航定位的方法。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种多关节臂机械传感式超声影像导航定位方法，该方法包括下列步骤：首先在启动导航机器人导航程序前设定机器人本体的初始位置，使随动导航多关节臂机械臂末端的探头垂直对准病体表面的扫描区中心位置，以此为导航臂三维坐标原点，同时设定电动式随动关节1、2的转角θ1、θ2初始值；启动微机测控系统，微机按θ1与θ2设定使电动式随动关节1与2转动，随动导航臂做好扫描准备；当探头持超声探头在病体进行扫描时，一方面由PLC可编程控制器根据二维位移传感器信号控制电动式随动关节1与2来配合由被动关节组成的柔性运动部件，另一方面由PC机通过数据采集卡接收二个电动式随动关节的伺服电机码盘信息，四个被动式关节的角度传感器模拟信号，以及悬挂式转盘的角度传感器模拟信号，同时通过超声仪接收在超声探头实测的二维超声影像信号，输入各关节转角按三角函数关系算出探头的三维坐标值与探头倾角值，PC机按上述数据进行超声影像三维重构后，由图像卡输出CRT显示微创穿刺肿疗的三维路径影像，CRT显示肿瘤三维影像及微波电极针轨迹，PLC按照输入的二维位移传感电路信号经由直流伺服电机驱动电路实时控制二个随动式关节的伺服电机，使之配合随动导航臂末端的超声探头扫描运动，对微创外科手术进行视觉导航。
一种用于实现上述方法的带有传感器的六关节机械臂，主要由2个带有光码盘的电动式关节与4个带有角度传感器的被动式关节以及一个悬挂式转盘组成，其中：悬挂式转盘向上连接弯头，向下连接二维位移传感器，二维位移传感器下端直接连接第一个电动式关节，并通过第一个摆杆与第二个电动式关节相连接，此第二个电动式关节往下依次连接第二个摆杆，第一个被动关节，第三个摆杆，第二个被动关节，第四个摆杆，第三个被动关节，第五个摆杆，第四个被动关节直至导航臂末端的超声探头座；悬挂式转盘通过转轴与弯头的轴承座连接，并同时与角度传感器连接，第一电动式关节，第二电动式关节的上连杆与关节座固定连接，下连杆与关节轴固接，并且关节轴通过轴承与关节座连接，并与直流伺服电机相连接，第一、第二、第三、第四被动式关节的上连杆与关节座固定连接，下连杆与关节轴固接，并且关节轴通过轴承与关节座连接，并与角度传感器相连接。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优点与效果：
1、本发明采用带有传感器的六关节机械臂能在对病体进行超声扫描肿瘤时同步输出探头空间位置信息，其数据处理简便、快捷，实时性好；
2、本发明采用光电码盘与角度传感器机构测定超声探头空间位置其精度与稳定性高，不受外界电磁波等干扰，临床使用安全可靠；
3、本发明结构紧凑，随动导航臂尺寸小巧，柔性好，临床操作方便、轻快，易学易用，符合临床应用条件；
4、本发明机械与电路均可采用模块化结构，制造成本低，维护修理简单，适于批量生产推广。
附图说明
图1A为本发明机械传感构件组合总体结构示意图
图1B为本发明图1A的侧视示意图
图2为本发明六关节机械臂关节运动关系示意图
图3为本发明超声探头进行空间初始定位示意图
图4为本发明二维传感器结构示意图
图5为本发明六关节机械臂X位移关系示意图
图6为本发明六关节机械臂Y位移关系示意图
图7为本发明六关节机械臂微机测控系统原理框图
具体实施方式
由图1A、图1B、图2和图3示出，一种带有传感器的六关节机械臂，主要由2个带有光码盘的电动式关节与4个带有角度传感器的被动式关节以及一个悬挂式转盘组成，其中：悬挂式转盘10向上连接弯头9，向下连接二维位移传感器11，二维位移传感器11下端直接连接第一个电动式关节12，并通过第一个摆杆13与第二个电动式关节14相连接，此第二个电动式关节14往下依次连接第二个摆杆15，第一个被动关节16，第三个摆杆7，第二个被动关节6，第四个摆杆5，第三个被动关节4，第五个摆杆3，第四个被动关节2直至导航臂末端的超声探头座1。
本发明的悬挂式转盘10使随动导航臂绕子轴转动，主要由转轴411，转盘止推轴承405，轴承座406，角度传感器408等组成，其中：转轴411由止推轴承405与止推轴承座406支撑，而止推轴承座406由埋头螺钉404穿过连接环固定在弯头9端面；转轴411上部连接角度传感器408的转轴，下部由穿孔销401连接转盘402，转盘通过螺钉412与随动导航臂的二维位移传感器11固定连接。当随动导航臂受外力绕转盘402的轴心转动时，其转角通过转轴411由角度传感器408以模拟量输出。
本发明的电动式关节12、14由关节座209，关节轴205，轴承211，直流伺服电机202，减速器203，码盘201与电机座210等器件组成，其中：关节座209由固定销207连接在上连杆208，而下连杆204通过轴销206连接在关节轴205上，当伺服电机202通过减速器203驱动关节轴205时，就使下连杆204相对上连杆208转动，其转角由码盘201测控。
本发明的被动式关节16、6、4、2由关节座306，关节轴302，轴承308，角度传感器309与角度传感器座等器件组成，其中：关节座306由固定销304连接在上摆杆305，而下摆杆301通过轴销303连接在关节轴302上，当下摆杆301受外力相对上摆杆305转动时，其转角由角度传感器309以模拟量输出。
由图4示出，本发明的二维位移传感器11主要由滑轨101、滑块102、横向传感光耦对108、横向传感挡光片106、连接螺栓107、高度传感光耦对110、高度传感挡光片111及底座103、外壳116、滑块连接板117、连杆118等器件组成，其中：高度传感光耦对110安装在高度传感光耦支架111上，后者用螺钉安装在滑块轴套112上，滑块102上安装转轴113，此转轴113通过轴承114及安装在底座103上的轴承支座115将滑块102与滑轨101悬挂在底座103上，当连杆118受六关节机械臂上端第一个摆杆8推动发生高度方向位移时，与连杆118连接的滑轨101相对滑块102运动，安装在滑轨端部的高度传感挡光片111就相对安装在滑块轴套112上的高度传感光耦对110移动，在移动量超过死区范围时，此高度传感光耦对110就发出相应的高度位移信号；横向传感光耦对108安装在底座103上，横向传感挡光片106安装在横向挡片转轴105上，当连杆118受机械臂上端第一个摆杆8推动发生横向位移时，与连杆118连接的滑轨101就拨动滑块102绕轴承支座115上的轴承114转动，安装在滑轨端部的拨片104通过拨轴109就拨动横向传感挡光片106使之相对安装在底座的横向光耦对108横向移动，在移动量超过死区范围时，此横向光耦对就发出相应的横向位移信号。
六关节机械臂采用电动关节与被动关节的转动轴相互垂直的组合方式，简称为相交组合方式。其中，当电动关节1与电动关节2转动时，相应的机械臂末端探头座A1产生x方向位移与高度z方向位移；当被动关节4带动被动关节3与被动关节2转动时，超声探头座1持超声探头在y方向位移。六关节机械臂采用相交组合的方式使得探头座1空间位置容易测控，并可大幅度减少测量误差。即，采用相交组合方式的六关节机械臂在测控探头位置时，其x方向位移量只取决于电动关节1转角θ1与电动关节2转角θ2，而与被动关节1、2、3、4的转角无关；同理，探头座1的y方向位移量只取决于被动关节4转角θ6，被动关节3转角θ5，与被动关节2转角θ4，而与电动关节1及电动关节2无关。
本发明六关节机械臂采用悬挂在转盘10的结构方式，当探头座1持超声探头扫描时，可带动转盘10转动，产生一个旋转三维坐标关系，在实现对病体进行全方位扫描运动的同时，保持了机械臂各关系的相对坐标关系。即，在此旋转三维坐标系中，六关节机械臂所持探头的x方向位移仍只取决于电动关节1、2而与被动关节1、2、3、4无关；探头座1的y方向位移则也只取决于被动关节2、3、4而与电动关节1、2无关。
本发明六关节机械臂采用半主动结构模式，即，采用电动关节组与被动关节相配合的方式，使六关节机械臂成为适合于持探头在病体扫描与立向导航的半主动工作臂。机械臂末端的探头座持超声探头在病体探测时，被动关节2、3、4随之转动，保证探头扫描动作的柔顺性与灵便性；同时机械臂的二维位移传感器11测出在探头扫描需要有高度z方向与x方向的位移时，则通过微机测控系统驱动电动关节1、2进行配合，保证六关节机械臂持探头进行扫描与导航的随动性与全方位运动功能。
由图5示出，采用本发明对超声探头进行空间定位时，首先要设定各关节初始位置，并以此作为测控各关节的原点。在初始位置时的各被动关节处于使相应的摆杆λ3、λ4、λ5及探头座A处于垂直位置，探头座持超声探头对准病体的探测区十字标记的中心o点，探头端面与病体上探测区十字标记的x轴对齐，即探头准备从原点o开始沿y轴方向进行扫描；同时，机械臂的二个电动关节由微机测控系统予设定初始转角θ10与θ20，使相应的摆杆λ1与λ2处于在高度方向收缩位置，即探头准备从原点o开始沿y轴方向扫描时机械臂可以通过改变电动关节n1与n2的转角θ1与θ2来实现高度方向的随动，从而使扫描过程中探头端面能始终接触病体表面。
如图6所示，采用本发明持超声探头在病体表面扫描提取超声影像时，其探头空间位置可在上述机械臂初始位置为原点清零后，根据各关节相对转角量进行测定。设手持超声探头在病体上移动到xA、yA位置时，其x方向坐标值xA只取决于电动关节n1与n2的转角θ1与θ2及转盘n0的转角θ0，有：
XA＝[λ1cos(θ1+θ10)-λ2cos(θ2+θ20)]cosθ0 (1)
式中，λ1为电动关节1与电动关节2轴心间距
λ2为电动关节2与被动关节1轴心间距
同理，探头端面中心的y方向坐标值yA只取决于被动关节n4、n5、n6的转角θ4、θ5、θ6及转盘n0的转角θ0，有：
yA＝[λ4sinθ4+λ5sinθ5+λ6sinθ6]sinθ0 (2)
式中，λ4为被动关节1与被动关节2轴心间距；
λ5为被动关节2与被动关节3轴心间距；
λ6为被动关节3与被动关节4轴心间距。
图5与图6是仿真模拟试验了本发明六关节机械臂持探头进行x方向与y方向位移时，各电动关节与被动关节的相应转角关系结果，由图可见通过各关节传感器输出的转角信号可以测定对应的探头端面中心位置坐标值。
如图7示，本发明六关节机械臂的微机测控系统以双CPU PC机为核心，辅以S7-200可编程控制器PLC进行超声探头六自由度位置实时测定与超声影像三维重构实时导航。系统外围电路主要有控制面板电路、数据采集卡、图像卡、直流伺服电机驱动电路、二维位移传感电路等。PC机在通过数据采集卡接收二个电动式随动关节的伺服电机码盘信息，四个被动式关节的角度传感器模拟信号，以及悬挂式转盘的角度传感器模拟信号时，同时通过超声仪接收在超声探头实测的二维超声影像信号，PC机对上述信息经过三维重构处理后由图像卡输出CRT显示微创穿刺肿疗的三维路径影像。系统中，PLC按照输入的二维位移传感电路信号经由直流伺服电机驱动电路实时控制二个随动式关节的伺服电机，使之配合随动导航臂末端的超声探头扫描运动。
本发明六关节机械臂的微机测控系统工作流程如图7示：
首先在启动导航机器人导航程序前设定机器人本体的初始位置，使随动导航臂末端的探头垂直对准病体表面的扫描区中心位置(可事先在病体做出十字标号)，即以此为导航臂三维坐标原点，同时设定电动式随动关节1、2的转角θ1、θ2初始值；启动微机测控系统后，微机按θ1与θ2设定使电动式随动关节1与2转动，随动导航臂做好扫描准备；当探头持超声探头在病体进行扫描时，一方面由PLC可编程控制器根据二维位移传感器信号控制电动式随动关节1与2来配合由被动关节组成的柔性运动部件，另一方面由PC机通过数据采集卡输入各关节转角按三角函数关系算出探头的三维坐标值与探头倾角值，PC机按上述数据进行超声影像三维重构后，就可在CRT显示肿瘤三维影像及微波电极针轨迹，进行导航。
Claims (10)
1、一种多关节臂机械传感式超声影像导航定位方法，该方法包括下列步骤：首先在启动导航机器人导航程序前设定机器人本体的初始位置，使随动导航多关节臂机械臂末端的探头垂直对准病体表面的扫描区中心位置，以此为导航臂三维坐标原点，同时设定电动式随动关节1、2的转角θ1、θ2初始值；启动微机测控系统，微机按θ1与θ2设定使电动式随动关节1与2转动，随动导航臂做好扫描准备；当探头持超声探头在病体进行扫描时，一方面由PLC可编程控制器根据二维位移传感器信号控制电动式随动关节1与2来配合由被动关节组成的柔性运动部件，另一方面由PC机通过数据采集卡接收二个电动式随动关节的伺服电机码盘信息，四个被动式关节的角度传感器模拟信号，以及悬挂式转盘的角度传感器模拟信号，同时通过超声仪接收在超声探头实测的二维超声影像信号，输入各关节转角按三角函数关系算出探头的三维坐标值与探头倾角值，PC机按上述数据进行超声影像三维重构后，由图像卡输出CRT显示微创穿刺肿疗的三维路径影像，CRT显示肿瘤三维影像及微波电极针轨迹，PLC按照输入的二维位移传感电路信号经由直流伺服电机驱动电路实时控制二个随动式关节的伺服电机，使之配合随动导航臂末端的超声探头扫描运动，对微创外科手术进行视觉导航。
2、根据权利要求1所述的超声影像导航定位方法，其特征在于：持超声探头在病体表面扫描提取超声影像时，其探头空间位置可在上述机械臂初始位置为原点清零后，根据各关节相对转角量进行测定，设手持超声探头在病体上移动到(xA、yA)位置时，其x方向坐标值xA只取决于电动关节n1与n2的转角θ1与θ2及转盘n0的转角θ0，有：
XA＝[λ1cos(θ1+θ10)-λ2cos(θ2+θ20)]cosθ0 (1)
式中，λ1为电动关节1与电动关节2轴心间距
λ2为电动关节2与被动关节1轴心间距
同理，探头端面中心的y方向坐标值yA只取决于被动关节n4、n5、n6的转角θ4、θ5、θ6及转盘n0的转角θ0，有：
yA＝[λ4sinθ4+λ5sinθ5+λ6sinθ6]sinθ0 (2)
式中，λ4为被动关节1与被动关节2轴心间距；
λ5为被动关节2与被动关节3轴心间距；
λ6为被动关节3与被动关节4轴心间距。
3、一种用于实现权利要求1的方法的带有传感器的六关节机械臂，主要由2个带有光码盘的电动式关节与4个带有角度传感器的被动式关节以及一个悬挂式转盘组成，其特征在于：悬挂式转盘(10)向上连接弯头(9)，向下连接二维位移传感器(11)，二维位移传感器(11)下端直接连接第一个电动式关节(12)，并通过第一个摆杆(13)与第二个电动式关节(14)相连接，此第二个电动式关节(14)往下依次连接第二个摆杆(15)，第一个被动关节(16)，第三个摆杆(7)，第二个被动关节(6)，第四个摆杆(5)，第三个被动关节(4)，第五个摆杆(3)，第四个被动关节(2)直至导航臂末端的超声探头座(1)；悬挂式转盘(10)通过转轴(411)与弯头(9)的轴承座(406)连接，并同时与角度传感器(408)连接，第一电动式关节(12)，第二电动式关节(14)的上连杆(208)与关节座(209)固定连接，下连杆(204)与关节轴(205)固接，并且关节轴(205)通过轴承(211)与关节座(209)连接，并与直流伺服电机(202)相连接，第一、第二、第三、第四被动式关节(16)、(6)、(4)、(2)的上连杆(305)与关节座(306)固定连接，下连杆(301)与关节轴(302)固接，并且关节轴(302)通过轴承(309)与关节座(306)连接，并与角度传感器(308)相连接。
4、根据权利要求3所述的带有传感器的六关节机械臂，其特征在于：悬挂式转盘(10)使随动导航臂绕子轴转动，主要由转轴(411)，转盘止推轴承(405)，轴承座(406)，角度传感器(408)组成，其中：转轴(411)由止推轴承(405)与止推轴承座(406)支撑，而止推轴承座(406)由埋头螺钉(404)穿过连接环固定在弯头(9)端面；转轴(411)上部连接角度传感器(408)的转轴，下部由穿孔销(401)连接转盘(402)，转盘通过螺钉(412)与随动导航臂的二维位移传感器(11)固定连接。当随动导航臂受外力绕转盘(402)的轴心转动时，其转角通过转轴(411)由角度传感器(408)以模拟量输出。
5、根据权利要求3所述的带有传感器的六关节机械臂，其特征在于：电动式关节(12、14)由关节座(209)，关节轴(205)，轴承(211)，直流伺服电机(202)，减速器(203)，码盘(201)与电机座(210)器件组成，其中：关节座(209)由固定销(207)连接在上连杆(208)，而下连杆(204)通过轴销(206)连接在关节轴(205)上，当伺服电机(202)通过减速器(203)驱动关节轴(205)时，就使下连杆(204)相对上连杆(208)转动，其转角由码盘(201)测控。
6、根据权利要求3所述的带有传感器的六关节机械臂，其特征在于：被动式关节(16、6、4、2)由关节座(306)，关节轴(302)，轴承(308)，角度传感器(309)与角度传感器座器件组成，其中：关节座(306)由固定销(304)连接在上摆杆(305)，而下摆杆(301)通过轴销(303)连接在关节轴(302)上，当下摆杆(301)受外力相对上摆杆(305)转动时，其转角由角度传感器(309)以模拟量输出。
7、根据权利要求3所述的带有传感器的六关节机械臂，其特征在于：二维位移传感器(11)主要由滑轨(101)、滑块(102)、横向传感光耦对(108)、横向传感挡光片(106)、连接螺栓(107)、高度传感光耦对(110)、高度传感挡光片(111)及底座(103)外壳(116)、滑块连接板(117)、连杆(118)组成，其中：高度传感光耦对(110)安装在高度传感光耦支架(111)上，后者用螺钉安装在滑块轴套(112)上，滑块(102)上安装转轴(113)，此转轴(113)通过轴承(114)、及安装在底座(103)上的轴承支座(115)将滑块(102)与滑轨(101)悬挂在底座(103)上，当连杆(118)受六关节机械臂上端第一个摆杆(8)推动发生高度方向位移时，与连杆(118)连接的滑轨(101)相对滑块(102)运动，安装在滑轨端部的高度传感挡光片(111)就相对安装在滑块轴套(112)上的高度传感光耦对(110)移动，在移动量超过死区范围时，此高度传感光耦对(110)就发出相应的高度位移信号；横向传感光耦对(108)安装在底座(103)上，横向传感挡光片(106)安装在横向挡片转轴(105)上，当连杆(118)受机械臂上端第一个摆杆(8)推动发生横向位移时，与连杆(118)连接的滑轨(101)就拨动滑块(102)绕轴承支座(115)上的轴承(114)转动，安装在滑轨端部的拨片(104)通过拨轴(109)就拨动横向传感挡光片(106)使之相对安装在底座的横向光耦对(108)横向移动，在移动量超过死区范围时，此横向光耦对就发出相应的横向位移信号。
8、根据权利要求3所述的带有传感器的六关节机械臂，其特征在于：六关节机械臂采用电动关节与被动关节的转动轴相互垂直的相交组合方式，其中：当电动关节1(12)与电动关节2(14)转动时，相应的机械臂末端探头座A(1)产生x方向位移与高度z方向位移；当被动关节4(2)带动被动关节3(4)与被动关节2(6)转动时，超声探头座(1)持超声探头在y方向位移。
9、根据权利要求3所述的带有传感器的六关节机械臂，其特征在于：六关节机械臂采用悬挂在转盘(10)的结构方式，当探头座(1)持超声探头扫描时，可带动转盘(10)转动，产生一个旋转三维坐标关系，在实现对病体进行全方位扫描运动的同时，保持了机械臂各关系的相对坐标关系。
10、根据权利要求3所述的带有传感器的六关节机械臂，其特征在于：六关节机械臂采用电动关节组与被动关节相配合的半主动结构模式，六关节机械臂成为适合于持探头在病体扫描与立向导航的半主动工作臂，机械臂末端的探头座持超声探头在病体探测时，被动关节2、3、4(6、4、2)随之转动，保证探头扫描动作的柔顺性与灵便性；同时机械臂的二维位移传感器(11)测出在探头扫描需要有高度z方向与x方向的位移时，则通过微机测控系统驱动电动关节1、2(12、14)进行配合，保证六关节机械臂持探头进行扫描与导航的随动性与全方位运动功能。
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| CN200810115639.9A CN101612062B (zh) | 2008-06-26 | 2008-06-26 | 实现超声影像导航定位方法的传感式的六关节机械臂 |
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