CN105066916B - 一种手术机器人系统精度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手术机器人系统精度检测装置及方法，所述装置包括一支座，在所述支座的顶部设置多个靶点支柱，在每一靶点支柱的顶端设置一靶点。所述方法包括以下步骤：1)将检测装置固定在手术空间的某一位置，选两个靶点由手术机器人的图像采集端进行图像采集；2)在手术机器人控制程序中分别以选用的两靶点为入针路径的入点和出点进行路径规划；3)将测试棒安装在手术机器人的执行端，并控制手术机器人按照规划的路径运动，观察测试棒尖端与第一个靶点的接触情况；4)将第一个靶点所在的靶点支柱拆下，继续控制手术机器人运动，观察测试棒尖端与第二个靶点的接触情况；5)由测试棒与两被测试的靶点的接触情况获得该位置处的精度。

Description

一种手术机器人系统精度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种手术机器人系统精度检测装置及方法，属于手术机器人技术领域。

背景技术

定位精度是手术机器人最重要的一项性能。正确评价系统的精度是确保手术安全、顺利完成的关键工作。评价机器人精度的指标有绝对精度、重复定位精度等。常见机器人精度检测装置是针对工业机器人的精度检测而设计，如申请号为97105266.2、名为“机器人重复位置精度检测系统”的中国专利用于检测机器人的重复精度，申请号为200410014906.5、名为“六自由度机器人位姿检测装置”的中国专利用于检测机器人的位置和姿态。上述装置均较为复杂，往往需要进行复杂的计算，并且测量不直观，也不涉及空间定位精度。

手术机器人应用在手术中用于手术器械或植入物的精确定位。通过与医学影像设备的配合使用，实现手术计划和手术路径定位，通过机器人定位手术路径，辅助医生准确完成手术的操作。系统精度受到图像变形、图像空间与机器人空间坐标映射精度、机械臂定位精度、手术工具加工误差等多种因素影响。已有的测量系统不能对手术机器人的系统精度进行全面有效的测量。

实际手术过程中手术机器人最重要的应用是确定手术的路径，这条路径可以用一条空间直线来描述。对手术机器人系统的精度要求不仅仅在于点定位误差要求，而是同时兼顾定点和定向的误差要求，在某些情况下定向的要求甚至更加重要。因此，绝对精度和重复定位精度这种单纯表述定点误差的方法，不能全面评价骨科导航机器人的精度。在实践中，空间点距离的精确测量，通常也非常困难的。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够准确、全面评价手术机器人精度的手术机器人系统精度检测装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种手术机器人系统精度检测装置，其特征在于：它包括一支座，在所述支座的顶部设置多个靶点支柱，在每一靶点支柱的顶端设置一靶点。

所述靶点为钢球、铜球或铅球；所述支座和靶点支柱的材质为有机玻璃、尼龙或塑料。

所述支座的顶部设置有多个靶点安装孔，所述靶点支柱可拆卸地连接在所述靶点安装孔中。所述支座和靶点支柱均由X光吸收能力较差的材料制成。

还包括一三自由度运动机构；所述三自由度运动机构包括一底座，在所述底座的顶部固定连接一垂直方向设置的第一滑槽，所述第一滑槽可滑动地连接一第一伸缩杆，在所述第一伸缩杆的顶部固定连接一水平方向设置的第二滑槽，所述第二滑槽可滑动地连接一第二伸缩杆，在所述第二伸缩杆的一端固定连接一水平方向设置的第三滑槽，所述第三滑槽可滑动地连接一第三伸缩杆，所述第三伸缩杆与所述第二伸缩杆垂直；所述第三伸缩杆的一端固定连接所述支座。

所述支座的顶面为一倾斜面。

所述第一伸缩杆、第二伸缩杆和第三伸缩杆上均设置有刻度尺。

在所述第一滑槽上设置有一用于锁紧所述第一伸缩杆的锁紧钉；在所述第二滑槽上设置有一用于锁紧所述第二伸缩杆的锁紧钉；在所述第三滑槽上设置有一用于锁紧所述第三伸缩杆的锁紧钉。

一种手术机器人系统精度检测方法，包括以下步骤：1)将检测装置固定在手术空间的某一位置，选两个靶点由手术机器人的图像采集端进行图像采集；2)在手术机器人控制程序中分别以选用的两靶点为入针路径的入点和出点进行路径规划；3)将测试棒安装在手术机器人的执行端，并控制手术机器人按照规划的路径运动，观察测试棒尖端与第一个靶点的接触情况；4)将第一个靶点所在的靶点支柱拆下，观察测试棒尖端与第二个靶点的接触情况；5)由测试棒与两被测试的靶点的接触情况获得该位置处的精度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提出一个包括支柱、靶点支柱和靶点的检测装置，并基于该装置提出了一种手术机器人系统精度测量方法，通过驱动手术机器人以靶点所在的线为规划路径运动，观察连接在手术机器人执行端的测试棒尖端是否能够准确地接触到靶点中心，以此来确定系统的精度，该方法新颖巧妙并且易于实现，不涉及复杂的算法。2、本发明由于在支座的底部增设了一个三自由度运动机构，因此便于改变靶点的空间位置，进而能够实现在某一空间区域内的不同位置对手术机器人的系统精度进行测量。3、本发明结构简单、易于实现，可广泛应用于各类手术机器人系统精度的测量。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明检测原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

实施例一：

如图1所示，本实施例包括一支座1，在支座1的顶部设置有多个靶点支柱2，在每一靶点支柱2的顶端设置一靶点3。

进一步地，靶点3采用X光吸收能力较强的材料制成，例如可以为钢球、铜球或铅球；而支座1和靶点支柱2由X光吸收能力较差的材料制成，如有机玻璃、尼龙或塑料。

进一步地，靶点支柱2与支座1之间采用可拆卸地连接方式，并且，在支座1的顶部预设有多个靶点安装孔，在使用时可根据实际情况在选定的靶点安装孔中安装靶点支柱2。支座和靶点支柱均由X光吸收能力较差的材料制成。

为全面地说明本发明的效果，下面从检测原理和使用发明两方面进行说明：

(一)精度检测原理：如图2所示，如果将手术规划路径用一条空间直线L表示，骨科机器人末端路径用空间直线L’表示，那么对机器人精度的评价就是对直线L’与L的共线性的评价。在直线L上取两点A、B，其空间距离为S，分别测量直线L’与点A，B的距离d1，d2。如图所示，当d1、d2都为0时，L’与L重合，结果没有误差；d1或者d2增大，说明L’与L的共线性能变差。因此，用d1、d2来作为机器人的误差是合理的。

实际操作中的一个难点是点与线的距离难以直接精确测量，本发明采用误差上限代替距离d1、d2。将点A、B制成直径ΦD的钢球。使用中，以靶点模拟手术目标位置进行X光透视，并进行图像采集和手术规划，以靶点中心为手术的入点和出点规划入针路径，用测试棒沿规划路径接触钢球A，若测试棒尖端能击中钢球A，说明误差d1≤D/2，否则d1>D/2；拆除钢球A，用测试棒接触钢球B，若测试棒尖端能击中钢球B，表明误差d2≤D/2，否则d2>D/2。若d1≤D/2，并且d2≤D/2，可将系统精度记为±D/2。

(二)使用方法：

1)将本发明所述检测装置固定在手术空间的某位置，选两个靶点3由手术机器人的图像采集端进行图像采集。

2)在手术机器人控制程序中分别以选用的两靶点3为入针路径的入点和出点进行路径规划。

3)将测试棒安装在手术机器人的执行端，并控制手术机器人按照规划的路径运动，观察测试棒尖端与第一个靶点3(本实施例中为Φ3mm钢球)的接触情况。

4)将第一个靶点3所在的靶点支柱2拆下，观察测试棒尖端与第二个靶点3(Φ3mm钢球)的接触情况。

5)由测试棒与两被测试的靶点3的接触情况获得该位置处的精度。

实施例二：

在实施例一的基础上，本实施例在支座1的底部增设一个三自由度运动机构，其作用是便于改变靶点3的空间位置，以便于在某一空间区域内的不同位置对手术机器人的系统精度进行测量。如图1所示，本发明的三自由度运动机构包括一底座4，在底座4的顶部固定连接一垂直方向设置的第一滑槽5，第一滑槽5可滑动地连接一第一伸缩杆6，在第一伸缩杆6的顶部固定连接一水平方向设置的第二滑槽7，第二滑槽7可滑动地连接一第二伸缩杆8，在第二伸缩杆8的一端固定连接一水平方向设置的第三滑槽9，第三滑槽9可滑动地连接一第三伸缩杆10，其中，第三伸缩杆10与第二伸缩杆8垂直。第三伸缩杆10的一端固定连接支座1。

进一步地，支座1的顶面为一倾斜面，能够防止在采集靶点图像的过程中当进行水平方向透视时X线需要穿过整个支座1的宽度的材料，而进行竖直方向透视时由于X线需要穿过整个靶点支柱2高度的材料所导致的X线衰减严重。

进一步地，第一伸缩杆3、第二伸缩杆5和第三伸缩杆7上均设置有刻度尺11。

进一步地，在第一滑槽5上设置有一用于锁紧第一伸缩杆6的锁紧钉12，在第二滑槽7上设置有一用于锁紧第二伸缩杆8的锁紧钉12，在第三滑槽9上设置有一用于锁紧第三伸缩杆10的锁紧钉12。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种手术机器人系统精度检测方法，其基于手术机器人系统精度检测装置而实施，其中：

所述手术机器人系统精度检测装置包括一支座，在所述支座的顶部设置多个靶点支柱，在每一靶点支柱的顶端设置一靶点；

其特征在于：

所述检测方法包括以下步骤：

1)将检测装置固定在手术空间的某一位置，选两个靶点由手术机器人的图像采集端进行图像采集；

2)在手术机器人控制程序中分别以选用的两靶点为入针路径的入点和出点进行路径规划；

3)将测试棒安装在手术机器人的执行端，并控制手术机器人按照规划的路径运动，观察测试棒尖端与第一个靶点的接触情况；

4)将第一个靶点所在的靶点支柱拆下，观察测试棒尖端与第二个靶点的接触情况；

5)由测试棒与两被测试的靶点的接触情况获得该位置处的精度。

2.如权利要求1所述的一种手术机器人系统精度检测方法，其特征在于：所述靶点为钢球、铜球或铅球；所述支座和靶点支柱的材质为有机玻璃、尼龙或塑料。

3.如权利要求1所述的一种手术机器人系统精度检测方法，其特征在于：所述支座的顶部设置有多个靶点安装孔，所述靶点支柱可拆卸地连接在所述靶点安装孔中。

4.如权利要求1或2或3所述的一种手术机器人系统精度检测方法，其特征在于：还包括一三自由度运动机构；所述三自由度运动机构包括一底座，在所述底座的顶部固定连接一垂直方向设置的第一滑槽，所述第一滑槽可滑动地连接一第一伸缩杆，在所述第一伸缩杆的顶部固定连接一水平方向设置的第二滑槽，所述第二滑槽可滑动地连接一第二伸缩杆，在所述第二伸缩杆的一端固定连接一水平方向设置的第三滑槽，所述第三滑槽可滑动地连接一第三伸缩杆，所述第三伸缩杆与所述第二伸缩杆垂直；所述第三伸缩杆的一端固定连接所述支座。

5.如权利要求4所述的一种手术机器人系统精度检测方法，其特征在于：所述支座的顶面为一倾斜面。

6.如权利要求4所述的一种手术机器人系统精度检测方法，其特征在于：所述第一伸缩杆、第二伸缩杆和第三伸缩杆上均设置有刻度尺。

7.如权利要求4所述的一种手术机器人系统精度检测方法，其特征在于：在所述第一滑槽上设置有一用于锁紧所述第一伸缩杆的锁紧钉；在所述第二滑槽上设置有一用于锁紧所述第二伸缩杆的锁紧钉；在所述第三滑槽上设置有一用于锁紧所述第三伸缩杆的锁紧钉。