CN110279470A - 动态调节装置、动态调节系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动态调节装置、动态调节系统及其使用方法。动态调节装置包括至少两组处于不同平面内的调节组件；每组调节组件包括至少两个伸缩件，至少两个伸缩件的一端铰接于连接平台，至少两个伸缩件的另一端相互铰接，每组调节组件中至少一个伸缩件的另一端还连接有球铰结构件，另一组调节组件中的至少两个伸缩件的一端铰接在连接平台。本发明提供的动态调节装置通过在不同平面内分别设置调节组件，通过在连接平台上铰接伸缩件并将球铰结构件连接在伸缩件的一端，能够通过两个球铰结构件的铰接点确定一条唯一的直线，进而使得执行元件能够沿着这条直线动作。此外，该动态调节装置还具有结构简单、尺寸小的优点。

Description

动态调节装置、动态调节系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及定位装置技术领域，特别是涉及一种动态调节装置、动态调节系统及其使用方法。

背景技术

在创伤骨科、恶性肿瘤等治疗过程中，传统手术医生操作时只能凭借临床经验和技巧进行手术，手术风险大，术后创伤大，并发症多，恢复周期长。借助影像技术辅助治疗可以有效提高手术效率，但医生长期暴露于射线中，危害健康。手术导航技术可为医生提供实时指导，显著提高手术效率与安全性，手术导航系统在外科手术中的应用具有重要意义。利用手术导航技术将患者影像数据与病灶联系，通过高精度的末端执行器械有效提高定位精度，提高手术效率和成功率，减小手术风险。

目前临床上多采用光学定位系统与多自由度串联式主动机械臂进行空间定位，其具体操作方法如下：

1、将手术定位装置固定在患者身上，利用成像设备对手术定位装置进行扫描形成含有定位点的图像；

2、在手术机械臂上安装示踪器，通过光学跟踪器对手术定位装置和示踪器位置进行跟踪，实时获取手术定位装置和示踪器位置信息并传输给计算机；

3、根据位置信息可得到示踪器与手术定位装置的转换矩阵，控制手术机械臂运动到目标位置。

目前市面上的导航系统多用主动串联式机器人作为执行器，但主动机器人由于控制复杂，因此体积较大，成本较高，在空间狭小的手术室环境中，小型化、低成本的解决方案具有重要意义。此外，串联式机器人具有累积误差，对于手术精度要求高的手术，其定位精度与安全度很低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种动态调节装置、动态调节系统及其使用方法以解决现有技术中手术机器人在调节、导航过程中存在的累积误差大、定位精度低的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种动态调节装置，包括至少两组处于不同平面内的调节组件；每组所述调节组件包括至少两个伸缩件，至少两个所述伸缩件的一端铰接于连接平台，至少两个所述伸缩件的另一端相互铰接，每组所述调节组件中至少一个所述伸缩件的另一端还连接有球铰结构件，另一组所述调节组件中的至少两个伸缩件的一端铰接在所述连接平台。

进一步地，所述伸缩件包括固定部和活动部，所述活动部可活动地穿设在所述固定部内，所述固定部铰接在所述连接平台上，至少两个所述伸缩件中的所述活动部相互铰接。

进一步地，所述动态调节装置还包括驱动部，所述驱动部驱动所述活动部相对于所述固定部移动，或者所述驱动部驱动所述固定部相对于所述连接平台转动。

根据本发明的另一方面，本发明实施例提供一种动态调节系统，包括定位装置、跟踪装置、控制装置以及如前任一项所述的动态调节装置；所述定位装置用于对目标位置进行定位并生成位置信号，所述跟踪装置分别与所述定位装置及所述控制装置通信连接，并将所述位置信号发送给所述控制装置，所述控制装置根据所述位置信号控制所述动态调节装置移动至所述目标位置。

进一步地，所述定位装置至少包括第一定位件和第二定位件，所述第一定位件与所述目标物连接，所述第二定位件与所述动态调节装置连接。

进一步地，所述连接平台上设置有连接口，所述第二定位件通过所述连接口与所述连接平台连接。

进一步地，所述动态调节系统还包括位姿预调装置，所述位姿预调装置与所述动态调节装置连接。

进一步地，所述位姿预调装置的自由度大于或等于4。

根据本发明的另一方面，本发明实施例还提供一种如前任一项所述的动态调节系统的使用方法，包括如下步骤：S1，获取目标物的空间位置点以及所述目标物的方向位置点，并在所述第一定位件形成的空间坐标系中标出所述空间位置点及所述方向位置点；S2、所述第一定位件将所述空间位置点及所述方向位置点的位置信号发送给所述控制装置；S3、将所述空间位置点及所述方向位置点转换至所述第二定位件形成的空间坐标系中，并由所述跟踪装置获取所述空间位置点及所述方向位置点的空间连线；S4、由所述控制装置获取所述空间连线与至少两组所述调节组件所在平面的两个交点；S5、所述控制装置控制每组所述调节组件中的所述球铰结构件分别移动至两个所述交点。

进一步地，所述动态调节装置还包括引导件，所述引导件分别穿设在每组所述调节组件中的所述球铰结构件中，在步骤S5之后还包括步骤S6、所述控制装置控制执行件沿着所述引导件的轴向动作。

(三)有益效果

本发明提供的动态调节装置通过在不同平面内分别设置调节组件，通过在连接平台上铰接伸缩件并将球铰结构件连接在伸缩件的一端，能够通过两个球铰结构件的铰接点确定一条唯一的直线，进而使得执行元件能够沿着这条直线动作。此外，当将该动态调节装置应用至多自由度的手术调节机构中时，能够利用该动态调节装置补偿手术调节机构的误差，有效提升手术精度，降低成本；增加局部稳定性，更利于保证精度。而且，该动态调节装置还具有结构简单、尺寸小的优点，能够有效地节约手术室空间，方便医生操作。

附图说明

图1为动态调节装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的动态调节系统的示意性结构图。

附图标号说明：

1、伸缩件；2、连接平台；3、球铰结构件；4、跟踪装置；5、控制装置；6、第一定位件；7、第二定位件；8、位姿预调装置；9、引导件；10、动态调节装置；11、目标物。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一提供一种动态调节装置10，包括至少两组处于不同平面内的调节组件；每组调节组件包括至少两个伸缩件1，至少两个伸缩件1的一端铰接于连接平台2，至少两个伸缩件1的另一端相互铰接，每组调节组件中至少一个伸缩件1的另一端还连接有球铰结构件3，另一组调节组件中的至少两个伸缩件1的一端铰接在同一连接平台2。

本发明提供的动态调节装置10通过在不同平面内分别设置调节组件，通过在连接平台2上铰接伸缩件1并将球铰结构件3连接在伸缩件1的一端，能够通过两个球铰结构件3的铰接点确定一条唯一的直线，进而使得执行元件能够沿着这条直线动作。此外，当将该动态调节装置10应用至多自由度的手术调节机构中时，能够利用该动态调节装置10补偿手术调节机构的误差，有效提升手术精度，降低成本；增加局部稳定性，更利于保证精度。而且，该动态调节装置10还具有结构简单、尺寸小的优点，能够有效地节约手术室空间，方便医生操作。

具体来说，两组调节组件分别处于不同的平面内，进一步地，两个平面相互平行；再进一步地，两个平面与连接平台2的平面相垂直，其中的连接平台2用以承载该动态调节装置10。

每个平面内设置有至少一组调节组件，每组调节组件包括有至少两个相互铰接的伸缩件1，每个伸缩件1的一端通过旋转关节与连接平台2铰接。另一组调节组件同样包括至少两个相互铰接的伸缩件1，而且，这一组调节组件中的两个伸缩件1是与前述一组的调节组件中的两个伸缩件1铰接于同一个连接平台2上的。

每一组调节组件中的至少一个伸缩件1的另一端还连接有球铰结构件3。进一步地，在至少两个球铰结构件3中还穿设有引导件9，通过设置球铰结构件3能够提高引导件9的自由度。其中，球铰结构件3可以是球关节、鱼眼轴承关节等具有三自由度的结构件。

例如，当将该动态调节装置10应用于手术中时，可以通过调整伸缩件1的长度，这样一来两个球铰结构件3就能够确定一条唯一的直线，进而将引导件9能够准确地指向打针、穿刺等操作点的具体位置，提高了手术操作的准确性。

本实施例中，每个伸缩件1包括固定部和活动部，活动部可活动地穿设在固定部内，固定部铰接在连接平台2上，至少两个伸缩件1中的活动部相互铰接。例如，伸缩件1可以是丝杠螺母、电推杆、液压杆等能实现直线伸缩运动的结构件。

进一步地，动态调节装置10还包括驱动部，驱动部驱动活动部相对于固定部移动，或者驱动部驱动固定部相对于连接平台2转动。

驱动部可以是电机等能够提供动力来源的部件，驱动部用以驱动伸缩件1动作。其中，驱动部可以驱动活动部相对于固定部伸长或缩短；驱动部也可以驱动固定部相对于连接平台2转动以调整固定部与连接平台2之间的角度。无论何种驱动方式，都能够调整球铰结构件3在空间上的位置。

本发明实施例一提供的动态调节装置10是以4个伸缩件1两两分布在两个平面内来解释说明该动态调节装置10的。但需要说明的是，本发明提供的动态调节装置10只要保证有至少两个平面，且每个平面内至少有一个伸缩件1就能够实现上述作用。其中，若一个平面内设置有多个伸缩件1，只需要保证多个伸缩件1的活动部铰接于一点即可。

实施例二

如图2所示，本发明实施例二提供一种动态调节系统，包括定位装置、跟踪装置4、控制装置5以及如实施例一中的动态调节装置10；定位装置用于对目标位置进行定位并生成位置信号，跟踪装置4分别与定位装置及控制装置5通信连接，并将位置信号发送给控制装置5，控制装置5根据位置信号控制动态调节装置10移动至目标位置。

本发明实施例二提供的动态调节系统，通过在动态调节系统中设置实施例一中的动态调节装置10，而且将该动态调节系统应用在多自由度被动手术调节机构中时，能够利用动态调节装置10补偿手术调节机构的误差，有效提升手术精度，降低成本；而且由于是在手术调节机构的末端采用实施例一中的动态调节装置10，能够对现有技术中机械手的动作误差进行补偿，增加了局部稳定性，更利于保证精度；而且该动态调节装置10采用微型化设计，具有结构简单、结构尺寸小等优点，能够有效地节约手术室空间，方便医生操作。

具体来说，定位装置可以采用光学定位装置，跟踪装置4可以采用光学跟踪装置4，控制装置5可以采用计算机等具有综合处理能力的部件。

其中，跟踪装置4分别与定位装置及控制装置5通信连接。定位装置对目标物11完成定位后生成位置信号，并将位置信号发送给跟踪装置4；跟踪装置4对位置信号进行处理，以生成控制装置5能够识别的信号；控制装置5接收到位置信号后生成相应的控制指令，动态调节装置10接收到控制指令后完成相应的动态调节以将手术刀或针刺调节到目标物11的位置。

在本实施例中，定位装置至少包括第一定位件6和第二定位件7。其中，第一定位件6与目标物11连接，第二定位件7与动态调节装置10连接。第一定位件6和第二定位件7的位姿信息可以被光学跟踪装置4识别记录并将位姿信息发送给计算机。

进一步地，连接平台2上设置有连接口，第二定位件7通过连接口与连接平台2连接。此外，该连接口还可以用于连接手术定位装置，手术定位装置例如可以是主动定位装置(机器人)或被动定位装置(如各种手术床旁支架等)。

进一步地，动态调节系统还包括位姿预调装置8，位姿预调装置8与动态调节装置10连接。其中，位姿预调装置8为多自由度(自由度大于等于4)的空间调节机构，如柔性把持臂、龙门框架、手术机械臂等。

此外，位姿预调装置8同样具有连接口，可与动态调节装置10实现安全无菌连接。优选的，位姿预调装置8为6自由度的被动臂。

实施例三

本发明实施例三提供一种如实施例二中的动态调节系统的使用方法，包括如下步骤：

S1，获取目标物11的空间位置点以及目标物11的方向位置点，并在第一定位件6形成的空间坐标系中标出空间位置点及方向位置点；

在该步骤中，首先获取目标物11的空间位置点A以及目标物11的方向位置点B，再通过跟踪装置4获取空间位置点A和目标物11的方向位置点B，再将第一定位件6固定连接于目标物11上，例如第一定位件6可以连接在患者身上，然后在第一定位件6的空间坐标系中标识出空间位置点A和目标物11的方向位置点B；

S2、第一定位件6将空间位置点及方向位置点的位置信号发送给控制装置5；

在该步骤中，第一定位件6将空间位置点A和目标物11的方向位置点B的位置信号发送给跟踪装置4，然后再由跟踪装置4把空间位置点A和目标物11的方向位置点B的位置信号经过处理后发送给控制装置5；

S3、将空间位置点及方向位置点转换至第二定位件7形成的空间坐标系中，并由跟踪装置4获取空间位置点及方向位置点的空间连线；

在该步骤中，当控制装置5获得空间位置点A和目标物11的方向位置点B的位置信号后，通过位姿预调装置8将动态调节装置10按照空间位置点A和目标物11的方向位置点B预调至目标物11的附近。此时，再将空间位置点A和目标物11的方向位置点B转换到第二定位件7的空间坐标系中，通过跟踪装置4获取空间位置点A和目标物11的方向位置点B在第二定位件7所形成的空间坐标系中的相应位置点。此时，再通过跟踪装置4获取空间位置点A和目标物11的方向位置点B在第二定位件7所形成的空间坐标系中两点连线，跟踪装置4再将空间连线的相关信息发送给控制装置5；

S4、由控制装置5获取空间连线与至少两组调节组件所在平面的两个交点；

在该步骤中，控制装置5获取空间位置点A和目标物11的方向位置点B的空间连线的信息后，得出该空间连线与两组调节组件所在平面的两个交点的位置信息；

S5、控制装置5控制每组调节组件中的球铰结构件3分别移动至两个交点。

在该步骤中，控制装置5按照步骤S4中的两个交点的位置信息控制两组调节组件中的球铰结构件3移动至两个交点的位置处。即，通过控制装置5分别控制两组调节组件中的伸缩件1的活动部伸长或缩短，以使得两个球铰结构件3分别移动至两个交点的位置处；

S6、控制装置5控制执行件沿着引导件9的轴向动作；

在该步骤中，如前所述，由于球铰结构件3上还穿设有引导件9，这样一来，引导件9的轴线就是执行件的行进路径，只需要控制执行件沿着引导件9的轴线动作即可完成相应的操作，例如打针、穿刺等操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (10)

1.一种动态调节装置，其特征在于，包括至少两组处于不同平面内的调节组件；

每组所述调节组件包括至少两个伸缩件(1)，至少两个所述伸缩件(1)的一端铰接于连接平台(2)，至少两个所述伸缩件(1)的另一端相互铰接，每组所述调节组件中至少一个所述伸缩件(1)的另一端还连接有球铰结构件(3)，

另一组所述调节组件中的至少两个伸缩件(1)的一端铰接在所述连接平台(2)。

2.根据权利要求1所述的动态调节装置，其特征在于，所述伸缩件(1)包括固定部和活动部，所述活动部可活动地穿设在所述固定部内，所述固定部铰接在所述连接平台(2)上，至少两个所述伸缩件(1)中的所述活动部相互铰接。

3.根据权利要求2所述的动态调节装置，其特征在于，所述动态调节装置还包括驱动部，所述驱动部驱动所述活动部相对于所述固定部移动，或者所述驱动部驱动所述固定部相对于所述连接平台(2)转动。

4.一种动态调节系统，其特征在于，包括定位装置、跟踪装置(4)、控制装置(5)以及如权利要求1-3中任一项所述的动态调节装置；

所述定位装置用于对目标位置进行定位并生成位置信号，

所述跟踪装置(4)分别与所述定位装置及所述控制装置(5)通信连接，并将所述位置信号发送给所述控制装置(5)，

所述控制装置(5)根据所述位置信号控制所述动态调节装置移动至所述目标位置。

5.根据权利要求4所述的动态调节系统，其特征在于，所述定位装置至少包括第一定位件(6)和第二定位件(7)，所述第一定位件(6)与所述目标物连接，所述第二定位件(7)与所述动态调节装置连接。

6.根据权利要求5所述的动态调节系统，其特征在于，所述连接平台(2)上设置有连接口，所述第二定位件(7)通过所述连接口与所述连接平台(2)连接。

7.根据权利要求4所述的动态调节系统，其特征在于，所述动态调节系统还包括位姿预调装置(8)，所述位姿预调装置(8)与所述动态调节装置连接。

8.根据权利要求7所述的动态调节系统，其特征在于，所述位姿预调装置(8)的自由度大于或等于4。

9.一种如权利要求5-8中任一项所述的动态调节系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，获取目标物的空间位置点以及所述目标物的方向位置点，并在所述第一定位件(6)形成的空间坐标系中标出所述空间位置点及所述方向位置点；

S2、所述第一定位件(6)将所述空间位置点及所述方向位置点的位置信号发送给所述控制装置(5)；

S3、将所述空间位置点及所述方向位置点转换至所述第二定位件(7)形成的空间坐标系中，并由所述跟踪装置(4)获取所述空间位置点及所述方向位置点的空间连线；

S4、由所述控制装置(5)获取所述空间连线与至少两组所述调节组件所在平面的两个交点；

S5、所述控制装置(5)控制每组所述调节组件中的所述球铰结构件(3)分别移动至两个所述交点。

10.根据权利要求9所述的使用方法，其特征在于，所述动态调节装置还包括引导件(9)，所述引导件(9)分别穿设在每组所述调节组件中的所述球铰结构件(3)中，

在步骤S5之后还包括步骤S6、所述控制装置(5)控制执行件沿着所述引导件(9)的轴向动作。