CN110547874B - 制定移动路径的方法及其组件和在自动化设备中的应用 - Google Patents

Abstract

一种制定移动路径的方法，包括固定于目标物上的位置参照部件和在目标物上移动，用于选取工作位置的目标位置指示部件。捕捉目标位置指示部件和位置参照部件，识别所处的位置信息以及姿态信息，确定目标位置指示部件相对于位置参照部件所处的相对位置信息；再结合目标位置指示部件选取的工作位置信息和姿态信息，制定包含移动路径的控制信息。本发明提供的方法，应用于实施手术的自动化设备，无需借助图像引导，省去标志点设定，图像配准等准备过程，既节省了手术前准备时间，同时避免了这些中间过程可能带来的误差。

Description

制定移动路径的方法及其组件和在自动化设备中的应用

技术领域

本发明涉及一种提供路径规划方案，尤其涉及一种根据所捕捉的信息中体现的物体姿态信息和相对位置信息制定运动路径的方法，实施该方法的组件，以及在自动化设备中的应用。

背景技术

基于图像引导的手术机器人系统，一般由跟踪系统(如：光学、磁或机械式)，机械臂及手术工具组成，这类系统一般需要建立基于CT或磁共振影像(MR)的手术计划(如：在图像上标记钻孔或穿刺的位置与方向)，然后在手术中进行配准(即建立影像与患者手术部位之间的坐标转换关系)，配准后可以将基于CT/MR影像的手术计划，为机械臂的运行路径提供依据，机械臂遵照生成的运行路径建立手术引导或完成手术。这类系统的一个缺点在于：手术准备时间长，一般需要先在患者手术部位设定可以被CT影像明显区分的标志点，然后拍摄CT。手术前还需导入带有手术计划的CT影像至设备或系统(如：机器人)，根据标志点进行选点和配准，此过程中可能还会加入激光扫描获取手术部位表面位置信息进行面配准。整个过程耗费的时间较长，同时操作的误差(如：CT影像带来的误差和标志点选取误差)还会影响手术精度。另外，CT影像作为这类系统的必备要素，本身也带来极大限制，如：图像分辨率会影响手术精度；再如受金属伪影的影响，无法对CT影像进行准确的3D重建，无法找到定位标志点导致无法进行配准。以上均成为推广机器人手术的制约因素。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种制定移动路径的方法，将包含移动路径的控制信息提供给驱动机构，驱动工作部件运动。

本发明的另一个目的在于提供一种制定移动路径的方法，用于实施工作的自动化设备，使得自动化设备按所获取的信息相应实施工作。

本发明的再一个目的在于提供一种制定移动路径的组件，获取物体相对姿态信息和位置信息，并据此制定包含移动路径的控制信息，驱动工作部件运动。

本发明的又一个目的在于提供一种制定移动路径的组件，实施手术的自动化设备，无需借助于影像的图像引导完成手术，简化图像引导手术的准备和实施。

本发明提供的一种制定移动路径的方法，包括：

捕捉目标位置指示部件和位置参照部件，识别所处的位置信息以及姿态信息，确定目标位置指示部件相对于位置参照部件所处的相对位置信息；

再结合目标位置指示部件选取的工作位置信息和姿态信息，制定包含移动路径的控制信息；

位置参照部件，其固定于目标物上；

目标位置指示部件，其用于在目标物上移动，选取工作位置。

本发明提供的制定移动路径的方法，用于实施工作(如：手术)的自动化设备，使得自动化设备按所获取的信息相应实施工作。自动化设备可以脱离CT影像，避免了因CT伪影的存在，而造成的该类病例不能通过手术机器人实施的情形。

为了实施制定移动路径的方法，本发明还提供一种组件，包括处理器、捕捉和跟踪部件、目标位置指示部件和位置参照部件组成。

捕捉和跟踪部件，其对目标位置指示部件和位置参照部件实施捕捉，识别所处的位置以及姿态信息，确定目标位置指示部件相对于位置参照部件所处的位置信息，并提供给处理器；

位置参照部件，其固定于目标物上；

目标位置指示部件，其用于在目标物上移动，选取工作位置；

处理器接收目标位置指示部件选取的工作位置，依据捕捉和跟踪部件提供的信息，产生包含移动路径的控制信息。

驱动部件在收到包含移动路径的控制信息后，控制工作部件前往所选取的工作位置实施作业。

本发明的组件，还包括工作位置选取确认机构，设置于目标位置指示部件上，触按确认机构，使得目标位置指示部件相对于位置参照部件的姿态信息和位置信息得到实时记录。

本发明的组件，捕捉和跟踪部件采用光学器件实施捕捉和跟踪，或者采用磁性器件实施捕捉和跟踪，或者采用机械关系实施捕捉和跟踪(如：被动式机械臂)，实时跟踪并获取目标位置指示部件和位置参照部件位置信息和姿态变化信息。

一种借助于光学实施制定移动路径的组件，其中，

目标位置指示部件包括本体，指示部和识别安装部；

第一识别体，其设置于识别安装部，可以被捕捉和跟踪部件所识别；

工作位置选取确认机构，其设置于本体上，触按工作位置选取确认机构，使得捕捉和跟踪部件所捕捉的目标位置指示部件相对于位置参照部件所处，的位置信息和姿态信息，得到实时记录。

位置参照部件被设置于目标物体上，其包含第二识别体，其被捕捉和跟踪部件所捕捉并跟踪，可以实施获取其运动信息，实时反馈目标物体的位置信息和姿态信息。

本发明提供的组件设置于自动化设备，尤其是实施手术的自动化设备上，使用者在手术部位使用目标位置指示部件指向手术进行的方向与位置，并触按触发机构，自动化设备将姿态信息与位置信息予以记录(以识别体作为参考系的姿态与位置)，连续触发多次，则记录多个手术姿态信息与位置信息。

自动化设备依据这些记录的信息获得包含移动路径的信息控制手术机械臂前往手术部位以完成后续的手术步骤。

当患者发生移动，导致手术部位运动时，处理器依据捕捉和跟踪部件获得的位置参照部件移动信息，实时更新前述步骤确定的手术姿态信息与位置信息，再次依据包含移动路径的信息控制手术机械臂做出调整。

本发明的组件，还包括定位导向模板(也称：导板)，其可以基于CT影像而制定手术计划后再使用3D打印技术制作而得。在手术前将定位导向模板安装在手术部位，再使用目标位置指示部件获取手术的姿态信息与位置信息，自动化设备记录手术的姿态信息与位置信息后，再拆卸定位导向模板，然后根据该选定的工作位置，驱动机械臂前往完成后续的手术步骤。

本发明技术方案实现的有益效果：

本发明提供的制定移动路径的方法，应用于实施手术的自动化设备，无需借助图像引导，省去标志点设定，图像配准等准备过程，既节省了手术前准备时间，同时避免了这些中间过程可能带来的误差。

本发明提供的实施制定移动路径的方法的组件，应用于实施手术的自动化设备，使得自动化设备可以脱离CT影像，避免了因CT伪影的存在，而造成的该类病例不能通过手术机器人实施的情形。

附图说明

图1为实施本发明方法的自动化设备一实施例的局部示意图；

图2为实施本发明方法的目标位置指示部件一实施例示意图；

图3为实施本发明方法的组件应用于口腔手术时一实施例示意图；

图4为实施本发明方法的组件的触发机构一实施例电路图；

图5为实施本发明方法的组件的触发机构另一实施例示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

如图1为实施本发明方法的自动化设备一个实施例示意图，该设备包括第一机械臂100和第二机器臂200，第二机械臂200末端安装了手术工具400，第一机械臂100末端安装了一个光学捕捉和跟踪装置300。机械臂选用Universal Robots公司的UR3，光学捕捉和跟踪装置选用NDI公司的Polaris Vicra。

图2为实施本发明方法的目标位置指示部件一实施例示意图。图2所示，目标位置指示部件500包括识别安装部520和指向部540，识别体510安装于识别安装部520，触发机构530设置于本体(未示出)上。本实施例中，触发机构530为一个开关，产生0或1的开关信号。

图3为实施本发明方法的组件应用于口腔手术时一实施例示意图。结合图1和图2，如图3所示，位置参照部件600上也设置第二识别体610以及第二安装识别部620。位置参照部件600被固定在患者口腔内，被捕捉和跟踪装置300所捕捉和跟踪，实时获取患者口腔的运动的位置信息与姿态信息。使用目标位置指示部件500的指向部540在患者口腔内确定实施手术的位置与姿态，自动化设备记录目标位置指示部件500相对于位置参照部件600的位置信息与姿态信息，转化为在第一机械臂和第二机械臂所成坐标系下的位置信息与姿态信息。当患者移动导致位置参照部件600发生位移时，自动化设备实时更新位置参照部件600位置信息与姿态信息，处理器再次计算移动路径。

可以使用目标位置指示部件500在患者口腔内连续确定并记录多个位置信息与方向信息。

自动化设备将上述的目标手术位置信息与姿态信息传输给机械臂，获得包括移动路径的信息，驱动机械臂按照该信息前往手术位置并调整手术工具400的姿态，然后执行后续的手术步骤。

图4为实施本发明方法的组件的触发机构一实施例电路图，用于实施位置和姿态确认信号的发送。如图4所示，通过有线的方式将指示装置与计算机连接，其电路包括电源连接点(如：VCC电源连接点)、电阻R1、电阻R2和MCU单片机(如：Arduino Nano)，以及触发机构。

当未触按触发机构时，电源无法向电阻R1和电阻R2的回路供电，MCU单片机采集到的电平为低电平信号。当开关按下时，电源和电阻的回路接通，MCU单片机采集到的电平为高电平信号(电源经R1/R2分压后的电平)；MCU单片机根据采集到的电平信号，判断是否为手术方向位置确认信号，并向计算机发送信号。

图5为实施本发明方法的组件的触发机构另一实施例电路图，用于实施位置和姿态确认信号的发送。如图5所示，通过无线的方式将指示装置与计算机连接，其电路包括电源(VBAT如电池)、电阻R1、电阻R2、MCU单片机、触发机构、无线发射模块和无线接收模块。当未触按触发机构时，电源无法给电阻R1及电阻R2的回路供电，MCU单片机采集到的电平为低电平信号。当开关按下时，电源和电阻的回路接通，MCU单片机采集到的电平为高电平信号(电源经R1/R2分压后的电平)。MCU单片机将采集到的电平信号，通过总线传输给无线发射模块，无限发射模块通过无线方式将信息发出，由控制器端的无线接收模块接收到信号，并将该信号传输给控制器。控制器根据采集到的电平信号，判断是否为手术方向位置确认信号，并向计算机发送信号。

类似的触按方式还可以使用脚踏触发机构向计算机发送确认信号，这种机构目前已成为一种标准产品，可以在市场上购买得到。

定位导向模板已经是一种常见手术辅助器械(如：Nobel Biocare公司的NobelGuide，以及Materialise公司的SurgiGuide等提供口腔的导板)，其包含安装部和定位导向部，安装部与手术部位唯一配合，用于固定模板，定位导向部由若干导向腔道构成，导向腔道指示手术进行的方向以及手术进入点位置。

本实施例的组件，还包括定位导向模板，其可以基于CT影像而制定手术计划后再使用3D打印技术制作而得。在手术前将定位导向模板安装在手术部位，再使用目标位置指示部件获取手术的姿态信息与位置信息，自动化设备记录手术的姿态信息与位置信息后，再拆卸定位导向模板，然后根据该选定的工作位置，驱动机械臂前往完成后续的手术步骤。

Claims (5)

1.一种制定移动路径的组件，其特征在于包括：

捕捉和跟踪部件，其对目标位置指示部件和位置参照部件实施捕捉，识别所处的位置信息以及姿态信息，确定目标位置指示部件相对于位置参照部件所处的位置信息与姿态信息，并提供给处理器；

位置参照部件，其固定于目标物上，包含第二识别体，其被捕捉和跟踪部件所捕捉并跟踪，实时获取其运动信息，实时反馈所述目标物体的位置信息和姿态信息；

目标位置指示部件，其用于在目标物上移动，选取工作位置；

处理器，接收所述的目标位置指示部件选取的工作位置，依据所述的捕捉和跟踪部件提供的信息，产生包含移动路径的控制信息，控制机械臂做出调整；

工作位置选取确认机构，设置于所述的目标位置指示部件上，触发所述的确认机构使得所述的目标位置指示部件相对于所述的位置参照部件的姿态信息和位置信息得到实时记录。

2.根据权利要求1所述的制定移动路径的组件，其特征在于所述的目标位置指示部件包括本体，指示部和识别安装部

3.根据权利要求2所述的制定移动路径的组件，其特征在于还包括第一识别体，其设置于所述的识别安装部，可以被捕捉和跟踪部件所识别。

4.根据权利要求2所述的制定移动路径的组件，其特征在于还包括工作位置选取确认机构，其设置于所述的本体上，触按所述的工作位置选取确认机构，使得所述的目标位置指示部件相对于所述的位置参照部件的姿态信息和位置信息得到实时记录。

5.一种自动化设备包括权利要求1~4之一所述的制定移动路径的组件。

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