CN110547875A - 调整物体姿态的方法及其装置和在自动化设备中的应用 - Google Patents

Abstract

一种调整物体姿态的方法，工作机构和跟踪机构分别在至少3个自由度上运动，计算设置在工作机构上的旋转体转动所需的目标角度，然后对旋转体施加作用力，使得旋转体向目标角度转动，而将设置于旋转体上的标识部件朝向设置在跟踪机构上的捕捉跟踪装置，实现捕捉跟踪装置对标识部件的跟踪。本发明提供的方法，应用于自动化手术设备，随着实施手术的机械臂的运动，使得姿态标识部件始终保持在跟踪的视野中，不会造成目标丢失。

Description

调整物体姿态的方法及其装置和在自动化设备中的应用

技术领域

本发明涉及一种对运动物体姿态调整的方法，尤其涉及一种对物体的姿态进行调整，使得光学器件实现对物体跟踪，及其装置和在自动化设备中的应用。

背景技术

基于光学捕捉跟踪的手术机器人系统，如：法国MedTech公司的ROSA Spine系统，美国Stryker公司的MAKO系统，以及天智航公司的“天玑”系统都使用光学捕捉跟踪实现对手术部位和手术工具(或者机械臂)的跟踪。这些系统仅配置一个机械臂，用于抓持手术工具(以下简称手术臂)，光学捕捉跟踪系统与安装机械臂的主机体分离，被另外安装在一个移动支架上。在手术臂的末端和手术区域都安装了光学定位支架，系统通过光学捕捉跟踪系统跟踪定位支架的位置与方向，实现对手术进程的实时跟踪与控制。

当光学捕捉跟踪系统因被遮挡而不能跟踪定位支架时，需要手动移动安装光学捕捉跟踪系统的移动支架，并调整光学捕捉跟踪系统的方向，避开视野遮挡，实现对被跟踪目标(光学定位支架)的重新跟踪。一种智能的方法是实现双臂手术机器人(可参考201810051218.8及201810051219.2)，即将光学捕捉跟踪装置安装在单独的一个机械臂上(以下简称视觉臂)，当光学捕捉跟踪装置被遮挡时，系统自动计算一个新的位置，由视觉臂驱动光学捕捉跟踪装置到达新的位置。由于视觉臂的运动范围限制，它只能将定位跟踪系统驱动到限定的一些位置与方向。另外，在手术臂上，用于跟踪手术工具的光学定位支架可能因为手术臂自身的姿态，造成对光学定位支架的遮挡，譬如：当光学定位支架背向光学捕捉跟踪装置时。这种遮挡会对手术过程造成巨大影响。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种调整物体姿态的方法，使得物体发生姿态变化时，能得到快速调整，使得光学识别体与跟踪装置之间保持固定的相对位置关系。

本发明的另一个目的在于提供一种调整物体姿态的方法，使得物体保持在视野中，实现持续观察。

本发明的再一个目的在于提供一种调整物体姿态的装置，用于实施保持物体之间位置关系的方法。

本发明的又一个目的在于提供一种调整物体姿态的装置，用于自动化设备，利于自动化设备实施手术。

本发明提供的一种调整物体姿态的方法，包括：

工作机构和跟踪机构分别在至少3个自由度上运动，计算设置在工作机构上的旋转体转动所需的目标角度，然后对旋转体施加作用力，使得旋转体向目标角度转动，而将设置于旋转体上的标识部件朝向设置在跟踪机构上的捕捉跟踪装置，实现捕捉跟踪装置对标识部件的跟踪。

本发明提供的调整物体姿态的方法，依据所计算的转动所需的目标角度，以电机为动力驱动旋转体。

本发明提供的调整物体姿态的方法，还包括依据所述的工作机构和所述的跟踪机构之间的位置关系，所述的旋转体与所述的工作机构之间的位置关系，所述的跟踪机构与所述的捕捉跟踪装置之间的位置关系，以及所述的旋转体与所述的捕捉跟踪装置之间的位置关系，计算旋转体的转动所需的目标角度。

本发明提供的调整物体姿态的方法在采用光学器件实施跟踪的器械上的应用。

一种实施本发明调整物体姿态的方法的装置，包括：

工作机构，其至少在3个自由度上运动；

跟踪机构，其至少在3个自由度上运动，其上设置捕捉跟踪装置；

转动部件，其设置于所述的工作机构上，受外力作用而转动；

标识部件，其设置于转动部件上，作为获得工作机构所处位置信息的依据；

电机，其为转动部件的转动提供动力，使得转动部件上的标识部件朝向捕捉跟踪装置。

本发明提供的调整物体姿态的装置，还包括控制器，其依据计算的转动所需的目标角度对电机实施控制。

本发明提供的调整物体姿态的装置，还包括处理器，计算标识部件朝向跟踪机构装置所需转动部件转动的目标角度，实现控制所述电机的工作状态。

本发明提供的调整物体姿态的装置，还包括匹配确认机构，其获取转动部件的转动角度，为控制电机的工作状态提供依据。

本发明提供的调整物体姿态的装置，还包括标识捕获部件，其以光学跟踪方式获取姿态标识部件的信息。

本发明提供的调整物体姿态的装置，姿态标识部件为光学定位支架，其上设置若干感光体，标识捕获部件为光学探头能识别感光体。

本发明技术方案实现的有益效果：

本发明提供的调整物体姿态的方法及其装置，应用于自动化手术设备，随着实施手术的机械臂的运动，使得姿态标识部件始终保持在跟踪的视野中，不会造成目标丢失。

本发明提供的调整物体姿态的方法及其装置，应用于自动化手术设备，使得实施手术的机械臂在运动的过程中，对姿态标识部件实现实施调整。

附图说明

图1为实施本发明方法的装置一实施例剖面示意图；

图2为实施本发明方法的装置一实施例部件分解示意图；

图3为实施本发明方法的装置在手术机器人一实施例的示意图。

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。

图1为实施本发明方法的装置一实施例剖面示意图，图2为实施本发明方法的装置一实施例部件分解示意图。如图1和图2所示，实施本发明方法的装置包括工具100，其为实施加工的工具，比如：在实施手术中，其为一个骨科钻。光学识别支架101设置于旋转体110上，用于标记旋转体110，获取旋转体110的姿态信息。电机定子107被安装在一个安装座106上，安装座106与轴体111相连，轴体111的一端被设置在机械臂(未示出)上。旋转体110与电机转子109相连。当轴体连接的机械臂发生转动，而使光学识别支架101无法在光学捕捉跟踪装置视野中找到时，电机转子109依据所计算的角度带动旋转体110转动，使旋转体110的转动角度与目标角度匹配

电机还包括两个用于支撑的轴承103，以及第一垫圈102和第二垫圈108。当电机转子109受定子107产生的磁力影响转动时，带动旋转体110旋转，随机驱动101转动。

在旋转体110上还设置编码器盘104，编码器读头105被安装在安装座106上，当旋转体110转动时，编码器读头105实时读取编码器盘104上的编码信息，反馈旋转体110的转动角度。本实施例中的电机转子与定子可以选用科尔摩根公司的TBM 60系列，编码器盘与读头可以选用雷尼绍公司的MR061C与RLB。

图3为实施本发明方法的装置在手术机器人一实施例的示意图，如图3所示，该手术机器人为双臂手术机械人系统，包括立柱200，横梁201上安装了视觉臂202，视觉臂202一端设置光学捕捉跟踪装置206。横梁201上安装了手术臂203，在手术臂203的一端设置实施手术的工具205和旋转体110的构成。本实施例中，视觉臂202和手术臂203都采用UniversalRobots公司的UR3，光学捕捉跟踪装置如：NDI公司的Polaris。

依据各个机械臂之间的位置关系，机械臂各关节之间的位置关系，旋转机构与机械臂之间的位置关系，以及捕捉跟踪装置与机械臂之间的关系，计算旋转机构的目标转动角度，然后对旋转机构施加作用力，并获取旋转机构转动的角度信息。当转动角度与目标角度一致时，则停止施加作用力。由此，使得光学识别支架始终朝向光学捕捉跟踪装置，保证光学识别支架可以被光学捕捉跟踪装置跟踪。

结合图1和图2，将光学识别支架101安装在手术臂203上一个旋转机构204上，旋转机构204受电机驱动而转动。旋转机构204上设置旋转角度测量装置，实时反馈旋转机构204的信息。

手术机器人系统对旋转机构204的旋转角度做出判断，驱动电机运转，使得旋转体204上的光学定位支架101始终处于光学捕捉跟踪装置视野内，可以被定位跟踪系统识别。

在手术过程中，为了避开视野遮挡，视觉臂202将实时调整姿态，保证光学捕捉跟踪装置206能始终捕捉被跟踪目标，视觉臂202的姿态信息可以通过机械臂内部反馈获得，视觉臂202与光学捕捉跟踪装置206之间的位置关系的信息通过机械安装结构确立而获得，因此系统可以实时获知光学捕捉跟踪装置206的空间位置信息和姿态信息。同样的，机器人也可以获得旋转机构204的空间位置信息与姿态信息，通过旋转机构204与光学捕捉跟踪装置206之间的连线确定光学识别支架101的朝向，驱动电机运转，使光学识别支架101到达该方向。

Claims (11)

1.一种调整物体姿态的方法，其特征在于包括：

工作机构和跟踪机构分别在至少3个自由度上运动，计算设置在工作机构上的旋转体转动所需的目标角度，然后对旋转体施加作用力，使得旋转体向目标角度转动，而将设置于旋转体上的标识部件朝向设置在跟踪机构上的捕捉跟踪装置，实现捕捉跟踪装置对标识部件的跟踪。

2.根据权利要求1所述的调整物体姿态的方法，其特征在于依据所计算的转动所需的目标角度，以电机为动力驱动所述的旋转体。

3.根据权利要求1所述的调整物体姿态的方法，其特征在于还包括依据所述的工作机构和所述的跟踪机构之间的位置关系，所述的旋转体与所述的工作机构之间的位置关系，所述的跟踪机构与所述的捕捉跟踪装置之间的位置关系，以及所述的旋转体与所述的捕捉跟踪装置之间的位置关系，计算旋转体的转动所需的目标角度。

4.根据权利要求1所述的调整物体姿态的方法在采用光学器件实施跟踪的器械上的应用。

5.一种自动化设备包括权利要求1～3之一所述的调整物体姿态的方法。

6.一种调整物体姿态的装置，其特征在于包括：

工作机构，其至少在3个自由度上运动；

跟踪机构，其至少在3个自由度上运动，其上设置捕捉跟踪装置；

转动部件，其设置于所述的工作机构上，受外力作用而转动；

标识部件，其设置于所述的转动部件上，作为获得所述的工作机构所处位置信息的依据；

电机，其为转动部件的转动提供动力，使得转动部件上的标识部件朝向所述的捕捉跟踪装置；

所述的捕捉跟踪装置对所述的标识部件进行光学跟踪，获取所述的工作机构所处的位置信息。

7.根据权利要求6所述的调整物体姿态的装置，其特征在于还包括控制器，其依据计算的转动所需的目标角度对所述的电机实施控制。

8.根据权利要求6所述的调整物体姿态的装置，其特征在于还包括处理器，其计算所述的标识部件朝向所述的捕捉跟踪装置所需转动部件转动的目标角度，实现控制所述电机的工作状态。

9.根据权利要求6所述的调整物体姿态的装置，其特征在于还包括匹配确认机构，其获取转动部件的转动角度，为控制所述电机的工作状态提供依据。

10.根据权利要求6所述的调整物体姿态的装置，其特征在于所述的姿态标识部件为光学定位支架，其上设置若干感光体，还包括标识捕获部件能识别感光体。

11.一种自动化设备包括权利要求6～10之一所述的调整物体姿态的装置。