CN112336462B - 一种智能型主从结合机械臂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种智能型主从结合机械臂，包括导航臂主体、台车主体、定位臂主体和导向安装座，所述台车主体顶部的中央位置处固定安装有第一转动关节，所述第一转动关节的输出端通过第二转动关节固定安装有导航臂主体，所述导航臂主体远离第二转动关节的一端固定安装有连接座，所述连接座的外侧固定安装有连接法兰，所述连接法兰的内部分别可拆卸安装有安装座主体与导向安装座。该智能型主从结合机械臂利用导航臂主体与定位臂主体的配合使用建立手术台车主体与病人之间的坐标映射关系，实现手术机器人的导航定位，解决了单独使用导航臂主体无法进行精细定位、光学或电磁定位装置成本高且操作繁琐易受干扰的问题。

Description

一种智能型主从结合机械臂
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种智能型主从结合机械臂。
背景技术
为了解决外科手术存在的精度不足、辐射过多、切口较大、操作疲劳等问题，现有的外科手术计算机辅助导航系统采用一种三维定位的手术支持系统，在手术过程中，利用计算机技术将术前或术中病人的影像数据(来自CT计算机断层扫描、MRI磁共振成像等)、实际手术过程中患者的病变体位，以及手术工具所在的坐标系统统一起来，计算机利用这些图像信息进行三维图像重建，为外科医生进行手术规划提供客观、准确、直观、快速、微创、科学的手段，现有的方案大多为以下两种：
1、采用导航臂+手术导航定位系统；手术导航定位系统采用光学或电磁定位来实现手术台车与病人之间的坐标映射关系，医生现场根据位置控制导航臂定位；
2、采用被动臂拾取MARK点进行定位，然后根据计算出的病灶位置手动调节各关节位置进行定位；
上述两种方案第一种首先光学或电磁定位装置成本很高，其次光学定位在手术定位中操作繁琐且容易被遮挡或受到金属物质的干扰而产生误差，在建立两种坐标关联过程中比较繁琐，同时现有导航臂方案无法进行远程控制；第二种方案在建立坐标系关联过程上比较方便，但在调节各关节位置进行定位时需手动调节，易产生误差需重复调节位置，同时无法进行远程操作，因此，设计出一种智能型主从结合机械臂，对于目前医疗器械技术领域来说是迫切需要的。
发明内容
本发明提供一种可以简便实现两个坐标系关联，自动到达指定位置，同时可以远程控制的智能型主从结合机械臂，以解决现有技术存在单独使用导航臂无法进行精细定位、光学或电磁定位装置成本高且操作繁琐易受干扰的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
根据本发明的实施例，一种智能型主从结合机械臂，包括导航臂主体、台车主体、定位臂主体和导向安装座，所述台车主体顶部的中央位置处固定安装有第一转动关节，所述第一转动关节的输出端通过第二转动关节固定安装有导航臂主体，所述导航臂主体远离第二转动关节的一端固定安装有连接座，所述连接座的外侧固定安装有连接法兰，所述连接法兰的内部分别可拆卸安装有安装座主体与导向安装座，所述安装座主体的底部固定安装有定位臂主体，所述定位臂主体的底部固定安装有第三转动关节，所述第三转动关节的侧面固定安装有连接块，所述连接块底部的侧面固定安装有第四转动关节，所述第四转动关节的输出端延伸出连接块的另一侧固定安装有安装套，所述安装套的底部固定安装有注册探针，所述导向安装座远离连接法兰的一侧固定安装有滑轨主体，所述滑轨主体的底部固定安装有第一调整座，所述第一调整座的内部环绕安装有导向套，所述导向套位置处第一调整座远离滑轨主体的一侧活动安装有锁紧套，所述滑轨主体的外侧滑动安装有第二调整座，所述第二调整座的内部固定安装有导向探针，且导向探针延伸出导向套的底部。
进一步地，所述滑轨主体的表面均匀分布有刻度标尺。
进一步地，所述滑轨主体位置处第二调整座的背面转动安装有模块锁扭，且导向探针位置处第二调整座的侧面转动安装有锁扭主体。
进一步地，所述第一调整座与滑轨主体之间通过滑块主体伸缩安装，且滑轨主体底部的正面转动安装有锁紧旋钮。
该发明还提供一种使用方法：
在人体手术部位周围粘贴4个不位于同一平面的MARK点，然后固定台车主体与人体相对位置，将定位臂主体安装到连接法兰末端，拖动导航臂主体到达大概位置，利用定位臂主体可精密转动的特点依次拾取4个MARK点坐标，通过计算建立手术台车主体与病人之间的坐标映射关系，从而得到手术靶点在台车主体坐标系内的坐标，设T1为导航臂主体坐标转换矩阵，T2为定位臂主体坐标转换矩阵，PO为目标点在台车主体坐标系内的坐标向量，PA为目标点在头颅坐标系下的坐标向量，则：PA＝T1*T2*PO，T1,T2根据导航臂主体及、定位臂主体关节数不同会有不同，为达到操作定位方便，建议定位臂主体采用3关节，卸除定位臂主体，更换导向探针，此时，带有导向探针的导航臂主体的坐标转换矩阵为：T3＝T1*TM，其中，TM为导向探针坐标转换矩阵，依据手术靶点坐标规划导航臂主体位于X轴、Y轴、Z轴上的移动与旋转的操作流程，控制导航臂主体自动运动到手术靶点位置。
本发明具有如下优点：
该智能型主从结合机械臂利用导航臂主体与定位臂主体的配合使用建立手术台车主体与病人之间的坐标映射关系，实现手术机器人的导航定位，解决了单独使用导航臂主体无法进行精细定位、光学或电磁定位装置成本高且操作繁琐易受干扰的问题，同时，导航臂主体增加语音控制和远程通信功能，实现导航臂主体远程语音控制操作，在导航定位方面比较光学定位，成本低，不易受干扰，较纯被动臂方案，建立坐标关联后可以自动运动到目标位置减少手动手动操作，误差小，在机械臂控制方面增加了语音控制功能，方便操作，增加远程通信功能，方便远程协助。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的定位臂主体结构示意图；
图3为本发明的导向器主体侧面结构示意图；
图4为本发明的导向器主体正面结构示意图；
图中：1、第一转动关节；2、第二转动关节；3、导航臂主体；4、连接座；5、连接法兰；6、台车主体；7、安装座主体；8、定位臂主体；9、第三转动关节；10、安装套；11、注册探针；12、连接块；13、第四转动关节；14、导向安装座；15、锁紧旋钮；16、第一调整座；17、滑轨主体；18、第二调整座；19、导向套；20、导向探针；21、锁扭主体；22、模块锁扭；23、刻度标尺；24、锁紧套。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明提供一种技术方案：
一种智能型主从结合机械臂，包括导航臂主体3、台车主体6、定位臂主体8和导向安装座14，台车主体6顶部的中央位置处固定安装有第一转动关节1，第一转动关节1的输出端通过第二转动关节2固定安装有导航臂主体3，导航臂主体3远离第二转动关节2的一端固定安装有连接座4，连接座4的外侧固定安装有连接法兰5，连接法兰5的内部分别可拆卸安装有安装座主体7与导向安装座14，安装座主体7的底部固定安装有定位臂主体8，定位臂主体8的底部固定安装有第三转动关节9，第三转动关节9的侧面固定安装有连接块12，连接块12底部的侧面固定安装有第四转动关节13，第四转动关节13的输出端延伸出连接块12的另一侧固定安装有安装套10，安装套10的底部固定安装有注册探针11，导向安装座14远离连接法兰5的一侧固定安装有滑轨主体17，滑轨主体17的底部固定安装有第一调整座16，第一调整座16的内部环绕安装有导向套19，导向套19位置处第一调整座16远离滑轨主体17的一侧活动安装有锁紧套24，滑轨主体17的外侧滑动安装有第二调整座18，第二调整座18的内部固定安装有导向探针20，且导向探针20延伸出导向套19的底部。
本发明中：滑轨主体17的表面均匀分布有刻度标尺23。
本发明中：滑轨主体17位置处第二调整座18的背面转动安装有模块锁扭22，且导向探针20位置处第二调整座18的侧面转动安装有锁扭主体21。
本发明中：第一调整座16与滑轨主体17之间通过滑块主体伸缩安装，且滑轨主体17底部的正面转动安装有锁紧旋钮15。
该发明还提供一种使用方法：
在人体手术部位周围粘贴4个不位于同一平面的MARK点，然后固定台车主体6与人体相对位置，将定位臂主体8安装到连接法兰5末端，拖动导航臂主体3到达大概位置，利用定位臂主体8可精密转动的特点依次拾取4个MARK点坐标，通过计算建立手术台车主体6与病人之间的坐标映射关系，从而得到手术靶点在台车主体6坐标系内的坐标，设T1为导航臂主体3坐标转换矩阵，T2为定位臂主体8坐标转换矩阵，PO为目标点在台车主体6坐标系内的坐标向量，PA为目标点在头颅坐标系下的坐标向量，则：PA＝T1*T2*PO，T1,T2根据导航臂主体3及、定位臂主体8关节数不同会有不同，为达到操作定位方便，建议定位臂主体8采用3关节，卸除定位臂主体8，更换导向探针20，此时，带有导向探针20的导航臂主体3的坐标转换矩阵为：T3＝T1*TM，其中，TM为导向探针20坐标转换矩阵，依据手术靶点坐标规划导航臂主体3位于X轴、Y轴、Z轴上的移动与旋转的操作流程，控制导航臂主体3自动运动到手术靶点位置。
该发明还包括一种智能控制系统，智能控制系统包括远程通信模块、语音识别控制模块及自动控制模块，此功能包括以下两个方面：
现场语音控制,主要解决需要近距离观察靶点时，距离操作台面较远，无法手动操作，需进行操作时，操作人员说出操作语句，智能控制系统接收到语音指令后进行识别，同时播报出操作语句，等待操作人员确认，操作人员确认后，智能控制系统进行控制指令转换后将指令发送至导航臂主体3，从而控制导航臂主体3运动；
远程语音控制，主要进行远程操作导航臂主体3，现场人员打开远程通信功能，将现场机械臂数据通过远程通信模块发送至远程人员处，远程人员调整数据达到理想效果，远程人员发送语音指令，智能控制系统通过远程通信模块接收语音指令后进行识别，同时播报出操作语句，现场人员确认后，智能控制系统进行控制指令转换后将指令发送至导航臂主体3，从而控制导航臂主体3运动。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种智能型主从结合机械臂，包括导航臂主体(3)、台车主体(6)、定位臂主体(8)和导向安装座(14)，其特征在于：所述台车主体(6)顶部的中央位置处固定安装有第一转动关节(1)，所述第一转动关节(1)的输出端通过第二转动关节(2)固定安装有导航臂主体(3)，所述导航臂主体(3)远离第二转动关节(2)的一端固定安装有连接座(4)，所述连接座(4)的外侧固定安装有连接法兰(5)，所述连接法兰(5)的内部分别可拆卸安装有安装座主体(7)与导向安装座(14)，所述安装座主体(7)的底部固定安装有定位臂主体(8)，所述定位臂主体(8)的底部固定安装有第三转动关节(9)，所述第三转动关节(9)的侧面固定安装有连接块(12)，所述连接块(12)底部的侧面固定安装有第四转动关节(13)，所述第四转动关节(13)的输出端延伸出连接块(12)的另一侧固定安装有安装套(10)，所述安装套(10)的底部固定安装有注册探针(11)，所述导向安装座(14)远离连接法兰(5)的一侧固定安装有滑轨主体(17)，所述滑轨主体(17)的底部固定安装有第一调整座(16)，所述第一调整座(16)的内部环绕安装有导向套(19)，所述导向套(19)位置处第一调整座(16)远离滑轨主体(17)的一侧活动安装有锁紧套(24)，所述滑轨主体(17)的外侧滑动安装有第二调整座(18)，所述第二调整座(18)的内部固定安装有导向探针(20)，且导向探针(20)延伸出导向套(19)的底部；利用导航臂主体与定位臂主体的配合使用建立手术台车主体与病人之间的坐标映射关系，实现手术机器人的导航定位。
2.根据权利要求1所述的一种智能型主从结合机械臂，其特征在于：所述滑轨主体(17)的表面均匀分布有刻度标尺(23)。
3.根据权利要求1所述的一种智能型主从结合机械臂，其特征在于：所述滑轨主体(17)位置处第二调整座(18)的背面转动安装有模块锁扭(22)，且导向探针(20)位置处第二调整座(18)的侧面转动安装有锁扭主体(21)。
4.根据权利要求1所述的一种智能型主从结合机械臂，其特征在于：所述第一调整座(16)与滑轨主体(17)之间通过滑块主体伸缩安装，且滑轨主体(17)底部的正面转动安装有锁紧旋钮(15)。
5.根据权利要求1所述的一种智能型主从结合机械臂，其特征在于：其使用方法包括如下操作步骤：
在人体手术部位周围粘贴4个不位于同一平面的MARK点，然后固定台车主体(6)与人体相对位置，将定位臂主体(8)安装到连接法兰(5)末端，拖动导航臂主体(3)到达大概位置，利用定位臂主体(8)可精密转动的特点依次拾取4个MARK点坐标，通过计算建立手术台车主体(6)与病人之间的坐标映射关系，从而得到手术靶点在台车主体(6)坐标系内的坐标，设T1为导航臂主体(3)坐标转换矩阵，T2为定位臂主体(8)坐标转换矩阵，PO为目标点在台车主体(6)坐标系内的坐标向量，PA为目标点在头颅坐标系下的坐标向量，则：PA＝T1*T2*PO，T1,T2根据导航臂主体(3)及定位臂主体(8)关节数不同会有不同；卸除定位臂主体(8)，更换导向探针(20)，此时，带有导向探针(20)的导航臂主体(3)的坐标转换矩阵为：T3＝T1*TM，其中，TM为导向探针(20)坐标转换矩阵，依据手术靶点坐标规划导航臂主体(3)位于X轴、Y轴、Z轴上的移动与旋转的操作流程，控制导航臂主体(3)自动运动到手术靶点位置。
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