CN112998855B - 颅骨手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种颅骨手术机器人系统，为了解决现有技术中颅骨手术需要先进行画线标记，再进行临床手术的问题，本发明提供一种颅骨手术机器人系统通过控制调姿模块调整画笔/铣刀运动使得其具有两个移动自由度和两个旋转自由度，同时在颅骨模型处增加一个移动自由度和一个旋转自由度，以使得画笔/铣刀基于切割路线对固定在承载模块上的颅骨模型进行标记。本发明可以在以x、y、z轴为坐标轴的空间直角坐标系中的有效的行程内任意移动以完成对颅骨模型外表面的任一点的画线打点等操作使画笔/铣刀的轴线指向颅骨球面的中心，保证线路的精确性。

Description

颅骨手术机器人系统

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种颅骨手术机器人系统。

背景技术

如何高效、精确、安全的完成开颅手术中颅骨的钻孔和铣削，进而去除骨瓣形成大小合适的骨窗，神经外科医生一直在寻求合适且快捷的办法。从先前的手摇钻、线锯到现在的电动开颅钻、铣刀，神经外科的发展也促进着开颅手术器械的发展。而近年来随着机器人和人工智能的飞速发展，且越来越多应用到神经外科领域，将机器人与开颅手术结合必然会促成其技术的改进和提高。

每一例颅骨手术都是独一无二的，现有技术中进行颅骨矫形手术全靠术中解剖后按实际情况凭经验实施，到底效果如何只能等手术结束，头皮缝合完后才能看出来。当前主要依靠三维CT来判断颅顶畸形的状况，并凭着医生的经验在二维CT片上或纸上设计切割形状和路线，然后在手术过程中根据实际情况进行实地调整切割形状、路线及拼接方式。这种常规的方法存在着很多的问题：颅骨手术很难在术前做好方案的设计；颅骨手术涉及到三维空间的定位问题，在二维平面上很难完整的考虑到颅骨重建过程中各骨瓣间的三维空间关系；由于缺乏有效手段，手术方案不能有效的转移到手术的实施过程中，且实际很难达到术前方案所设计的预期整形结果；由于手术方案在手术过程中不能够充分实施，因此手术过程中无法实现术前方案中所规划的对重要位置及解剖结构的保护；手术过程中不能够做到细致、精确，从而会对颅骨出现过度的切割，对骨瓣带来了很大的损伤不易于术后的愈合，存在出血的可能；手术时间长，对患者的血供、血压、代谢产生影响，增加了手术的不确定因素，加大了手术风险。

在手术过程中为了能够精确的实施手术方案必须准确的切割头骨，这就需要对切割位置进行准确定位，由于头颅内部结构复杂，血管神经交错，在切割颅骨时应该谨慎小心，避开重要血管和神经，因此需要对颅骨手术先进行画线标记，再进行临床手术。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中颅骨手术需要先进行画线标记，再进行临床手术的问题，本发明一方面提供一种颅骨手术机器人系统，该系统包括承载模块、调姿模块、握持模块、本体结构件和控制器，所述握持模块与所述调姿模块连接，所述握持模块通过所述调姿模块装设于所述本体结构件，其中；所述承载模块用于固定颅骨或颅骨模型并提供支撑。

所述调姿模块包括机械臂，所述机械臂的控制端与所述控制器通信连接，所述控制器用于所述机械臂的动作控制。

所述握持模块与所述机械臂末端连接，所述握持模块用于固定画笔/铣刀。

所述机械臂在所述控制器的控制下能够带动所述画笔/铣刀对颅骨或颅骨模型进行标记。

在一些优选技术方案中，所述本体结构件包括分别设置于两个相互正交平面的第一支撑架和第二支撑架，所述第一支撑架设置于水平面，所述第二支撑架设置于竖直面。

所述承载模块通过所述第一支撑架装设于所述水平面，所述调姿模块通过所述第二支撑架装设于所述竖直面，所述调姿模块具有在所述竖直面内移动的自由度、绕垂直于所述竖直面轴线的旋转自由度以及绕平行于所述竖直面轴线的旋转自由度。

在一些优选技术方案中，所述承载模块包括沿垂直于所述竖直面的轴线方向设置的第一平移机构，所述第一平移机构包括固设于所述第一支撑架的第一导轨和第一滑块，所述第一滑块活动设置于所述第一导轨并与所述第一导轨构成直线移动副。

所述第一滑块上设置有承载平台，所述承载平台具有绕自身轴线旋转的自由度，所述承载平台通过可拆卸连接件与颅骨或颅骨模型固定。

在一些优选技术方案中，所述调姿模块还包括平移组件，所述平移组件与所述机械臂连接，所述机械臂通过所述平移组件安装于所述第二支撑架。

所述平移组件包括第二平移机构和第三平移机构，所述第一平移机构和所述第二平移机构正交设置。

所述机械臂包括第一旋转机构、第二旋转机构，所述第一旋转机构和所述第二旋转机构之间通过第一连接件连接，所述第一旋转机构的输出轴能够绕垂直于所述竖直面的轴线旋转；所述第二旋转机构的输出轴能够绕平行于所述竖直面的轴线旋转。

在一些优选技术方案中，所述第一旋转机构包括动力装置、传动装置、检测装置和限位装置。

所述动力装置的输出端通过所述传动装置与所述第一连接件连接，所述传动装置为带传动，所述检测装置用于检测所述传动装置中传送带的移动信息并生成检测信号，所述检测装置与所述限位装置通信连接；所述限位装置基于所述检测信号限制所述传动装置向所述第一连接件传递动力。

在一些优选技术方案中，所述限位装置包括第一限位机构和第二限位机构；所述传动装置包括第一带轮、第二带轮以及套设于所述第一带轮和所述第二带轮的传送带。

所述第一限位机构与所述第一带轮连接，并基于所述检测信号限制所述第一带轮的旋转运动。

所述第二限位机构与所述第二带轮连接，并基于所述检测信号限制所述第二带轮的旋转运动。

在一些优选技术方案中，所述第一限位机构为抱闸机构，所述第二限位机构为限位开关。

在一些优选技术方案中，所述握持模块包括与所述机械臂末端连接的壳体，以及活动设置于所述壳体内部的夹持机构，所述夹持机构通过第一弹性元件与所述壳体固定。

所述夹持机构包括对向设置的第一夹块和第二夹块，所述第一夹块和所述第二夹块在靠近彼此的端部分别对应地设置有第一固定部和第二固定部。

所述第一夹块与所述第二夹块移动配合，以使得所述第一固定部与所述第二固定部处于压紧状态/分离状态，以夹持/释放画笔/铣刀。

在一些优选技术方案中，所述夹持机构还包括箱体，所述箱体通过第一弹性元件与所述壳体固定，所述第一夹块和所述第二夹块设置于所述箱体内部，所述第一夹块背离所述第二夹块的一侧与所述箱体内壁固定，所述第二夹块活动设置于所述箱体内部。

所述第一夹块内部的容纳空间内活动装设有按钮和第二连接件，所述按钮一端延伸于所述第一夹块外部形成按动部，所述按钮另一端于所述容纳空间内与所述第二连接件固定；所述第二连接件背离所述按钮的一端延伸于所述第一夹块外部与所述第二夹块固定。

所述第二连接件上套设有第二弹性元件，所述第二连接件位于所述容纳空间内部的外壁沿径向凸起以形成环形限位部，所述第二弹性元件于所述环形限位部和所述第一夹块内壁之间限位。

本发明另一方面提供了一种颅骨手术机器人的路径规划方法，该方法基于上述任一技术方案中所述的颅骨手术机器人系统完成，具体包括以下步骤：步骤S100，获取颅骨或颅骨模型的颅骨切割路线和钛片打孔位置，并将所述切割路线发送至系统；步骤S200，将颅骨或颅骨模型通过所述系统的承载模块固定，启动所述系统，基于所述切割路线控制画笔/铣刀在颅骨或颅骨模型的外表面进行标记，所述标记包括打点和/或画线；步骤S300，基于颅骨或颅骨模型上的标记进行颅骨手术的路径规划；所述颅骨模型基于3D打印技术获取。

本发明的有益效果。

本发明系统可以在以x、y、z轴为坐标轴的空间直角坐标系中的有效的行程内任意移动以完成对颅骨或颅骨模型外表面的任一点的画线打点等操作。本发明系统通过在调姿模块执行端处增加两个主动的旋转自由度，颅骨或颅骨模型处增加一个旋转自由度，使画笔/铣刀的轴线指向颅骨球面的中心，保证线路的精确性。

本发明方法通过本发明系统对颅骨手术模型进行标记后进行临床手术、切割拼接等操作。通过预先设计方案，待方案确认可行后，医生按照标记进行手术，保证了手术的安全性和可操作性。本方法根据以往多种病例与医生手术心得等，通过计算分析总结出不同形式颅缝手术所需的最优化的切割方案以使得患者术后恢复效果最佳，手术钛片成本最少。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明一种实施例的颅骨手术机器人系统整体结构示意图。

图2为本发明一种实施例中第一旋转机构的剖视图。

图3为本发明一种实施例中第三旋转机构的剖视图。

图4为本发明一种实施例中握持模块的结构示意图。

附图标记列表。

1-第二平移机构；2-第三平移机构；3-第一平移机构；4-第一旋转机构；5-第三旋转机构；6-颅骨模型；7-握持模块；8-本体结构件；9-第二旋转机构；402-第一连接件；403-保护壳；404-传送带；405第二带轮；406-第一带轮；407-底座；408-交叉圆柱滚子轴承；409-限位块；410-限位开关支架；411-检测装置；412-伺服电机；413-电机垫板；414-抱闸连接轴；415-电机固定支架；416-螺丝；417-抱闸支架；418-抱闸；502-承载平台；503-保护壳；701-画笔/铣刀；702-盖板；703-第一弹性元件；704-滑动箱体；705-第二夹块；706-第一夹块；707-轴用卡簧；708-第二弹性元件；709-第二连接件；710-按钮；711-壳体；901-电机执行器；902-输出法兰盘。

具体实施方式

为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本实施例一方面提供一种颅骨手术机器人系统，包括承载模块、调姿模块、握持模块、本体结构件和控制器，所述握持模块与所述调姿模块连接，所述握持模块通过所述调姿模块装设于所述本体结构件，其中。

所述承载模块用于固定颅骨/颅骨模型并提供支撑。

所述调姿模块包括机械臂，所述机械臂的控制端与所述控制器通信连接，所述控制器用于所述机械臂的动作控制。

所述握持模块与所述机械臂末端连接，所述握持模块用于固定画笔/铣刀。

所述机械臂在所述控制器的控制下能够基于预设的切割路线带动所述画笔/铣刀对颅骨/颅骨模型进行标记。

本实施例另一方面提供一种颅骨手术机器人的路径规划方法，该方法基于上述颅骨手术机器人系统完成，具体包括以下步骤。

步骤S100，获取颅骨或颅骨模型的颅骨切割路线和钛片打孔位置，并将所述切割路线发送至系统；步骤S200，将颅骨或颅骨模型通过所述系统的承载模块固定，启动所述系统，基于所述切割路线控制画笔/铣刀在颅骨或颅骨模型的外表面进行标记，所述标记包括打点和/或画线；步骤S300，基于颅骨或颅骨模型上的标记进行颅骨手术的路径规划；所述颅骨模型基于3D打印技术获取。

可以理解的是，画笔/铣刀可由本领域技术人员随意替换，本发明的系统可以通过画笔在颅骨模型上画线，也可以通过铣刀/手术刀等医疗器械常用执行器对颅骨模型上表面画线或打孔。

为了更清晰地对本发明颅骨手术机器人系统进行说明，下面结合附图对本发明一种优选实施例进行展开详述。

作为本发明的一个优选实施例，本发明的颅骨手术机器人系统如图1所示，该系统包括颅骨手术机器人和本体结构件8，其中颅骨手术机器人包括承载模块、调姿模块、握持模块7和控制器，握持模块与调姿模块连接，所握持模块通过调姿模块装设于本体结构件8，其中，承载模块用于固定颅骨/颅骨模型6并提供支撑。

调姿模块包括机械臂，机械臂的控制端与控制器通信连接，控制器用于机械臂的动作控制。

握持模块7与机械臂末端连接，握持模块用于固定画笔/铣刀701。

机械臂在控制器的控制下能够基于预设的切割路线带动画笔/铣刀701对颅骨/颅骨模型6进行标记。

在一些优选实施例中，本体结构件包括分别设置于两个相互正交平面的第一支撑架和第二支撑架，第一支撑架设置于水平面，第二支撑架设置于竖直面。

承载模块通过第一支撑架装设于水平面，调姿模块通过第二支撑架装设于竖直面，调姿模块具有在竖直面内移动的自由度、绕垂直于竖直面轴线的旋转自由度以及绕平行于竖直面轴线的旋转自由度。

具体而言，本发明的颅骨手术机器人系统中的第一支撑架和第二支撑架在以x、y、z轴为坐标轴的空间直角坐标系中；第一支撑架设置于xy所在平面即水平面，第二支撑架设置于xz所在平面即竖直面，承载模块通过第一支撑架装设于水平面，调姿模块通过第二支撑架装设于竖直面，调姿模块具有四个自由度，即沿x轴方向移动的自由度、沿z轴方向移动的自由度、绕z轴的旋转自由度以及绕x轴的旋转自由度。本领域技术人员可以理解的是，本申请的颅骨手术机器人系统也可以使得调姿模块具有xyz三轴的平移自由度和旋转自由度，颅骨/颅骨模型固定不变，但是此方法易使得调姿模块负载过大，且承载平台安装颅骨/颅骨模型时不便于安装，因此将调姿模块设置四个自由度，将承载模块设置两个自由度。

进一步地，承载模块包括沿垂直于竖直面的轴线方向设置的第一平移机构3，即承载模块包括沿y轴方向设置的第一平移机构3以及输出轴沿z轴方式设置的第三旋转机构5，第一平移机构3包括固设于第一支撑架的第一导轨和第一滑块，第一滑块活动设置于第一导轨并与第一导轨构成直线移动副；第一滑块上设置有承载平台502，承载平台502与第三旋转机构5的输出轴同轴设置，第三旋转机构5使得承载平台502具有绕自身轴线旋转的自由度，承载平台502通过可拆卸连接件与颅骨/颅骨模型6固定。优选地，可拆卸连接件为螺钉、螺栓、锚栓等构件，其使得颅骨/颅骨模型6与承载平台502之间为可拆卸连接。

在一些优选实施例中，调姿模块包括机械臂和平移组件，平移组件与机械臂连接，机械臂通过平移组件安装于第二支撑架；第一支撑架和第二支撑架的结构和位置可以由本领域技术人员灵活设置。

平移组件包括第二平移机构1和第三平移机构2，第二平移结构1和第二平移结构2正交设置；参阅图1，第二平移机构1沿z轴方向设置，第三平移机构2沿x轴方式设置。进一步地，本发明的第三平移机构2设置于第二平移机构1的外侧，第三平移机构2能够在第二平移机构1的活动端的带动下沿z轴方向移动，第三平移机构2的活动端与机械臂连接能够带动机械臂沿x轴方向移动，第二平移机构1和第三平移机构2结合能够使得机械臂在xz面上任一点进行移动。可以理解的是，本申请说明书附图仅为一种优选实施方式，本领域技术人员也可将第二平移机构1和第三平移机构2的位置互换，即第二平移机构1与第三平移机构2的活动端连接，两个平移机构的位置关系并不能作为本发明平移组件的限定。进一步地，第一平移机构3、第二平移机构1以及第三平移机构2的结构可由本领域技术人员灵活设置，可以为导轨滑块结构，也可以为电动推杆结构，还可以为滚柱丝杠结构，只要能够使得三者均为直线移动副即可。进一步地，控制器能够通过控制平移组件带动机械臂的固定端到达xz所在平面的任一位置。

在本发明的优选实施例中三个平移机构采用伺服电机驱动，通过三个平移机构的协同控制，使画笔/铣刀的执行端可以达到模型弧面上的任意一点。

在实际画线时，为保证画笔/铣刀能均匀的划好切割路线，握持模块与颅骨/颅骨模型不能发生干涉等情况发生，必须保持画笔/铣刀的轴线始终垂直于颅骨/颅骨模型弧面。相比于现有的六自由度机械手，本申请的系统能够通过xyz三个平移机构配合联动可达到颅骨/颅骨模型上的任意一点上，考虑到画线粗细的均匀性，三个平移机构需再配合三个旋转机构。其中y轴旋转模块与x轴旋转模块连接在一起，z轴旋转模块控制颅骨/颅骨模型轴向旋转。颅骨重塑手术机器人包括分别沿xyz三个方向移动的平移机构，以及分别沿xyz三个方向旋转的旋转机构。其中本体结构件8内底部装有第一平移机构3，后面装有第二平移机构1；第三旋转机构5通过底座407固定在第一平移机构3的滑块上；颅骨/颅骨模型6采用手拧螺丝固定在第三旋转机构5的承载平台502上；第三屏已经2固定在第一平移机构3的滑块上；第一旋转机构4固定在第三平移机构2的滑块上；第二旋转机构9固定在第一连接件402上；握持模块7固定在第二旋转机构9的输出法兰盘902上。

在一些优选实施例中，机械臂包括第一旋转机构4、第二旋转机构9、第一连接件402，第一旋转机构4和第二旋转机构9之间通过第一连接件402连接，第一旋转机构4的输出轴能够绕y轴旋转；第二旋转机构9的输出轴能够绕x轴旋转。

具体地，第一旋转机构包括动力装置、传动装置、检测装置411、限位装置；其中，动力装置的输出端通过传动装置与第一连接件402连接，传动装置为带传动，检测装置411用于检测传动装置中传送带的移动信息并生成检测信号，检测装置411与限位装置通信连接；限位装置基于检测信号限制传动装置向第一连接件402传递动力。本发明的限位装置安装位置可变，只要保证其能够直接或间接地与传动装置连接，以限制传动装置的传动作用即可。

限位装置包括第一限位机构和第二限位机构；传动装置包括第一带轮406、第二带轮405以及套设于第一带轮406和第二带轮405的传送带404；第一限位机构与第一带轮406连接，并基于检测信号限制第一带轮406的旋转运动；第二限位机构与第二带轮405连接，并基于检测信号限制第二带轮405的旋转运动。其中，第一限位机构为抱闸机构，第二限位机构为限位开关。优选地，检测装置411为位移传感器，其能够检测传送带404的位移信息并生成检测信号，检测信号即为传送带的位移信号。优选地，第一带轮406的外径小于第二带轮405。本发明的限位装置包括机械限位和电限位，其中抱闸机构为电限位，限位开关为机械限位，通过两者结合构成的限位装置能够保证本发明调姿模块机械臂的空间行程在控制范围内，增强安全性。

在本发明的优选实施例中，参阅图2，动力装置包括伺服电机412，电机垫板413、电机固定支架415；第一限位机构包括抱闸连接轴414、抱闸支架417、抱闸418；第二限位机构包括限位块409、开关支架410。

第一旋转机构4的底座407固定在第三平移机构2的滑块上，底座407固定有交叉圆柱滚子轴承408，限位开关支架410，电机固定支架415和保护壳403，交叉圆柱滚子轴承408上装有第二带轮405，并在第二带轮405上装有限位块409和第一连接件402，第一连接件402另一端装有垂直于y轴的电机执行器901，电机执行器901输出端固定有输出法兰盘902，用于固定握持模块7。限位开关支架410装有检测装置411和感应限位块409。电机固定支架415上装有伺服电机412和抱闸支架417，抱闸支架417上装有抱闸418，伺服电机412与电机固定支架415间装有电机垫板413，伺服电机412输出轴上装有第一带轮406，与第二带轮405、传送带404配合传输动力，第一带轮406与抱闸418之间连接有抱闸连接轴414。

其中第三旋转机构5与第一旋转机构4结构相同，底座407固定在第一平移机构3的滑块上，承载平台502固定在第二带轮405上，用于固定颅骨/颅骨模型6。第二旋转机构9直接通过电机执行器驱动旋转。

在另一些优选实施例中，握持模块7包括与机械臂末端连接的壳体711，以及活动设置于壳体711内部的夹持机构，夹持机构通过第一弹性元件703与壳体711固定。可以理解的是，第一弹性元件703优选设置于壳体711顶壁下方，即夹持机构能够相对于壳体711沿竖直方向上下移动。参阅附图，壳体711顶壁即为盖板702，盖板702下方设置有第一弹性元件703。壳体711和夹持机构之间通过第一弹性元件703形成弹性连接，当画笔/铣刀701与颅骨保持接触力时，第一弹性元件703处于压缩状态，从而使画笔/铣刀701与握持模块7的连接成为柔性连接。

夹持机构包括对向设置的第一夹块706和第二夹块705，第一夹块706和第二夹块705在靠近彼此的端部分别对应地设置有第一固定部和第二固定部，第一固定部和第二固定部均优选为弧形结构，其用于与画笔/铣刀的外形适配以便于固定夹持画笔/铣刀。

第一夹块706与第二夹块705移动配合，以使得第一固定部与第二固定部处于压紧状态/分离状态，以夹持/释放画笔/铣刀。

进一步地，夹持机构还包括滑动箱体704，滑动箱体704通过第一弹性元件708与壳体711固定，第一夹块706和第二夹块705设置于滑动箱体704内部，第一夹块706背离第二夹块705的一侧通过轴用卡簧707与滑动箱体704内壁固定，第二夹块705活动设置于滑动箱体704内部。

第一夹块706内部的容纳空间内活动装设有按钮710和第二连接件709，按钮710一端延伸于第一夹块706外部形成按动部，按钮710另一端于容纳空间内与第二连接件709固定；第二连接件709背离按钮的一端延伸于第一夹块706外部通过轴用卡簧707与第二夹块705固定。

第二连接件709上套设有第二弹性元件708，第二连接件709位于容纳空间内部的外壁沿径向凸起以形成环形限位部，第二弹性元件708于环形限位部和第一夹块706内壁之间限位。

握持模块7包含自锁夹持和弹性伸缩两种功能。为便于画笔/铣刀701的拆装更换，增加自锁夹持功能。考虑到颅骨/颅骨模型6为不规则形状且其外表面凹凸不平，本发明在握持模块7上增加画笔/铣刀701的弹性伸缩。其中握持模块7中壳体711与输出法兰盘902固定，壳体711内置有滑动箱体704，滑动箱体704上方固定有盖板702，滑动箱体704与盖板702之间设有第一弹性元件703，滑动箱体704中内置有第一夹块706与第二夹块705，第二夹块705通过螺栓固定在滑动箱体704上，第一夹块706上装有4个连接轴709，第二连接件709上装有第二弹性元件708和轴用卡簧707，使第一夹块706与第二夹块705保持夹紧状态。壳体711侧面U型孔装有按钮710，按钮710推动连接轴709使第一夹块706与第二夹块705分开。

按钮710在常规状态下，画笔/铣刀701穿过盖板和第一弹性元件703进入到滑动箱体704内部，第一夹块在第二连接件的作用下与第二夹块紧密配合以固定夹持画笔/铣刀701，按动按钮710的按动部，按钮710推动第二连接件709向第一夹块所在方向移动，进而使得套设于第二连接件709外部的第二弹性元件压缩，此时第一夹块在第二连接件的刚性力作用下向后移动与第二夹块分离，此时夹持机构释放画笔/铣刀701，松开按钮710后，第二弹性元件复位，带动第一夹块重新与第二夹块紧密配合。

进一步地，本发明的优选实施例还提供了一种颅骨手术机器人的路径规划方法，其通过上述实施例所述的颅骨手术机器人系统完成，具体包括以下步骤。

步骤S100，获取颅骨模型，基于颅骨模型通过算法计算获取颅骨切割路线和钛片打孔位置，并将切割路线发送至本发明的颅骨手术机器人系统的控制器中。

步骤S200，将颅骨模型装设于本发明系统的承载模块上，通过握持模块固定画笔/铣刀，而后启动系统，控制器能够基于切割路线控制调姿模块带动画笔/铣刀在颅骨模型的外表面进行标记，具体地，标记包括打点和/或画线。

步骤S300，基于步骤S200中得到的颅骨模型上的标记进行颅骨手术路径规划，并进行手术。

颅骨模型基于3D打印技术获取，其为按照1:1的比例打印出患者的颅骨模型。具体颅骨模型的打印方法可采用公知技术进行，在此不再赘述。医生取出标记后的颅骨手术模型后开始基于标记好的颅骨手术模型进行手术，进行切割拼接等操作，进行预先设计方案。方案经确认可行后，医生按照颅骨模型上的标记进行手术。本方法根据以往多种病例与医生手术心得等，通过计算分析总结出不同形式颅缝早闭所需的最优化的切割方案。目的是使术后恢复效果最佳，钛片成本最少。

进一步地，本申请的优选实施例还提供了另一种颅骨手术机器人的路径规划方法，其通过上述实施例所述的颅骨手术机器人系统完成，具体包括以下步骤。

步骤A100，获取患者的颅骨模型，基于3D打印技术获取能够与患者颅骨模型匹配的颅骨承载模型，该颅骨承载模型用于承载并固定患者的颅骨，该颅骨承载模型具有与患者颅骨模型匹配的作用面。将颅骨模型装设于本发明系统的承载模块上，由于其能够与患者颅骨模型匹配，因此其能够与患者的颅骨吻合，颅骨承载模型能够更好地固定患者的真实颅骨防止其在外力的作用下打滑或移动。

步骤A200，医生对患者进行颅骨手术，将患者待重塑的颅骨取下，并装设于本发明系统的承载模块上，通过算法计算获取颅骨切割路线和钛片打孔位置，并将切割路线发送至本发明的颅骨手术机器人系统的控制器中。

步骤A300，将画笔/铣刀装设于握持模块，而后启动系统，控制器能够基于切割路线控制调姿模块带动画笔/铣刀在颅骨模型的外表面进行标记，具体地，标记包括打点和/或画线。

步骤A400，基于步骤S300中得到的颅骨模型上的标记进行颅骨手术。

通过算法计算获取颅骨切割路线和钛片打孔位置的方法即颅骨手术机器人的末端(画笔/铣刀与颅骨接触端)轨迹规划及控制流程方法，具体步骤如下：①在颅骨上绘制三个定位点，基于三个定位点确定出轨迹所在平面γ，并基于γ建立平面二维坐标系；②使用激光二维传感器，控制其二维探测光束沿着与平面γ重合方向照射颅骨，得到的颅骨轮廓数据点组成需要绘制的轨迹线；③根据轨迹长度，在数据点中等距选取若干关键点将轨迹分为微段l₁，l₂，……，l_n，运用坐标系间的复合变换公式实现二维坐标系与空间基坐标系之间的转换，得到关键点在空间基坐标系中的坐标值，由此确定机器人末端的空间位置；④在关键点处，借助由颅骨的CT图像获取的颅骨表面点云数据，采用PCA法进行点云法线估算，得到颅骨面中关键点处的法线方向，从而确定机器人末端在关键点处的姿态，机器人末端在关键点处的空间位姿决定了机器人运动的始末状态；⑤借助D-H模型得到机器人运动学逆解方程，将机器人末端运动始末状态的空间位姿代入运动学逆解方程并求解，得到运动始末状态的关节变量值，将其运用到五次多项式插值算法中，算法控制电机带动笔端运行，实现轨迹的绘制。

上述本申请实施例中的技术方案中，至少具有如下的技术效果及优点。

本发明系统可以在以x、y、z轴为坐标轴的空间直角坐标系中的有效的行程内任意移动以完成对颅骨模型外表面的任意一点进行画线打点等操作。本发明系统通过在调姿模块执行端处增加两个主动的旋转自由度，颅骨模型处增加一个旋转自由度，使画笔/铣刀的轴线指向颅骨球面的中心，保证线路的精确性。

本发明方法通过本发明系统对颅骨手术模型进行标记后进行临床手术、切割拼接等操作。通过预先设计方案，待方案确认可行后，医生按照标记进行手术。本方法根据以往多种病例与医生手术心得等，通过计算分析总结出不同形式颅缝手术所需的最优化的切割方案以使得患者术后恢复效果最佳，手术钛片成本最少。

本发明直线自由度采用线性平移机构，伺服电机驱动直线导轨，其优点是把旋转运动转换成直线运动，增大输出力矩，增加画线精度。旋转自由度采用伺服电机驱动传送带实现旋转，有效保证标记线线粗细的均匀性。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种颅骨手术机器人系统，其特征在于，该系统包括承载模块、调姿模块、握持模块、本体结构件和控制器，所述握持模块与所述调姿模块连接，所述握持模块通过所述调姿模块装设于所述本体结构件，其中：所述承载模块用于固定颅骨或颅骨模型并提供支撑；所述调姿模块包括机械臂，所述机械臂的控制端与所述控制器通信连接，所述控制器用于所述机械臂的动作控制；所述握持模块与所述机械臂末端连接，所述握持模块用于固定画笔/铣刀；所述机械臂在所述控制器的控制下能够带动所述画笔/铣刀对颅骨或颅骨模型进行标记；所述本体结构件包括分别设置于两个相互正交平面的第一支撑架和第二支撑架，所述第一支撑架设置于水平面，所述第二支撑架设置于竖直面；所述承载模块通过所述第一支撑架装设于所述水平面，所述调姿模块通过所述第二支撑架装设于所述竖直面，所述调姿模块具有在所述竖直面内移动的自由度、绕垂直于所述竖直面轴线的旋转自由度以及绕平行于所述竖直面轴线的旋转自由度。

2.根据权利要求1所述的颅骨手术机器人系统，其特征在于，所述承载模块包括沿垂直于所述竖直面的轴线方向设置的第一平移机构，所述第一平移机构包括固设于所述第一支撑架的第一导轨和第一滑块，所述第一滑块活动设置于所述第一导轨并与所述第一导轨构成直线移动副；所述第一滑块上设置有承载平台，所述承载平台具有绕自身轴线旋转的自由度，所述承载平台通过可拆卸连接件与颅骨或颅骨模型固定。

3.根据权利要求2所述的颅骨手术机器人系统，其特征在于，所述调姿模块还包括平移组件，所述平移组件与所述机械臂连接，所述机械臂通过所述平移组件安装于所述第二支撑架；所述平移组件包括第二平移机构和第三平移机构，所述第一平移机构和所述第二平移机构正交设置；所述机械臂包括第一旋转机构、第二旋转机构，所述第一旋转机构和所述第二旋转机构之间通过第一连接件连接，所述第一旋转机构的输出轴能够绕垂直于所述竖直面的轴线旋转；所述第二旋转机构的输出轴能够绕平行于所述竖直面的轴线旋转。

4.根据权利要求3所述的颅骨手术机器人系统，其特征在于，所述第一旋转机构包括动力装置、传动装置、检测装置和限位装置；所述动力装置的输出端通过所述传动装置与所述第一连接件连接，所述传动装置为带传动，所述检测装置用于检测所述传动装置中传送带的移动信息并生成检测信号，所述检测装置与所述限位装置通信连接；所述限位装置基于所述检测信号限制所述传动装置向所述第一连接件传递动力。

5.根据权利要求4所述的颅骨手术机器人系统，其特征在于，所述限位装置包括第一限位机构和第二限位机构；所述传动装置包括第一带轮、第二带轮以及套设于所述第一带轮和所述第二带轮的传送带；所述第一限位机构与所述第一带轮连接，并基于所述检测信号限制所述第一带轮的旋转运动；所述第二限位机构与所述第二带轮连接，并基于所述检测信号限制所述第二带轮的旋转运动。

6.根据权利要求5所述的颅骨手术机器人系统，其特征在于，所述第一限位机构为抱闸机构，所述第二限位机构为限位开关。

7.根据权利要求1所述的颅骨手术机器人系统，其特征在于，所述握持模块包括与所述机械臂末端连接的壳体，以及活动设置于所述壳体内部的夹持机构，所述夹持机构通过第一弹性元件与所述壳体固定；所述夹持机构包括对向设置的第一夹块和第二夹块，所述第一夹块和所述第二夹块在靠近彼此的端部分别对应地设置有第一固定部和第二固定部；所述第一夹块与所述第二夹块移动配合，以使得所述第一固定部与所述第二固定部处于压紧状态/分离状态，以夹持/释放画笔/铣刀。

8.根据权利要求7所述的颅骨手术机器人系统，其特征在于，所述夹持机构还包括箱体，所述箱体通过所述第一弹性元件与所述壳体固定，所述第一夹块和所述第二夹块设置于所述箱体内部，所述第一夹块背离所述第二夹块的一侧与所述箱体内壁固定，所述第二夹块活动设置于所述箱体内部；所述第一夹块内部的容纳空间内活动装设有按钮和第二连接件，所述按钮一端延伸于所述第一夹块外部形成按动部，所述按钮另一端于所述容纳空间内与所述第二连接件固定；所述第二连接件背离所述按钮的一端延伸于所述第一夹块外部与所述第二夹块固定；所述第二连接件上套设有第二弹性元件，所述第二连接件位于所述容纳空间内部的外壁沿径向凸起以形成环形限位部，所述第二弹性元件于所述环形限位部和所述第一夹块内壁之间限位。

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