CN113081272B - 虚拟墙引导的膝关节置换手术辅助定位系统 - Google Patents

虚拟墙引导的膝关节置换手术辅助定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种虚拟墙引导的膝关节置换手术辅助定位系统，包括：光学定位仪根据骨头上的红外靶标在光学定位仪中坐标系的位姿、柔性机器人的末端靶标在光学定位仪中坐标系的位姿，标定出手术开始前机器人相对于骨头的位姿，并根据手术开始前确定的虚拟墙相对于机器人末端的位姿，得到虚拟墙相对于骨头的位姿；机器人接收到虚拟墙相对于骨头的位姿，控制机器人末端的运动轨迹在虚拟墙的范围内，实现对骨头的切割；在手术过程中，机器人在锥形虚拟墙中自由拖动，随着切骨刀逐渐靠近切割位置，虚拟墙逐渐收窄，当机器人到达虚拟墙底部即切割位置时，机器人位置被限制住，完成定位功能。

Description

虚拟墙引导的膝关节置换手术辅助定位系统
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种虚拟墙引导的膝关节置换手术辅助定位系统。
背景技术
在膝关节置换手术中，将膝盖的关节炎部位切除并用塑料和金属零件的组合覆盖。在传统髋关节置换手术中，医生“看不准”、“拿不稳”等问题十分常见，手术的操作往往根据术者的经验和估算来决定，特别在髋关节置换、膝关节置换等复杂手术中，个性化的术前设计、精准的手术操作，对医生的技术考验会更加严格。因此，传统髋关节置换手术后，患者神经受伤、假体脱位、“长短腿”是最容易发生的三类问题。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种虚拟墙引导的膝关节置换手术辅助定位系统。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种虚拟墙引导的膝关节置换手术辅助定位系统，包括：光学定位仪、红外靶标和机器人，其中，所述红外靶标安装在手术目标的骨头上，在所述机器人上安装有末端靶标，所述光学定位仪邻近于所述手术目标放置，其中，
所述光学定位仪根据所述骨头上的红外靶标在光学定位仪中坐标系的位姿T2、柔性机器人的末端靶标在光学定位仪中坐标系的位姿T1，标定出手术开始前机器人相对于骨头的位姿T3＝T1 -1·T2，并根据手术开始前确定的虚拟墙相对于机器人末端的位姿T4，得到虚拟墙相对于骨头的位姿T5；
所述机器人接收到所述虚拟墙相对于骨头的位姿T5，控制机器人末端的运动轨迹在所述虚拟墙的范围内，实现对骨头的切割；在手术过程中，机器人在所述锥形虚拟墙中自由拖动，随着切骨刀逐渐靠近切割位置，所述虚拟墙逐渐收窄，当所述机器人到达虚拟墙底部即切割位置时，所述机器人位置被限制住，完成定位功能。
进一步，虚拟墙相对于骨头的位姿T5为：T1·T4·T5＝T3。
进一步，所述虚拟墙的顶端与切割位置重合。
进一步，如果骨头位置变化，则所述光学定位仪会实时计算并更新切割位置，相应的所述虚拟墙的位置也随之移动。
进一步，在所述虚拟墙移动过程中，如果虚拟墙与机器人相接触，会向所述机器人施加一个虚拟的外力来引导机器人协同虚拟墙朝着相同方向一起运动，最终达到定位的目的。
进一步，在手术过程中机器人工作在阻抗模式下，机器人控制方程可以表示为：
Figure BDA0002985613750000021
其中，
Figure BDA0002985613750000022
是惯性转矩 ，
Figure BDA0002985613750000023
离心转矩和哥氏转矩；Fc是摩擦力矩阵；g(q)是重力矩阵；
Figure BDA0002985613750000024
是外部力矩；
Figure BDA0002985613750000025
是电机力矩；
拖动时机器人控制器实时补偿惯性力，离心力，科氏力和重力，关节内置力矩传感器实时检测外部力矩，计算出电机力矩发送给伺服，实现灵活拖动。
进一步，在手术过程中实现碰撞检测，所述机器人内置传感器实时检测关节力矩，计算两个周期的力矩差
Figure BDA0002985613750000026
如果力矩差大于预设阈值，则判断检测到碰撞，机器人立即停止运动。
进一步，所述虚拟墙为锥形，由外圆锥面和内圆锥面包围起来的区域。
进一步，所述外圆锥面和内圆锥面的间隔为50mm。
进一步，机器人末端在所述内圆锥面内时处于自由拖动模式，随意拖动；机器人末端在所述外圆锥面外时处于静止状态，在两个圆锥面之间时，机器人受到虚拟墙给的反弹力。其中，所述反弹力的方向垂直于内墙面。
根据本发明实施例的虚拟墙引导的膝关节置换手术辅助定位系统，设置虚拟墙有效限制机器人的运动范围，同时实时监测外部力矩，高灵敏的碰撞检测功能能够保证手术过程中的安全性。由于手术过程中不免需要移动膝关节的位置，虚拟墙依据光学定位仪的定位，实时更新虚拟墙的位置，保持膝关节与切骨刀的相对位姿，实现跟踪膝关节的功能，缩短手术时间，避免医生在手术中反复确认切割位置，保证了切割位置的正确性。手术过程中，机器人刚度可调，不同医生在手术中对于切割力的掌握习惯不同，通过改变机器人的刚度，医生可以选择合适自己的手感。
手术机器人来辅助完成置换手术已经成为一种趋势，具有精度高，减小医生负担，术后恢复快的特点。相对于由医生人眼来定位，机器人的精度更高，减少对相邻组织的伤害风险，手术效果较好。相应的术后创伤会比较小，可以在手术后产生更自然的感觉，加快患者的术后恢复。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的虚拟墙引导的膝关节置换手术辅助定位系统的示意图；
图2为根据本发明实施例的虚拟墙的示意图.
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例的虚拟墙引导的膝关节置换手术辅助定位系统，包括：光学定位仪1、红外靶标21和机器人3，其中，红外靶标21安装在手术目标2的骨头上，在机器人3上安装有末端靶标31，光学定位仪1邻近于手术目标2放置。
具体的，光学定位仪1根据骨头上的红外靶标21在光学定位仪1中坐标系的位姿T2、柔性机器人3的末端靶标31在光学定位仪1中坐标系的位姿T1，标定出手术开始前机器人3相对于骨头的位姿T3＝T1 -1·T2，并根据手术开始前确定的虚拟墙相对于机器人3 末端的位姿T4，得到虚拟墙相对于骨头的位姿T5。其中，虚拟墙相对于骨头的位姿T5为： T1·T4·T5＝T3手术过程中T5是保持恒定不变的。其中，T1为4×4的齐次矩阵。T2为4×4齐次矩阵。手术开始前虚拟墙相对于机器人3末端的位姿T4是提前确定的。
在本发明的实施例中，虚拟墙的顶端与切割位置重合。如图2所示，虚拟墙为锥形，由外圆锥面和内圆锥面包围起来的区域。
优选的，外圆锥面和内圆锥面的间隔为50mm，也叫墙厚。
需要说明的是，如果骨头位置变化，则光学定位仪1会实时计算并更新切割位置，相应的虚拟墙的位置也随之移动。
在虚拟墙移动过程中，如果虚拟墙与机器人3相接触，会向机器人3施加一个虚拟的外力来引导机器人3协同虚拟墙朝着相同方向一起运动，最终达到定位的目的。即，如果手术过程中骨头发生移动，虚拟墙的位置也会相应发生移动，同时会推动处于虚拟墙底部的机器人3移动，达到自动跟踪的目的。
机器人3接收到虚拟墙相对于骨头的位姿T5，控制机器人3末端的运动轨迹在虚拟墙的范围内，实现对骨头的切割；在手术过程中，机器人3在锥形虚拟墙中自由拖动，随着切骨刀逐渐靠近切割位置，虚拟墙逐渐收窄，当机器人3到达虚拟墙底部即切割位置时，机器人3位置被限制住，完成定位功能。
具体的，在手术过程中机器人3工作在阻抗模式下，机器人3控制方程可以表示为：
Figure BDA0002985613750000041
其中，
Figure BDA0002985613750000042
是惯性转矩，
Figure BDA0002985613750000043
离心转矩和哥氏转矩；Fc是摩擦力矩阵；g(q)是重力矩阵；
Figure BDA0002985613750000044
是外部力矩；
Figure BDA0002985613750000045
是电机力矩；
拖动时机器人3控制器实时补偿惯性力，离心力，科氏力和重力，关节内置力矩传感器实时检测外部力矩，计算出电机力矩发送给伺服，实现灵活拖动。
在手术过程中实现碰撞检测，机器人3内置传感器实时检测关节力矩，计算两个周期的力矩差
Figure BDA0002985613750000046
如果力矩差大于预设阈值，则判断检测到碰撞，机器人3立即停止运动。
机器人3末端在内圆锥面内时处于自由拖动模式，随意拖动；机器人3末端在外圆锥面外时处于静止状态，在两个圆锥面之间时，机器人3受到虚拟墙给的反弹力。其中，反弹力的方向垂直于内墙面。反弹力的大小取决于机器人3末端和外墙面的垂直距离，离外墙越近，垂直距离越小，那么受到的反弹力就越大。
机器人3末端离虚拟墙底部越近，在XY平面上的活动范围就小，达到虚拟墙底部时，机器人3末端的位姿被完全限定，起到定位功能。
手术过程中的外部力矩可以实时读取出来，便于实时检测手术环境，对意外事件及时响应。
本发明实施例的虚拟墙引导的膝关节置换手术辅助定位系统，工作原理如下：借助于视觉的定位，判断膝关节切割的位置和方向，依据此定位创建出一个锥形虚拟墙，锥形体顶端与切割位置重合。机器人3是柔性协作机器人3，定位过程中处于力控模式。虚拟墙限制了机器人3的运动空间，机器人3末端只能在墙内移动，若骨头位置变化，视觉会实时计算并更新切割位置，相应的虚拟墙的位置也随之移动，虚拟墙移动过程中，若墙与机器人3相接触，会基于机器人3一个虚拟的外力来引导机器人3协同虚拟墙朝着相同方向一起运动，最终达到定位的目的。在手术过程中，机器人3在锥形虚拟墙中可以被医生自由拖动，随着切骨刀越来越靠近切割位置，锥形虚拟墙会逐渐收窄，医生拖动机器人3到达锥形虚拟墙底部即切割位置时，机器人3位置会被限制住，完成定位功能。
根据本发明实施例的虚拟墙引导的膝关节置换手术辅助定位系统，设置虚拟墙有效限制机器人的运动范围，同时实时监测外部力矩，高灵敏的碰撞检测功能能够保证手术过程中的安全性。由于手术过程中不免需要移动膝关节的位置，虚拟墙依据光学定位仪的定位，实时更新虚拟墙的位置，保持膝关节与切骨刀的相对位姿，实现跟踪膝关节的功能，缩短手术时间，避免医生在手术中反复确认切割位置，保证了切割位置的正确性。手术过程中，机器人刚度可调，不同医生在手术中对于切割力的掌握习惯不同，通过改变机器人的刚度，医生可以选择合适自己的手感。
手术机器人来辅助完成置换手术已经成为一种趋势，具有精度高，减小医生负担，术后恢复快的特点。相对于由医生人眼来定位，机器人的精度更高，减少对相邻组织的伤害风险，手术效果较好。相应的术后创伤会比较小，可以在手术后产生更自然的感觉，加快患者的术后恢复。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (6)

1.一种虚拟墙引导的膝关节置换手术辅助定位系统，其特征在于，包括：光学定位仪、红外靶标和机器人，其中，所述红外靶标安装在手术目标的骨头上，在所述机器人上安装有末端靶标，所述光学定位仪邻近于所述手术目标放置，其中，
所述光学定位仪根据所述骨头上的红外靶标在光学定位仪中坐标系的位姿T2、柔性机器人的末端靶标在光学定位仪中坐标系的位姿T1，标定出手术开始前机器人相对于骨头的位姿T3＝T1 -1·T2，并根据手术开始前确定的虚拟墙相对于机器人末端的位姿T4，得到虚拟墙相对于骨头的位姿T5；其中，所述虚拟墙为锥形，由外圆锥面和内圆锥面包围起来的区域；
所述机器人接收到所述虚拟墙相对于骨头的位姿T5，控制机器人末端的运动轨迹在所述虚拟墙的范围内，实现对骨头的切割；在手术过程中，机器人在所述锥形虚拟墙中自由拖动，随着切骨刀逐渐靠近切割位置，所述虚拟墙逐渐收窄，当所述机器人到达虚拟墙底部即切割位置时，所述机器人位置被限制住，完成定位功能；
其中，在手术过程中机器人工作在阻抗模式下，机器人控制方程可以表示为：
Figure FDA0003959701720000011
其中，
Figure FDA0003959701720000012
是惯性转矩，
Figure FDA0003959701720000013
离心转矩和哥氏转矩；Fc是摩擦力矩阵；g(q)是重力矩阵；τ外是外部力矩；τ是电机力矩；
拖动时机器人控制器实时补偿惯性力，离心力，科氏力和重力，关节内置力矩传感器实时检测外部力矩，计算出电机力矩发送给伺服，实现灵活拖动；
在手术过程中实现碰撞检测，所述机器人内置传感器实时检测关节力矩，计算两个周期的力矩差τ差，如果力矩差大于预设阈值，则判断检测到碰撞，机器人立即停止运动；
机器人末端在所述内圆锥面内时处于自由拖动模式，随意拖动；机器人末端在所述外圆锥面外时处于静止状态，在两个圆锥面之间时，机器人受到虚拟墙给的反弹力， 其中，所述反弹力的方向垂直于内墙面。
2.如权利要求1所述的虚拟墙引导的膝关节置换手术辅助定位系统，其特征在于，虚拟墙相对于骨头的位姿T5为：T1·T4·T5＝T3。
3.如权利要求1所述的虚拟墙引导的膝关节置换手术辅助定位系统，其特征在于，所述虚拟墙的顶端与切割位置重合。
4.如权利要求1所述的虚拟墙引导的膝关节置换手术辅助定位系统，其特征在于，如果骨头位置变化，则所述光学定位仪会实时计算并更新切割位置，相应的所述虚拟墙的位置也随之移动。
5.如权利要求4所述的虚拟墙引导的膝关节置换手术辅助定位系统，其特征在于，在所述虚拟墙移动过程中，如果虚拟墙与机器人相接触，会向所述机器人施加一个虚拟的外力来引导机器人协同虚拟墙朝着相同方向一起运动，最终达到定位的目的。
6.如权利要求1所述的虚拟墙引导的膝关节置换手术辅助定位系统，其特征在于，所述外圆锥面和内圆锥面的间隔为50mm。
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