CN113331949B - 具有注册探针的手术机器人系统及其注册方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有注册探针的手术机器人系统及其注册方法，该注册探针包括：注册探针固定部、注册探针接触部以及角度检测装置，注册探针固定部一端与机械臂固定连接，另一端与注册探针接触部转动连接，角度检测装置用于检测注册探针接触部相对于注册探针固定部的转动角度。本发明通过将传统的注册探针增加旋转关节，从而在探针接触骨钉的时候，只需要握住注册探针接触端，关节灵活，人操作起来可以更好的跟骨钉接触；本发明可以增加人使用上的更好体验，更重要的是可以提高手术精度。

Description

具有注册探针的手术机器人系统及其注册方法

技术领域

本发明涉及医疗用品技术领域，尤其涉及一种具有注册探针的手术机器人系统及其注册方法。

背景技术

在神经外科手术机器人中，非常关键的一点是通过注册确定机器人跟患者头部目标靶点的相对位置。其中应用较多，并且精度较高的方法是通过安装在机器人末端上的注册探针去接触患者头部固定的至少4个骨钉，从而确定目标靶点在机器人坐标系下的位置。

这个过程一般是人拖动机械臂完成，机械臂具有一定的力感知，所以人可以施加一定方向的力，将机械臂拖动到目标位置。但是由于机械臂的关节阻力较大，人拖动的时候不够灵活，尤其在将注册探针接触骨钉的时候，可能接触位置不够准确，导致注册精度低，影响手术的精度。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种具有注册探针的手术机器人系统及其注册方法，用以解决现有技术中注册探针的注册精度低的技术问题。

本发明提供一种注册探针，该注册探针包括：注册探针固定部、注册探针接触部以及角度检测装置，注册探针固定部一端与机械臂固定连接，另一端与注册探针接触部转动连接，角度检测装置用于检测注册探针接触部相对于注册探针固定部的转动角度。

进一步的，注册探针固定部与注册探针接触部的转动连接形成转动关节，转动关节还包括连接轴，连接轴的一端与注册探针接触部可拆卸连接，其另一端连接角度检测装置。

进一步的，角度检测装置包括磁铁与磁感应部件，磁铁与连接轴远离注册探针接触部的一端固定连接，磁感应部件相对磁铁设置于注册探针固定部上；当注册探针接触部转动时，连接轴带动磁铁相对于磁感应部件转动，磁感应部件通过检测的磁场变化从而得到注册探针接触部的转动角度。

进一步的，连接轴靠近磁感应部件的一端形成凹型容纳头，磁铁内嵌于凹型容纳头内。

进一步的，角度检测装置还包括编码器。

进一步的，注册探针接触部包括接触部主体、连杆以及接触球，连杆一端与接触部主体固定连接，另一端与接触球固定连接，连杆与连接轴平行。

进一步的，注册探针接触部与连接轴的可拆卸连接包括定位键和止动锁，注册探针接触部通过定位键与连接轴形成键连接，止动锁用于注册探针接触部与连接轴的轴向定位，限制注册探针接触部与连接轴的轴向移动。

进一步的，连接轴上开设有一圈凹槽，用于配合止动锁实现轴向定位。

本发明还提供一种手术机器人系统，该手术机器人系统包括机械臂、控制系统和注册探针，机械臂与注册探针传动连接。

本发明还提供一种手术机器人的注册方法，该注册方法采用手术机器人系统实现，方法包括如下步骤：S1、拖动机械臂接近目标位置，并调整机械臂的姿态；S2、转动注册探针使注册探针的接触球与被注册对象接触；S3、控制系统根据机械臂的位姿信息和注册探针的转动角度信息计算被注册对象的位置坐标，完成注册。

与现有技术相比，本发明通过将传统的注册探针增加旋转关节，从而在探针接触骨钉的时候，只需要握住注册探针接触端，关节灵活，人操作起来可以更好的跟骨钉接触；本发明可以增加人使用上的更好体验，更重要的是可以提高手术精度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如下。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的手术机器人系统的结构示意图；

图2为图1中骨钉的剖视图；

图3为图1中机械臂与注册探针连接处的剖视图；

图4为本发明提供的注册探针的结构示意图；

图5为图4中局部剖视图；

图6为注册方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

请参见图1与图2，该手术机器人系统包括机械臂1和注册探针2。机械臂1与注册探针2传动连接，能够带动注册探针2作所需要的运动。

在进行神经外科手术时，医生会预先在患者头部8固定若干个骨钉7，骨钉7一端插入到患者头部8内，另一端形成一个凹槽，以方便注册探针2接触实现定位。

机械臂1带动注册探针2运动直至注册探针2的测量端与骨钉7接触定位完成注册。同时显而易见地，该手术机器人系统还包括一套控制系统来控制机械臂1的运动，控制系统作为机械臂1正常工作所必要的软件，为机械臂领域的常规技术，该领域的技术人员均充分了解并且不经过创造性劳动就能熟练使用，故不在此赘述。

在本实施例中机械臂1与注册探针2可以采用图3所示的固定连接方式，机械臂1在与注册探针2的连接面上开设有圆形的连接孔，对应地，注册探针2在连接面上形成用于与连接孔插接的转动轴211，转动轴211能够在连接孔内转动。同时在机械臂1的连接面上开设有定位孔，通过在定位孔内插入定位销3与注册探针2连接，来限制注册探针2与机械臂1之间的相对转动。为了机械臂1与注册探针2之间连接的进一步稳固，还可以在机械臂1的连接面上开设螺栓孔，然后通过螺栓将机械臂1与注册探针2连接在一起，避免在使用时机械臂1与注册探针2之间发生相对转动。

请参见图4与图5，注册探针2包括：注册探针固定部21、注册探针接触部22以及角度检测装置23。

注册探针固定部21是与机械臂1固定连接的部分，转动轴211就位于注册探针固定部21的一端。注册探针固定部21一端与机械臂1固定连接，另一端与注册探针接触部22转动连接，并且转动连接处十分灵活，操作人员能够很轻松的转动注册探针接触部22，使之与骨钉7接触。角度检测装置23用于检测注册探针接触部22相对于注册探针固定部21转动的角度。

注册探针固定部21与注册探针接触部22在转动连接处形成转动关节24，转动关节24包括连接轴241，连接轴241的一端与注册探针接触部22可拆卸连接，其另一端连接角度检测装置23。当注册探针接触部22相对于注册探针固定部21发生转动时，就能够带动连接轴241相对于角度检测装置23转动同样地角度。角度检测装置23通过测量连接轴241转动的角度就能获得注册探针接触部22转动的角度。

角度检测装置23可以采用不同地测量原理来检测连接轴241转动的角度，在本实施例中，采用磁感应测量的方式。

角度检测装置23包括磁铁231与磁感应部件232。磁铁231与连接轴241远离注册探针接触部22的一端固定连接，磁感应部件232设置于注册探针固定部21上并且与磁铁231相对应。当注册探针接触部22转动时，带动连接轴241一起转动，连接轴241带动磁铁231相对于磁感应部件232转动，造成磁铁231产生的磁场发生变化，磁感应部件232通过检测磁场变化的情况从而得到磁铁231转动的角度，即连接轴241与注册探针接触部22转动的角度。

为了连接轴241在转动过程中更加轻松，减少连接轴241在转动过程中受到的摩擦阻力，从而降低测量连接轴241转动角度时的误差，提高精度，优选地，在连接轴241上套设有轴承，连接轴241通过轴承与注册探针固定部21转动连接，利用降低其运动过程中的摩擦系数，并保证连接轴241的回转精度。

为了磁铁231与连接轴241连接更加紧密，避免连接轴241转动时磁铁231出现移动，导致磁铁231的磁场产生了转动之外的移动，影响磁感应部件232对磁场变化的测量，使得磁感应部件232测量的转动角度产生误差。优选地，在连接轴241靠近磁感应部件232的一端形成凹型容纳头，磁铁231内嵌于凹型容纳头内，凹型容纳头从侧面包裹住磁铁231，从而避免磁铁231出现相对于磁感应部件232的横向位移，影响角度测量的精度。

为了方便处理数据，角度监测装置232还包括编码器，编码器是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器。通过设置编码器，角度检测装置232能够将磁铁231转动的角度转换数字脉冲信号发送给机械臂1的控制系统，供控制系统进行记录和处理。

为了便于注册探针接触部22与骨钉7接触，在本实施例中，注册探针接触部22包括接触部主体221、连杆222以及接触球223。接触部主体221一端与连接轴241固定连接，另一端与连杆222固定连接。连杆222一端与接触部主体221固定连接，另一端与接触球223固定连接。连杆222与连接轴241平行，即连杆222垂直于注册探针接触部22的转动方向。

在本实施例中，为了注册探针接触部22在转动之后能够固定，注册探针接触部22与连接轴241的可拆卸连接，并且在接触部主体221包括定位键2211和止动锁2212。注册探针接触部221通过定位键2211与连接轴241形成键连接，止动锁2212用于注册探针接触部221与连接轴241的轴向定位，限制注册探针接触部221与连接轴241的轴向移动。

进一步的，可以在连接轴241上开设有一圈凹槽，用于配合止动锁2212实现轴向定位。这样接触部主体221就能够与连接轴241可拆卸连接，便于在操作之前取下注册探针接触部22进行消毒杀菌。

请参见图6，使用本手术机器人进行注册的注册方法包括如下步骤：

S1、拖动机械臂接近目标位置，并调整机械臂的姿态。使得转动关节24的旋转平面跟骨钉7的垂直剖切面接近一致，从而保证转动关节24旋转后可以跟骨钉7很好的接触。优选地，从提高测量精度，降低测量误差的角度考虑，转动关机24的转动角度最好不要超过45°。

S2、转动注册探针接触部22使注册探针2的接触球223与被注册对象即骨钉7接触。

S3、控制系统根据机械臂1的位姿信息和注册探针2的转动角度信息计算被注册对象即骨钉7的位置坐标，完成注册。在本实施例中，可以具体采用如下的计算方法：

注册探针2是固定在机械臂1末端的，注册探针接触端22和注册探针固定端21保持在一条直线上，此时旋转角度δ0为0°，旋转关节24可以检测注册探针接触端22旋转的角度δ。机械臂1一般由6个关节组成，每个关节的角度δ1～δ6可以通过编码器准确确定，从而可以计算确定机械臂1末端的位置T(x，y，z)＝f(δ1～δ6)。拖动注册探针接触端22的位置，去接触骨钉7，是可以知道骨钉7接触的准确位置的，通过δ0～δ6从而可以用同样的计算方法确定骨钉在机械臂坐标系下的位置P(x，y，z)＝f(δ0～δ6)，进一步建立目标靶点在机器人坐标系下的位置，完成注册过程。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明通过将传统的注册探针增加旋转关节，从而在探针接触骨钉的时候，只需要握住注册探针接触端，关节灵活，人操作起来可以更好的跟骨钉接触；本发明可以增加人使用上的更好体验，更重要的是可以提高手术精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种注册探针，特征在于，其包括：注册探针固定部、注册探针接触部以及角度检测装置，所述注册探针固定部一端与机械臂末端固定连接，使得所述机械臂能够带动所述注册探针运动，另一端与所述注册探针接触部转动连接，所述角度检测装置用于检测所述注册探针接触部相对于所述注册探针固定部的转动角度。

2.根据权利要求1所述的注册探针，其特征在于，所述注册探针固定部与所述注册探针接触部的转动连接形成转动关节，所述转动关节还包括连接轴，所述连接轴的一端与所述注册探针接触部可拆卸连接，其另一端连接所述角度检测装置。

3.根据权利要求2所述的注册探针，其特征在于，所述角度检测装置包括磁铁与磁感应部件，所述磁铁与所述连接轴远离所述注册探针接触部的一端固定连接，所述磁感应部件相对所述磁铁设置于所述注册探针固定部上；当所述注册探针接触部转动时，所述连接轴带动所述磁铁相对于所述磁感应部件转动，所述磁感应部件通过检测的磁场变化从而得到所述注册探针接触部的转动角度。

4.根据权利要求3所述的注册探针，其特征在于，所述连接轴靠近所述磁感应部件的一端形成凹型容纳头，所述磁铁内嵌于所述凹型容纳头内。

5.根据权利要求1所述的注册探针，其特征在于，所述角度检测装置还包括编码器。

6.根据权利要求3所述的注册探针，其特征在于，所述注册探针接触部包括接触部主体、连杆以及接触球，所述连杆一端与所述接触部主体固定连接，另一端与所述接触球固定连接，所述连杆与所述连接轴平行。

7.根据权利要求6所述的注册探针，其特征在于，所述注册探针接触部与所述连接轴的可拆卸连接包括定位键和止动锁，所述注册探针接触部通过所述定位键与所述连接轴形成键连接，所述止动锁用于所述注册探针接触部与所述连接轴的轴向定位，限制所述注册探针接触部与连接轴的轴向移动。

8.根据权利要求7所述的注册探针，其特征在于，所述连接轴上开设有一圈凹槽，用于配合所述止动锁实现轴向定位。

9.一种手术机器人系统，其特征在于，包括机械臂、控制系统和如权利要求1到8任意一项所述的注册探针，所述机械臂与所述注册探针传动连接。

10.一种手术机器人的注册方法，其特征在于，所述注册方法采用如权利要求9所述的手术机器人系统实现，方法包括如下步骤：

S1、拖动所述机械臂接近目标位置，并调整所述机械臂的姿态；

S2、转动所述注册探针使所述注册探针的接触球与被注册对象接触；

S3、所述控制系统根据所述机械臂的位姿信息和所述注册探针的转动角度信息计算被注册对象的位置坐标，完成注册。

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