CN113876425A - 外科手术系统及导航方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种外科手术系统，系统包括末端执行器、机械臂装置、本体定位架、末端定位架、光学导航装置及控制器，控制器用于控制机械臂装置，控制器被配置为，在第一阶段利用光学导航装置获取的末端定位架的方位信息获得医用器械的方位信息，在第二阶段利用光学导航装置获取的本体定位架的方位信息获得医用器械的方位信息。本申请还公开了一种导航方法，导航方法至少包括预定位阶段和导航定位阶段，在预定位阶段，利用光学导航装置追踪第一定位装置对医用器械进行定位；在导航定位阶段，利用光学导航装置追踪第二定位装置对医用器械进行定位。外科手术系统执行导航方法，实现对医用器械位置的实时精准追踪，确保了手术的可靠性和安全性。

Description

外科手术系统及导航方法

本申请是申请日为2020年7月1日、申请号为202010627367.1、发明名称为“一种医用器械的精准定位装置、方法和系统”的分案申请。

技术领域

本申请涉及计算机辅助手术技术领域，特别涉及一种外科手术系统及导航方法。

背景技术

随着计算机技术的发展，由计算机辅助的外科手术系统也在迅速发展，在该类系统中，为便于移动等操作，通常设置协作机械臂。协作机械臂与其他类型机械臂的主要区别体现在使用协作机械臂时，其操作过程可以通过人手扶机械臂，直接对机械臂进行推、拉、提、压等操作动作，使用协作机械臂使得对末端执行器或者医用器械的控制模式更加灵活，对复杂的场景具有更好的适应性。与传统机械臂的固定运动轨迹不同，协作机械臂由于可以有人手的协助操作，其运动路径具有更多的不确定性，因此对末端执行器或者医用器械的位置定位具有更高的实时性和准确性要求。

协作机械臂的远端通常会搭载末端执行器，末端执行器的远端根据不同的场景需要，会搭载不同的医用器械，例如：锯、钻、铣刀等(在本文中，以“近端”表示相对而言更靠近机械臂操作者、更远离患者的一端，以“远端”表示相对而言更远离机械臂操作者、更靠近患者的一端)。通过协作机械臂-末端执行器-医用器械三者之间的机械连接机构和控制操作，实现对目标的切割、钻、研磨等动作。为了保证操作的精准，末端执行器、尤其是医用器械的最远端(也可称为前端或末端)位置的精准定位是非常重要的，只有对医用器械的末端位置进行尽可能精准的定位，系统才能精准确定医用器械末端位置与目标位置之间的关系，以确保医用器械精准地运动到目标位置，并能精准地按照预定的空间轨迹运动并完成操作。

现有技术中，对手术器械的末端位置进行定位通常采用光学导航仪追踪光学定位架的方法，即在被定位或追踪的物体上设置具有追踪标记的光学定位架，以光学导航仪追踪定位架上的追踪标记，从而确定定位架的所在位置，并由此确定被追踪的物体的所在位置。例如公开号为CN111012503A、名为“具有跟踪标记的手术机器人自动化”的专利中公开了采用跟踪标记实现手术机器人自动化的方法，并公开了跟踪标记包括能够使用商业上可获得的光学跟踪系统跟踪的常规反射球，将设置有跟踪标记的光学定位架安装在手术工具(例如螺丝刀、扩张器、植入物插入器等)，跟踪标记使得被标记的对象(例如末端执行器112、患者210和医用器械608)中的每一个都能够被机器人102跟踪。

然而，上述方法在存在一定问题，首先，通常而言，由于医用器械被用于具体的手术操作，通常具有较小的尺寸，且需要保障一定的活动空间和自由度，以电锯为例，电锯是末端执行器较常搭载的医用器械之一，电锯可以较为高效的对目标进行切割，适用于例如全膝关节置换手术等。以现有技术的追踪定位方法，在应用于高速摆动的医用器械例如电锯时，由于电锯锯片在手术过程中一直处于高速摆动状态(锯片的摆动速度高达8800次/分钟)，使得光学定位架难以被固定，且在锯片上安装光学定位架，不可避免的会干涉到手术时的视野以及操作空间，相应地也会影响到手术过程中的操作，再者，手术操作时，误碰等原因也容易对固定在锯片上的光学定位架上的追踪标记造成污染，影响定位追踪效果，更重要地，由于目前光学跟踪仪最高也仅能达到60帧每秒的采样频率，锯片的摆动速度却高达8800次/分，在高速摆动的锯片上安装定位架也意味着光学导航仪实际上也无法准确的捕捉到锯片实际所在的准确位置。

但是，实践中又需要对锯片的末端位置进行准确定位，以确保其按预定轨迹运动执行切割操作。如上所述，在医用器械特别是锯片上安装定位架几乎是不可能的，可考虑的方案包括将光学定位架安装在与锯片有一定距离的、不影响手术操作的部位，例如机械臂末端的法兰部附近、或者末端执行器上，并根据机械构造的关系将基于光学定位架获取的位置信息换算为医用器械末端的位置信息。然而这种方案的精度却是不可靠的：一则由于医用器械末端和定位架之间的物理关系需要由机械加工保证，机械加工本身存在误差；二则医用器械在组装至末端执行器时经过多个组装环节，均会产生误差；三则光学导航仪获取光学定位架的空间坐标位置时也会产生误差，而相同的角度，距离越远误差越大，定位架与末端之间的距离使得光学误差也被放大。因此，需要一种能够提高对医用器械末端位置进行精准定位的方案，以解决现有技术中的上述问题。

发明内容

为了解决现有技术中需要对医用器械进行精准定位医用器械的问题，本申请提出了一种外科手术系统及导航方法，显著提高医用器械的定位精度。

第一方面，提供一种外科手术系统，用于驱动和定位医用器械，手术系统包括：末端执行器，用于连接医用器械；机械臂装置，连接末端执行器；本体定位架，设置于末端执行器；末端定位架，用于可拆卸地连接于医用器械，末端定位架与医用器械之间具有预定的方位关系；光学导航装置，用于获取本体定位架与末端定位架的方位信息；控制器，用于控制机械臂装置，控制器被配置为，在第一阶段利用光学导航装置获取的末端定位架的方位信息获得医用器械的方位信息，在第二阶段利用光学导航装置获取的本体定位架的方位信息获得医用器械的方位信息。

优选地，末端定位架用于在第一阶段保持在医用器械上。

优选地，控制器被配置为，由第一阶段末获得的末端定位架的方位信息及本体定位架的方位信息计算获得二者之间的相对位置关系。

优选地，控制器被配置为，在第二阶段利用光学导航装置获取的本体定位架的方位信息获得医用器械的方位信息，包括：

利用光学导航装置获取的本体定位架的方位信息以及相对位置关系信息获得医用器械的方位信息。

优选地，末端定位架用于指示医用器械的平面、轴线或中心。

优选地，医用器械为锯片，末端定位架用于可拆卸地连接于锯片。

第二方面，提供一种导航方法，用于对医用器械进行定位，导航方法包括预定位阶段和导航定位阶段，在预定位阶段，利用光学导航装置追踪第一定位装置对医用器械进行定位；在导航定位阶段，利用光学导航装置追踪第二定位装置对医用器械进行定位。

优选地，在预定位阶段，第一定位装置可拆卸地设置于医用器械。

优选地，在预定位阶段末，获取第一定位装置与第二定位装置之间的相对位置关系。

优选地，利用光学导航装置追踪第二定位装置对医用器械进行定位包括：根据第二定位装置及第一定位装置与第二定位装置之间的相对位置关系计算医用器械的位置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一种实施例中机械臂装置的结构示意图；

图2为本申请一种实施例中主机部分和光学导航装置的结构示意图；

图3为本申请一种实施例中的光学定位架的结构示意图；

图4为本申请一种实施例中光学导航装置的结构示意图；

图5为本申请一种实施例中末端执行器的结构示意图；

图6为本申请一种实施例中在末端执行器上安装末端定位架的结构示意图；

图7为本申请一种实施例中末端定位架的结构示意图；

图8为本申请一种实施例中末端定位架的侧视图；

图9为本申请一种实施例中末端定位架的弹珠机构部分的结构示意图；

图10为本申请一种实施例中参考架与拟切割平面的位置关系示意图；

图11为本申请一种实施例中末端定位架与本体定位架的位置关系示意图；

图12为本申请一种实施例中末端执行器与被切割目标的位置关系示意图；

图13为本申请一种实施例中定位方法的预定位阶段的流程图；

图14为本申请一种实施例中实现定位方法步骤的单元模块示意图；

图15为本申请一种实施例中定位方法的导航定位阶段的流程图；

图16为本申请一种实施例中实现定位方法导航定位步骤的单元模块示意图；

图17为本申请一种实施例在应用于多个拟切割平面的场景时的方法流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。

本说明书通篇提及的“多个实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”或“实施例”等，意味着结合该实施例描述的具体特征、部件或特性包括在至少一个实施例中。因此，本说明书通篇出现的短语“在多个实施例中”、“在一些实施例中”、“在至少另一个实施例中”或“在实施例中”等并不一定都指相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，具体特征、部件或特性可以任何合适的方式进行组合。因此，在无限制的情形下，结合一个实施例示出或描述的具体特征、部件或特性可全部或部分地与一个或多个其他实施例的特征、部件或特性进行组合。这种修改和变型旨在包括在本申请的范围之内。

此外，本领域技术人员可以理解，本申请的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对他们的任何新的和有用的改进。相应地，本申请的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件 (包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“终端”、“组件”或“系统”。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本申请提供的医用器械精准定位装置，用于计算机辅助外科手术系统，所述计算机辅助外科手术系统包括机器臂装置、光学导航装置。本申请所称的医用器械，是指能够在医学上使用并辅助医生完成检查或者手术操作的器械性装置，例如可以是全膝关节置换手术中用到的电锯及其锯片，但是不限于此，也可以是钳、钻、铣刀、螺丝刀、扩张器、植入物插入器等。

如图1所示为机械臂装置，所述机械臂装置包括控制柜100，协作机械臂200，末端执行器300，医用器械400，以及安装在末端执行器300本体上的光学定位架500。

在控制柜100中装有控制单元103，控制单元103具有信号的处理能力，可以是，但不限于，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，简称NP)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等任何具有数据处理和控制能力的芯片或设备。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。

控制单元103可以通过控制柜100的接口部101与系统的主机部分(未图示)连接，实现与系统主机的通信，控制单元103可以接收来自系统主机的控制信号，并转换为控制协作机械臂200运动的操作指令。

协作机械臂200可接收来自控制单元103的指令并根据指令限定的运动方式运动，也可由操作者对协作机械臂施加外部作用力，在操作者的手动控制下进行推、拉、提、压等动作。

控制柜100的顶部端面为基座部102，控制柜100的基座部102与协作机械臂200的基座端201固定连接。协作机械臂200为多轴机械臂，其近端为基座端201，固定安装在控制柜100的基座部102处。协作机械臂200的远端为法兰端202，协作机械臂200可以接收来自控制单元103的指令，使得法兰端202根据指令限定的运动方式完成旋转、平移等动作并移动到指令限定的某一空间位置。

协作机械臂200的法兰端202与末端执行器300固定连接，末端执行器300的末端搭载医用器械400，作为示例，本实施例提供的末端执行器300上搭载的医用器械400为电锯的锯片，所述锯片由电锯马达驱动，在工作过程中锯片可以保持高速摆动的状态。作为示例，在末端执行器300的本体上，还可安装光学定位架500。

如图2所示为光学导航装置，系统还包括主机部分1000，所述主机部分可以是一台计算机，或者类似具有存储、计算、通信功能的设备。图2中，作为示例，将光学导航装置与系统主机1000集成在一台装置上，可以理解的是，二者也可独立设置，或将系统主机与图1所示的机械臂装置集成在一起，只要能够确保各个装置之间安全的连接、稳定地通信即可。

光学导航装置600作为示例，可以是双目导航相机，追踪到光学定位架上的追踪标记(通常为各个反光球，但是也不限于此，只要是可以被双目导航相机追踪的标记即可)所在的位置，从而确定光学定位架的空间位姿信息。

在图2所示的实施例中，光学导航装置600固定于悬臂700的一端，悬臂700的另一端固定在立柱800的顶部，立柱800的底部连接至容纳主机1000的厢体部，其中，用于数据传输、通信、及供电的线缆穿设于立柱800、悬臂700、以及厢体部的内腔。所述悬臂700可升降、可旋转地固定连接于所述立柱800靠近顶端的位置。

在立柱800的中部偏上部分，还固定安装一显示单元900。显示单元可以是一个液晶显示单元、阴极射线管显示单元、氖光显示单元、真空荧光显示单元、电子移动信息显示单元、气体放电显示单元、等离子体显示单元，或者可以采用发光二极管、电致发光材料、纤维光学技术、激光技术、全息技术、或在显示单元上显示信息的任何其它技术。此外，显示单元可以显示静止的或移动的信息，并且所显示的信息可以是不同的语言。显示单元900的固定位置以便于操作人员观察的高度为佳。

主机部分1000接收来自光学导航装置600的数据，按照本申请所提供的方法步骤，完成对空间关系的计算，并生成运动控制指令，将所述运动控制指令发送至机械臂装置的控制单元103，控制单元103按照运动控制指令控制所述协作机械臂200在空间中的运动。

作为光学定位架500的示例，如图3所示，光学定位架500的主体为平板结构，其外轮廓大致为月牙型；沿着主体边缘部位按照一定间隔设置三个或三个以上的反光球用于追踪。作为优选示例，在定位架的主体的边缘部位以大致均匀的间隔设置四个反光球501、502、503、 504，每个反光球的表面设置有涂层，所述涂层能够高效地反射红外光。

作为光学导航装置600的示例，如图4所示，光学导航装置600包括双目相机601、602，在光学导航装置600内部(未图示)还集成有红外光发射器，所述红外发射器主动向外发射红外光，所发射的红外光照射到定位架500上的4个反光球后，被反光球反射，并被双目相机捕获，通过三角原理，光学导航装置600可以计算得到光学定位架500的空间位姿信息。

作为末端执行器300的示例，如图5所示，所述末端执行器300包括本体部301，从本体部301向一个方向延伸出法兰接口端302，所述法兰接口端302与前述协作机械臂200的法兰端202固定连接。

本体部上，在与所述法兰接口端302相反的另一方向，延伸出定位架端305，其上固定安装所述光学定位架500；下文称为“本体定位架”，以表示该定位架安装在末端执行器的本体部上，该本体定位架所在的坐标系标记为C_F。

本体部上，在与所述法兰接口端302的延伸方向大致垂直的方向上，两侧分别延伸出手柄端303、以及输出端304。手柄端303由操作者握持，以便于操作者对协作机械臂直接施力，操控机械臂、末端执行器以及医用器械的移动。输出端304作为医用器械的安装部，作为示例，在输出端304上安装有电锯锯片400，锯片400以可插拔卡扣的方式固定，电锯工作时，由设在末端执行器本体部301内腔的电锯电机(未图示)驱动锯片400按照预定轨迹运动，所述锯片400在按照预定轨迹运动的过程中，同时还在其片状本体所在水平方向保持一定范围内的高速摆动动作。

为了解决背景技术中所述及的问题，本申请设计了一种用于锯片末端的定位架6，下文称其为末端定位架6，图6中示出了末端定位架6与末端执行器300的位置关系，可以看出，图6中，在末端执行器300的定位架端305固定安装有本体定位架500，该定位架所代表的坐标系为C_F，在末端执行器300的输出端304固定安装有锯片400，在锯片400的末端或靠近末端的部位安装末端定位架6，该定位架所代表的坐标系为C_V。

作为示例，图7、图8示出了末端定位架6的详细结构，其中图7是末端定位架的正面视图，图8是末端定位架的侧面视图，所述末端定位架6是根据医用器械的末端特点(通常具有较小的体积)设计，所述末端定位架包括定位架本体61，卡槽62、锁紧机构63、和多个反光球7。其中，通过卡槽62和锁紧机构63，可以容易地将所述末端定位架本体与医用器械的末端二者卡装固定，所述光学导航装置能够跟踪所述多个反光球7的位置，以用于建立所述末端定位架的坐标系C_V。

所述定位架本体61为扁平状，其整体呈具有圆弧边的大致倒三角形；所述卡槽62和所述锁紧机构63均位于所述定位架本体61的一侧面上，所述多个反光球7均位于所述定位架本体61的另一侧面上，所述反光球的个数可以设置为3～5个，作为示例，本实施例设置为 3个反光球，分别设置在所述大致三角形的定位架本体61的三个顶点的位置附近。

所述卡槽62形成为具有两个侧壁的长槽，所述锁紧机构63设置在形成所述卡槽62的一侧壁上，形成所述卡槽62的另一侧壁为精密加工且有较高硬度的平面，作为定位用基准面。所述卡槽62用于锯片400的插入，所述锁紧机构63用于在锯片400插入后将其抵接固定至所述定位用基准面，进而将锯片400卡装固定在所述卡槽62内。设置在卡槽一侧壁上锁紧机构，可以提供锁紧卡入槽中的锯片所需的必要的压力，并将卡入槽中的锯片抵接至卡槽的另一侧壁，由另一侧壁的加工精度保证定位精度，以便于准确计算锯片的所在位置。

所述锯片400靠近末端执行器的一端设有锯片限位块401，在将锯片400插入末端定位架6的卡槽62时，所述锯片限位块401提供限位功能，以限制二者沿锯片长度方向的相对位置。

所述锁紧机构63包括弹珠机构631，用于提供将锯片400抵接固定至所述定位用基准面的弹力；所述弹珠机构631的数量可以为一个或多个，较佳地，将所述弹珠机构设置为两个。在锯片400没有插入卡槽中时，弹珠机构可以缩回至卡槽侧壁内，在锯片400插入卡槽时，弹珠机构从侧壁伸出并以较大压力抵接在锯片上，实现对锯片的固定。

如图9所示，提供了作为一个实施例的所述弹珠机构631的结构示意图，所述弹珠机构 631包括容纳筒6311，弹簧6312和弹珠6313；所述卡槽62的设置所述锁紧机构的侧壁部设有通孔，所述容纳筒6311固定在所述通孔内；所述弹簧6312的一端固定在所述容纳筒6311 的底部，所述弹簧6312的另一端与所述弹珠6313连接。通过弹簧和弹珠连接的方式，可提供较大的压力用于卡接锯片。所述容纳筒6311靠近所述弹珠6313的一端设有弹珠限位块 63111。所述弹珠限位块63111可限制弹珠6313在容纳筒6311中的位置，防止弹珠6313在弹簧的弹力作用下离开容纳筒6311。

在未插入锯片400时，所述弹簧6312在所述容纳筒6311中呈压缩状态，弹簧6312的弹力可以使弹珠6313压向通孔所在侧面的相对侧面，即所述定位用基准面，所述弹珠限位块 63111限制弹珠6313不脱离容纳筒6311。在将所述末端定位架卡装至所述锯片400时，将所述末端定位架的卡槽62对准锯片400，并将锯片400插入卡槽62内，在锯片400插入卡槽62内的过程中，由于弹力的作用，弹簧6312会向容纳筒内压缩，从而在卡槽62中留出缝隙，使锯片400插入卡槽62，在确定锯片400卡装到位(即长度方向上锯片400抵接锯片限位块401，深度方向上锯片400抵接卡槽62的长槽底面)后，通过弹簧6312、以及弹珠6313的共同作用，将锯片400紧紧地抵压在所述卡槽62的定位用基准面上。

在所述末端定位架本体61的另一侧面设有3-5个反光球7，如图8所示，其中在末端定位架本体61的顶角部，设置有末端反光球71，在将所述末端定位架6卡装至锯片400后，所述末端反光球71的位置靠近锯片400的末端部位，锯片400的中心纵向轴线的延长线经过所述末端反光球71的球心，采用这种反光球71的位置设置，使得可以通过使用光学导航装置追踪单独的末端反光球71之位置，辅助提供锯片400末端部位精准定位，提高了定位的精准度。

通过以上设置，一方面，末端定位架6具有较小的适合于安装在锯片的尺寸，另一方面，以精密的加工和位置布局保证其安装在锯片时能精准确定锯片末端位置。更重要的是，所述末端定位架6使用非常方便，便于拆装，在需要用到末端定位架6时，由于弹珠机构631的设置，可以容易地将锯片400卡装至末端定位架6的卡槽62中；卡装到位后，光学导航装置 600即可通过跟踪末端定位架6上的多个反光球，确定所述末端定位架6所在的坐标系的位置，进而精准确定锯片400的末端位置。在不使用末端定位架6时，也可以容易地将末端定位架6从锯片400上抽离。

关于如何利用末端定位架6定位并确定锯片400的末端位置的方法步骤，在下文中将详细予以阐述。

将末端定位架6上的多个反光球所在的坐标系定义为C_V，由于形成卡槽62的定位基准面和该坐标系的相对位置关系是已知的。使用的时候，将锯片400卡装在末端定位架的卡槽 62中，锯片400的中心平面和末端定位架的坐标系C_V的一个坐标平面重合，这样，末端定位架6卡装到位后，末端定位架6上的反光球的坐标系所在位置即可准确表达锯片400平面所在位置,光学导航装置600通过跟踪该末端定位架上的多个反光球的位置信息，即可确定末端定位架所在坐标系的位置，并精确确定锯片平面也即锯片末端点所在的位置信息。

如图10所示，系统内还设有参考架(结构未图示)，参考架固定安装在被切割目标物体的表面，也称为目标参考架，所述目标参考架与目标物体之间形成刚性连接，设参考架所在坐标系为C_T。通过光学导航装置扫描目标物体完成配准，通过扫描所述参考架，可以获得参考架所在坐标系与被切割目标物体二者的空间相对位置。

在主机中设定被切割目标物体的拟切割平面，设拟切割平面所在坐标系为C_P。由于拟切割平面在被切割目标物体的相对位置是已知的，且被切割目标物体与参考架的相对位置已知，故可确定参考架所在坐标系C_T和拟切割平面所在坐标系C_P的空间相对位置关系[RT]_TP，其中C_T＝[RT]_TP C_P，[RT]_TP表示“旋转平移矩阵”。假设参考架所在坐标系 C_T先绕Z轴旋转Ψ°，再绕Y轴旋转θ°，最后绕Z轴旋转Φ°，然后沿X轴平移a， Y轴平移b，Z轴平移z，这样就能得到唯一确定的一个“旋转平移矩阵”C_T。

如图11所示，设末端定位架6所在坐标系为C_V，本体定位架500所在坐标系为C_F。 C_V和C_F的相对位置关系为[RT]_FV，在同时安装末端定位架6与本体定位架500时，二者的相对位置关系[RT]_FV可以通过从光学导航装置600中读取二者的追踪信息计算获得。

采用本申请所提供的精度定位装置对医用器械的末端进行实时、精准定位的方法，至少包括两个阶段，为表述方便，分别为预定位阶段和导航定位阶段。在描述方法步骤时，所使用的“初始位置”是指：协作机械臂已经经历了大范围的移动并已较为靠近拟切割目标物体，但是仍与目标物体保持一定距离，该距离至少应保证提供拆装前述末端定位架6的足够的空间。可以理解，初始位置可以是靠近拟切割目标物体，且与目标物体保持一定距离的任意位置。

一、预定位阶段

如图13所示，预定位阶段包括如下步骤：

步骤S101，组装医用器械并靠近初始位置。在该步骤中，将末端执行器300安装在协作机械臂200的末端法兰202处，锯片400安装在末端执行器300的锯片端，末端执行器300上还设有本体定位架500，以人手拖动或机器指令控制的方式移动协作机械臂 200，使得锯片400靠近被切割目标的位置即到达初始位置。

步骤S102，安装末端定位架。在该步骤中，将前述的末端定位架6卡装至锯片400上，确保锯片400卡装到位至末端定位架6的卡槽62中，长度方向上，锯片400的一端应抵接锯片限位块401，深度方向上，锯片400应抵接卡槽62的长槽底面。

本领域技术人员可以理解，也可先将末端定位架6卡装在锯片400上，再移动协作机械臂200使得锯片400靠近被切割目标的位置，即初始位置。即步骤S101和步骤S102 是可以更换步骤顺序的。

步骤S103，对末端定位架追踪定位。在该步骤中，光学导航装置追踪所述末端定位架6上的多个反光球的位置，并计算获得末端定位架6所在坐标系的位置信息。

步骤S104，计算末端定位架与拟切割平面的位置关系。在该步骤中，主机部分对光学导航装置获取的位置信息进行处理，计算获得末端定位架所在坐标系与拟切割平面所在坐标系之间的位置关系。

具体而言，光学导航装置可以同时观察到锯片末端定位架6和目标参考架，如前所述，末端定位架所在坐标系为C_V，目标参考架所在坐标系为C_T，二者的相对位置关系 [RT]_VT可以基于光学导航装置中获取的二者的位姿信息计算获得。

设末端定位架6所在坐标系C_V和拟切割平面所在坐标系C_P二者之间的位置关系为[RT]_VP，则[RT]_VP可以通过如下计算方法获得：

∵C_V＝[RT]_VP C_P

∴[RT]_VP＝C_V C_P ^-1

∵C_T＝[RT]_TP C_P

∴[RT]_TP ^-1C_T＝C_P

∴[RT]_VP＝C_V([RT]_TP ^-1C_T)^-1

也就是说，可以根据末端定位架6所在坐标系C_V、参考架所在坐标系C_T、以及已知的参考架与拟切割平面的位置关系，得到末端定位架6所在坐标系C_V和拟切割平面所在坐标系C_P的位置关系[RT]_VP。

步骤S105，生成控制指令、并发送至控制单元。在该步骤中，根据步骤104计算获得的[RT]_VP，生成用于控制机械臂的运动路线的控制指令，并发送至控制单元。

步骤S106，控制所述机械臂按照指令运动。该步骤中，机械臂按照指令移动。

在理想状态下，在步骤S106中，所述协作机械臂按照指令完成运动后，末端定位架6所在坐标系C_V和拟切割平面所在坐标系C_P可以完全重合，此时，[RT]_VP为单位四阶矩阵E，锯片末端精确对准拟切割平面所在位置。

然而由于机械臂控制系统设计等导致的误差原因，机械臂200实际上难以精准地按照指令规划的路线运动，故在步骤S106后，医用器械的末端位置通常并未精准地到达拟切割平面的位置，因此，还包括如下步骤：

步骤S107，更新末端定位架6的追踪位置信息。在该步骤中，当机械臂200按照步骤S106中的控制指令完成运动后，光学导航装置继续追踪所述末端定位架6上的多个反光球的位置，并计算获得末端定位架6所在坐标系的位置信息，获得更新后的位置信息。

步骤S108，更新计算末端定位架与拟切割平面的位置关系。在该步骤中，以更新的末端定位架6的追踪位置信息，计算更新当前的末端定位架6所在坐标系C_V和拟切割平面所在坐标系C_P的新的位置关系[RT]_VP′；

步骤S109，判断末端定位架与拟切割平面的位置关系是否超出阈值。在该步骤中，计算新的位置关系[RT]_VP′和单位四阶矩阵E的差值，并将二者的差值与预先设定的阈值进行比较，判断差值是否超出阈值范围。

如果步骤S109判断的结果是差值超出阈值范围，如图所示，则返回执行步骤S105，生成控制指令、并发送至控制单元。不同的是，在本次步骤S105中，根据步骤S108计算获得的[RT]_VP′，生成用于控制机械臂的运动路线的控制指令，并发送至控制单元。步骤S106，控制所述机械臂按照指令完成运动。运动之后，继续执行步骤S107至步骤S109.

步骤S110，如果步骤S109判断的结果是差值小于阈值范围，则系统认为医用器械末端运动到位，生成停止运动的指令并发送，结束预定位阶段，准备进入导航定位阶段。

以此方法，一方面，通过追踪末端定位架的位置，能够实现对锯片末端位置的更精准地定位；另一方面，根据所追踪的锯片末端和目标切割平面所在坐标系的位置关系，生成控制机械臂运动的指令以控制机械臂完成运动，能够使得机械臂移动至接近理想目标位置；再者，在每次机械臂运动后，更新监测锯片末端的位置和与目标切割平面的位置关系，如果机械臂未运动到理想目标位置、或者运动误差较大，则控制机械臂再次运动，该过程是一个收敛的过程，以此方式重复，可以以逐次逼近的方式接近理想目标位置，实现预定位阶段结束时的精准对准。

为了完成以上步骤，如图14所示，本申请将主机和控制系统设计为提供如下单元：

定位架信息读取单元，包括读取末端定位架信息的单元，以及读取参考架信息的单元，分别用于从光学导航装置中读取末端定位架6所在坐标系C_V，以及参考架所在坐标系C_T；

位置关系计算单元，基于末端定位架6所在坐标系C_V、参考架所在坐标系C_T，计算末端定位架所在坐标系C_V与拟切割平面所在坐标系C_P之间的位置关系[RT]_VP；

指令生成单元，基于所述位置关系计算单元计算的位置关系，生成控制指令并发送用于控制机械臂的运动；

位置关系更新单元，用于在机械臂移动[RT]_VP后更新计算末端定位架所在坐标系C_V与拟切割平面所在坐标系C_P之间的位置关系[RT]_VP′；

判断单元，用于判断[RT]_VP′是否小于预定阈值，如果大于预定阈值，则根据所述位置关系更新单元更新计算的位置关系[RT]_VP′生成控制指令并发送用于控制机械臂的运动，如果小于预定阈值，则生成停止运动的指令。

二、导航定位阶段

完成预定位后，系统开始进入导航定位阶段。

如图15所示，导航定位阶段包括如下步骤：

步骤201，计算并存储本体定位架所在坐标系与末端定位架所在坐标系之间的位置关系。在完成预定位阶段后，根据由光学导航装置600追踪获得的本体定位架500所在坐标系C_F，以及末端定位架6所在坐标系C_V的位置信息，计算C_V和C_F的相对位置关系为[RT]_FV，并将[RT]_FV作为第一校准参数存储。

步骤S202，根据第一校准参数计算本体定位架所在坐标系与拟切割平面所在坐标系之间的位置关系。其中，按照如下公式计算本体定位架500所在坐标系C_F与拟切割平面所在坐标系C_P之间的关系[RT]_FP，并将[RT]_FP作为第二校准参数存储：

∵[RT]_FP＝[RT]_FV[RT]_VP

∵[RT]_VP＝C_V([RT]_TP ^-1C_T)^-1

∴[RT]_FP＝[RT]_FV C_V([RT]_TP ^-1C_T)^-1

步骤S203，拆除锯片末端卡装的末端定位架6。

步骤S204，设定阻挡力参数。在该步骤中，设定协作机械臂200在运动过程中的阻挡力参数，其中，将与锯片400所在平面相同的平面方向中的阻挡力设置为0，将与锯片 400所在平面相垂直的方向的阻挡力设置为F＝kx，其中阻挡力系数k为4000-6000N/mm，优选为5000N/mm，x为移动距离，F为阻挡力，通过阻挡力的设置，保证锯片400所在平面的垂直方向上，需要施加较大的力才可使其移动，从而对协作机械臂200的运动范围限制控制在一个待切割平面内移动，可以防止锯片抖动或误操作导致离开目标平面所产生的误差。

步骤S205，控制锯片按预定轨迹运动及实时追踪步骤。在该步骤中，

主机部分发出指令，使协作机械臂200带动锯片400按照预定轨迹进行运动，在锯片的运动过程中，光学导航装置600实时跟踪读取本体定位架500所在坐标系的位置信息，并根据第二校准参数[RT]_FP计算获得锯片400末端的实时位置。

步骤S206，实时计算锯片末端点所在坐标系与拟切割平面所在坐标系之间的位置关系。根据待切割目标参考架所在坐标系C_T、以及已知的参考架所在坐标系与拟切割平面所在坐标系的位置关系，可确定拟切割平面所在坐标系C_P，即可实时计算锯片400末端的平面位置与拟切割平面所在坐标系C_P之间的位置关系。

步骤S207，判断锯片末端与拟切割平面之间的距离是否偏离预定范围并报警。在该步骤中，如判断锯片末端与拟切割平面之间的距离偏离超出预定范围，则以声音、颜色显示等各种方式发出报警，提示操作者进行干预调整，或系统自动作出响应调整，直到完成在拟切割平面内的全部切割操作。

为了完成以上步骤，如图16所示，本申请将主机和控制系统设计为还提供如下单元：

本体定位架信息读取单元，用于从光学导航装置中读取本体定位架500所在坐标系的位置信息；

校准参数计算单元，基于末端定位架6所在坐标系C_V、本体定位架500所在坐标系C_F，计算二者的位置关系[RT]_FV；

位置关系计算单元，基于本体定位架500所在坐标系的位置信息、参考架所在坐标系C_T的位置信息，校准参数[RT]_FV、以及已知的参考架所在坐标系与拟切割面所在坐标系之间的位置关系，计算获得本体定位架500所在坐标系C_F与拟切割平面所在坐标系C_P之间的位置关系[RT]_FP；

实时计算单元，用于根据实时获取的本体定位架500所在坐标系的位置信息以及位置关系[RT]_FP，计算获得医用器械末端实时的位置；

偏离判断单元，用于计算医用器械末端的平面位置与拟切割平面所在坐标系之间的距离，判断偏离是否超出预定范围。

对于涉及多个拟切割平面的场景，如图17所示，在导航定位阶段结束后，对于本实施例，即在医用器械完成对一个拟切割平面的操作后，本申请所提供的方法还包括步骤S300：控制医用器械末端退回至初始位置。在该步骤中，由控制单元控制机械臂200运动，使得将锯片400退回至距离被切割目标一定距离的位置，例如，可以是前次预定位阶段的初始位置，也可以是不同于前次预定位阶段的初始位置的位置，只要该位置较为靠近拟切割目标物体且与目标物体保持一定安全距离的位置。

步骤S300之后，在锯片400上再次卡装末端定位架6，即返回至预定位阶段的步骤102，并继续执行前述预定位阶段以及导航定位阶段的各步骤，直至完成对第二拟切割平面的切割操作。其中在步骤S104、步骤S108、以及步骤S202、步骤S206中，利用第二拟切割平面所在坐标系计算位置关系。

在完成第二拟切割平面的切割操作后，系统判断是否还有第三拟切割平面，如有，则继续执行步骤S300，并重复上述步骤，直到完成对所有拟切割平面的操作。

由于例如全膝关节置换术的手术中，需要切割多个平面，一般而言至少需要5个不同的切割平面。对于此种情形，本实施例提供给的方案是在完成一个拟切割平面的切割操作后，均将医用器械退回至初始位置，针对下一个拟切割平面重新进行预定位、以及导航定位步骤，以确保针对每个拟切割平面均可准确定位导航。相对于已有的技术，本实施例提供的方案在每次针对拟切割目标平面执行切割操作之前均进行精准的预定位，并在预定位之后记录校准参数继续进行导航定位，可以消除医用器械在每次运动过程中产生的定位误差，使得全部定位过程更为精细、提供了更高精度。并且，由于本实施例提供的方案是基于对医用器械、末端执行器、拟切割目标位置关系的实时计算而完成，因而在确保针对每个拟切割平面准确定位的同时不会耗费过多时间，兼顾了定位的速度和准确度。

在本实施例中，还提供了一种存储介质，存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备执行上述方法。

在本实施例中，还提供了一种处理器，处理器包括处理器的程序，其中，在程序运行时控制处理器所在设备执行上述方法。需要说明的是，本申请在实施例中尽管以协作机械臂为例，但是本领域技术人员显然能够理解：本申请提供的装置、方法和系统显然也可以用于非协作机械臂即完全由控制单元控制操作的机械臂的情形。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种外科手术系统，用于驱动和定位医用器械，其特征在于，包括：

末端执行器，用于连接所述医用器械；

机械臂装置，连接所述末端执行器；

本体定位架，设置于所述末端执行器；

末端定位架，用于可拆卸地连接于所述医用器械，所述末端定位架与所述医用器械之间具有预定的方位关系；

光学导航装置，用于获取所述本体定位架与所述末端定位架的方位信息；

控制器，用于控制所述机械臂装置，所述控制器被配置为，在第一阶段利用所述光学导航装置获取的末端定位架的方位信息获得所述医用器械的方位信息，在第二阶段利用所述光学导航装置获取的所述本体定位架的方位信息获得所述医用器械的方位信息。

2.根据权利要求1所述的外科手术系统，其特征在于，所述末端定位架用于在所述第一阶段保持在所述医用器械上。

3.根据权利要求1所述的外科手术系统，其特征在于，所述控制器被配置为，由所述第一阶段末获得的所述末端定位架的方位信息及所述本体定位架的方位信息计算获得二者之间的相对位置关系。

4.根据权利要求3所述的外科手术系统，其特征在于，所述控制器被配置为，所述在第二阶段利用所述光学导航装置获取的所述本体定位架的方位信息获得所述医用器械的方位信息，包括：

利用所述光学导航装置获取的所述本体定位架的方位信息以及所述相对位置关系信息获得所述医用器械的方位信息。

5.根据权利要求1所述的外科手术系统，其特征在于，所述末端定位架用于指示所述医用器械的平面、轴线或中心。

6.根据权利要求5所述的外科手术系统，其特征在于，所述医用器械为锯片，所述末端定位架用于可拆卸地连接于所述锯片。

7.一种导航方法，用于对医用器械进行定位，其特征在于，所述导航方法包括预定位阶段和导航定位阶段，在预定位阶段，利用光学导航装置追踪第一定位装置对所述医用器械进行定位；在所述导航定位阶段，利用光学导航装置追踪第二定位装置对所述医用器械进行定位。

8.根据权利要求7所述的导航方法，其特征在于，在所述预定位阶段，所述第一定位装置可拆卸地设置于所述医用器械。

9.根据权利要求7所述的导航方法，其特征在于，还包括，在所述预定位阶段末，获取所述第一定位装置与所述第二定位装置之间的相对位置关系。

10.根据权利要求9所述的导航方法，其特征在于，所述利用光学导航装置追踪第二定位装置对所述医用器械进行定位包括：根据所述第二定位装置及所述第一定位装置与所述第二定位装置之间的相对位置关系计算所述医用器械的位置。

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