CN113995510A - 手术导航推车、手术辅助机器人系统及避免头部碰撞的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手术导航推车、手术辅助机器人系统及避免头部碰撞的方法。一种手术导航推车，所述手术导航推车包括：支撑臂，用于与手术床连接，并能够刚性固定所述手术床上的目标部位；姿态读取机构，用于获取所述支撑臂的姿态信息。该手术导航推车通过设置姿态读取机构，能够便于规划手术辅助机器人系统中的机械臂运行轨迹，从而避免手术机械臂与支撑臂的碰撞。

Description

手术导航推车、手术辅助机器人系统及避免头部碰撞的方法

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，特别是涉及一种手术导航推车、手术辅助机器人系统及避免头部碰撞的方法。

背景技术

在手术导航推车使用过程中，需要将病人头部与导航推车通过支撑臂刚性连接。手术过程中，根据医生选定的穿刺路径不同，手术机械臂的运行轨迹也不同。在此过程中，可能会存在机械臂与支撑臂发生碰撞的风险。

发明内容

基于此，有必要针对上述的问题，提供一种改进的手术导航推车、手术辅助机器人系统及避免头部碰撞的方法。该手术导航推车通过设置姿态读取机构，能够便于规划手术辅助机器人系统中的机械臂运行轨迹，从而避免手术机械臂与支撑臂的碰撞。

本发明一实施方式提供一种手术导航推车，所述手术导航推车包括：

支撑臂，用于与手术床连接，并能够刚性固定所述手术床上的目标部位；

姿态读取机构，用于获取所述支撑臂的姿态信息。

进一步地，所述支撑臂包括至少两个相连的活动关节，两个所述活动关节串接并能够相对所述手术床运动，且所述姿态读取机构获取每个所述活动关节的运动量。

进一步地，其中一个所述活动关节能够相对于另一个所述活动关节的转动；以及，

其中一个所述活动关节能够绕自身轴线的转动及伸缩运动。

进一步地，所述姿态读取机构包括安装于所述活动关节外侧的刻度件或设置于所述活动关节上的刻度标识。

将上述的这些与活动关节相关的运动量输入手术辅助机器人系统时，手术辅助机器人系统会计算并形成当前支撑臂的姿态。手术辅助机器人系统在规划机械臂的运行轨迹时，便能够有效避开当前支撑臂活动关节所在的位置，从而避免两者发生碰撞。如此设置，不仅能够直接活动关节的运动量，且相应的生产成本较低。

进一步地，所述刻度件包括：

第一刻度盘，能够读取所述活动关节的轴向伸缩量；及/或，

第二刻度盘，能够读取所述活动关节的转动量。

进一步地，所述姿态读取机构包括多个编码器，所述编码器包括：

安装于两个相邻的所述活动关节之间的编码器；及，

安装于所述活动关节内部的编码器。

如此设置，不仅减少人工读取的误差，且能够减少人工的手工输入的工作量。

进一步地，所述编码器包括：第一编码器，能够获取所述活动关节的轴向伸缩量；及/或，

第二编码器，能够获取所述活动关节的转动量。

本发明一实施方式还提供一种手术辅助机器人系统，包括：

控制中心；

连接于所述控制中心的手术机械臂；以及，

如上述任意一项所述的手术导航推车；

其中，所述手术机械臂安装于所述手术导航推车，并用于对所述目标部位进行手术；所述控制中心分别连接于所述手术机械臂及所述支撑臂，并控制所述手术机械臂与所述支撑臂运动；

所述控制中心获取所述姿态信息，并控制所述手术机械臂的运行轨迹避让所述支撑臂。

本发明一实施方式还提供一种避免头部碰撞的方法，所述避免头部碰撞的方法应用于手术导航推车，所述手术导航推车为如上述任意一项所述的手术导航推车；

所述避免头部碰撞的方法包括：

获取所述支撑臂的姿态信息；

输入所述姿态信息；

规划机械臂的运行轨迹；

其中，所述手术机械臂的运行轨迹避让所述支撑臂。

进一步地，所述获取所述支撑臂的姿态信息的步骤包括：

人工读取所述支撑臂上的刻度数据；或，

通过编码器获取所述支撑臂的姿态信息。

附图说明

图1为本发明一实施方式中手术辅助机器人系统的结构示意图；

图2为图1所示手术辅助机器人系统中支撑臂、锁定机构及姿态读取机构的结构示意图；

图3为图2所示支撑臂、锁定机构及姿态读取机构另一视角的结构示意图。

元件标号说明

100、手术导航推车；10、基座；11、基架；12、滑轨；20、支撑臂；21、活动关节；211、第一关节；2111、第一连接部；2112、第二连接部；212、第二关节；2121、连接块；30、锁定机构；40、姿态读取机构；41、刻度件；411、第一刻度盘；412、第二刻度盘；42、编码器；421、第二编码器；200、手术床；201、头架；300、机械臂。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请一并参阅图1至图3，图1为本发明一实施方式中手术辅助机器人系统的结构示意图；图2为图1所示手术辅助机器人系统中支撑臂20、锁定机构30及姿态读取机构40的结构示意图；图3为图2所示支撑臂20、锁定机构30及姿态读取机构40另一视角的结构示意图。

本发明一实施方式提供一种手术导航推车100，应用于神经外科手术辅助机器人系统对患者的目标部位(例如头部等)进行手术。患者的头部通常位于手术床200的头架201上。并且，为了保证手术精度，需要手术导航推车100的支撑臂20与手术床200的头架201固定连接，以便于头架201带着头部窜动。

手术导航推车100包括基座10及支撑臂20。支撑臂20可转动地设置于基座10。基座10用于支撑手术导航推车100。支撑臂20用于连接手术床200的头架201，并使得手术导航推车100与手术床200之间相对固定、且不易移位。如此，使得手术导航推车100上的机械臂容易识别到手术床200上手术对象的目标部位，从而使得机械臂能够精准为目标部位进行手术。

基座10包括基架11及滑轨12。滑轨12可滑动地设置于基架11上；滑轨12与支撑臂20相连。滑轨12相对于基架11的滑动能够带动支撑臂20移动。如此设置，使得头架201相对于基架11滑动，有效的解决手术过程中因意外移动时而导致头部拉扯而伤害的问题，进而避免患者受到伤害，起到安全保护的作用。

当然，在其他实施方式中，滑轨12与基架11之间还可以设置滑动组件，以增加滑轨12与基架11之间的滑动灵活度。滑动组件包括可滑动设置于滑轨12的滑块(未标号)。滑动组件通过滑块与滑轨12配合。滑块可滑动安装于滑轨12。可以理解的，滑块上具有安装于滑轨12的滑槽，滑块可通过滑槽与滑轨12的配合沿滑轨12滑动。

支撑臂20包括至少两个活动关节21。在本实施方式中，以两个活动关节21的实施方式为例，两个活动关节21中的第一关节211可转动地设置于基座10上；第二关节212连接于第一关节211相对远离基座10的一端，且第二关节212能够用于连接手术床200的头架201。其中，相邻的两个活动关节21的其中一个能够相对另一个活动关节21转动。活动关节21的运动包括：其中一个活动关节21相对于另一个活动关节21的转动；以及，其中一个活动关节21绕自身轴线的转动及伸缩运动。

当然，活动关节21的数量及活动方式可以根据实际需求而相应设置；活动关节21的数量可以是三个以上，活动方式可以为转动或扭动等。

进一步地，每个活动关节21还包括第一连接部2111及第二连接部2112。第一连接部2111可转动地连接于基座10；第二连接部2112套接于第一连接部2111的侧向，且第二连接部2112能够沿其自身的轴线转动及伸缩；第二连接部2112与第二关节212转动连接。如此设置，能够增加活动关节21的自由度，使得支撑臂20的姿态可能性更多。

第二关节212的结构大致与第一关节211的结构相同，在此不做赘述。

在其中一个实施方式中，为了便于第二关节212与头架201之间的连接，第二关节212的端面设置连接块2121。连接块2121具有端面齿。连接块2121可与头架201通过螺纹件配合连接，同时连接块2121的端面齿可与头架201的端面齿相啮合，以限制第二关节212与头架201之间的相对运动，以保证可靠地支撑头架201。

可以理解，在其他实施方式中，第二关节212与头架201之间的连接方式还可以采用其他结构，例如卡接等，只要能够实现两者之间的可靠连接即可。

进一步地，每个活动关节21还对应设有锁定机构30。该锁定机构30用于锁定对应活动关节21相对于另一个活动关节21或基座10的转动，以使每个活动关节21的姿态能够被锁定。

锁定机构30的具体实施方式可采用现有的几种锁合结构，在此不做赘述。

在手术导航推车使用过程中，需要将病人头部与导航推车通过支撑臂刚性连接。手术过程中，根据医生选定的穿刺路径不同，位于手术导航推车上的机械臂所设定的运行轨迹(例如进针路线等)也不同。在此过程中，由于机械臂运行轨迹的多种可能性，容易存在与支撑臂碰撞的风险。

为了避免上述问题的发生，本发明的手术导航推车100还包括姿态读取机构40。姿态读取机构40用于获取支撑臂20的姿态信息。其中，姿态信息包括各个活动关节21的运动量。当姿态读取机构40获取了支撑臂20的姿态信息后，该姿态信息能够输入手术辅助机器人系统中统一的坐标中。如此，便能在手术辅助机器人系统的坐标系中获得支撑臂20的位姿，从而使得手术辅助机器系统在进行规划机械臂300运行轨迹时对该支撑臂20进行规避；即，能够有效避免手术辅助机器人系统中所规划的机械臂运行轨迹与当前的支撑臂20避免发生交错或重合，以避免两者之间的碰撞。

在一些实施方式中，上述机械臂300运行轨迹的规避方法，在实践中通常采用在手术辅助机器人系统的统一坐标系下，机械臂300有个模型，该支撑臂20也对应有个模型，是将两个模型通过碰撞算法来实现两者的避障规划轨迹。

在其中一个实施方式中，姿态读取机构40包括安装于活动关节21外侧的刻度件41或设置于所述活动关节21上的刻度标识。刻度件41或刻度标识显示活动关节21的运动量。该运动量包括活动关节21相对于其他活动关节21或基座10的转动量，以及活动关节21绕自身轴线的转动量或伸缩量。刻度件41的设置能够供操作人员直观地读取支撑臂20当前各个活动关节21的运动量，并输入手术辅助机器人系统中。将上述的这些与活动关节21相关的运动量输入手术辅助机器人系统时，手术辅助机器人系统会计算并形成当前支撑臂20的姿态。手术辅助机器人系统在规划机械臂的运行轨迹时，便能够有效避开当前支撑臂20活动关节21所在的位置，从而避免两者发生碰撞。如此设置，不仅能够直接活动关节21的运动量，且相应的生产成本较低。

刻度件41的精确度也可以根据支撑架实际所需要的姿态信息的精确度而相应设置。

进一步地，刻度件41包括第一刻度盘411及第二刻度盘412。第一刻度盘411能够读取活动关节21的轴向伸缩量。第二刻度盘412能够读取活动关节21的转动量。第一刻度盘411设置于第二连接部2112的外侧，且沿第二连接部2112的轴向设置。当第二连接部2112相对于第一连接部2111伸缩时，第一刻度盘411能够清晰地读取第二连接部2112的轴向伸缩量。

当然，刻度标识也可对应设置第一刻度标识及第二刻度标识，其功能和作用与第一刻度盘411及第二刻度盘412相近，只是刻度标识直接设置于活动关节21的外侧，不用额外设置部件。

第二刻度盘412绕对应活动关节21的周向设置；对应地，基座10或另一个活动关节21设置有定位该转动的活动关节21的基准线。当活动关节21转动时，能够清晰地从第二刻度盘412上读取活动关节21的转动量。其中，转动量包括：其中一个活动关节21相对于基座10或另一个活动关节21的转动量；以及，第二连接部2112绕自身轴线的转动量。每个活动关节21均设有对应的第一刻度盘411及第二刻度盘412。如此设置，每一个活动关节21的运动量都能够通过第一刻度盘411及第二刻度盘412清晰地被读取，在通过手动或自动地输入至手术辅助机器人系统中。

在另一些实施方式中，为了精准且自动地获取活动关节21的运动量，姿态读取机构40包括成编码器42。编码器42安装于两个相邻的活动关节21之间；及，编码器42安装于活动关节21内部。编码器42能够自动获取活动关节21的运动量，并输入至手术辅助机器人系统中。如此设置，不仅减少人工读取的误差，且能够减少人工的手工输入的工作量。

进一步地，编码器42包括第一编码器(未标号)及第二编码器421。第一编码器能够自动获取活动关节21的轴向伸缩量；第二编码器421能够自动获取转动量。第一编码器及第二编码器421均能够将其获取的运动量自动输入至手术辅助机器人系统中。其中，转动量包括：其中一个活动关节21相对于基座10或另一个活动关节21的转动量；以及，第二连接部2112绕自身轴线的转动量。第一关节211及第二关节212内均设有对应的第一编码器及第二编码器421，以相应获得各个活动关节21的精准运动量。

其中，第一编码器能够获取直线位移，并将直线位移转换成电信号；第二编码器421能够获取活动关节21的角位移，并将其转换成电信号。第一编码器及第二编码器421的种类可以根据实际需求而相应设置，例如选用增量式编码器42，只要能够实现获取活动关节21的转动量或轴向伸缩量即可。

本发明提供的一种手术导航推车100通过设置姿态读取机构，能够便于规划手术辅助机器人系统中的机械臂300运行轨迹，从而避免手术机械臂300与支撑臂20的碰撞。

本发明一实施方式中还提供一种手术辅助机器人系统。手术辅助机器人系统包括控制中心、手术机械臂以及上述的手术导航推车100。手术机械臂安装于手术导航推车100上，并能够在控制中心的作用下运行。手术导航推车100连接于控制中心。控制中心分别连接于手术机械臂及支撑臂20，并控制手术机械臂与支撑臂20运动；控制中心获取姿态信息，控制手术机械臂的运行轨迹避让支撑臂20。

该手术辅助机器人系统的控制中心能够在获取支撑臂20的姿态信息后，能够运算出支撑臂20的姿态，并规划机械臂的运行轨迹避让支撑臂20的当前姿态，从而避免机械臂与支撑臂20发生碰撞。如此，还能够减少手术辅助机器人系统的报错，以使整个手术过程正常运行。

本发明一实施方式还提供一种避免头部碰撞的方法，该方法包括：

S10，获取支撑臂20的姿态信息；

S20，输入姿态信息；

S30，规划机械臂的运行轨迹；

其中，手术机械臂的运行轨迹避让支撑臂20。

该方法能够减少手术辅助机器人系统中的碰撞，以使得整个手术过程正常运行。其中，手术辅助机器人系统通过姿态信息来获取支撑臂20的姿态，并在规划机械臂的运行轨迹时，避免与支撑臂20的姿态发生交错或重叠，从而能够有效避免机械臂与支撑臂20之间的碰撞。

进一步地，步骤S10获取支撑臂20的姿态信息的步骤包括：

S11，人工读取支撑臂20上的刻度数据；或，

S11’，通过编码器42获取支撑臂20的姿态信息。

具体地，步骤S11为在支撑臂20的各个活动关节21设置刻度件41，以读取各个活动关节21的运动量，从而获取支撑臂20的姿态信息；再通过人工输入姿态信息至手术辅助机器人系统中。人工读取的优点在于系统设置简单，且直观。或，

步骤S11’在支撑臂20的各个活动关节21设置编码器42，以自动地获取各个活动关节21的运动量，从而获取支撑臂20的姿态信息；编码器42再将上述的活动关节21的运动量自动地输入至手术辅助机器人系统中。设置编码器42的优点在于，整个系统的运行智能化，能够避免人工读取时产生的误差等，从而使手术辅助机器人系统整体能够统一运行。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种手术导航推车，其特征在于，所述手术导航推车包括：

支撑臂(20)，用于与手术床(200)连接，并能够刚性固定所述手术床(200)上的目标部位；

姿态读取机构(40)，用于获取所述支撑臂(20)的姿态信息。

2.根据权利要求1所述的手术导航推车，其特征在于，所述支撑臂(20)包括至少两个相连的活动关节(21)，两个所述活动关节(21)串接并能够相对所述手术床(200)运动，且所述姿态读取机构(40)获取每个所述活动关节(21)的运动量。

3.根据权利要求2所述的手术导航推车，其特征在于，其中一个所述活动关节(21)能够相对于另一个所述活动关节(21)的转动；以及，

其中一个所述活动关节(21)能够绕自身轴线的转动及伸缩运动。

4.根据权利要求3所述的手术导航推车，其特征在于，所述姿态读取机构(40)包括安装于所述活动关节(21)外侧的刻度件(41)或设置于所述活动关节(21)上的刻度标识。

5.根据权利要求4所述的手术导航推车，其特征在于，所述刻度件(41)包括：

第一刻度盘(411)，能够读取所述活动关节(21)的轴向伸缩量；及/或，

第二刻度盘(412)，能够读取所述活动关节(21)的转动量。

6.根据权利要求3所述的手术导航推车，其特征在于，所述姿态读取机构(40)包括多个编码器(42)，所述编码器(42)包括：

安装于两个相邻的所述活动关节(21)之间的编码器(42)；及，

安装于所述活动关节(21)内部的编码器(42)。

7.根据权利要求6所述的手术导航推车，其特征在于，所述编码器(42)包括：

第一编码器，能够获取所述活动关节(21)的轴向伸缩量；及/或，

第二编码器(421)，能够获取所述活动关节(21)的转动量。

8.一种手术辅助机器人系统，其特征在于，包括：

控制中心；

连接于所述控制中心的手术机械臂；以及，

如权利要求1至7任意一项所述的手术导航推车；

其中，所述手术机械臂安装于所述手术导航推车，并用于对所述目标部位进行手术；所述控制中心分别连接于所述手术机械臂及所述支撑臂(20)，并控制所述手术机械臂与所述支撑臂(20)运动；

所述控制中心获取所述姿态信息，并控制所述手术机械臂的运行轨迹避让所述支撑臂(20)。

9.一种避免头部碰撞的方法，其特征在于，所述避免头部碰撞的方法应用于手术导航推车，所述手术导航推车为如权利要求1至7任意一项所述的手术导航推车；

所述避免头部碰撞的方法包括：

获取所述支撑臂的姿态信息；

输入所述姿态信息；

规划机械臂的运行轨迹；

其中，所述手术机械臂的运行轨迹避让所述支撑臂。

10.根据权利要求9所述的避免头部碰撞的方法，其特征在于，所述获取所述支撑臂的姿态信息的步骤包括：

人工读取所述支撑臂上的刻度数据；或，

通过编码器获取所述支撑臂的姿态信息。

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