CN114305705A - 一种手术机器人位置自动校正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手术机器人位置自动校正装置及方法，包括底座，底座上表面设置有XY轴气泡水平仪，XY轴气泡水平仪的一侧设置有基座卡口，基座卡口上固定连接安装座，安装座上活动连接基座，基座与机械臂连接，机械臂另一端连接工作端，工作端下表面设置有四个激光指示灯，四个激光指示灯呈十字排列，四个激光指示灯外围设置若干个三维全景视觉镜头，本发明将机器人本体坐标作为定位基础，采用独特的平面XY方向和垂直面的工作端到各靶点的距离作为定位依据，快速建立统一坐标系，从而获得更加精准的手术定位的目的。

Description

一种手术机器人位置自动校正装置及方法

技术领域

本发明涉及工具坐标校正技术领域，具体为一种手术机器人位置自动校正装置及方法。

背景技术

近年来，外科手术趋向于微创化，在带来创口小、失血少和恢复快等便利的同时，也缩小了医生的视野，不利于直接观察，一般会借助手术机器人进行辅助手术，一般在术前使用MRI、CT等医学影像数据进行三维模型重建，后采用手术辅助机器人进行导航，但现有手术辅助机器人进行校准时，将工作端的导航靶标作为定位坐标，而机器人本体坐标并不作为术中导航定位坐标，并且手术机器人移动至其他的手术环境中，会影响初始校准精度，同时因复杂场景的地面或台面不平整，也会导致机器人校正偏差，以及在使用过程中影响精度，最终输出结果有误，因此，一种采用以自身为基准，具备自动校正位置的手术机器人，并在多种复杂的环境中仍能保持校正精准的关键技术，就显得尤为重要。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种手术机器人位置自动校正装置及方法，将机器人本体坐标作为定位基础，采用独特的平面XY方向和垂直面的工作端到各靶点的距离作为定位依据，与术前MRI图像快速建立统一坐标系，从而获得更加精准的手术定位，以此来解决上述背景技术中提出的技术问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案一种手术机器人位置自动校正装置，包括底座，所述底座上表面设置有XY轴气泡水平仪，所述XY轴气泡水平仪的一侧设置有基座卡口，所述基座卡口上固定连接安装座，所述安装座上活动连接基座，所述基座与机械臂连接，所述机械臂另一端连接工作端，所述工作端下表面设置有四个激光指示灯，四个所述激光指示灯呈十字排列，四个所述激光指示灯外围设置若干个三维全景视觉镜头。

优选的，所述底座的上表面设置有四个方向标，所述方向标位于XY轴气泡水平仪外侧周向均布设置且与XY轴气泡水平仪的轴线延长线在同一直线上，所述方向标的箭头方向朝向外侧设置，所述方向标的箭头处作为靶点。

优选的，所述XY轴气泡水平仪的上表面与底座的上表面处于同一水平面；

优选的，所述方向标设置在XY轴气泡水平仪上；

优选的，所述底座一端设置有插线接口。

优选的，所述机械臂为多轴机械臂。

优选的，所述三维全景视觉镜头的数量为四个，四个所述三维全景视觉镜头呈十字排列，对应设置在四个所述激光指示灯的外侧。

优选的，一种手术机器人位置自动校正的方法，包括如下步骤：

步骤S1，以XY轴气泡水平仪上的刻度标建立坐标系，作为定位基准；

步骤S2，打开激光指示灯，发射出十字光标，机械臂在三维全景视觉镜头引导或者手动调试下，将十字光标中心及十字方向对准XY轴气泡水平仪上的刻度标中心及十字方向后，机械臂运行停止，实现在XY轴上校准；

步骤S3，在步骤S2状态下，三维全景视觉镜头读取XY轴气泡水平仪中的气泡位置，获取此时底座的倾斜方向参数及倾斜角度参数，同时四个三维全景视觉镜头共同测量工作端中心到XY轴气泡水平仪中心的第一距离值，并且每个三维全景视觉镜头测量到每个对应靶点的第二距离值；

步骤S4，根据步骤S3获得的倾斜方向、倾斜角度、第一距离值和第二距离值的四个参数值，计算当前手术机器人的位置偏移，并将手术机器人上的坐标系与术前建立的MRI图像坐标系统一，完成位置校正。

优选的，所述激光指示灯发出十字光标上的X轴与所述XY轴气泡水平仪刻度标上的X轴重合，所述激光指示灯发出十字光标上的Y轴与所述XY轴气泡水平仪刻度标上的Y轴重合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1．本发明的手术机器人在定位过程中通过自身坐标系实现位置自动校正，不需要借助第三方位置校正工具，数据量大幅减少，可实现快速重复校正。

2．本发明的手术机器人结构简单，成本低，可实现全自动操作或手动操作。

3．本发明的手术机器人可同时校正机械臂工作端的位置水平位置。

4．本发明的方法大幅简化手术机器人术前坐标建立并大幅提高术中跟踪数据处理速度。

5．本发明的手术机器人可解决因手术机器人底座轮子不或地面不平整等外界原因导致的定位偏离，并且机器人能快速响应，重新定位校正，以大幅减少对手术精度和时间的影响。

6．本发明可以减少机器人工作端的重量和结构复杂程度，在X光透视时减少遮挡，优势明显。

附图说明

图1为本发明一种手术机器人位置自动校正装置的结构示意图；

图2为本发明XY轴气泡水平仪及安装座安装位置结构示意图；

图3为本发明机器人工作端的结构示意图；

图4为本发明底座倾斜时手术机器人进行对准工作时的结构示意图；

图中：1、工作端；2、机械臂；3、基座；4、XY轴气泡水平仪；41、刻度标；5、操控面板；6、底座；7、安装座；8、方向标；9、基座卡口；10、三维全景视觉镜头；11、激光指示灯；12、靶点；13、插线接口；14、第一距离值；15、第二距离值。

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。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。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面根据本发明的整体结构，对其实施例进行说明。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种手术机器人位置自动校正装置，包括底座6，底座6上表面设置有XY轴气泡水平仪4，XY轴气泡水平仪4的上表面与底座6的上表面处于同一水平面，XY轴气泡水平仪4的一侧设置有基座卡口9，基座卡口9上固定连接安装座7，安装座7上活动连接基座3，基座3与机械臂2连接，机械臂2另一端连接工作端1，工作端1下表面设置有四个激光指示灯11，四个激光指示灯11呈十字排列，四个激光指示灯11外围设置若干个三维全景视觉镜头10，XY轴气泡水平仪4与底座6位于同一水平面，本发明结构简单、成本低，能在运行过程中机械臂及时并快速响应，并作出自行调整反应，重新校正定位，保证更加精准的手术定位和动态跟踪的情况；底座6的上表面设置有四个方向标8，方向标8也可设置在XY轴气泡水平仪4上，避免组装时，重新与底座6上的方向标8重新对位，增加组装人员的工作难度；方向标8位于XY轴气泡水平仪4外侧周向均布设置且与XY轴气泡水平仪4的轴线延长线在同一直线上，保证视觉计算时，作为测距用的靶点可靠性及精准程度更高；方向标8的箭头方向朝向外侧设置，方向标8的箭头处作为靶点12，底座6一端设置有插线接口13，机械臂2为五轴机械臂2；三维全景视觉镜头10的数量为四个，四个三维全景视觉镜头10呈十字排列，对应设置在四个激光指示灯11的外侧，四个三维全景视觉镜头10可进行视觉畸形校正，防止单镜头出现计算不准的状况出现。

一种手术机器人位置自动校正的方法，包括如下步骤：

步骤S1，以XY轴气泡水平仪4上的刻度标41建立坐标系，作为定位基准；

步骤S2，打开激光指示灯11，发射出十字光标，机械臂2在三维全景视觉镜头10引导或者手动调试下，将十字光标中心及十字方向对准XY轴气泡水平仪4上的刻度标41中心及十字方向后，机械臂2运行停止，实现在XY轴上校准；

步骤S3，在步骤S2状态下，三维全景视觉镜头10读取XY轴气泡水平仪4中的气泡位置，获取此时底座6的倾斜方向参数及倾斜角度参数，同时四个三维全景视觉镜头10共同测量工作端1中心到XY轴气泡水平仪4中心的第一距离值14，并且每个三维全景视觉镜头10测量到每个对应靶点12的第二距离值15。

步骤S4，根据步骤S3获得的倾斜方向、倾斜角度、第一距离值14和第二距离值15的四个参数值，计算当前手术机器人的位置偏移，并将手术机器人上的坐标系与术前建立的MRI图像坐标系统一，完成位置校正。

激光指示灯11发出十字光标上的X轴与XY轴气泡水平仪4刻度标41上的X轴重合，激光指示灯11发出十字光标上的Y轴与XY轴气泡水平仪4刻度标41上的Y轴重合。

如图4为本发明底座6倾斜时激光十字标与XY轴气泡水平仪4对准工作的结构示意图，具体的校准工作方案如下：

手术前，使用MRI等医学影像数据进行三维模型构建，得到含有坐标系的数字模型，并传输到电脑显示端，相关人员对构建的三维模型进行部分位置病灶判断及对应的组织结构，并开始准备启动手术机器人进行辅助工作，首先将手术机器人固定在待作业区预备工作，将插线接口13与电脑端连接，保持手术机器人的数据与电脑端中的应用数据连通且响应后，由三维全景视觉镜头10或人工观察底座6上的XY轴气泡水平仪4中气泡是否偏移，若发生偏移，则手术机器人开始自检响应自动校正；手术机器人的工作端1上的四个激光指示灯11组合射出呈十字的激光路线，由人工操控操控面板5或者通过电脑端调控将射出的呈十字的激光路线中心与XY轴气泡水平仪4上刻度标41的十字中心对准，激光路线的XY轴线对准刻度标41上的XY轴线，至此工作端1实现了XY方向上的对准，确定后，电脑端记录此时的定位信息；

其次位于工作端1的四个三维全景视觉镜头10读取XY轴气泡水平仪4上的气泡偏移位置，判定底座6偏移方向及角度值；详细的如图2上所示的状态，可将XY轴气泡水平仪4通过XY轴分成四个象限，倘若底座6左前方向（第二象限）高于水平线时，那么处于第四象限中的工作端1，为了将工作端1底端中心与XY轴气泡水平仪4中心在垂直方向对准，工作端1会向左前方向（工作端的中心点从第四象限向XY轴气泡水平仪4中心点）进行匀速圆周运动，与此同时四个三维全景视觉镜头10共同测量工作端1底端中心到XY轴气泡水平仪4中心点的第一距离值14，以此用来调整工作端的高度，并且根据高度确定每个三维全景视觉镜头10自身到对应的每个靶点12的第二距离值15，使三个及三个以上的第二距离值15相等，以此保证工作端1底面与底座6上表面平行，进而合成机械臂2的运动路径，实现调节校正；通过记录倾斜方向、倾斜角度、第一距离值14和第二距离值15这四个基本参数进行误差调节，并将手术机器人本体的坐标系与术前MRI图像的坐标系完成统一，实现了本发明在空间上的准确定位，完成精准定位及手术进程。本发明以手术机器人本身作为校正工具，不借助外物或者其他调节机构，使本装置在复杂环境的适用程度提高，抗干扰性能大幅增加。

本发明的空间定位方法，将手术机器人本体坐标作为定位基础，采用独特的平面XY方向定位和垂直面的三个靶点及中心点对准作为定位依据进行位置校正，得到校正机械臂在XY平面方向和与垂直方向的位置关系，并将其作为机械臂的基准坐标，手术机器人在此基础上移动坐标可以直接与底座上的另一坐标系融合，达到快速建立统一坐标系的目的，以此为基础还可以测量并校正机械臂操作时在方向和角度上的偏差，从而获得更加精准的手术定位和快速跟踪，校正后的坐标再与术中X光和术前MRI图像进行处理，做到使所有坐标系统一，数据更精准。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种手术机器人位置自动校正装置，其特征在于，包括底座(6)，所述底座(6)上表面设置有XY轴气泡水平仪(4)，所述XY轴气泡水平仪(4)的一侧设置有基座卡口(9)，所述基座卡口(9)上固定连接安装座(7)，所述安装座(7)上活动连接基座(3)，所述基座(3)与机械臂(2)连接，所述机械臂(2)另一端连接工作端(1)，所述工作端(1)下表面设置有四个激光指示灯(11)，四个所述激光指示灯(11)呈十字排列，四个所述激光指示灯(11)外围设置若干个三维全景视觉镜头(10)。

2.根据权利要求1所述的一种手术机器人位置自动校正装置，其特征在于，所述底座(6)的上表面设置有四个方向标(8)，所述方向标(8)位于XY轴气泡水平仪(4)外侧周向均布设置且与XY轴气泡水平仪(4)的轴线延长线在同一直线上，所述方向标(8)的箭头方向朝向外侧设置，所述方向标(8)的箭头处作为靶点(12)。

3.根据权利要求1所述的一种手术机器人位置自动校正装置，其特征在于，所述XY轴气泡水平仪(4)的上表面与底座(6)的上表面处于同一水平面。

4.根据权利要求2所述的一种手术机器人位置自动校正装置，其特征在于，所述方向标(8)设置在XY轴气泡水平仪(4)上。

5.根据权利要求1所述的一种手术机器人位置自动校正装置，其特征在于，所述底座(6)一端设置有插线接口(13)。

6.根据权利要求1所述的一种手术机器人位置自动校正装置，其特征在于，所述底座(6)的一端还设置有操控面板(5)。

7.根据权利要求1所述的一种手术机器人位置自动校正装置，其特征在于，所述机械臂(2)为多轴机械臂。

8.根据权利要求1所述的一种手术机器人位置自动校正装置，其特征在于，所述三维全景视觉镜头(10)的数量为四个，四个所述三维全景视觉镜头(10)呈十字排列，对应设置在四个所述激光指示灯(11)的外侧。

9.一种手术机器人位置自动校正的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，以XY轴气泡水平仪(4)上的刻度标(41)建立坐标系，作为定位基准；

步骤S2，打开激光指示灯(11)，发射出十字光标，机械臂(2)在三维全景视觉镜头(10)引导或者手动调试下，将十字光标中心及十字方向对准XY轴气泡水平仪(4)上的刻度标(41)中心及十字方向后，机械臂(2)运行停止，实现在XY轴上校准；

步骤S3，在步骤S2状态下，三维全景视觉镜头(10)读取XY轴气泡水平仪(4)中的气泡位置，获取此时底座(6)的倾斜方向参数及倾斜角度参数，同时四个三维全景视觉镜头(10)共同测量工作端(1)中心到XY轴气泡水平仪(4)中心的第一距离值(14)，并且每个三维全景视觉镜头(10)测量到每个对应靶点(12)的第二距离值(15)；

步骤S4，根据步骤S3获得的倾斜方向、倾斜角度、第一距离值(14)和第二距离值(15)的四个参数值，计算当前手术机器人的位置偏移，并将手术机器人上的坐标系与术前建立的MRI图像坐标系统一，完成位置校正。

10.根据权利要求9所述的一种手术机器人位置自动校正的方法，其特征在于，所述激光指示灯(11)发出十字光标上的X轴与所述XY轴气泡水平仪(4)刻度标(41)上的X轴重合，所述激光指示灯(11)发出十字光标上的Y轴与所述XY轴气泡水平仪(4)刻度标(41)上的Y轴重合。

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