CN114886561B - 一种机器人手术路径规划装置及其规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人手术路径规划装置，包括：第一特征环、第二特征环和第一特征杆，均采用可在X光下显影的金属材质制成，分别设置在第一特征分布结构的第一连接臂上；第三特征环、第四特征环和第二特征杆，均采用可在X光下显影的金属材质制成，分别设置在第二特征分布结构的第四连接臂上；第一特征环和第二特征环同轴设置，第一特征杆的所处平面与第二特征环/第一特征环的所处平面共面；第三特征环和第四特征环同轴设置，第二特征杆的所处平面与第三特征环/第四特征环的所处平面共面。本发明的机器人手术路径规划装置在精度、易用性、实用性、成本控制、安全性方面均有良好表现，具有较高的市场价值。

Description

一种机器人手术路径规划装置及其规划方法

技术领域

本发明涉及医疗机器人技术领域，具体的涉及一种机器人手术路径规划装置及其规划方法。

背景技术

随着机器人医疗技术的日益发展，人体手术对医师的操作精度要求越来越高，人类由于自身条件限制无法手动开展高精度的手术，因此具有高精度，高灵敏度和高稳定性的设备变得非常具有实际意义。

以骨科定位机器人为例。骨科定位机器人的难点在于非直视，无法采用视觉定位等方式直接导航机器人定位，通常采用透视影像如O型臂、C型臂进行术中定位。采用O型臂定位如北京天智航医疗科技股份有限公司的天玑手术机器人，采用O型臂的三维透视数据在术中实现手术路径的规划，但是O型臂价格昂贵，除三甲医院外极少数医院配备O型臂，因此难以普及。采用C型臂定位如苏州铸正机器人有限公司的佐航100、佐航300机器人，采用C臂影像结合特有的机器人双圆环末端实现手术通道定位，只需一张片子即可完成定位，但是其主要针对脊柱通道的制定，难以进行骨盆复位等手术中的大角度通道定位。另一种基于C臂影像的立体XSpot标记点导航技术，采用多个特征点构成两个特征平面，实现C型臂的标定以及投影模型的建立，进而实现手术定位，但是其需要在人体身上安装标记点，对人体造成二次伤害，且Xspot体积过大，在使用中受到C臂视野的限制，极为不便。

因此，本发明所要解决的技术问题包括：

1、如何采用C臂的二维图像进行三维空间导航。C臂拍摄的是X光二维图像，不包含深度信息，医生如何完成手术通道的确定，是本发明需要解决的第一个技术难点。

2、如何保证该路径规划装置的简洁性。在临床手术中，受到患者、手术床、医生以及各种设备器材的干扰，机器人的操作空间十分有限，如何在这有限的空间内，在不干扰医生其他操作的情况下，实现手术通道的定位，是本发明需要解决的第二个技术难点。

3、如何将医生规划的手术通道映射到机器人空间下，完成机器人运动导航，这是本发明要解决的第三个技术难点。

4、如何实现路径规划装置的自动识别、姿态计算，是本发明要解决的第四个技术难点。

5、如何精确确定手术通道穿刺深度是本发明要解决的第五个技术难点。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明提出一种机器人手术路径规划装置，采用动态平面方法。在C型臂下分别拍摄正、侧位图像，通过比例系数来计算运动角度，通常情况下只需两张图即可完成手术路径的定位，操作简单实用，精度高，便于在各中小型医院推广，让偏远医院也能享受到医疗机器人所带来的便捷。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种机器人手术路径规划装置，包括：

末端连接法兰，连接机器人的机械臂末端；

手术路径定位平台，连接在所述末端连接法兰上；

第一特征分布结构，采用可被X光穿透的非金属材质制成，与所述手术路径定位平台连接；

第二特征分布结构，采用可被X光穿透的非金属材质制成，与所述末端连接法兰连接；

第一特征环、第二特征环和第一特征杆，均采用可在X光下显影的金属材质制成，分别设置在第一特征分布结构的第一连接臂上；

第三特征环、第四特征环和第二特征杆，均采用可在X光下显影的金属材质制成，分别设置在第二特征分布结构的第四连接臂上；

所述的第一特征环和第二特征环同轴设置，所述第一特征杆的所处平面与所述第二特征环/第一特征环的所处平面共面；

所述的第三特征环和第四特征环同轴设置，所述第二特征杆的所处平面与所述第三特征环/第四特征环的所处平面共面。

作为本发明的可选实施方式，手术路径定位平台上设置手术导向孔；

所述第一特征环的中心和第二特征环的中心的连线与所述手术导向孔的中心轴线垂直，所述第一特征杆的轴线与所述手术导向孔的中心轴线平行；

所述第三特征环的中心和第四特征环的中心的连线与所述手术导向孔的中心轴线垂直，所述第二特征杆的轴线与所述手术导向孔的中心轴线平行。

作为本发明的可选实施方式，所述第一特征环与第二特征环的形状和/或直径不同，用于在X光下具有不同的显影从而识别出第一特征环的中心与第二特征环的中心；

所述第三特征环与第四特征环的形状和/或直径不同，用于在X光下具有不同的显影从而识别出第三特征环的中心与第四特征环的中心。

作为本发明的可选实施方式，所述的第一连接臂包括第一连接结构和与所述第一连接结构相连的第一定位结构和第二定位结构，所述第一定位结构和第二定位结构同轴相对设置，所述第一特征环设置在所述第一定位结构上，所述第二特征环设置在所述第二定位结构上，所述第一特征杆设置在所述第一连接结构上；

所述第四连接臂包括第四连接结构和与所述第四连接结构相连的第三定位结构和第四定位结构，所述第三定位结构和第四定位结构同轴相对设置，所述第三特征环设置在所述第三定位结构上，所述第四特征环设置在所述第四定位结构上，所述第二特征杆设置在所述第四连接结构上。

作为本发明的可选实施方式，所述手术路径定位平台包括第一手术路径定位平台和第二手术路径定位平台，所述手术导向孔设置在所述第一手术路径定位平台上；

所述第一特征分布结构包括第一连接臂和第二连接臂，所述第二连接臂的一端与所述第一连接臂垂直，二者可滑动连接，所述的第二连接臂的另一端与所述第一手术路径定位平台固定连接、所述第一手术路径定位平台与所述第二手术路径定位平台固定连接，所述第二手术路径定位平台与所述末端连接法兰通过滑块可滑动连接；

所述第二特征分布结构包括第三连接臂和第四连接臂，所述第三连接臂的一端与所述第四连接臂垂直，二者可滑动连接，所述第三连接臂的另一端与所述末端连接法兰固定连接。

作为本发明的可选实施方式，所述末端连接法兰上设有连接滑轨，所述第二手术路径定位平台上的滑块与所述连接滑轨匹配连接；

所述第三连接臂与所述末端连接法兰设置在所述连接滑轨的同侧，与所述连接滑轨固定连接。

作为本发明的可选实施方式，所述第一手术路径定位平台上设有第一滑动结构，用以带动所述第二连接臂在第一方向旋转；

所述第二手术路径定位平台上设有第二滑动结构，用以带动第二连接臂在第二方向旋转；

所述第一方向旋转的轴线和所述第二方向旋转的轴线相互垂直。

一种如上所述机器人手术路径规划装置的规划方法，包括：

将X光机的接收端调整至正位，将所述机器人手术路径规划装置的所述第三特征环、第四特征环、第二特征杆调整至X光机于手术区域之间，并使所述第三特征环和第四特征环与所述X光机平行；

通过X光机拍摄X光影像，识别出X光影像上第三特征环、第四特征环、第二特征杆的显影，在X光影像上选取手术规划通道的第一规划点和第二规划点；

计算正位时第一特征点分布平面与手术规划通道重合时机械臂末端相对于机械臂基座的运动参数；

根据正位时获得的运动参数调整所述机械臂末端运动，直至正位X光影像下所述第二特征杆与所述第一规划点和第二规划点的连线重合；

将X光机的接收端调整至侧位，保持所述第二特征分布结构和机械臂基座位置固定，将所述机器人手术路径规划装置的第一特征环、第二特征环和第一特征杆调整至X光机与手术区域之间，并使所述第一特征环和第二特征环与所述X光机平行；

通过X光机拍摄X光影像，识别出X光影像上第一特征环、第二特征环、第一特征杆的显影，计算侧位时第二特征点分布平面与医生规划通道重合时所述手术路径定位平台相对于机械臂基座的运动参数；

根据侧位时获得的运动参数调整所述手术路径定位平台运动，直至侧位X光影像下所述第一特征杆与所述第一规划点和第二规划点的连线重合；

第一特征分布平面和第二特征分布平面的交线即为规划的手术路径DST_Channel。

作为本发明的可选实施方式，所述计算正位时第一特征点分布平面与手术规划通道重合时机械臂末端相对于机械臂基座的运动参数的步骤包括：

S10：建立坐标系，在第二特征环的圆心处建立坐标系Plane1，第一特征杆所在直线方向为z方向，y轴垂直于第二特征点分布平面，在第三特征环的圆心处建立坐标系Plane2，第二特征杆所在直线方向为z方向，y轴垂直于第一特征点分布平面，机械臂末端Tcp坐标系至Plane1坐标系位置关系记为机械臂末端Tcp坐标系至Plane2坐标系位置关系记为/>在第一手术路径定位平台的旋转轴线和第二手术路径定位平台的旋转轴线的交点处建立坐标系rotate，其姿态与所述坐标系Plane1相同，坐标系rotate至坐标系Plane1位置关系记为/>机械臂末端Tcp坐标系至坐标系rotate位置关系记为

S11：计算真实尺度空间与像素空间的比例系数，测量第二特征杆的像素距离为L1'，令比例系数ref：

其中，L1是第二特征杆的实际距离，为已知参数；

S12：计算使第三特征环和第四特征环的圆心共线的旋转角度α，计算第三特征环的圆心和第四特征环的圆心的连线在zy平面上投影点之间的距离s，根据计算的比例因子，可得：

其中，h为第三特征环的圆心和第四特征环的圆心在三维空间中的实际距离，为已知；

S13：计算第一规划点与第二规划点的连线与第二特征杆的投影直线之间的夹角θ，通过向量夹角公式可得：

其中，a为第二特征杆的投影直线所在方向的向量，b为第一规划点与第二规划点的连线所在方向的向量；

S14：计算第二特征杆的投影直线至第一规划点与第二规划点的连线之间的像素距离，通过比例关系ref，获得第二特征杆至第一规划点与第二规划点的连线的实际距离d；

S15：汇总数据，得运动矩阵T_Plane2：

S16：利用将机器人工具坐标系设置到Plane2坐标系，控制机器人运动T_Plane2，运动完毕之后还原Tcp至零点位置，记录此刻机械臂末端Tcp相对于基座坐标系Base的相对位置/>

作为本发明的可选实施方式，计算侧位时第二特征点分布平面与医生规划通道重合时所述手术路径定位平台相对于机械臂基座的运动参数的步骤包括：

S20：在所述步骤S10的坐标系下，对所述第一特征环、第二特征环和第一特征杆重复所述步骤S11至步骤S15，获得机械臂末端Tcp坐标系至坐标系rotate位置关系，记为

S21：计算坐标系Plane1相对于机械臂末端Tcp坐标系的位姿根据：

其中，是固定不变，为已知，/>为所述步骤S20计算所得，为已知；

S22：利用将机器人工具坐标系设置到Plane1坐标系，控制所述手术路径定位平台运动/>运动完毕之后还原Tcp至零点位置。

作为本发明的可选实施方式，包括调整所述手术导向孔的深度，调整量计算公式如下：

D＝h1-h，

其中，D为调整量；h为所述步骤S16后确定的手术路径像素距离，为已知；h1为所述步骤S22后手术路径截止点变化后的手术路径像素距离；β为手术路径截止点变化角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的机器人手术路径规划装置具有可在X光下显影的第一特征环、第二特征环、第一特征杆、第三特征环、第四特征环以及第二特征杆，将X光机置于第一位置(正位)，在第一特征分布平面内进行手术规划路径，根据第三特征环、第四特征环和第二特征杆与手术规划路径之间的几何关系可计算得到手术规划路径与第二特征杆重合时机器人的机械臂的运动路径。将X光机置于第二位置(侧位)，在第二特征分布平面内进行手术规划路径，根据第一特征环、第二特征环和第一特征杆与手术规划路径之间的几何关系可计算得到手术规划路径与第一特征杆重合时手术路径定位平台的运动路径。将第一特征分布平面和第二特征分布平面的交线即为手术规划路径DST_Channel，医生即可通过手术导向孔进行手术操作。

本发明的一种机器人手术路径规划装置基于动态平面，连接在高精度六自由度机器人的机械臂末端，结合C臂影像进行术中路径规划，设备要求低，适合在中小型医院推广普及。

本发明的一种机器人手术路径规划装置只需正、侧位两张C臂影像视图即可完成定位和导航，具有操作简单的优势。

本发明的一种机器人手术路径规划装置除了精确的定位手术通道，还可精确给出顺着手术通道的纵向手术截止点，保障了手术的精度和安全性。

本发明的一种机器人手术路径规划装置相比于现有技术，该方案能够很好适应大角度下的机器人定位，能够适应多种临床适应症，如脊柱置钉、骨盆复位等等。

本发明的一种机器人手术路径规划装置无需在患者身上另外植入Marker，减少了对患者的伤害，提升了手术的安全性。

本发明的一种机器人手术路径规划装置无需采用第三方导航设备，如双目相机，减少了设备使用的复杂性，减少了中间环节，降低误差累积。

因此，本发明的一种机器人手术路径规划装置在精度、易用性、实用性、成本控制、安全性方面均有良好表现，具有较高的市场价值。

附图说明

图1为本发明机器人手术路径规划装置的结构示意图一；

图2为本发明机器人手术路径规划装置的结构示意图二；

图3为本发明机器人手术路径规划装置安装在机器人的机械臂上的整体结构示意图；

图为4本发明机器人手术路径规划装置的导航流程图；

图为5本发明机器人手术路径截止点距离补偿示意图；

图为6本发明机器人手术路径规划装置的目标手术通道DST_Channel的示意图。

其中，

1-第一特征环；2-第二特征环；3-第一连接臂；4-第一特征杆；5-手术导向孔；6-第一旋钮；7-第二旋钮；8-第一滑杆；9-第二连接臂；10-第一手术路径定位平台；11-第二手术路径定位平台；12-末端连接法兰；13-第三旋钮；14-第三连接臂；15-第二滑杆；16-连接板；17-第四连接臂；18-第二特征杆；19-第四特征环；20-第三特征环；21-X光机；22-机械臂；23-第四旋钮24-第一特征环/第三特征环的投影；25-第二特征环/第四特征环的投影；26-第一特征杆/第二特征杆的投影；27-手术规划路径；28-连接滑轨；29-第一特征分布平面；30-第二特征分布平面；31-第一连接结构；32-第一定位结构；33-第二定位结构；171-第四连接结构；172-第三定位结构；173-第四定位结构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，这类术语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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见图1-图6所示，本实施例提供一种机器人手术路径规划装置，包括：

末端连接法兰12，连接机器人的机械臂22末端；

手术路径定位平台，连接在所述末端连接法兰12上；

第一特征分布结构，采用可被X光穿透的非金属材质制成，与所述手术路径定位平台连接；

第二特征分布结构，采用可被X光穿透的非金属材质制成，与所述末端连接法兰连接；

第一特征环1、第二特征环2和第一特征杆4，均采用可在X光下显影的金属材质制成，分别设置在第一特征分布结构的第一连接臂3上；

第三特征环20、第四特征环19和第二特征杆18，均采用可在X光下显影的金属材质制成，分别设置在第二特征分布结构的第四连接臂17上；

所述的第一特征环1和第二特征环2同轴设置，所述第一特征杆4的所处平面与所述第二特征环2/第一特征环1的所处平面共面；

所述的第三特征环20和第四特征环19同轴设置，所述第二特征杆18的所处平面与所述第三特征环20/第四特征环19的所处平面共面。

本发明的机器人手术路径规划装置具有可在X光下显影的第一特征环、第二特征环、第一特征杆、第三特征环、第四特征环以及第二特征杆，将X光机置于第一位置(正位)，在第一特征分布平面内进行手术规划路径，根据第三特征环、第四特征环和第二特征杆与手术规划路径之间的几何关系可计算得到手术规划路径与第二特征杆重合时机器人的机械臂的运动路径。将X光机置于第二位置(侧位)，在第二特征分布平面内进行手术规划路径，根据第一特征环、第二特征环和第一特征杆与手术规划路径之间的几何关系可计算得到手术规划路径与第一特征杆重合时手术路径定位平台的运动路径。将第一特征分布平面和第二特征分布平面的交线即为手术规划路径DST_Channel，医生即可通过手术导向孔进行手术操作。

本发明的一种机器人手术路径规划装置基于动态平面，连接在高精度六自由度机器人的机械臂末端，结合C臂影像进行术中路径规划，设备要求低，适合在中小型医院推广普及。

本发明的一种机器人手术路径规划装置只需正、侧位两张C臂影像视图即可完成定位和导航，具有操作简单的优势。

本发明的一种机器人手术路径规划装置除了精确的定位手术通道，还可精确给出顺着手术通道的纵向手术截止点，保障了手术的精度和安全性。

本发明的一种机器人手术路径规划装置相比于现有技术，该方案能够很好适应大角度下的机器人定位，能够适应多种临床适应症，如脊柱置钉、骨盆复位等等。

本发明的一种机器人手术路径规划装置无需在患者身上另外植入Marker，减少了对患者的伤害，提升了手术的安全性。

本发明的一种机器人手术路径规划装置无需采用第三方导航设备，如双目相机，减少了设备使用的复杂性，减少了中间环节，降低误差累积。

因此，本发明的一种机器人手术路径规划装置在精度、易用性、实用性、成本控制、安全性方面均有良好表现，具有较高的市场价值。

作为本实施例的可选实施方式，手术路径定位平台上设置手术导向孔5；所述第一特征环1的中心和第二特征环2的中心的连线与所述手术导向孔5的中心轴线垂直，所述第一特征杆4的轴线与所述手术导向孔5的中心轴线平行；这样，可更便于确定特征点、手术路径导向孔之间的空间位置关系，便于进行空间位置关系的几何运算。

所述第三特征环20的中心和第四特征环19的中心的连线与所述手术导向孔5的中心轴线垂直，所述第二特征杆18的轴线与所述手术导向孔5的中心轴线平行。这样，可更便于确定特征点、手术路径导向孔之间的空间位置关系，便于进行空间位置关系的几何运算。

作为本实施例的可选实施方式，所述第一特征环1与第二特征环2的形状和/或直径不同，用于在X光下具有不同的显影从而识别出第一特征环1的中心与第二特征环2的中心。所述第三特征环20与第四特征环19的形状和/或直径不同，用于在X光下具有不同的显影从而识别出第三特征环20的中心与第四特征环19的中心。

本实施例中第一特征环1和第二特征环2为直径不同的圆环状，第二特征环2的直径小于第一特征环1的直径，且第一特征杆4与第二特征环2的所在平面共面，在X光下显影后，可根据形状和大小快速识别出第一特征环1、第二特征环2和第一特征杆4。同理，第三特征环20和第四特征环19为直径不同的圆环状，第四特征环19的直径小于第三特征环20的直径，且第二特征杆18与第四特征环19的所在平面共面，在X光下显影后，可根据形状和大小快速识别出第三特征环20、第四特征环19和第二特征杆18。

作为本实施例的可选实施方式，所述的第一连接臂3包括第一连接结构31和与所述第一连接结构31相连的第一定位结构32和第二定位结构33，所述第一定位结构32和第二定位结构33同轴相对设置，所述第一特征环1设置在所述第一定位结构32上，所述第二特征环2设置在所述第二定位结构33上，所述第一特征杆4设置在所述第一连接结构31上。所述第四连接臂17包括第四连接结构171和与所述第四连接结构171相连的第三定位结构172和第四定位结构173，所述第三定位结构172和第四定位结构173同轴相对设置，所述第三特征环20设置在所述第三定位结构172上，所述第四特征环19设置在所述第四定位结构173上，所述第二特征杆18设置在所述第四连接结构171上。

本实施例中第一连接结构31和第四连接结构171上设有嵌入设置的凹槽，第一特征杆4和第二特征杆18分别嵌入对应的凹槽内，与凹槽过盈配合，结合少量胶水固定，保证其不脱落。第一定位结构32、第二定位结构33、第三定位结构172和第四定位结构173上分别设有嵌入设置的凹槽，第一特征环1、第二定位结构33、所述第三特征环20和第四特征环19分别嵌入对应的凹槽内，与凹槽过盈配合，结合少量胶水固定，保证其不脱落。

在另外的实施例中，可以在第一定位结构32、第二定位结构33、第三定位结构172和第四定位结构173上分别沿其周向设置多个圆孔，在圆孔内设置在X光下显影的金属材质的球/圆片/螺钉等，可以通过周向显影的点确定对应特征环的位置。在第一连接结构31和第四连接结构171上设置同轴的多个圆孔，在圆孔内设置在X光下显影的金属材质的球/圆片/螺钉等，可以通过轴向显影的点确定对应特征杆的位置。

作为本实施例的可选实施方式，所述手术路径定位平台包括第一手术路径定位平台10和第二手术路径定位平台11，所述手术导向孔5设置在所述第一手术路径定位平台10上。本实施例中手术导向孔5与第一手术路径定位平台10通过螺纹连接，手术导向孔5的轴向即为第一手术路径定位平台10的轴线，手术路径定位平台10上设有第四旋钮23，用来控制手术导向孔5的伸缩。

所述第一特征分布结构包括第一连接臂3和第二连接臂9，所述第二连接臂9的一端与所述第一连接臂3垂直，二者可滑动连接，所述的第二连接臂9的另一端与所述第一手术路径定位平台10固定连接、所述第一手术路径定位平台10与所述第二手术路径定位平台11固定连接，所述第二手术路径定位平台11与所述末端连接法兰12通过滑块可滑动连接。本实施例中设有第一滑杆8，第一连接臂3和第二连接臂9采用可固定的第一滑杆8连接，第一手术路径定位平台10和第二连接臂9之间通过第一过渡板连接，第二手术路径定位平台11和第一手术路径定位平台10之间通过第二过渡板连接。在路径规划之前，第一连接臂3和第二连接臂9固定完成，从路径规划开始至手术结束，二者的连接固定不变。

所述第二特征分布结构包括第三连接臂14和第四连接臂17，所述第三连接臂14的一端与所述第四连接臂17垂直，二者可滑动连接，所述第三连接臂14的另一端与所述末端连接法兰12固定连接。本实施例中，包括第二滑杆15和连接板16，第三连接臂14与连接板16通过第二滑杆15采用可固定的第二滑杆15连接，第四连接臂17与连接板16采用螺栓连接。在路径规划之前，第三连接臂14和连接板16固定完成，从路径规划开始至手术结束，二者的连接固定不变。

作为本实施例的可选实施方式，所述末端连接法兰12上设有连接滑轨28，所述第二手术路径定位平台11上的滑块与所述连接滑轨28匹配连接；所述第三连接臂14与所述末端连接法兰12设置在所述连接滑轨28的同侧，与所述连接滑轨28固定连接。本实施例中，设有第三过渡板，末端连接法兰12和第三连接臂14固设在第三过渡板的同一侧，连接滑轨28设置在第三过渡板的另一侧。本实施例中末端连接法兰12与机械臂22通过螺栓和定位销连接。

作为本实施例的可选实施方式，所述第一手术路径定位平台10上设有第一滑动结构，用以带动所述第二连接臂9在第一方向旋转；所述第二手术路径定位平台11上设有第二滑动结构，用以带动第二连接臂9在第二方向旋转；所述第一方向旋转的轴线和所述第二方向旋转的轴线相互垂直。本实施例中，第一滑动结构和第二滑动结构均为圆弧状结构，第一滑动结构上设有第一旋钮6，用以调节第一手术定位平台10的旋转角度，第二滑动结构上设有第二旋钮7，用以调节第二手术定位平台11的旋转角度。第二手术定位平台11上还设有第三旋钮13，用以调整第二手术路径定位平台11和连接滑轨28之间的滑动。

本实施例同时提供一种机器人手术路径规划装置的规划方法，包括：

将X光机的接收端调整至正位，将所述机器人手术路径规划装置的所述第三特征环、第四特征环、第二特征杆调整至X光机于手术区域之间，并使所述第三特征环和第四特征环与所述X光机平行；

通过X光机拍摄X光影像，识别出X光影像上第三特征环、第四特征环、第二特征杆的显影，在X光影像上选取手术规划通道的第一规划点和第二规划点；

计算正位时第一特征点分布平面与手术规划通道重合时机械臂末端相对于机械臂基座的运动参数；

根据正位时获得的运动参数调整所述机械臂末端运动，直至正位X光影像下所述第二特征杆与所述第一规划点和第二规划点的连线重合；

将X光机的接收端调整至侧位，保持所述第二特征分布结构和机械臂基座位置固定，将所述机器人手术路径规划装置的第一特征环、第二特征环和第一特征杆调整至X光机与手术区域之间，并使所述第一特征环和第二特征环与所述X光机平行；

通过X光机拍摄X光影像，识别出X光影像上第一特征环、第二特征环、第一特征杆的显影，计算侧位时第二特征点分布平面与医生规划通道重合时所述手术路径定位平台相对于机械臂基座的运动参数；

根据侧位时获得的运动参数调整所述手术路径定位平台运动，直至侧位X光影像下所述第一特征杆与所述第一规划点和第二规划点的连线重合；

第一特征分布平面和第二特征分布平面的交线即为规划的手术路径DST_Channel。

作为本实施例的可选实施方式，所述计算正位时第一特征点分布平面与手术规划通道重合时机械臂末端相对于机械臂基座的运动参数的步骤包括：

S10：建立坐标系(如图3所示)，在第二特征环的圆心处建立坐标系Plane1，第一特征杆所在直线方向为z方向，y轴垂直于第二特征点分布平面，在第三特征环的圆心处建立坐标系Plane2，第二特征杆所在直线方向为z方向，y轴垂直于第一特征点分布平面，机械臂末端Tcp坐标系至Plane1坐标系位置关系记为机械臂末端Tcp坐标系至Plane2坐标系位置关系记为/>在第一手术路径定位平台的旋转轴线和第二手术路径定位平台的旋转轴线的交点(点P)处建立坐标系rotate，其姿态与所述坐标系Plane1相同，坐标系rotate至坐标系Plane1位置关系记为/>机械臂末端Tcp坐标系至坐标系rotate位置关系记为/>

S11：计算真实尺度空间与像素空间的比例系数，测量第二特征杆的像素距离为L1'，令比例系数ref：

其中，L1是第二特征杆的实际距离，为已知参数；

S12：计算使第三特征环和第四特征环的圆心共线的旋转角度α(如图4-a所示)，计算第三特征环的圆心和第四特征环的圆心的连线在zy平面上投影点之间的距离s，根据计算的比例因子，可得：

其中，h为第三特征环的圆心和第四特征环的圆心在三维空间中的实际距离，为已知；

S13：计算第一规划点与第二规划点的连线与第二特征杆的投影直线之间的夹角θ(如图4-b所示)，通过向量夹角公式可得：

其中，a为第二特征杆的投影直线所在方向的向量，b为第一规划点与第二规划点的连线所在方向的向量；

S14：计算第二特征杆的投影直线至第一规划点与第二规划点的连线之间的像素距离(如图4-c所示)，通过比例关系ref，获得第二特征杆至第一规划点与第二规划点的连线的实际距离d；

S15：汇总数据，得运动矩阵T_Plane2：

S16：利用将机器人工具坐标系设置到Plane2坐标系，控制机器人运动T_Plane2，运动完毕之后还原Tcp至零点位置，记录此刻机械臂末端Tcp相对于基座坐标系Base的相对位置/>

作为本实施例的可选实施方式，计算侧位时第二特征点分布平面与医生规划通道重合时所述手术路径定位平台相对于机械臂基座的运动参数的步骤包括：

S20：在所述步骤S10的坐标系下，对所述第一特征环、第二特征环和第一特征杆重复所述步骤S11至步骤S15，获得机械臂末端Tcp坐标系至坐标系rotate位置关系，记为

S21：计算坐标系Plane1相对于机械臂末端Tcp坐标系的位姿根据：

其中，是固定不变，为已知，/>为所述步骤S20计算所得，为已知；

S22：利用将机器人工具坐标系设置到Plane1坐标系，控制所述手术路径定位平台运动/>运动完毕之后还原Tcp至零点位置。

作为本实施例的可选实施方式，包括调整所述手术导向孔的深度，调整量计算公式如下：

D＝h1-h

其中，D为调整量；h为所述步骤S16后确定的手术路径像素距离，为已知；h1为所述步骤S22后手术路径截止点变化后的手术路径像素距离；β为手术路径截止点变化角度。

具体地，本实施例的机器人手术路径规划装置的规划方法的整个工作过程如下：

第一步，如图3所示，将C型臂X光机(21)接收端调整至手术区域正上方状态，即正位。手动拖动机械臂使路径规划装置的第四连接臂(17)上第三特征环20和第四特征环19位于C型臂X光机(21)与手术区域中间位置，并尽量使双圆环平行于C型臂X光机(21)接收端。

第二步，拍摄一张C臂影像，通过直线检测、拟合的方法识别一根第二特征杆(18)的位置；采用霍夫圆检测等手段识别第三特征环20和第四特征环19的位置，并得到对应圆心位置，通过第三特征环20、第四特征环19与第二特征杆18的共线关系，对两个圆心进行一一识别对应(如图4-a所示)。若第二特征杆18自动识别失败可以采用手动选取的方式(在第二特征杆18所在直线上选取两个端点确定一条直线)进行选取来确定第二特征杆18的位置26，若第三特征环20、第四特征环19自动识别失败，可以采用手动选取的方式(在第三特征环20、第四特征环19所在线上任意点三个点确定一个圆)进行选取来确定第三特征环20的位置24和第四特征环19的位置25。医生在图像上选取目标通道上的两点，即手术规划路径在X光图像上的投影位置27。

第三步，计算正位时特征点分布平面与医生规划通道重合时机械臂末端Tcp相对于基座坐标系Base的相对位置

a.建立坐标系(如图3和图5所示)。在第二特征环(2)的圆心处建立坐标系Plane1，第一特征杆4所在直线方向为z方向，y轴垂直于第二特征分布平面30。由于机械尺寸固定，因此，安装完毕之后机械臂(22)末端Tcp坐标系至Plane1坐标系位置关系确定且已知，记为在第三特征环(19)的圆心处建立坐标系Plane2，第二特征杆18所在直线方向为z方向，y轴垂直于第一特征分布平面29，同样地，安装完毕之后机械臂(22)末端Tcp坐标系至Plane2坐标系位置关系确定且已知，记为/>在点P(点P位于第一手术路径定位平台10和第二手术路径定位平台11的旋转轴线的交点位置)处建立坐标系rotate,其姿态与坐标系Plane1相同，安装完毕之后坐标系rotate至坐标系Plane2位置关系确定且已知，记为机械臂(22)末端Tcp坐标系至坐标系rotate位置关系记为/>

b.计算真实尺度空间与像素空间的比例系数(矫正对齐之后再计算比例系数)。测量第二特征杆的像素距离为L1'，令比例系数ref：

其中，L1是第二特征杆的实际距离，为已知参数。

c.计算使第三特征环20和第四特征环19的圆心共线的旋转角度α。如图4-a所示，计算第三特征环20和第四特征环19的圆心在zy平面上投影点之间的距离s，此处需说明，由于第三特征环20和第四特征环19的圆心连线在三维空间中是垂直于第二特征杆18，因此其向任意方向投影结果都垂直于第二特征杆18。根据步骤b中计算的比例因子，可得：

其中，h为第三特征环20和第四特征环19的圆心在三维空间中的实际距离，为已知。

d.计算手术规划路径27与第二特征杆18的投影直线之间的夹角θ。

如图4-b所示，通过向量夹角公式可得:

其中a为第二特征杆18所在方向的向量，b为手术规划路径27所在方向的向量。

e.计算第二特征杆18至手术规划路径27的像素距离，通过比例关系ref，获得第二特征杆18至手术规划路径27的实际距离d。

f.汇总步骤b至步骤e的数据，得运动矩阵T_Plane2：

g.利用将机器人工具坐标系设置到Plane2坐标系，控制机器人运动T_Plane2，运动完毕之后还原Tcp至零点位置。至此完成平面的对准，此时可以拍摄一张C臂图像确认是否移动到位。记录此刻机械臂22末端Tcp相对于基座坐标系Base的相对位置/>

第四步，旋转C型臂X光机(21)至侧位位置，控制机械臂22末端位姿保持不动，使第一特征杆4、第一特征环1和第二特征环2在C臂X光机下视野良好。此过程要注意保持机械22基座位置固定，否则无效，需要重新进行采集。

第五步，计算侧位时第一特征分布平面29与手术规划路径27重合，前边过程与第三步中的步骤b至步骤f原理相似，获得机械臂末端Tcp坐标系至坐标系rotate位置关系记为不再展开描述。

g.由且/>是固定不变且已知的，通过计算得到/>进而可求出此时坐标系Plane1相对于末端tcp坐标系的位姿/>此时末端tcp相比于之前是不变的，根据/>得到位移和转角操作第一旋钮6、第二旋钮7和第三旋钮13进而调整坐标系rotate的位姿，使第一特征分布平面29与手术规划路径27重合。

第六步，由于第二旋钮(7)的扭动会导致手术导向孔(5)的位姿发生偏移导致由第三特征环20和第四特征环19确定的手术路径定位截止点发生变化(如图5虚线所示)，因此需要扭动第四旋钮(23)改变手术路径定位通道的伸缩长度进行位置补偿，以保证已经确定的手术路径定位截止点不会被改变，补偿算法计算公式如下：

D＝h1-h，

其中，D为需要通过第四旋钮(23)进行补偿的距离；h为所述第三步中步骤g后确定的手术路径像素距离，为已知；h1为所述第五步中步骤g后手术路径截止点变化后的手术路径像素距离；β为手术路径截止点变化角度。

第七步，此时手术路径DST_Channel即为需要的手术通道，医生通过机器人定位的孔道进行手术操作，例如采用电钻植入导针等。

本实施例机器人手术路径规划装置可替代产品形状：

(1)双圆环结构也可以采用任意可以确定两个在竖直线上的点的结构，例如提取六边形的外接圆等。

(2)特征杆也可以采用可以确定一条直线的两个特征点或者其他可确定一条直线的结构例如两个小金属球确定的一直线确定。

(3)采用分布在一个平面里的2个特征圆的圆心及一根特征杆，完成空间定位，但不限于2个特征圆和一根特征杆。

(4)产品中手术路径定位孔的样式可以改为圆形、方形等，对结果没有影响，均属于本发明的保护范围之内。

(5)机械臂的形状或者品牌不同，对结果没有影响，属于本发明的保护范围之内。

本实施例机器人手术路径规划装置的规划方法的可替代技术方案：

在工作过程中，机械臂可被任何五自由度及以上的机器人所替代，对结果无影响，均在本发明保护范围内。

以上实施例仅用以说明本实施例而并非限制本实施例所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本实施例已进行了详细的说明，但本实施例不局限于上述具体实施方式，因此任何对本实施例进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本实施例的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种机器人手术路径规划装置，其特征在于，包括：

末端连接法兰，连接机器人的机械臂末端；

手术路径定位平台，连接在所述末端连接法兰上；

第一特征分布结构，采用可被X光穿透的非金属材质制成，与所述手术路径定位平台连接；

第二特征分布结构，采用可被X光穿透的非金属材质制成，与所述末端连接法兰连接；

第一特征环、第二特征环和第一特征杆，均采用可在X光下显影的金属材质制成，分别设置在第一特征分布结构的第一连接臂上；

第三特征环、第四特征环和第二特征杆，均采用可在X光下显影的金属材质制成，分别设置在第二特征分布结构的第四连接臂上；

所述的第一特征环和第二特征环同轴设置，所述第一特征杆的所处平面与所述第二特征环/第一特征环的所处平面共面；

所述的第三特征环和第四特征环同轴设置，所述第二特征杆的所处平面与所述第三特征环/第四特征环的所处平面共面；

所述机器人手术路径规划装置的手术路径规划方法，包括：

将X光机的接收端调整至正位，将所述机器人手术路径规划装置的所述第三特征环、第四特征环、第二特征杆调整至X光机于手术区域之间，并使所述第三特征环和第四特征环与所述X光机平行；

通过X光机拍摄X光影像，识别出X光影像上第三特征环、第四特征环、第二特征杆的显影，在X光影像上选取手术规划通道的第一规划点和第二规划点；

计算正位时第一特征点分布平面与手术规划通道重合时机械臂末端相对于机械臂基座的运动参数；

根据正位时获得的运动参数调整所述机械臂末端运动，直至正位X光影像下所述第二特征杆与所述第一规划点和第二规划点的连线重合；

将X光机的接收端调整至侧位，保持所述第二特征分布结构和机械臂基座位置固定，将所述机器人手术路径规划装置的第一特征环、第二特征环和第一特征杆调整至X光机与手术区域之间，并使所述第一特征环和第二特征环与所述X光机平行；

通过X光机拍摄X光影像，识别出X光影像上第一特征环、第二特征环、第一特征杆的显影，计算侧位时第二特征点分布平面与医生规划通道重合时所述手术路径定位平台相对于机械臂基座的运动参数；

根据侧位时获得的运动参数调整所述手术路径定位平台运动，直至侧位X光影像下所述第一特征杆与所述第一规划点和第二规划点的连线重合；

第一特征分布平面和第二特征分布平面的交线即为规划的手术路径DST_Channel。

2.根据权利要求1所述的一种机器人手术路径规划装置，其特征在于，手术路径定位平台上设置手术导向孔；

所述第一特征环的中心和第二特征环的中心的连线与所述手术导向孔的中心轴线垂直，所述第一特征杆的轴线与所述手术导向孔的中心轴线平行；

所述第三特征环的中心和第四特征环的中心的连线与所述手术导向孔的中心轴线垂直，所述第二特征杆的轴线与所述手术导向孔的中心轴线平行。

3.根据权利要求1或2任一所述的一种机器人手术路径规划装置，其特征在于，

所述第一特征环与第二特征环的形状和/或直径不同，用于在X光下具有不同的显影从而识别出第一特征环的中心与第二特征环的中心；

所述第三特征环与第四特征环的形状和/或直径不同，用于在X光下具有不同的显影从而识别出第三特征环的中心与第四特征环的中心。

4.根据权利要求1所述的一种机器人手术路径规划装置，其特征在于，所述的第一连接臂包括第一连接结构和与所述第一连接结构相连的第一定位结构和第二定位结构，所述第一定位结构和第二定位结构同轴相对设置，所述第一特征环设置在所述第一定位结构上，所述第二特征环设置在所述第二定位结构上，所述第一特征杆设置在所述第一连接结构上；

所述第四连接臂包括第四连接结构和与所述第四连接结构相连的第三定位结构和第四定位结构，所述第三定位结构和第四定位结构同轴相对设置，所述第三特征环设置在所述第三定位结构上，所述第四特征环设置在所述第四定位结构上，所述第二特征杆设置在所述第四连接结构上。

5.根据权利要求2所述的一种机器人手术路径规划装置，其特征在于，所述手术路径定位平台包括第一手术路径定位平台和第二手术路径定位平台，所述手术导向孔设置在所述第一手术路径定位平台上；

所述第一特征分布结构包括第一连接臂和第二连接臂，所述第二连接臂的一端与所述第一连接臂垂直，二者可滑动连接，所述的第二连接臂的另一端与所述第一手术路径定位平台固定连接、所述第一手术路径定位平台与所述第二手术路径定位平台固定连接，所述第二手术路径定位平台与所述末端连接法兰通过滑块可滑动连接；

所述第二特征分布结构包括第三连接臂和第四连接臂，所述第三连接臂的一端与所述第四连接臂垂直，二者可滑动连接，所述第三连接臂的另一端与所述末端连接法兰固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种机器人手术路径规划装置，其特征在于，所述末端连接法兰上设有连接滑轨，所述第二手术路径定位平台上的滑块与所述连接滑轨匹配连接；

所述第三连接臂与所述末端连接法兰设置在所述连接滑轨的同侧，与所述连接滑轨固定连接。

7.根据权利要求5所述的一种机器人手术路径规划装置，其特征在于，所述第一手术路径定位平台上设有第一滑动结构，用以带动所述第二连接臂在第一方向旋转；

所述第二手术路径定位平台上设有第二滑动结构，用以带动第二连接臂在第二方向旋转；

所述第一方向旋转的轴线和所述第二方向旋转的轴线相互垂直。

8.根据权利要求7所述的一种机器人手术路径规划装置，其特征在于，

所述计算正位时第一特征点分布平面与手术规划通道重合时机械臂末端相对于机械臂基座的运动参数的步骤包括：

S10：建立坐标系，在第二特征环的圆心处建立坐标系Plane1，第一特征杆所在直线方向为z方向，y轴垂直于第二特征点分布平面，在第三特征环的圆心处建立坐标系Plane2，第二特征杆所在直线方向为z方向，y轴垂直于第一特征点分布平面，机械臂末端Tcp坐标系至Plane1坐标系位置关系记为机械臂末端Tcp坐标系至Plane2坐标系位置关系记为在第一手术路径定位平台的旋转轴线和第二手术路径定位平台的旋转轴线的交点处建立坐标系rotate，其姿态与所述坐标系Plane1相同，坐标系rotate至坐标系Plane1位置关系记为/>机械臂末端Tcp坐标系至坐标系rotate位置关系记为/>

S11：计算真实尺度空间与像素空间的比例系数，测量第二特征杆的像素距离为L1'，令比例系数ref：

其中，L1是第二特征杆的实际距离，为已知参数；

S12：计算使第三特征环和第四特征环的圆心共线的旋转角度α，计算第三特征环的圆心和第四特征环的圆心的连线在zy平面上投影点之间的距离s，根据计算的比例因子，可得：

其中，h为第三特征环的圆心和第四特征环的圆心在三维空间中的实际距离，为已知；

S13：计算第一规划点与第二规划点的连线与第二特征杆的投影直线之间的夹角θ，通过向量夹角公式可得：

其中，a为第二特征杆的投影直线所在方向的向量，b为第一规划点与第二规划点的连线所在方向的向量；

S14：计算第二特征杆的投影直线至第一规划点与第二规划点的连线之间的像素距离，通过比例系数ref，获得第二特征杆至第一规划点与第二规划点的连线的实际距离d；

S15：汇总数据，得运动矩阵T_Plane2：

S16：利用将机器人工具坐标系设置到Plane2坐标系，控制机器人运动T_Plane2，运动完毕之后还原Tcp至零点位置，记录此刻机械臂末端Tcp相对于基座坐标系Base的相对位置/>

9.根据权利要求8所述的一种机器人手术路径规划装置，其特征在于，

计算侧位时第二特征点分布平面与医生规划通道重合时所述手术路径定位平台相对于机械臂基座的运动参数的步骤包括：

S20：在所述步骤S10的坐标系下，对所述第一特征环、第二特征环和第一特征杆重复所述步骤S11至步骤S15，获得机械臂末端Tcp坐标系至坐标系rotate位置关系，记为

S21：计算坐标系Plane1相对于机械臂末端Tcp坐标系的位姿根据：

其中，是固定不变，为已知，/>为所述步骤S20计算所得，为已知；

S22：利用将机器人工具坐标系设置到Plane1坐标系，控制所述手术路径定位平台运动/>运动完毕之后还原Tcp至零点位置。

10.根据权利要求9所述的一种机器人手术路径规划装置，其特征在于，

包括调整所述手术导向孔的深度，调整量计算公式如下：

D＝h1-h,

其中，D为调整量；h为所述步骤S16后确定的手术路径像素距离，为已知；h1为所述步骤S22后手术路径截止点变化后的手术路径像素距离；β为手术路径截止点变化角度。