CN115054332A - 一种超声引导机器人辅助穿刺装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声引导机器人辅助穿刺装置及其使用方法，辅助穿刺装置包括横转支架、俯仰支架和四自由度定位定向装置，横转支架刚性固定在超声成像探头上且俯仰支架安装在横转支架的圆弧形导轨上，俯仰支架能够绕超声成像探头转动；安装在俯仰支架枢轴上的四自由度定位定向装置能够相对横转支架俯仰转动；四自由度定位定向装置内置能够分别独立沿X轴方向、Y轴方向行进且上下平行布置的上平面末端法兰和下平面末端法兰用于安装穿刺针；使得穿刺针能够相对超声成像探头作六个自由度的位姿调整。使用时能够根据超声病灶位置多自由度精准调整穿刺位姿，实现目标区域准确穿刺引导。本发明的装置能够多自由度可控调整以及任意位置的自动穿刺引导。

Description

一种超声引导机器人辅助穿刺装置及其使用方法

技术领域

本发明属于涉及计算机辅助医疗技术领域，具体地说是一种能够实现穿刺路径与超声成像平面具有任意相对关系下的穿刺引导的超声引导机器人辅助穿刺装置及其使用方法。

背景技术

超声可以实现软组织的透视成像，且具有小型化、实时、无辐射的优势。超声介入技术利用超声影像可以透过软组织表面实时观察内部结构的特点，可以指引穿刺导针在微创条件下到达组织内部目标区域。该技术在血管介入、肿瘤活检、疼痛治疗、手术麻醉等领域具有广泛的应用。在传统超声介入操作中，既需要手动调整超声探头的位姿获得最佳的目标观察效果，又需要同时调整穿刺针的位姿获得安全的可控的穿刺路径，这对操作者提出了极大的挑战。

根据穿刺针和超声成像平面间的关系，当前主要有平面内穿刺和平面外穿刺两种穿刺介入方法。平面内穿刺方法进针路线与超声成像平面重合，可以在超声影像中同时看到目标和穿刺针，此时仅需在二维平面中调整穿刺针角度参数即可。该方法的优点在于仅需要调整平面内的穿刺针角度参数，调整复杂度小；缺点在于严格要求穿刺针与成像平面重合，穿刺路径较长，对复杂的穿刺任务不能完全适用。平面外穿刺方法允许穿刺针从超声成像平面外部进入组织，此时穿刺针与超声成像平面相交但不重合。该方法穿刺路径较短，但是不能在超声成像平面中实时观察穿刺针状态，需要预先根据穿刺针和超声成像平面的相对关系预估穿刺轨迹。如何准确控制、测量穿刺针与超声成像平面的相对关系准确估计穿刺针相对于超声影像的穿刺轨迹是平面外穿刺的难点问题。

现有技术给出了多种超声和穿刺针的位姿调整方案。发明专利申请(CN110101439 A)给出了一种平面内穿刺时穿刺针与超声间的角度调整方案。发明专利申请(CN 112472241 A)给出一种穿刺针位于超声成像平面对称面情形下的平面外穿刺针与超声探头角度调整方案。发明专利申请(CN 111437011 A)给出了一种穿刺针和超声探头间连接二自由度运动机构的方案，使得穿刺针可以在超声成像平面内可控的调整位姿。发明专利申请(CN 112773508 A)中也给出了类似技术方案。但是，现有技术方案仅能解决穿刺针与成像平面处于特殊位置时的穿刺姿态调整问题，穿刺针与超声探头间的运动自由度受到调整机构限制，不能实现6自由度全面的位姿调整；此外，如何精确控制穿刺针与超声成像平面的相对关系，如何根据超声病灶位置自动调整穿刺位姿，此类问题也没有得到很好的解决。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种具有六自由度的超声引导机器人辅助穿刺装置及其使用方法。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种超声引导机器人辅助穿刺装置，其特征在于：该辅助穿刺装置包括横转支架、俯仰支架和四自由度定位定向装置，横转支架刚性固定在超声成像探头上且俯仰支架安装在横转支架的圆弧形导轨上，使得俯仰支架能够沿圆弧形导轨部分绕超声成像探头转动；四自由度定位定向装置安装在俯仰支架的枢轴上、使得四自由度定位定向装置能够相对横转支架俯仰转动；四自由度定位定向装置内上下平行布置的上平面末端法兰和下平面末端法兰用于安装穿刺针，上平面末端法兰和下平面末端法兰皆能够分别独立沿X轴方向、Y轴方向行进，使得穿刺针能够在四自由度定位定向装置内实现沿X轴方向和Y轴方向的双向平移、以及绕X轴和Y轴的双向偏转；进而使得穿刺针能够相对超声成像探头作俯仰和横转二自由度的大范围可控运动以及四自由度的精细可控运动(横转支架和俯仰支架上的两个自由度实现四自由度定位定向装置与超声成像平面间的位置粗调、四自由度定位定向装置实现对穿刺针的位置姿态精细调整，二者结合实现大范围位置调整和小范围精细位置调整)。

所述的超声成像探头与电脑控制器信号连接且电脑控制器通过超声图像显示器显示超声图像；所述的电脑控制器能够控制四自由度定位定向装置中驱动上平面末端法兰和下平面末端法兰行进的运动模组。

所述的上平面末端法兰和下平面末端法兰通过用于引导穿刺针的引导套筒串接，引导套筒为一空心圆管结构或空心圆柱槽结构、使得穿刺针能够沿引导套筒的轴向滑动；所述的引导套筒能够相对上平面末端法兰转动，所述的引导套筒能够相对下平面末端法兰转动、且相对下平面末端法兰沿引导套筒的轴向滑动。

所述的上平面末端法兰内置有上法兰球形凹槽且下平面末端法兰内置有下法兰球形凹槽，引导套筒上刚性连接的上法兰连接球安装在上法兰球形凹槽内且上法兰连接球与上法兰球形凹槽构成球连接副相互运动；下法兰球形凹槽内设有下平面连接球且两者构成球连接副相互运动，引导套筒下穿过下平面连接球的中心孔且引导套筒能够相对下平面连接球转动以及沿中心孔的轴向进行滑动。

所述的上平面末端法兰安装在上平面Y方向运动模组的运动端上、上平面Y方向运动模组的固定端安装在上平面X方向运动模组的运动端上且上平面X方向运动模组的固定端安装在四自由度定位定向装置的基座上，所述的下平面末端法兰安装在下平面Y方向运动模组的运动端上、下平面Y方向运动模组的固定端安装在下平面X方向运动模组的运动端上且下平面X方向运动模组的固定端安装在四自由度定位定向装置的基座上，上述的上平面X方向运动模组、上平面Y方向运动模组、下平面X方向运动模组、下平面Y方向运动模组皆分别与电脑控制器信号连接且电脑控制器能够分别控制上平面X方向运动模组、上平面Y方向运动模组、下平面X方向运动模组和下平面Y方向运动模组的运行。

所述上平面X方向运动模组、上平面Y方向运动模组、下平面X方向运动模组、下平面Y方向运动模组的驱动机构皆采用伺服电机，且伺服电机分别与电脑控制器信号连接并接受电脑控制器的控制；所述的上平面X方向运动模组、上平面Y方向运动模组、下平面X方向运动模组、下平面Y方向运动模组分别对应配置有电机传感器，且电机传感器分别与电脑控制器信号连接以实时传递各对应运动模组的精确运动位置。

所述圆弧形导轨的圆心轴线与超声成像探头的超声成像平面中轴线重合、即圆弧形导轨与超声成像探头的超声成像平面同心。

所述的圆弧形导轨上设有均布的弹性卡槽，弹性卡槽能够嵌入俯仰支架的连接端，使得俯仰支架能够在圆弧形导轨上设定的角度稳定停止；所述的俯仰支架上设有弹性卡槽且该弹性卡槽能够嵌入俯仰支架的枢轴，使得四自由度定位定向装置能够相对俯仰支架作设定角度的俯仰转动；设置弹性卡槽能够提前设定横转角度和俯仰角度。

所述的横转支架上设有编码器测量俯仰支架的横转角度且编码器能够将角度信息发送给电脑控制器；所述的俯仰支架上设有编码器测量四自由度定位定向装置的俯仰角度且编码器能够将角度信息发送给电脑控制器。

所述的横转支架上设有能够自动调整和测量俯仰支架横转角度的伺服电机、且该伺服电机与电脑控制器信号连接并接受电脑控制器的控制；所述的俯仰支架上设有能够自动调整和测量四自由度定位定向装置俯仰角度的伺服电机、且该伺服电机与电脑控制器信号连接并接受电脑控制器的控制。

一种超声引导机器人辅助穿刺装置的使用方法，在确定超声成像系统坐标系O_us下的超声图像指定目标位置为^usP_target和超声图像目标穿刺方向向量为^usV_target的情况下，穿刺针的位姿自动调整方法步骤如下：

第一步：计算四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺路径直线方程，根据式(7)的四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的目标位置变换方程和式(8)的四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的目标方向变换方程计算出^usP_target、^usV_target在四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺针目标位置^roP_target和穿刺针目标穿刺方向向量^roV_target，同时在四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺路径直线方程由式(9)表示：

^roP_target＝^roT_us(θ₁,θ₂)·^usP_target (7)

^roV_target＝^roT_us(θ₁,θ₂)·^usV_target-^roT_us(θ₁,θ₂)·[0,0,0,1]^T (8)

式(7)、(8)、(9)中：^roP_target为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺针目标位置；^roT_us(θ₁,θ₂)为超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵、其为θ₁和θ₂的函数，θ₁为俯仰支架沿圆弧形导轨绕超声成像探头的横转角度，θ₂为四自由度定位定向装置相对横转支架的俯仰角度；^usP_target为超声成像系统坐标系O_us下的超声图像指定目标位置；^roV_target为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺针目标穿刺方向向量；^usV_target为超声成像系统坐标系O_us下的超声图像目标穿刺方向向量；

表示四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下穿刺路径直线方程上的任意点；t表示四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺路径直线方程参变量；

第二步：确定四自由度定位定向装置的上平面方程和下平面方程，由四自由度定位定向装置的结构可知，上法兰连接球的球心Q₁点始终在上平面中运动、下平面连接球的球心Q₂点始终在下平面中运动，设四自由度定位定向装置的上平面方程为

四自由度定位定向装置的下平面方程为

其中

为四自由度定位定向装置的上平面方程和四自由度定位定向装置的下平面方程的参数，能够由四自由度定位定向装置的零件参数确定，(x_ro，y_ro，z_ro)为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的上平面或下平面上的坐标点；L为Q₁点与Q₂点之间的直线距离，该参数可由机械加工保证、或使用测量工具精确测量；

第三步：求解四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺路径直线方程与四自由度定位定向装置的上平面和下平面交点，将式(9)中的

坐标分别代入四自由度定位定向装置的上平面方程

四自由度定位定向装置的下平面方程

中，可分别求解穿刺路径与上平面交点坐标为

穿刺路径与下平面交点坐标

第四步：调整四自由度定位定向装置，根据第三步所求穿刺路径与上平面交点坐标

穿刺路径与下平面交点坐标

由电脑控制器控制上平面X方向运动模组和上平面Y方向运动模组运动使得上法兰连接球的球心运动至坐标

处、由电脑控制器控制下平面X方向运动模组和下平面Y方向运动模组运动使得下平面连接球的球心运动至坐标

处，完成穿刺针的位姿调整。

任意位置下的穿刺路径与超声图像关系的计算方法为：

第一步，设四自由度定位定向装置与超声成像探头间的横转角度θ₁和俯仰角度θ₂，同时Q₁点和Q₂点在四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的位置坐标分别为

和

则Q₁点和Q₂点在超声成像探头的超声成像系统坐标系O_us下的坐标可分别由式(4)的超声成像系统坐标系O_us下的Q₁点坐标转换方程和式(5)的超声成像系统坐标系O_us下的Q₂点坐标转换方程计算，Q₁点和Q₂点的连线的延长线即为穿刺路径，该穿刺路径可由超声成像系统坐标系O_us下的四自由度定位定向装置穿刺路径直线方程(6)表示：

式(4)、(5)、(6)中，

为超声成像系统坐标系O_us下的Q₁点位置坐标；

为超声成像系统坐标系O_us下的Q₂点位置坐标；

为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的Q₁点位置坐标；

为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的Q₂点位置坐标；

为超声成像系统坐标系O_us中的四自由度定位定向装置穿刺路径上的任一点坐标；t为超声成像系统坐标系O_us下的四自由度定位定向装置穿刺路径直线方程参变量；

第二步，设超声成像平面在超声成像系统坐标系O_us下的超声成像平面方程为：ax_us+by_us+cz_us+d＝0，其中a、b、c、d皆为超声成像系统坐标系O_us下的超声成像平面方程的参数且由超声成像探头的成像参数直接确定，(x_us，y_us，z_us)为超声成像系统坐标系O_us下的超声成像平面的坐标点；

第三步，由此将穿刺路径与超声图像间相对关系转为超声成像系统坐标系O_us下直线与平面的关系问题，穿刺路径与超声成像平面相对关系可直接根据式(4)、式(5)与超声成像平面方程绘出，联立式(6)与超声成像平面方程即可求解穿刺路径与超声成像平面的交点，即为该位置下四自由度定位定向装置的穿刺路径与超声成像平面的交点；该信息可以帮助操作者和计算机系统提计算出穿刺路径与超声成像平面间的关系。。

四自由度定位定向装置与超声成像探头存在横转和俯仰两个自由度时的相对运动关系获取方法为：

第一步，调整四自由度定位定向装置到合适的相对位置，记录此时横转支架的横转角度θ₁和俯仰支架的俯仰角度θ₂；

第二步，执行四自由度定位定向装置与超声成像探头位置固定时的相对运动关系获取方法的过程，计算此时四自由度定位定向装置与超声成像探头间的关系矩阵^roT_us，根据刚体间坐标变换关系可得方程(2)：

^roT_us＝^roT_link2(α₁)·^link2T_link1(θ₂,α₂)·^link1T_us(θ₁,α₃) (2)

式(2)中：^roT_us为超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵；^roT_link2(α₁)为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro与俯仰连杆坐标系link2之间的坐标转换矩阵、其为参数α₁的函数；^link2T_link1(θ₂,α₂)为俯仰连杆坐标系link2与横转连杆坐标系link1之间的坐标转换矩阵、其为参数θ₂和α₂的函数；^link1T_us(θ₁,α₃)为横转连杆坐标系link1与超声成像系统坐标系O_us之间的坐标转换矩阵、其为参数θ₁和α₃的函数；其中α₁、α₂、α₃皆为与零件结构尺寸相关的未知参数；

第三步，重复上述第一步和第二步n次且n>5，获得不同θ₁和θ₂下的^roT_us，将所得θ₁和θ₂下的^roT_us代入方程(2)可求得其中未知参数α₁、α₂、α₃，由此可将超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵^roT_us表示为关于θ₁和θ₂的函数表示，获得四自由度定位定向装置与超声成像探头存在横转和俯仰两个自由度时的相对运动关系，由式(3)表示：

^roT_us(θ₁,θ₂)＝^roT_link2·^link2T_link1(θ₂)·^link1T_us(θ₁) (3)

式(3)中：^roT_us(θ₁,θ₂)为超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵、其为θ₁和θ₂的函数，θ₁为俯仰支架沿圆弧形导轨绕超声成像探头的横转角度，θ₂为四自由度定位定向装置相对横转支架的俯仰角度；^roT_link2为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro与俯仰连杆坐标系link2之间的坐标转换矩阵；^link2T_link1(θ₂)为俯仰连杆坐标系link2与横转连杆坐标系link1之间的坐标转换矩阵、其为参数θ₂的函数；^link1T_us(θ₁)为横转连杆坐标系link1与超声成像系统坐标系O_us之间的坐标转换矩阵、其为参数θ₁的函数。

当四自由度定位定向装置与超声成像探头位置固定时的相对运动关系获取方法的步骤为：

第一步：调整四自由度定位定向装置到合适的相对位置并保持固定，将标定针插入四自由度定位定向装置的引导套筒中，经过提前预制的标定针能够保证插入引导套筒后的标定针针尖与引导套筒上的上法兰连接球的球心距离为

第二步：将超声成像探头和穿刺针置于水模中，电脑控制器自动控制四自由度定位定向装置进行平移或转动，同时自动检测超声成像平面图像，直到标定针的针尖恰好处于超声成像平面中，记录此时标定针针尖点为A_i，标定针针尖点在超声成像系统坐标系O_us下的坐标位置为

该位置坐标可直接由超声成像系统读出；设四自由度定位定向装置的基坐标系为O_ro，引导套筒上的上法兰连接球的球心为Q₁、下平面连接球的球心为Q₂，则Q₁点和Q₂点在四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的坐标位置能够由辅助穿刺装置的机械尺寸和伺服电机位置关系计算出来，记为

和

第三步：设超声成像探头的超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵为^roT_us，则标定针针尖点A_i在四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的坐标为：^roP_Ai＝^roT_us·^usP_Ai；同时由于标定针针尖点A_i、Q₁、Q₂处于同一穿刺针的直线上，因此有

其中

为Q₁点和Q₂点之间的距离、能够由机械加工确定或利用螺旋测微计测量得到；由此可得式(1)所示线性方程：

式(1)^roT_us中超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵：

为标定针针尖点在超声成像系统坐标系O_us下的坐标位置；

为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的Q₁点位置坐标；

为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的Q₂点位置坐标；

为插入引导套筒后的标定针针尖与引导套筒上的上法兰连接球的球心距离；

为为Q₁点和Q₂点之间的距离；

第四步：重复第二步和第三步可自动获得不同针尖点位置下的一组线性方程组，由此可以利用最小二乘法求解矩阵^roT_us，即得到此时超声成像探头的超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系为O_ro间的相对坐标转换关系。

本发明相比现有技术有如下优点：

本发明的辅助穿刺装置解决了现有超声介入辅助装置中穿刺针与超声间相对关系调整自由度少、难以适应复杂的穿刺任务的问题，给出了穿刺针与超声成像探头间六个自由度的相对位置关系调整方案，首先实现了穿刺装置与超声成像探头间的旋转和俯仰两自由度的相对关系粗调节、然后实现了穿刺针自身的X轴和Y轴方向的平移以及绕X轴和Y轴的双向偏转等共四个自由度的精细运动控制和位姿感知，解决了超声介入时的穿刺针与超声成像平面间的多自由度、可控调整问题。

本发明的辅助穿刺装置使用方法解决了现有超声介入中的穿刺针7在超声成像平面外穿刺时的穿刺路径不可控、穿刺轨迹难以计算的问题，给出了穿刺针与超声成像平面在任意位置下的穿刺路径自动计算和自动调整方法，能够实现穿刺针与超声成像探头在任意位置下的自动穿刺引导。

附图说明

附图1为本发明的具有六自由度的超声引导机器人辅助穿刺装置的整体结构示意图；

附图2为本发明的四自由度定位定向装置绕超声成像探头横转的示意图；

附图3为本发明的四自由度定位定向装置绕超声成像探头俯仰运动的示意图；

附图4为本发明的四自由度定位定向装置的整体结构示意图；

附图5为本发明的四自由度定位定向装置的内部结构示意图；

附图6为本发明的四自由度定位定向装置的穿刺针连接部分结构示意图及局部剖面A和局部剖面B的放大图；

附图7为本发明的穿刺针沿Y轴平移和绕X轴转动的状态示意图；

附图8为本发明的穿刺针沿X轴平移和绕Y轴转动的状态示意图；

附图9为本发明的穿刺针沿Y轴平移和绕X轴转动时的位姿调整范围示意图；

附图10为本发明的穿刺针沿X轴平移和绕Y轴转动时的位姿调整范围示意图；

附图11为本发明的超声成像探头与四自由度定位定向装置间相对位置关系坐标传递图；

附图12为本发明的应用实例中的超声平面内的穿刺路径设计示意图；

附图13为本发明的应用实例中的超声平面内的穿刺路径设计时的辅助穿刺装置初始状态示意图；

附图14为本发明的应用实例中的超声平面内的穿刺路径设计时的辅助穿刺装置俯仰角度调整状态示意图；

附图15为本发明的应用实例中的超声平面内的穿刺路径设计时的辅助穿刺装置四自由度定位定向装置精细调整状态示意图；

附图16为本发明的应用实例中的超声平面外的穿刺路径设计示意图；

附图17为本发明的应用实例中的超声平面外的穿刺路径设计时的辅助穿刺装置初始状态示意图；

附图18为本发明的应用实例中的超声平面外的穿刺路径设计时的辅助穿刺装置横转角度和俯仰角度调整状态示意图；

附图19为本发明的应用实例中的超声平面外的穿刺路径设计时的辅助穿刺装置四自由度定位定向装置精细调整状态示意图。

其中：1—电脑控制器；2—超声图像显示器；3—超声成像探头；30—超声成像平面中心轴；4—横转支架；40—圆弧形导轨；41—弹性卡槽；5—俯仰支架；6—四自由度定位定向装置；60—基座；61—外罩；62—上平面X方向运动模组；63—上平面Y方向运动模组；64—上平面末端法兰；65—引导套筒；66—上法兰连接球；67—上平面球形凹槽；68—下平面X方向运动模组；69—下平面Y方向运动模组；610—下平面末端法兰；611—下平面连接球；612—下法兰球形凹槽；7—穿刺针。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-6所示，该超声引导机器人辅助穿刺装置包括横转支架4、俯仰支架5、四自由度定位定向装置6、穿刺针7和配合使用的电脑控制器1、超声图像显示器2、超声成像探头3、以及其它超声引导穿刺机器人附属系统。超声成像探头3与电脑控制器1无线连接、且超声成像探头3可以通过超声图像显示器2显示超声图像。横转支架4可与超声成像探头3刚性固定，同时横转支架4外部含有圆弧形导轨40；当横转支架4与超声成像探头3刚性固定时，横转支架4外部的圆弧形导轨40与超声成像平面中心轴30同心；俯仰支架5的一端能够安装在横转支架4的圆弧形导轨40上并实现绕超声成像平面中心轴30的转动；同时俯仰支架5和横转支架4的圆弧形导轨40上设有均布的弹性卡槽，可保证俯仰支架5在设定的角度稳定停止。俯仰支架5的另一端还设有枢轴，四自由度定位定向装置6安装在俯仰支架5的枢轴上，四自由度定位定向装置6与俯仰支架5的枢轴连接处设有均匀分布的弹性卡槽，保证四自由度定位定向装置6既可以实现绕枢轴的俯仰运动、又可以稳定停止在设定的俯仰角度。通过横转支架4外周的圆弧形导轨40以及俯仰支架5的枢轴，四自由度定位定向装置6可实现绕超声成像平面中心轴30的旋转运动以及与超声成像平面中心轴30呈一定角度的俯仰运动，实现四自由度定位定向装置6与超声成像探头3的成像平面的横转与俯仰两个自由度相对关系的初步调节。

需要说明的是：在上述技术方案中，俯仰支架5与横转支架4间的导轨连接也可以设置有编码器测量横转角度、或设置伺服电机自动调整和测量横转角度；同时四自由度定位定向装置6与俯仰支架5的枢轴之间的连接也可以设置有编码器测量俯仰角度、或设置伺服电机自动调整和测量横转角度，无论是编码器还是伺服电机，都能够与电脑控制器通讯。

对于四自由度定位定向装置6中的驱动机构设置，具有多种形式的结构，本发明提供一中采用伺服电机作为驱动机构的四自由度定位定向装置6。如图4-6所示，四自由度定位定向装置6为四个伺服电机控制的双平面定位定向机构，主要由基座60、外罩61、上平面X方向运动模组62、上平面Y方向运动模组63、下平面X方向运动模组68、下平面Y方向运动模组69、上平面末端法兰64、下平面末端法兰610、引导套筒65、下平面连接球611以及相关电机运动传感器件组成，其中上平面X方向、上平面Y方向、下平面X方向、下平面Y方向的运动模组均可实现可控的平移运动。上平面末端法兰64可与上平面Y方向运动模组63的运动端刚性连接，同时上平面末端法兰64的内部设有上平面球形凹槽67；下平面末端法兰610可与下平面Y方向运动模组69的运动端刚性连接，同时下平面末端法兰610的内部设有下平面球形凹槽612；引导套筒65为一空心圆管结构或空心圆柱槽结构，该结构可用于引导穿刺针7，同时引导套筒65上刚性连接一上法兰连接球66，上法兰连接球66的一条直径与引导套筒65的引导直线重合；下平面连接球611为一沿直径方向开孔的圆球。

上述四自由度定位定向装置6的各零件间连接关系为：上平面X方向运动模组62的运动端与上平面Y方向运动模组63的一端相连，上平面末端法兰64与上平面Y方向运动模组63的运动端相连，从而上平面X方向运动模组62与上平面Y方向运动模组63可以带动上平面末端法兰64实现上平面上的X轴、Y轴方向运动，其精确运动位置可通过伺服电机传感器测量；下平面X方向运动模组68的运动端与下平面Y方向运动模组69的一端相连，下平面末端法兰610与下平面Y方向运动模组69的运动端相连，从而下平面X方向运动模组68与下平面Y方向运动模组69可以带动下平面末端法兰610实现下平面上的X轴、Y轴方向运动，其精确运动位置可通过伺服电机传感器测量。通过将上平面X方向运动模组62和下平面X方向运动模组68以合适的位置固定在基座60上，保证上平面和下平面处于平行状态，同时在保障不产生运动碰撞的前提下使得整体机构占用空间尽可能小。引导套筒65上固定的上法兰连接球66安装于上平面末端法兰64的上平面球形凹槽67内，二者间可通过球连接副相互运动；下平面连接球611安装于下平面末端法兰610的下平面球形凹槽612内，二者间也可通过球连接副相互运动。同时引导套筒65下穿过下平面连接球611的中心孔，并可以实现二者间沿中心孔方向的滑动和转动。由此，可通过控制上平面X方向运动模组62、上平面Y方向运动模组63、下平面X方向运动模组68、下平面Y方向运动模组69的伺服电机约束引导套筒65，实现该引导套筒65沿X轴和Y轴的双向平移、以及绕X轴和Y轴的双向偏转(上述安装方式已保证上平面与下平面平行)。从而可以引导穿刺针7实现X轴、Y轴方向平移与转动共四个自由度的精细运动控制和位姿感知(如图7-10所示)。再配合穿刺过程中的沿穿刺针7方向的进给和转动操作，即可实现穿刺针7相对超声成像探头3的六自由度运动控制。最后外罩61安装在基座60上，保护上述运动部件。

本发明的超声引导机器人辅助穿刺装置使用时，在超声图像指定目标位置的基础上，通过电脑控制器1控制俯仰支架5能够沿圆弧形导轨40转动、控制四自由度定位定向装置6相对横转支架4俯仰转动、电脑控制器1控制四自由度定位定向装置内的运动模组让穿刺针7沿X轴方向和Y轴方向的双向平移以及绕X轴和Y轴的双向偏转，使得穿刺针7能够相对超声成像探头3作六个自由度的位姿调整，完成最终穿刺路径调整，实现穿刺针7的位姿自动调整。附图8为本发明的穿刺针沿X轴平移和绕Y轴转动的状态示意图；附图9为本发明的穿刺针位姿调整范围示意图；

如图7-10所示：四自由度定位定向装置6中的穿刺针运动范围如图9、图10所示。图中的中间区域为穿刺针7垂直四自由度定位定向装置6上下平面状态下的平移范围、两侧区域为穿刺针7的偏转可达范围。对于平移范围，穿刺针7沿X轴方向上的平移范围x、沿Y轴方向上的平移范围y由四自由度定位定向装置6中的四组运动模组的行程决定；优选的，设置X轴和Y轴方向上的四组运动模组的行程相同：范围在8～20mm之间，确保其大于超声成像探头3上的传感器阵列的宽度。对于穿刺针7的偏转运动范围，其在X平面和Y平面上的偏转角度β_x和β_y由四自由度定位定向装置6的四组运动模组的行程与上下平面间距离L共同决定；其中穿刺角度范围最大值可由公式

和公式

计算；优选的，可以根据运动模组的行程与上述公式设置合理的上下平面间距离L，获得较优偏转工作范围，β_x和β_y的典型值在30°～60°之间。

如图1-11所示，该超声引导机器人辅助穿刺装置的使用方法包括如下几类。

1)四自由度定位定向装置6与超声成像探头3位置固定时的相对运动关系获取方法。

借助横转支架4的圆弧形导轨40和俯仰支架5的枢轴能够调整四自由度定位定向装置6与超声成像探头3间的相对位置关系。在使用时：

第一步：调整四自由度定位定向装置6到合适的相对位置，保持固定，将标定针插入四自由度定位定向装置6的引导套筒65中，经过提前预制的标定针能够保证插入引导套筒65后的标定针针尖与引导套筒65上的上法兰连接球66的球心距离为

第二步：将超声成像探头3和穿刺针7置于水模中，电脑控制器1自动控制四自由度定位定向装置6进行平移或转动，同时自动检测超声成像平面图像，直到标定针的针尖恰好处于超声成像平面中，记录此时标定针针尖点为A_i，标定针针尖点在超声成像系统坐标系O_us下的坐标位置为

该坐标位置可直接由超声成像系统读出；设四自由度定位定向装置的基坐标系为O_ro，引导套筒65上的上法兰连接球66的球心为Q₁、下平面连接球611的球心为Q₂，则Q₁点和Q₂点在四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的坐标位置能够由辅助穿刺装置的机械尺寸和伺服电机位置关系计算出来，记为

和

第三步：设超声成像探头3的超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系为O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵为^roT_us，则标定针针尖点A_i在四自由度定位定向装置的基坐标系为O_ro中的坐标为：^roP_Ai＝^roT_us·^usP_Ai；同时由于标定针针尖点A_i、Q₁、Q₂处于同一穿刺针7的直线上，因此有

其中

为Q₁、Q₂两点间的距离、能够由机械加工确定或利用螺旋测微计测量得到；由此可得式(1)所示线性方程：

式(1)：^roT_us中超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵：

为标定针针尖点在超声成像系统坐标系O_us下的坐标位置；

为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的Q₁点位置坐标；

为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的Q₂点位置坐标；

为插入引导套筒后的标定针针尖与引导套筒上的上法兰连接球的球心距离；

为为Q₁点和Q₂点之间的距离；

第四步：重复第二步和第三步可自动获得不同针尖点位置下的一组线性方程组，由此可以利用最小二乘法求解矩阵^roT_us，即得到此时超声成像探头3的超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系。

2)四自由度定位定向装置6与超声成像探头3存在横转和俯仰两个自由度时的相对运动关系获取方法

第一步，调整四自由度定位定向装置6到合适的相对位置，记录此时横转支架4的横转角度θ₁和俯仰支架5的俯仰角度θ₂；

第二步，执行四自由度定位定向装置6与超声成像探头位置3固定时的相对运动关系获取方法的过程，计算此时四自由度定位定向装置6与超声成像探头3间的关系矩阵^roT_us，根据刚体间坐标变换关系可得方程(2)：

^roT_us＝^roT_link2(α₁)·^link2T_link1(θ₂,α₂)·^link1T_us(θ₁,α₃) (2)

式(2)中：^roT_us为超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵；^roT_link2(α₁)为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro与俯仰连杆坐标系link2之间的坐标转换矩阵、其为参数α₁的函数；^link2T_link1(θ₂,α₂)为俯仰连杆坐标系link2与横转连杆坐标系link1之间的坐标转换矩阵、其为参数θ₂和α₂的函数；^link1T_us(θ₁,α₃)为横转连杆坐标系link1与超声成像系统坐标系O_us之间的坐标转换矩阵、其为参数θ₁和α₃的函数；其中α₁、α₂、α₃皆为与零件结构尺寸相关的未知参数；

第三步，重复上述第一步和第二步n次且n>5，获得不同θ₁和θ₂下的^roT_us，将所得θ₁和θ₂下的^roT_us代入方程(2)可求得其中未知参数α₁、α₂、α₃，由此可将超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵^roT_us表示为关于θ₁和θ₂的函数表示，获得四自由度定位定向装置6与超声成像探头3存在横转和俯仰两个自由度时的相对运动关系，由式(3)表示：

^roT_us(θ₁,θ₂)＝^roT_link2·^link2T_link1(θ₂)·^link1T_us(θ₁) (3)

式(3)中：^roT_us(θ₁,θ₂)为超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵、其为θ₁和θ₂的函数，θ₁为俯仰支架沿圆弧形导轨绕超声成像探头的横转角度，θ₂为四自由度定位定向装置相对横转支架的俯仰角度；^roT_link2为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro与俯仰连杆坐标系link2之间的坐标转换矩阵；^link2T_link1(θ₂)为俯仰连杆坐标系link2与横转连杆坐标系link1之间的坐标转换矩阵、其为参数θ₂的函数；^link1T_us(θ₁)为横转连杆坐标系link1与超声成像系统坐标系O_us之间的坐标转换矩阵、其为参数θ₁的函数。

3)任意位置下的穿刺路径与超声图像关系计算方法

第一步，设四自由度定位定向装置6与超声成像探头3间的横转角度θ₁和俯仰角度θ₂，同时Q₁点和Q₂点在四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的位置坐标分别为

和

则Q₁点和Q₂点在超声成像探头3的超声成像系统坐标系O_us中的坐标可分别由式(4)的超声成像系统坐标系O_us下的Q₁点坐标转换方程和式(5)的超声成像系统坐标系O_us下的Q₂点坐标转换方程计算，Q₁点和Q₂点的连线的延长线即为穿刺路径，该穿刺路径可由超声成像系统坐标系O_us中的四自由度定位定向装置穿刺路径直线方程(6)表示：

式(4)、(5)、(6)中，

为超声成像系统坐标系O_us下的Q₁点位置坐标；

为超声成像系统坐标系O_us下的Q₂点位置坐标；

为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的Q₁点位置坐标；

为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的Q₂点位置坐标；

为超声成像系统坐标系O_us中的四自由度定位定向装置穿刺路径上的任一点坐标；t为超声成像系统坐标系O_us下的四自由度定位定向装置穿刺路径直线方程参变量；

第二步，设超声成像平面在超声成像系统坐标系O_us下的超声成像平面方程为ax_us+by_us+cz_us+d＝0，其中a、b、c、d皆为超声成像系统坐标系O_us下的超声成像平面方程的参数且由超声成像探头3的成像参数直接确定，(x_us，y_us，z_us)为超声成像系统坐标系O_us下的超声成像平面的坐标点；

第三步，由此将穿刺路径与超声图像间相对关系转为超声成像系统坐标系O_us下直线与平面的关系问题，穿刺路径与超声成像平面相对关系可直接根据式(4)、式(5)与超声成像平面方程绘出；联立式(6)与超声成像平面方程即可求解穿刺路径与超声成像平面的交点，即为该位置下四自由度定位定向装置的穿刺路径与超声成像平面的交点，该信息可以帮助操作者和计算机系统提计算出穿刺路径与超声成像平面间的关系。

4)根据超声图像指定目标位置，穿刺针7的位姿自动调整方法

第一步：计算四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺路径直线方程，设超声成像系统坐标系O_us下的超声图像指定目标位置为^usP_target和超声图像目标穿刺方向向量为^usV_target，则可根据式(7)的四自由度定位定向装置的目标位置变换方程和式(8)的四自由度定位定向装置的目标方向变换方程计算出^usP_target、^usV_target在四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下对应的穿刺针目标位置^roP_target和穿刺针目标穿刺方向向量^roV_target，同时在四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺路径直线方程由式(9)表示：

^roP_target＝^roT_us(θ₁,θ₂)·^usP_target (7)

^roV_target＝^roT_us(θ₁,θ₂)·^usV_target-^roT_us(θ₁,θ₂)·[0,0,0,1]^T (8)

式(7)、(8)、(9)中：^roP_target为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺针目标位置；^roT_us(θ₁,θ₂)为超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵、其为θ₁和θ₂的函数，θ₁为俯仰支架沿圆弧形导轨绕超声成像探头的横转角度，θ₂为四自由度定位定向装置相对横转支架的俯仰角度；^usP_target为超声成像系统坐标系O_us下的超声图像指定目标位置；^roV_target为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺针目标穿刺方向向量；^usV_target为超声成像系统坐标系O_us下的超声图像目标穿刺方向向量；

表示四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下穿刺路径直线方程上的任意点；t表示四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺路径直线方程参变量；

第二步：确定四自由度定位定向装置6的上平面方程和下平面方程，由四自由度定位定向装置6的结构可知，上法兰连接球的球心Q₁点始终在上平面中运动、下平面连接球的球心Q₂点始终在下平面中运动，设四自由度定位定向装置的上平面方程为

四自由度定位定向装置的下平面方程为

其中

为四自由度定位定向装置的上平面方程和四自由度定位定向装置的下平面方程的参数，能够由四自由度定位定向装置6的零件参数确定，(x_ro，y_ro，z_ro)为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的上平面或下平面上的坐标点；L为Q₁点与Q₂点之间的直线距离，该参数可由机械加工保证、或使用测量工具精确测量；

第三步：求解四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺路径直线方程与四自由度定位定向装置6的上平面和下平面交点，将式(9)中的

坐标分别代入四自由度定位定向装置的上平面方程

四自由度定位定向装置的下平面方程

中，可分别求解穿刺路径与上平面交点坐标为

穿刺路径与下平面交点坐标

第四步：调整四自由度定位定向装置6，根据第三步所求穿刺路径与上平面交点坐标为

穿刺路径与下平面交点坐标

由电脑控制器1控制上平面X方向运动模组62和上平面Y方向运动模组63运动使得上法兰连接球66的球心运动至坐标

处，由电脑控制器1控制下平面X方向运动模组68和下平面Y方向运动模组69运动使得下平面连接球611的球心运动至坐标

处，完成最终穿刺路径调整。

5)应用示例

以下以具体的例子来说明本发明的使用方法。

第一步：对于加工制造完成的超声引导机器人辅助穿刺装置，首先根据上述超声引导机器人辅助穿刺装置的使用方法中的第1)和第2)方法，确定该装置的超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵^roT_us(θ₁,θ₂)。

第二步：首先手持本装置利用超声探头人工探查穿刺目标，确定合适的探查角度，使得穿刺目标出现在超声平面中。

第三步：选择穿刺方式。观察超声平面与目标，当超声平面内穿刺路径上无障碍物时，优先选择平面内穿刺方式；当超声平面内穿刺路径上有障碍物时，选择平面外穿刺方式。

第四步：自动穿刺调整。

a)平面内穿刺方式：此时横转支架4的横转角度θ₁为0°，仅需调整俯仰支架5的俯仰角度θ₂即可。同时四自由度定位定向装置YOZ平面调整角度为0°，仅需在XOZ平面调整位置和角度即可。整个过程如图12-15所示，根据超声影像确定超声成像系统坐标系O_us下的超声图像指定目标位置^usP_target和超声图像目标穿刺方向向量^usV_target，此时^usP_target＝[x_Pus,y_Pus,z_Pus,1]、

首先调整俯仰支架5的俯仰角度θ₂使得穿刺针轴线延长线在目标区域附近。注意，此时可以根据上述使用方法中的3)实时确定不同俯仰角度θ₂下的穿刺路径与超声成像平面关系，从而获得穿刺路径与目标最近的俯仰角度θ₂；读取俯仰角度θ₂，将俯仰角度θ₂和横转角度θ₁＝0°、以及超声图像指定目标位置^usP_target和超声图像目标穿刺方向向量^usV_target作为输入，根据上述使用方法中的4)中的方法即完成平面内穿刺调整。

b)平面外穿刺方式：根据障碍物、穿刺目标及超声成像平面的相对位置关系设定平面外穿刺路径，如图16-19所示。此时超声图像指定目标位置为：^usP_target＝[x_Pus,y_Pus,z_Pus,1]，超声图像目标穿刺方向向量为：

调整横转支架4的横转角度θ₁和俯仰支架5的俯仰角度θ₂，使得四自由度定位定向穿刺轴线到达目标位置附近。注意，此时可以根据上述使用方法中的3)实时确定不同横转角度θ₁和俯仰角度θ₂下的穿刺路径与超声成像平面关系，从而获得穿刺路径与目标最近的横转角度θ₁和俯仰角度θ₂；读取横转角度θ₁和俯仰角度θ₂，将横转角度θ₁和俯仰角度θ₂、以及超声图像指定目标位置^usP_target和超声图像目标穿刺方向向量^usV_target作为输入，根据上述使用方法中的4)中的方法即完成平面内穿刺调整。由此可以利用平面外穿刺实现穿刺障碍的躲避与穿刺路径的自动调整。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (14)

1.一种超声引导机器人辅助穿刺装置，其特征在于：该辅助穿刺装置包括横转支架(4)、俯仰支架(5)和四自由度定位定向装置(6)，横转支架(4)刚性固定在超声成像探头(3)上且俯仰支架(5)安装在横转支架(4)的圆弧形导轨(40)上，使得俯仰支架(5)能够沿圆弧形导轨(40)部分绕超声成像探头(3)转动；四自由度定位定向装置(6)安装在俯仰支架(5)的枢轴上、使得四自由度定位定向装置(6)能够相对横转支架(4)俯仰转动；四自由度定位定向装置(6)内上下平行布置的上平面末端法兰(64)和下平面末端法兰(610)用于安装穿刺针(7)，上平面末端法兰(64)和下平面末端法兰(610)皆能够分别独立沿X轴方向、Y轴方向行进，使得穿刺针(7)能够在四自由度定位定向装置(6)内实现沿X轴方向和Y轴方向的双向平移、以及绕X轴和Y轴的双向偏转；进而使得穿刺针(7)能够相对超声成像探头(3)作俯仰和横转二自由度的大范围可控运动以及四自由度的精细可控运动。

2.根据权利要求1所述超声引导机器人辅助穿刺装置，其特征在于：所述的超声成像探头(3)与电脑控制器(1)信号连接且电脑控制器(1)通过超声图像显示器(2)显示超声图像；所述的电脑控制器(1)能够控制四自由度定位定向装置(6)中驱动上平面末端法兰(64)和下平面末端法兰(610)行进的运动模组。

3.根据权利要求1或2所述超声引导机器人辅助穿刺装置，其特征在于：所述的上平面末端法兰(64)和下平面末端法兰(610)通过用于引导穿刺针(7)的引导套筒(65)串接，引导套筒(65)为一空心圆管结构或空心圆柱槽结构、使得穿刺针(7)能够沿引导套筒(65)的轴向滑动；所述的引导套筒(65)能够相对上平面末端法兰(64)转动，所述的引导套筒(65)能够相对下平面末端法兰(610)转动、且相对下平面末端法兰(610)沿引导套筒(65)的轴向滑动。

4.根据权利要求3所述超声引导机器人辅助穿刺装置，其特征在于：所述的上平面末端法兰(64)内置有上法兰球形凹槽(67)且下平面末端法兰(610)内置有下法兰球形凹槽(612)，引导套筒(65)上刚性连接的上法兰连接球(66)安装在上法兰球形凹槽(67)内且上法兰连接球(66)与上法兰球形凹槽(67)构成球连接副相互运动；下法兰球形凹槽(612)内设有下平面连接球(611)且两者构成球连接副相互运动，引导套筒(65)下穿过下平面连接球(611)的中心孔且引导套筒(65)能够相对下平面连接球(611)转动以及沿中心孔的轴向进行滑动。

5.根据权利要求1或2所述超声引导机器人辅助穿刺装置，其特征在于：所述的上平面末端法兰(64)安装在上平面Y方向运动模组(63)的运动端上、上平面Y方向运动模组(63)的固定端安装在上平面X方向运动模组(62)的运动端上且上平面X方向运动模组(62)的固定端安装在四自由度定位定向装置(6)的基座(60)上，所述的下平面末端法兰(610)安装在下平面Y方向运动模组(69)的运动端上、下平面Y方向运动模组(69)的固定端安装在下平面X方向运动模组(68)的运动端上且下平面X方向运动模组(68)的固定端安装在四自由度定位定向装置(6)的基座(60)上，上述的上平面X方向运动模组(62)、上平面Y方向运动模组(63)、下平面X方向运动模组(68)、下平面Y方向运动模组(69)皆分别与电脑控制器(1)信号连接且电脑控制器(1)能够分别控制上平面X方向运动模组(62)、上平面Y方向运动模组(63)、下平面X方向运动模组(68)和下平面Y方向运动模组(69)的运行。

6.根据权利要求5所述超声引导机器人辅助穿刺装置，其特征在于：所述上平面X方向运动模组(62)、上平面Y方向运动模组(63)、下平面X方向运动模组(68)、下平面Y方向运动模组(69)的驱动机构皆采用伺服电机，且伺服电机分别与电脑控制器(1)信号连接并接受电脑控制器(1)的控制；所述的上平面X方向运动模组(62)、上平面Y方向运动模组(63)、下平面X方向运动模组(68)、下平面Y方向运动模组(69)分别对应配置有电机传感器，且电机传感器分别与电脑控制器(1)信号连接以实时传递各对应运动模组的精确运动位置。

7.根据权利要求1所述超声引导机器人辅助穿刺装置，其特征在于：所述圆弧形导轨(40)的圆心轴线与超声成像探头(3)的超声成像平面中轴线重合。

8.根据权利要求1或2所述超声引导机器人辅助穿刺装置，其特征在于：所述的圆弧形导轨(40)上设有均布的弹性卡槽(4)，弹性卡槽(4)能够嵌入俯仰支架(5)的连接端，使得俯仰支架(5)能够在圆弧形导轨(40)上设定的角度稳定停止；所述的俯仰支架(5)上设有弹性卡槽(4)且该弹性卡槽(4)能够嵌入俯仰支架(5)的枢轴，使得四自由度定位定向装置(6)能够相对俯仰支架(5)作设定角度的俯仰转动。

9.根据权利要求1或2所述超声引导机器人辅助穿刺装置，其特征在于：所述的横转支架(4)上设有编码器测量俯仰支架(5)的横转角度且编码器能够将角度信息发送给电脑控制器(1)；所述的俯仰支架(5)上设有编码器测量四自由度定位定向装置(6)的俯仰角度且编码器能够将角度信息发送给电脑控制器(1)。

10.根据权利要求1或2所述超声引导机器人辅助穿刺装置，其特征在于：所述的横转支架(4)上设有能够自动调整和测量俯仰支架(5)横转角度的伺服电机、且该伺服电机与电脑控制器(1)信号连接并接受电脑控制器(1)的控制；所述的俯仰支架(5)上设有能够自动调整和测量四自由度定位定向装置(6)俯仰角度的伺服电机、且该伺服电机与电脑控制器(1)信号连接并接受电脑控制器(1)的控制。

11.一种超声引导机器人辅助穿刺装置的使用方法，其特征在于：在确定超声成像系统坐标系O_us下的超声图像指定目标位置为^usP_target和超声图像目标穿刺方向向量为^usV_target的情况下，穿刺针的位姿自动调整方法步骤如下：

第一步：计算四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺路径直线方程，根据式(7)的四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的目标位置变换方程和式(8)的四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的目标方向变换方程计算出^usP_target、^usV_target在四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺针目标位置^roP_target和穿刺针目标穿刺方向向量^roV_target，同时在四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺路径直线方程由式(9)表示：

^roP_target＝^roT_us(θ₁,θ₂)·^usP_target (7)

^roV_target＝^roT_us(θ₁,θ₂)·^usV_target-^roT_us(θ₁,θ₂)·[0,0,0,1]^T (8)

式(7)、(8)、(9)中：^roP_target为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺针目标位置；^roT_us(θ₁,θ₂)为超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵、其为θ₁和θ₂的函数，θ₁为俯仰支架沿圆弧形导轨绕超声成像探头的横转角度，θ₂为四自由度定位定向装置相对横转支架的俯仰角度；^usP_target为超声成像系统坐标系O_us下的超声图像指定目标位置；^roV_target为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺针目标穿刺方向向量；^usV_target为超声成像系统坐标系O_us下的超声图像目标穿刺方向向量；

表示四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下穿刺路径直线方程上的任意点；t表示四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺路径直线方程参变量；

第二步：确定四自由度定位定向装置的上平面方程和下平面方程，由四自由度定位定向装置的结构可知，上法兰连接球的球心Q₁点始终在上平面中运动、下平面连接球的球心Q₂点始终在下平面中运动，设四自由度定位定向装置的上平面方程为

四自由度定位定向装置的下平面方程为

其中

为四自由度定位定向装置的上平面方程和四自由度定位定向装置的下平面方程的参数，能够由四自由度定位定向装置的零件参数确定，(x_ro，y_ro，z_ro)为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的上平面或下平面上的坐标点；L为Q₁点与Q₂点之间的直线距离，该参数可由机械加工保证、或使用测量工具精确测量；

第三步：求解四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的穿刺路径直线方程与四自由度定位定向装置的上平面和下平面交点，将式(9)中的

坐标分别代入四自由度定位定向装置的上平面方程

四自由度定位定向装置的下平面方程

中，可分别求解穿刺路径与上平面交点坐标为

穿刺路径与下平面交点坐标

第四步：调整四自由度定位定向装置，根据第三步所求穿刺路径与上平面交点坐标

穿刺路径与下平面交点坐标

由电脑控制器控制上平面X方向运动模组和上平面Y方向运动模组运动使得上法兰连接球的球心运动至坐标

处、由电脑控制器控制下平面X方向运动模组和下平面Y方向运动模组运动使得下平面连接球的球心运动至坐标

处，完成穿刺针的位姿调整。

12.根据权利要求11所述超声引导机器人辅助穿刺装置的使用方法，其特征在于：任意位置下的穿刺路径与超声图像关系的计算方法为：

第一步，设四自由度定位定向装置与超声成像探头间的横转角度θ₁和俯仰角度θ₂，同时Q₁点和Q₂点在四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的位置坐标分别为

和

则Q₁点和Q₂点在超声成像探头的超声成像系统坐标系O_us下的坐标可分别由式(4)的超声成像系统坐标系O_us下的Q₁点坐标转换方程和式(5)的超声成像系统坐标系O_us下的Q₂点坐标转换方程计算，Q₁点和Q₂点的连线的延长线即为穿刺路径，该穿刺路径可由超声成像系统坐标系O_us下的四自由度定位定向装置穿刺路径直线方程(6)表示：

式(4)、(5)、(6)中，

为超声成像系统坐标系O_us下的Q₁点位置坐标；

为超声成像系统坐标系O_us下的Q₂点位置坐标；

为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的Q₁点位置坐标；

为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的Q₂点位置坐标；

为超声成像系统坐标系O_us中的四自由度定位定向装置穿刺路径上的任一点坐标；t为超声成像系统坐标系O_us下的四自由度定位定向装置穿刺路径直线方程参变量；

第二步，设超声成像平面在超声成像系统坐标系O_us下的超声成像平面方程为：ax_us+by_us+cz_us+d＝0，其中a、b、c、d皆为超声成像系统坐标系O_us下的超声成像平面方程的参数且由超声成像探头的成像参数直接确定，(x_us，y_us，z_us)为超声成像系统坐标系O_us下的超声成像平面的坐标点；

第三步，由此将穿刺路径与超声图像间相对关系转为超声成像系统坐标系O_us下直线与平面的关系问题，穿刺路径与超声成像平面相对关系可直接根据式(4)、式(5)与超声成像平面方程绘出，联立式(6)与超声成像平面方程即可求解穿刺路径与超声成像平面的交点，即为该位置下四自由度定位定向装置的穿刺路径与超声成像平面的交点。

13.根据权利要求11所述超声引导机器人辅助穿刺装置的使用方法，其特征在于：四自由度定位定向装置与超声成像探头存在横转和俯仰两个自由度时的相对运动关系获取方法为：

第一步，调整四自由度定位定向装置到合适的相对位置，记录此时横转支架的横转角度θ₁和俯仰支架的俯仰角度θ₂；

第二步，执行四自由度定位定向装置与超声成像探头位置固定时的相对运动关系获取方法的过程，计算此时四自由度定位定向装置与超声成像探头间的关系矩阵^roT_us，根据刚体间坐标变换关系可得方程(2)：

^roT_us＝^roT_link2(α₁)·^link2T_link1(θ₂,α₂)·^link1T_us(θ₁,α₃) (2)

式(2)中：^roT_us为超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵；^roT_link2(α₁)为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro与俯仰连杆坐标系link2之间的坐标转换矩阵、其为参数α₁的函数；^link2T_link1(θ₂,α₂)为俯仰连杆坐标系link2与横转连杆坐标系link1之间的坐标转换矩阵、其为参数θ₂和α₂的函数；^link1T_us(θ₁,α₃)为横转连杆坐标系link1与超声成像系统坐标系O_us之间的坐标转换矩阵、其为参数θ₁和α₃的函数；其中α₁、α₂、α₃皆为与零件结构尺寸相关的未知参数；

第三步，重复上述第一步和第二步n次且n>5，获得不同θ₁和θ₂下的^roT_us，将所得θ₁和θ₂下的^roT_us代入方程(2)可求得其中未知参数α₁、α₂、α₃，由此可将超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵^roT_us表示为关于θ₁和θ₂的函数表示，获得四自由度定位定向装置与超声成像探头存在横转和俯仰两个自由度时的相对运动关系，由式(3)表示：

^roT_us(θ₁,θ₂)＝^roT_link2·^link2T_link1(θ₂)·^link1T_us(θ₁) (3)

式(3)中：^roT_us(θ₁,θ₂)为超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵、其为θ₁和θ₂的函数，θ₁为俯仰支架沿圆弧形导轨绕超声成像探头的横转角度，θ₂为四自由度定位定向装置相对横转支架的俯仰角度；^roT_link2为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro与俯仰连杆坐标系link2之间的坐标转换矩阵；^link2T_link1(θ₂)为俯仰连杆坐标系link2与横转连杆坐标系link1之间的坐标转换矩阵、其为参数θ₂的函数；^link1T_us(θ₁)为横转连杆坐标系link1与超声成像系统坐标系O_us之间的坐标转换矩阵、其为参数θ₁的函数。

14.根据权利要求13所述超声引导机器人辅助穿刺装置的使用方法，其特征在于：当四自由度定位定向装置与超声成像探头位置固定时的相对运动关系获取方法的步骤为：

第一步：调整四自由度定位定向装置到合适的相对位置并保持固定，将标定针插入四自由度定位定向装置的引导套筒中，经过提前预制的标定针能够保证插入引导套筒后的标定针针尖与引导套筒上的上法兰连接球的球心距离为

第二步：将超声成像探头和穿刺针置于水模中，电脑控制器自动控制四自由度定位定向装置进行平移或转动，同时自动检测超声成像平面图像，直到标定针的针尖恰好处于超声成像平面中，记录此时标定针针尖点为A_i，标定针针尖点在超声成像系统坐标系O_us下的坐标位置为

该位置坐标可直接由超声成像系统读出；设四自由度定位定向装置的基坐标系为O_ro，引导套筒上的上法兰连接球的球心为Q₁、下平面连接球的球心为Q₂，则Q₁点和Q₂点在四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的坐标位置能够由辅助穿刺装置的机械尺寸和伺服电机位置关系计算出来，记为

和

第三步：设超声成像探头的超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵为^roT_us，则标定针针尖点A_i在四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的坐标为：^roP_Ai＝^roT_us·^usP_Ai；同时由于标定针针尖点A_i、Q₁、Q₂处于同一穿刺针的直线上，因此有

其中

为Q₁点和Q₂点之间的距离、能够由机械加工确定或利用螺旋测微计测量得到；由此可得式(1)所示线性方程：

式(1)：^roT_us中超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro之间的相对坐标转换关系矩阵：

为标定针针尖点在超声成像系统坐标系O_us下的坐标位置；

为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的Q₁点位置坐标；

为四自由度定位定向装置的基坐标系O_ro下的Q₂点位置坐标；

为插入引导套筒后的标定针针尖与引导套筒上的上法兰连接球的球心距离；

为为Q₁点和Q₂点之间的距离；

第四步：重复第二步和第三步可自动获得不同针尖点位置下的一组线性方程组，由此可以利用最小二乘法求解矩阵^roT_us，即得到此时超声成像探头的超声成像系统坐标系O_us与四自由度定位定向装置的基坐标系为O_ro间的相对坐标转换关系。

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