CN115399886B - 手术机器人、手术机器人控制方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种手术机器人、手术机器人控制方法及存储介质，涉及医疗器械技术领域，解决了无法准确地将柔性电极植入目标对象内的问题。该手术机器人包括：柔性电极布置单元，用于安装柔性电极；柔性电极植入单元，包括植入针，用于将柔性电极在植入针的辅助下植入目标对象；图像采集单元，用于采集植入针和柔性电极端部设置的电极环之间的第一位置关系图像、植入针和目标对象之间的第二位置关系图像；控制单元，用于确定植入针和电极环之间的第一相对位姿、并确定植入针和目标对象之间的第二相对位姿，根据第一相对位姿和第二相对位姿将柔性电极在植入针的辅助下植入目标对象。本发明能够使柔性电极准确植入目标对象内。

Description

手术机器人、手术机器人控制方法及存储介质

技术领域

本发明涉及机械技术领域，尤其涉及一种手术机器人、手术机器 人控制方法及存储介质。

背景技术

柔性电极植入机器人用于给动物颅脑中特定区域植入柔性电极。 目前给颅脑内植入柔性电极的方式为：在颅脑打开直径2-3cm的骨窗， 然后利用机器人将柔性电极通过该骨窗植入颅脑，从而构建出颅脑神 经信号采集通道，因此，现有手术机器人需要给颅脑开2-3cm的骨窗 才能植入柔性电极。

然而，给动物颅脑开颅直径2-3cm的骨窗，会存在出血和感染手 术风险，而且手术创伤较大。因此，为了解决这个问题，可以通过激 光打孔缩小骨窗直径的方式来降低出血和感染的风险、并且减小手术 创伤。但是，目前的手术机器人只适用于直径为2-3cm骨窗手术，当 骨窗直径缩小至200-300微米时，就无法准确地将柔性电极植入动物颅脑。

发明内容

本发明提供一种手术机器人、手术机器人控制方法及存储介质， 用以解决现有技术中手术机器人对骨窗直径要求大的缺陷，实现手术 机器人对柔性电极的精准植入。

本发明提供一种手术机器人，包括：

柔性电极布置单元，用于安装即将被植入目标对象的柔性电极；

柔性电极植入单元，包括植入针，用于将所述柔性电极在所述植 入针的辅助下植入目标对象；

图像采集单元，用于采集所述植入针和柔性电极端部设置的电极 环之间的第一位置关系图像、以及所述植入针和目标对象之间的第二 位置关系图像；

控制单元，分别与所述柔性电极布置单元、柔性电极植入单元、 图像采集单元电连接；用于根据所述第一位置关系图像确定所述植入 针和所述电极环之间的第一相对位姿、以及根据所述第二位置关系图 像确定植入针和目标对象之间的第二相对位姿，并根据所述第一相对 位姿和所述第二相对位姿将所述柔性电极在植入针的辅助下植入目标对象。

根据本发明提供的一种手术机器人，所述柔性电极布置单元包括： PCB板、PCB板固定架、柔性电极放置架；

所述PCB板插入在所述PCB板固定架的凹槽内；所述柔性电极 的一端连接在所述PCB板上，另一端摆放在所述柔性电极放置架上； 摆放在所述柔性电极放置架上的柔性电极末端设置有电极环，所述电 极环摆放在所述柔性电极放置架上；

所述柔性电极放置架与PCB板固定架可拆卸连接，且柔性电极 放置架放置柔性电极的一端其底面的水平位置低于所述柔性电极放 置架的底面的水平位置；

所述PCB板与所述控制单元电连接。

根据本发明提供的一种手术机器人，在所述PCB板固定架的下 端设置有一对左右对称的固定端，所述固定端用于将所述PCB板固 定架安装固定在颅脑上。

根据本发明提供的一种手术机器人，所述柔性电极布置单元还包 括：第一固定支架、第一线性滑台组；

所述PCB板固定架通过所述第一固定支架固定在所述第一线性 滑台组上；所述第一线性滑台组用于带动所述PCB板固定架在三维 空间内移动。

根据本发明提供的一种手术机器人，所述柔性电极植入单元包括： 六自由度机械臂、三轴驱动组件、六维力传感器；

所述三轴驱动组件连接在所述六自由度机械臂和所述植入针之 间；所述六维力传感器安装在所述三轴驱动组件与所述植入针之间；

所述六自由度机械臂用于控制所述植入针的第一运动；所述三轴 驱动组件用于控制所述植入针在三维空间内的第二运动，所述第二运 动的行程小于所述第一运动的行程；

所述六维力传感器与所述控制单元电连接。

根据本发明提供的一种手术机器人，所述三轴驱动组件包括：依 次固定连接的第二Y轴滑动组件、第二X轴滑动组件、第二Z轴滑 动组件；

所述第二Y轴滑动组件通过底座与所述六自由度机械臂的末端 固定连接；所述六维力传感器与所述第二Z轴滑动组件的直线推杆滑 块固定连接；

所述第二Y轴滑动组件的滑块沿Y轴滑动时，随之带动所述第 二X轴滑动组件、第二Z轴滑动组件沿Y轴移动；所述第二X轴滑 动组件的滑块沿X轴滑动时，随之带动所述第二Z轴滑动组件沿X 轴移动；所述第二Z轴滑动组件的直线推杆滑块沿Z轴滑动时，随 之带动所述六维力传感器和植入针沿Z轴移动。

根据本发明提供的一种手术机器人，所述柔性电极植入单元还包 括：夹持针、夹持针固定组件、夹持针旋转驱动机构、夹持针滑动机 构、夹持针直线滑台固定座；

所述夹持针为L形，所述夹持针的长端固定在所述夹持针固定组 件上，其短端用于辅助所述植入针将柔性电极植入目标对象；

所述夹持针旋转驱动机构用于驱动所述夹持针以其长端的中心 轴线为旋转中心进行旋转；所述夹持针滑动机构用于使所述夹持针以 其长端的轴向上下滑动；

所述夹持针固定组件与所述夹持针旋转驱动机构的旋转输出轴 固定连接；所述夹持针旋转驱动机构通过第二转接件固定在所述夹持 针滑动机构上，所述夹持针滑动机构安装在所述夹持针直线滑台固定 座上，所述夹持针直线滑台固定座的一端固定在所述第二Z轴滑动组件的第二固定底板上。

根据本发明提供的一种手术机器人，所述图像采集单元包括：

两路显微视觉单元、第二线性滑台组、第二固定支架；

所述两路显微视觉单元通过所述第二固定支架固定在所述第二 线性滑台组上；所述第二线性滑台组用于带动所述两路显微视觉单元 在三维空间内移动；

所述两路显微视觉单元用于采集所述植入针和电极环之间的第 一位置关系图像、以及所述植入针和目标对象之间的第二位置关系图 像；所述两路显微视觉单元的光路轴线相交于一点。

根据本发明提供的一种手术机器人，所述图像采集单元还包括：

隔振台、电控柜；

所述第二线性滑台组的底面固定在所述隔振台的上面，所述隔振 台设置在所述电控柜的上面；

所述隔振台用于隔离地面震动对所述两路显微视觉单元获取图 像质量的影响，所述电控柜用于布置所述控制单元及电源适配器。

根据本发明提供的一种手术机器人，所述两路显微视觉单元包括：

相对设置的两个第一工业相机以及分别驱动所述两个第一工业 相机来回移动的聚焦滑台；所述聚焦滑台分别固定在所述第二固定支 架上。

根据本发明提供的一种手术机器人，所述图像采集单元还包括： 中心视觉单元；

所述中心视觉单元设置在所述两路显微视觉单元的中间位置，且 固定在所述第二固定支架上；

所述中心视觉单元的镜头能够旋转。

本发明还提供一种手术机器人控制方法，包括：

利用图像采集单元获取植入针和柔性电极端部设置的电极环之 间的第一位置关系图像、以及植入针和目标对象之间的第二位置关系 图像；

根据所述第一位置关系图像确定所述植入针和电极环的第一相 对位姿，并根据所述第二位置关系图像确定所述植入针和目标对象的 第二相对位姿；

根据所述第一相对位姿和所述第二相对位姿控制柔性电极植入 单元将柔性电极在植入针的辅助下植入所述目标对象内。

根据本发明提供的一种手术机器人控制方法，所述根据所述第一 相对位姿和所述第二相对位姿控制柔性电极植入单元将柔性电极在 植入针的辅助下植入所述目标对象内，包括：

根据所述植入针和电极环的第一相对位姿，控制所述植入针插入 所述电极环内；

根据所述植入针和目标对象的第二相对位姿，控制带有所述电极 环的植入针移动至所述目标对象正上方，并将柔性电极在植入针的辅 助下植入所述目标对象内。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储 器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时 实现如上述任一种所述手术机器人控制方法。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算 机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述手术机 器人控制方法。

本发明提供的手术机器人、手术机器人控制方法及存储介质，通 过图像采集单元采集植入针和电极环之间的第一位置关系图像、然后 通过该第一位置关系图像确定植入针和电极环之间的第一相对位姿， 并根据该第一相对位姿使植入针能够准确插入电极环内；接着通过图 像采集单元采集的植入针和目标对象之间的第二位置关系图像确定植入针和目标对象之间的第二相对位姿，并根据该第二相对位姿使柔 性电极在植入针的辅助下准确植入目标对象内。因此，本发明提供的 手术机器人，可以保证即使骨窗直径为200-300微米的目标对象，也 能够将柔性电极准确植入。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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是本发明提供的手术机器人结构示意图；

图2是本发明提供的柔性电极布置单元结构示意图；

图3是本发明提供的柔性电极安装机构结构示意图之一；

图4是本发明提供的柔性电极安装机构结构示意图之二；

图5是本发明提供的柔性电极布置单元结构爆炸图；

图6是图5中柔性电极安装机构13的局部放大图；

图7是本发明提供的柔性电极植入单元结构示意图；

图8是本发明提供的三轴驱动组件结构爆炸图；

图9是本发明提供的第二Z轴滑动组件结构示意图之一；

图10是本发明提供的夹持针驱动机构结构示意图；

图11本发明提供的第二Z轴滑动组件结构示意图之二；

图12是本发明提供的图像采集单元结构示意图；

图13是本发明提供的第二线性滑台组结构示意图；

图14是本发明提供的两路显微视觉单元结构示意图；

图15是本发明提供的中心视觉单元结构示意图；

图16(a)是本发明提供的手术机器人手术操作流程示意图之一；

图16(b)是本发明提供的手术机器人手术操作流程示意图之二；

图16(c)是本发明提供的手术机器人手术操作流程示意图之三；

图16(d)是本发明提供的手术机器人手术操作流程示意图之四；

图16(e)是本发明提供的手术机器人手术操作流程示意图之五；

图16(f)是本发明提供的手术机器人手术操作流程示意图之六；

图17是本发明提供的颅脑与柔性电极位置关系结构示意图；

图18是本发明提供的手术机器人控制方法流程示意图；

图19是本发明提供的电子设备的结构示意图。

附图标记：

1：柔性电极布置单元； 2：图像采集单元；

3：柔性电极植入单元； 4：颅脑；

5：显示器； 6：移动台车；

11：第一线性滑台组； 12：第一固定支架；

13：柔性电极安装机构； 131：PCB板固定架；

1311：PCB板上固定架； 1312：PCB板下固定架；

132：PCB板； 133：固定端；

134：柔性电极； 135：柔性电极放置架；

136：磁铁； 111：第一Z轴滑动组件；

112：第一转接件； 113：第一X轴滑动组件；

114：第一Y轴滑动组件； 1341：电极环；

21：第二线性滑台组； 22：第二固定支架；

23：显微视觉单元； 231：第一工业相机；

232：聚焦滑台； 233：变倍镜头；

234：第一照明光源； 24：隔振台；

25：电控柜； 26：中心视觉单元；

261：第二工业相机； 262：镜头；

263：第二照明光源； 264：工业相机固定件；

265：旋转台转接件； 266：旋转台；

267：中心光路固定架； 27：第一固定底板；

31：六自由度机械臂； 32：三轴驱动组件；

33：植入针； 34：夹持针驱动机构；

35：六维力传感器； 36：底座；

37：六维力传感器固定座； 323：第二Y轴滑动组件；

321：第二Z轴滑动组件； 322：第二X轴滑动组件；

3211：直线推杆； 3212：直线推杆固定盖；

3213：第二固定底板； 3214：直线推杆固定底座；

3215：直线推杆控制器； 3216：直线推杆滑块；

3217：直线推杆滑轨； 341：夹持针旋转驱动机构；

3411：旋转电机； 3412：夹持针固定环；

3413：旋转电机固定座； 342：夹持针固定组件；

3421：夹持针固定底座； 3422：夹持针固定盖；

343：夹持针； 344：夹持针滑动机构；

3441：夹持针直线滑轨； 3442：夹持针直线滑台；

345：第二转接件； 346：夹持针直线滑台固定座。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发 明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例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。

下面结合图1描述本发明提供的手术机器人，图1是本发明提供 的手术机器人结构示意图，如图1所示，本发明提供的手术机器人包 括：

柔性电极布置单元1，用于安装即将被植入目标对象的柔性电极 134；

柔性电极植入单元3，包括植入针33，用于将柔性电极134在植 入针33的辅助下植入目标对象；

图像采集单元2，用于采集植入针33和柔性电极134端部设置 的电极环1341之间的第一位置关系图像、以及植入针33和目标对象 之间的第二位置关系图像；

控制单元，分别与柔性电极布置单元1、柔性电极植入单元3、 图像采集单元2电连接；用于根据第一位置关系图像确定植入针33 和电极环1341之间的第一相对位姿、以及根据第二位置关系图像确 定植入针33和目标对象之间的第二相对位姿，并根据第一相对位姿 和第二相对位姿将柔性电极134在植入针33的辅助下植入目标对象。

具体地，所述目标对象即为动物颅脑上通过激光打的颅脑微孔， 该颅脑微孔的直径为200-300微米。图17是本发明提供的颅脑与柔 性电极位置关系结构示意图，如图17所示，本发明提供的手术机器 人用于将柔性电极134植入颅脑4上的微孔内。本发明提供的手术机 器人手术操作流程为：首先通过图像采集单元2采集植入针和电极环 之间的第一位置关系图像，然后通过第一位置关系图像确定植入针和 电极环之间的第一相对位姿，然后根据该第一相对位姿将植入针插入 电极环内；同时，通过夹持针托举柔性电极，避免柔性电极脱落，接着将套有电极环的植入针根据第二相对位姿植入目标对象，接着将植 入针拔出，而柔性电极留置在颅脑内，从而完成柔性电极在植入针的 辅助下植入目标对象的动作。图16(a)是本发明提供的手术机器人 手术操作流程示意图之一；图16(b)是本发明提供的手术机器人手 术操作流程示意图之二；图16(c)是本发明提供的手术机器人手术操作流程示意图之三；图16(d)是本发明提供的手术机器人手术操 作流程示意图之四；图16(e)是本发明提供的手术机器人手术操作 流程示意图之五；图16(f)是本发明提供的手术机器人手术操作流 程示意图之六；如图16(a)-图16(f)所示，图16(a)表示通过 图像采集单元2对柔性电极进行定位获取柔性电极的第一位置关系图像；图16(b)表示通过第一位置关系图像获取柔性电极端部电极 环的第一相对位姿；图16(c)表示根据该第一相对位姿将植入针插 入电极环内；图16(d)表示通过夹持针托举柔性电极，避免柔性电 极从植入针上脱落；图16(e)表示通过第二相对位姿将套有电极环 的植入针和颅脑微孔之间的位姿进行对准；图16(f)表示将植入针 穿过颅脑微孔，并将柔性电极留置在颅脑内。

本发明提供的手术机器人，通过图像采集单元采集植入针和电极 环之间的第一位置关系图像、然后通过该第一位置关系图像确定植入 针和电极环之间的第一相对位姿，并根据该第一相对位姿使植入针能 够准确插入电极环内；接着通过图像采集单元采集的植入针和目标对 象之间的第二位置关系图像确定植入针和目标对象之间的第二相对位姿，并根据该第二相对位姿使柔性电极在植入针的辅助下准确植入 目标对象内。因此，本发明提供的手术机器人，可以保证即使骨窗直 径为200-300微米的目标对象，也能够将柔性电极准确植入。

进一步地，图2是本发明提供的柔性电极布置单元结构示意图， 图2所示，本发明提供的柔性电极布置单元包括：第一线性滑台组 11、第一固定支架12、柔性电极安装机构13。该柔性电极安装机构 13通过第一固定支架12固定在第一线性滑台组11上；该第一线性滑台组11用于带动柔性电极安装机构13在三维空间内移动。

具体地，图5是本发明提供的柔性电极布置单元结构爆炸图，如 图5所示，第一线性滑台组11包括：第一Z轴滑动组件111、第一 转接件112、第一X轴滑动组件113、第一Y轴滑动组件114。其中， 第一Y轴滑动组件114沿着Y轴移动时，能够随之带动第一X轴滑 动组件113、第一Z轴滑动组件111沿着Y轴移动；所述第一X轴 滑动组件113沿着X轴移动时，能够随之带动第一Z轴滑动组件111沿着X轴移动；第一Z轴滑动组件111沿着Z轴移动时，能够随之带 动第一固定支架12沿着Z轴移动，第一固定支架12移动就随之带动 柔性电极安装机构13移动。

本发明提供的手术机器人，通过第一Y轴滑动组件、第一X轴 滑动组件、第一Y轴滑动组件的相互配合，使柔性电极安装机构能 够在三维空间内灵活移动，而柔性电极安装机构的灵活移动，保证了 机器人通过柔性电极安装机构获取柔性电极的便捷性以及顺利性，从 而提高了手术机器人植入柔性电极的效率。

进一步地，图3是本发明提供的柔性电极安装机构结构示意图之 一；图4是本发明提供的柔性电极安装机构结构示意图之二；如图 3-4所示，所述柔性电极安装机构包括：印制电路板(Printed Circuit Board，以下简称：PCB)132、PCB板固定架131、柔性电极放置架135。

其中，所述PCB板固定架131包括：PCB板上固定架1311、PCB板下固定架1312，该PCB板上固定架1311、PCB板下固定架1312可拆卸的组装成所述PCB板固定架131，PCB板132插入在由PCB 板上固定架1311、PCB板下固定架1312组合构成的凹槽内。柔性电极134的一端连接在PCB板132的信号端上，另一端摆放在所述柔性电极放置架135上；其摆放结构与位置具体参见图6，图6是图5中柔性电极安装机构13的局部放大图，如图6所示，柔性电极134末端设置有电极环1341，每个带有电极环1341的柔性电极134一一整齐排列对应摆放在该柔性电极放置架135上，电极环1341突出在外，以方便植入针插入电极环1341并将柔性电极134抽出。

具体地，如果柔性电极没有电极环，则植入针很难抽取出柔性电 极，并将柔性电极植入颅脑内，因此，在柔性电极的末端设计电极环， 通过将植入针插入电极环，再将套有电极环的植入针插入颅脑，就可 以顺利地将柔性电极带有电极环的一端留置在颅脑内，从而提高了柔 性电极植入颅脑的成功率。

其中，柔性电极放置架135与PCB板固定架131可拆卸连接， 且柔性电极放置架135放置柔性电极134的一端其底面水平位置低于 所述柔性电极放置架135底面的水平位置；所述PCB板132与所述 控制单元电连接。

具体地，由于手术机器人手术的最终目的是使柔性电极植入颅脑， 而在手术的过程中，动物是被麻醉的，但是当动物苏醒过来后，动物 会来回运动，而运动的话，就会影响信号的采集，因此，需要将柔性 电极安全地、稳定地固定在动物的颅脑上。而当柔性电极成功植入颅 脑后，PCB板上固定架、柔性电极放置架对于动物颅脑来说，是多余 的负担，动物会感觉到偏沉，更重要的是容易影响柔性电极在颅脑内 的植入情况，使柔性电极的位置产生偏差，因此，需要在手术后将 PCB板上固定架、柔性电极放置架移开。而在移开柔性电极放置架时， 如果拆卸的方式不够柔和，就会影响柔性电极采集信号的质量，因此，本发明通过在PCB板上固定架1311和柔性电极放置架135的对应位 置分别设置磁铁136，使两者之间通过磁吸的方式粘合在一起，当需 要拆开的情况下，则可轻柔地分开，从而避免对柔性电极造成影响， 因此提高了通过柔性电极采集信号的效率。

此外，由于在实际手术操作的过程中，是将柔性电极植入动物颅 脑的正上方的。而当植入后，为了保护柔性电极不被外界碰触，需要 先植入柔性电极，再固定PCB板下固定架1312；而由于柔性电极是在动物颅脑的正上方植入的，一方面为了避免动物颅脑感到偏沉，另 一方面为了保护柔性电极避免被外界碰触，就需要将固定PCB板下 固定架1312安装在植入柔性电极的正上方。而此时与固定PCB板下固定架1312对应的柔性电极放置架135的位置对手术的进行有着极 为重要的作用，具体来说：只有当柔性电极放置架135底面的水平位 置低于柔性电极放置架135底面的水平位置的情况下，电极环才能尽 可能地靠近植入区域，而尽可能地靠近植入区域就可以通过植入针方 便、顺利地将电极环插入并取出，否则，虽然可能只相差几毫米，但是植入针套取电极环的过程中就容易发生电极环脱落的现象，从而导 致手术失败或者手术时间延长。

本发明提供的手术机器人，通过将PCB板上固定架1311、PCB 板下固定架1312可拆卸的连接，以及通过PCB板上固定架1311与 柔性电极放置架135通过磁铁吸附在一起的方式，提高了对柔性电极 的保护作用，从而提高了通过柔性电极采集信号的效率。

进一步地，如图4所示，在所述PCB板固定架131的下端，即 PCB板下固定架1312的底端设置有一对左右对称的固定端133，该 固定端133用于将PCB板固定架131安装固定在颅脑4上。

具体地，由于手术的过程中，动物是被麻醉的，而当手术结束， 动物苏醒后动物会来回运动，而为了保证柔性电极始终稳定的被固定 在动物的颅脑上，从而避免对柔性电极的影响，因此，本发明通过一 对左右对称的固定端133将PCB板下固定架1312固定在动物的颅脑 上来保护柔性电极。

本发明提供的手术机器人，通过PCB板下固定架的底端设置的 一对左右对称的固定端提高了对柔性电极的保护力度，进一步提高了 通过柔性电极采集信号的效率。

进一步地，图7是本发明提供的柔性电极植入单元结构示意图， 图8是本发明提供的三轴驱动组件结构爆炸图，如图7、图8所示， 本发明提供的手术机器人，柔性电极植入单元3包括：六自由度机械 臂31、以及连接六自由度机械臂31和植入针33的三轴驱动组件32；六自由度机械臂31用于控制所述植入针33的第一运动，即宏观运动； 三轴驱动组件32用于控制植入针33在三维空间内的第二运动，即精细运动。

具体地，六自由度机械臂31可以保证植入针在大范围内的位姿 调整，三轴驱动组件32可实现植入针的亚微米级的高精度运动，因 此，通过六自由度机械臂31和三轴驱动组件32可兼顾植入针大范围 位姿调整和精密运动要求，从而确保柔性电极可以精准植入目标对象。

所述植入针33的末端安装有六维力传感器35，所述六维力传感 器35通过六维力传感器固定座37固定在三轴驱动组件32上；所述 六维力传感器35与所述控制单元电连接。

具体地，六自由度机械臂31和显示器5固定在移动台车6上， 三轴驱动组件32通过螺钉和底座36固定在六自由度机械臂末端，六 自由度机械臂31具备大范围空间位置和灵活角度调整功能，可实现 植入针大范围空间位姿的灵活调整。植入力由植入针传递至六维力传 感器35，实现植入操作中的力觉感知，植入过程中利用六维力传感器采集植入针和目标对象之间的作用力来调整植入针的运动，控制植 入针沿目标对象将柔性电极植入。

本发明提供的手术机器人，通过六自由度机械臂31与三轴驱动 组件32的配合，实现了植入针可以在三维空间内的高精度运动，提 高了通过植入针将柔性电极植入目标对象的精准度。同时，通过植入 针33的末端安装的六维力传感器35来感知目标对象，进一步提高了 柔性电极植入目标对象的精准度。

进一步地，如图8，所述三轴驱动组件32包括：依次固定连接 的第二Y轴滑动组件323、第二X轴滑动组件322、第二Z轴滑动组 件321；该第二Y轴滑动组件323、第二X轴滑动组件322、第二Z 轴滑动组件321依次正交排列安装。所述第二Y轴滑动组件323的 滑块沿Y轴滑动时，随之带动所述第二X轴滑动组件322、第二Z 轴滑动组件321沿Y轴移动；所述第二X轴滑动组件322的滑块沿 X轴滑动时，随之带动所述第二Z轴滑动组件321沿X轴移动；所 述第二Z轴滑动组件321的直线推杆滑块3216沿Z轴滑动时，随之 带动所述六维力传感器35和植入针33沿Z轴移动。

第二Y轴滑动组件323通过底座36与所述六自由度机械臂31 的末端固定连接；所述六维力传感器35安装在所述第二Z轴滑动组件321的直线推杆滑块3216上。

具体地，图9是本发明提供的第二Z轴滑动组件结构示意图之一， 图11本发明提供的第二Z轴滑动组件结构示意图之二，如图9、图 11所示，第二Z轴滑动组件321包括：直线推杆3211、直线推杆固 定盖3212、第二固定底板3213、直线推杆固定底座3214、直线推杆 控制器3215、直线推杆滑块3216、直线推杆滑轨3217。直线推杆3211 运动端通过转接件和直线推杆滑块3216相连，直线推杆滑块3216安 装在直线推杆滑轨3217上，可通过控制指令控制直线推杆3211运动 端执行伸缩运动。直线推杆滑块3216和六维力传感器35相连，植入针的末端安装在六维力传感器35上。第二固定底板3213安装在直线 推杆滑轨3217的底面，直线推杆3211通过直线推杆固定盖3212固 定在第二固定底板3213上。

本发明提供的手术机器人，通过正交排列安装的第二Y轴滑动 组件323、第二X轴滑动组件322、第二Z轴滑动组件321，实现了 植入针空间位姿的灵活、高精度调整，从而进一步提高了柔性电极植 入目标对象的精准度。

进一步地，如图8所示，柔性电极植入单元3还包括夹持针驱动 机构34。图10是本发明提供的夹持针驱动机构结构示意图，如图10 所示，该夹持针驱动机构34包括：夹持针343、夹持针固定组件342、 夹持针旋转驱动机构341、夹持针滑动机构344、夹持针直线滑台固 定座346。

其中，夹持针固定组件342包括：夹持针固定底座3421和夹持 针固定盖3422。夹持针滑动机构344包括：夹持针直线滑轨3441、 夹持针直线滑台3442。夹持针旋转驱动机构341包括：旋转电机3411、 夹持针固定环3412、旋转电机固定座3413。

夹持针343为L形，夹持针343的长端固定在夹持针固定组件 342上，其短端用于辅助植入针33将柔性电极134植入目标对象； 夹持针旋转驱动机构341用于驱动夹持针343以其长端的中心轴线为 旋转中心进行旋转；夹持针滑动机构344用于使夹持针343以其长端的轴向上下滑动。

夹持针固定组件342与夹持针旋转驱动机构341的旋转输出轴固 定连接；夹持针旋转驱动机构341通过第二转接件345固定在夹持针 滑动机构344上，夹持针滑动机构344安装在夹持针直线滑台固定座 346上，夹持针直线滑台固定座346的一端固定在第二Z轴滑动组件 321的第二固定底板3213上。

夹持针直线滑台固定座346和第二Z轴滑动组件的第二固定底板 3213相连，旋转电机3411的输出端通过螺钉和夹持针固定底座3421 相连，夹持针通过螺钉和夹持针固定盖3422、夹持针固定底座3421 相连。当旋转电机3411运动时，夹持针343绕轴线旋转，使得夹持 针的短端端部朝向植入针33，执行柔性电极夹持操作。因此，基于 宏观运动和精细运动的柔性电极植入单元可实现植入针空间位姿的 灵活、高精度调整，从而满足柔性电极植入目标对象的精准度。

本发明提供的手术机器人，通过夹持针固定组件、夹持针旋转驱 动机构、夹持针滑动机构的相互配合，使得夹持针能够根据柔性电极 的位置进行运动并准确地托举柔性电极，避免柔性电极脱落，从而提 高了柔性电极植入的成功率。

进一步地，图12是本发明提供的图像采集单元结构示意图，如 图12所示，图像采集单元2包括：两路显微视觉单元23、第二线性 滑台组21、第二固定支架22。

其中，两路显微视觉单元23包括：相对设置的左右两个第一工 业相机231以及分别驱动该左右两个第一工业相机231来回移动的聚焦滑台232。图14是本发明提供的两路显微视觉单元结构示意图， 如图14所示，两路显微视觉单元23包括：相对设置的左右两个第一工业相机231以及分别驱动该左右两个第一工业相机231来回移动的 聚焦滑台232；该聚焦滑台232分别固定在第二固定支架22上。该 两路显微视觉单元23中的每个单元均由第一工业相机231、聚焦滑 台232、变倍镜头233、第一照明光源234构成。第一工业相机231 倾斜安装在聚焦滑台232上，且光路轴线相交于一点。两路显微视觉 单元23相当于两路显微视觉光路，由于显微视觉光路视野和测量分辨率存在耦合，因此显微视觉光路中采用自动变倍镜头，即使用低倍 率大视场图像快速对柔性电极、植入针和目标对象快速定位，然后使用高倍率小视场图像精确提取柔性电极、植入针和目标对象特征以实 现高精度位姿测量。利用显微图像和六维力传感器信息实现柔性电极 沿微孔伺服植入控制。首先使用两路显微视觉光路采集柔性电极和植 入针的位置关系图像，从图像中提取柔性电极环边缘和植入针轴线特征，测量植入针轴线和柔性电极环端面法向量位姿偏差。然后将位姿 偏差输入植入机器人伺服控制器，控制植入针轴线对准柔性电极环端 面，控制植入针穿过柔性电极环。同理测量植入针轴线和目标对象相 对位姿偏差，机器人伺服控制器控制植入针，使柔性电极在植入针的 辅助下准确植入目标对象。

所述两路显微视觉单元23通过所述第二固定支架22固定在所述 第二线性滑台组21上；第二线性滑台组21用于带动所述两路显微视 觉单元23在三维空间内移动。两路显微视觉单元23用于采集植入针 33和电极环1341之间的第一位置关系图像、以及植入针33和目标 对象之间的第二位置关系图像；所述两路显微视觉单元23的光路轴 线相交于一点。

具体地，所述两路显微视觉单元23的功能类似于双目视觉测量 的功能，通过该两路显微视觉单元23来确定植入针33和电极环1341 之间的第一位置关系图像以及植入针33和目标对象之间的二位置关 系图像；该两路显微视觉单元23通过第二固定支架22固定在第二线 性滑台组21上，第二线性滑台组21包括三路线性运动滑台，该三路 线性运动滑台相互正交布置，可灵活调整两路显微视觉单元23的空 间观测位置，从而提高了柔性电极成功植入目标对象的效率。

本发明提供的手术机器人，通过第二线性滑台组实现了对两路显 微视觉单元的空间观测位置的灵活调整，从而提高了柔性电极成功植 入的效率。

进一步地，图13是本发明提供的第二线性滑台组结构示意图， 如图13所示，图像采集单元2还包括：隔振台24、电控柜25；第二 线性滑台组21的底面固定在所述隔振台24的上面，所述隔振台24 设置在所述电控柜25的上面；

所述隔振台24用于隔离地面震动，从而避免对所述两路显微视 觉单元23获取图像质量的影响，所述电控柜25用于布置所述控制单元及电源适配器。

本发明提供的手术机器人，通过在电控柜和第二线性滑台组之间 设置隔振台，使得两路显微视觉单元在拍摄图像的时候能够更加稳定， 从而获取提高了植入针和电极环之间的第一相对位姿的精确度、以及 植入针和目标对象之间的第二相对位姿的精确度，而相对位姿精确度 的提高，随之也就提高了柔性电极植入颅脑的精确度。

本发明提供的手术机器人，通过具有自动变倍聚焦功能的两路显 微视觉单元，使得采集植入针和电极环之间的第一位置关系图像、以 及植入针和目标对象之间的第二位置关系图像更加准确高效，从而进 一步提高了柔性电极在目标对象内的植入精度和植入效率。

进一步地，如图12所示，所述图像采集单元还包括：中心视觉 单元26；该中心视觉单元26设置在两路显微视觉单元23的中间位 置，且固定在所述第二固定支架22上。图15是本发明提供的中心视 觉单元结构示意图，如图15以及图14所示，该中心视觉单元26包 括：第二工业相机261、镜头262、第二照明光源263、工业相机固定件264、旋转台转接件265、旋转台266、中心光路固定架267。第 二工业相机261通过工业相机固定件264固定在中心光路固定架267 上，中心光路固定架267固定在第二固定支架22上，第二固定支架 22固定在第一固定底板27上，第一固定底板27固定在第二线性滑 台组21上，镜头262在旋转台转接件265、旋转台266的驱动下能 够旋转。该中心视觉单元相当于中心视觉光路，用于监控拍摄植入操 作场景，并将拍摄的操作场景通过显示器5显示出来。

本发明提供的手术机器人，通过固定在第二固定支架22上的中 心视觉单元26来获取植入操作场景，并将植入操作场景通过显示器 5显示出来，从而为手术操作者提供了一个更加直观的观看场景，有 助于手术操作者根据实际情况调整柔性电极的植入情况，从而提高了 手术成功的概率。

另外，本发明提供的第一线性滑台组、第二线性滑台组、三轴驱 动组件中涉及的滑轨和滑块均采用伺服结构运行，可以通过购买的方 式直接获取，本发明在此对该结构不再赘述。

下面对本发明提供的手术机器人控制方法进行描述，下文描述的 手术机器人控制方法与上文描述的手术机器人可相互对应参照。

图18是本发明提供的手术机器人控制方法流程示意图，如图18 所示，该方法包括以下步骤：

步骤101：利用图像采集单元获取植入针和柔性电极端部设置的 电极环之间的第一位置关系图像、以及植入针和目标对象之间的第二 位置关系图像。

步骤102：根据所述第一位置关系图像确定所述植入针和电极环 的第一相对位姿，并根据所述第二位置关系图像确定所述植入针和目 标对象的第二相对位姿。

步骤103：根据所述第一相对位姿和所述第二相对位姿控制柔性 电极植入单元将柔性电极在植入针的辅助下植入所述目标对象内。

本发明提供的手术机器人控制方法，通过第一位置关系图像确定 植入针和电极环之间的第一相对位姿，并根据该第一相对位姿使植入 针能够准确插入电极环内；接着通过植入针和目标对象之间的第二位 置关系图像确定植入针和目标对象之间的第二相对位姿，并根据该第 二相对位姿使柔性电极在植入针的辅助下准确植入目标对象内，从而使得本发明提供的方法，可以保证手术机器人即使在骨窗直径为 200-300微米的情况下，也能够将柔性电极准确植入颅脑。

进一步的，所述根据所述第一相对位姿和所述第二相对位姿控制 柔性电极植入单元将柔性电极在植入针的辅助下植入所述目标对象 内，包括：

根据所述植入针和电极环的第一相对位姿，控制所述植入针插入 所述电极环内；

根据所述植入针和目标对象的第二相对位姿，控制带有所述电极 环的植入针移动至所述目标对象正上方，并将柔性电极在植入针的辅 助下植入所述目标对象内。

本申请实施例提供的手术机器人控制方法，具体实现过程和原理 可以参照上述手机机器人的相关描述，此处不再赘述。

图19示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图19所示，该 电子设备可以包括：处理器(processor)1910、通信接口(Communications Interface)1920、存储器(memory)1930和通信总线1940，其中，处理 器1910，通信接口1920，存储器1930通过通信总线1940完成相互 间的通信。处理器1910可以调用存储器1930中的逻辑指令，以执行手术机器人控制方法，该方法包括：

利用图像采集单元获取植入针和柔性电极端部设置的电极环之 间的第一位置关系图像、以及植入针和目标对象之间的第二位置关系 图像；

根据所述第一位置关系图像确定所述植入针和电极环的第一相 对位姿，并根据所述第二位置关系图像确定所述植入针和目标对象的 第二相对位姿；

根据所述第一相对位姿和所述第二相对位姿控制柔性电极植入 单元将柔性电极在植入针的辅助下植入所述目标对象内。

此外，上述的存储器1930中的逻辑指令可以通过软件功能单元 的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机 可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者 说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括 若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或 者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。 而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上 存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各 方法提供的手术机器人控制方法，该方法包括：

利用图像采集单元获取植入针和柔性电极端部设置的电极环之 间的第一位置关系图像、以及植入针和目标对象之间的第二位置关系 图像；

根据所述第一位置关系图像确定所述植入针和电极环的第一相 对位姿，并根据所述第二位置关系图像确定所述植入针和目标对象的 第二相对位姿；

根据所述第一相对位姿和所述第二相对位姿控制柔性电极植入 单元将柔性电极在植入针的辅助下植入所述目标对象内。

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。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解 到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然 也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现 有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软 件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光 盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所 述的方法。

最后应说明的是：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 (14)

1.一种手术机器人，其特征在于，包括：

柔性电极布置单元(1)，用于安装即将被植入目标对象的柔性电极(134)；

柔性电极植入单元(3)，包括植入针(33)，用于将所述柔性电极(134)在所述植入针(33)的辅助下植入目标对象；

图像采集单元(2)，用于采集所述植入针(33)和柔性电极(134)端部设置的电极环(1341)之间的第一位置关系图像、以及所述植入针(33)和目标对象之间的第二位置关系图像；

控制单元，分别与所述柔性电极布置单元(1)、柔性电极植入单元(3)、图像采集单元(2)电连接；用于根据所述第一位置关系图像确定所述植入针(33)和所述电极环(1341)之间的第一相对位姿、以及根据所述第二位置关系图像确定植入针(33)和目标对象之间的第二相对位姿，并根据所述第一相对位姿和所述第二相对位姿将所述柔性电极(134)在植入针(33)的辅助下植入目标对象。

2.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述柔性电极布置单元(1)包括：PCB板(132)、PCB板固定架(131)、柔性电极放置架(135)；

所述PCB板(132)插入在所述PCB板固定架(131)的凹槽内；所述柔性电极(134)的一端连接在所述PCB板(132)上，另一端摆放在所述柔性电极放置架(135)上；

所述柔性电极放置架(135)与PCB板固定架(131)可拆卸连接，且柔性电极放置架(135)放置柔性电极(134)的一端其底面水平位置低于所述柔性电极放置架(135)底面的水平位置；

所述PCB板(132)与所述控制单元电连接。

3.根据权利要求2所述的手术机器人，其特征在于，在所述PCB板固定架(131)的下端设置有一对左右对称的固定端(133)，所述固定端(133)用于将所述PCB板固定架(131)安装固定在颅脑(4)上。

4.根据权利要求2所述的手术机器人，其特征在于，所述柔性电极布置单元(1)还包括：第一固定支架(12)、第一线性滑台组(11)；

所述PCB板固定架(131)通过所述第一固定支架(12)固定在所述第一线性滑台组(11)上；所述第一线性滑台组(11)用于带动所述PCB板固定架(131)在三维空间内移动。

5.根据权利要求1-4任一项所述的手术机器人，其特征在于，所述柔性电极植入单元(3)包括：六自由度机械臂(31)、三轴驱动组件(32)、六维力传感器(35)；

所述三轴驱动组件(32)连接在所述六自由度机械臂(31)和所述植入针(33)之间；所述六维力传感器(35)安装在所述三轴驱动组件(32)与所述植入针(33)之间；

所述六自由度机械臂(31)用于控制所述植入针(33)的第一运动；所述三轴驱动组件(32)用于控制所述植入针(33)在三维空间内的第二运动，所述第二运动的行程小于所述第一运动的行程；

所述六维力传感器(35)与所述控制单元电连接。

6.根据权利要求5所述的手术机器人，其特征在于，所述三轴驱动组件(32)包括：依次固定连接的第二Y轴滑动组件(323)、第二X轴滑动组件(322)、第二Z轴滑动组件(321)；

所述第二Y轴滑动组件(323)通过底座(36)与所述六自由度机械臂(31)的末端固定连接；所述六维力传感器(35)与所述第二Z轴滑动组件(321)的直线推杆滑块(3216)固定连接；

所述第二Y轴滑动组件(323)的滑块沿Y轴滑动时，随之带动所述第二X轴滑动组件(322)、第二Z轴滑动组件(321)沿Y轴移动；所述第二X轴滑动组件(322)的滑块沿X轴滑动时，随之带动所述第二Z轴滑动组件(321)沿X轴移动；所述第二Z轴滑动组件(321)的直线推杆滑块(3216)沿Z轴滑动时，随之带动所述六维力传感器(35)和植入针(33)沿Z轴移动。

7.根据权利要求6所述的手术机器人，其特征在于，所述柔性电极植入单元(3)还包括：夹持针(343)、夹持针固定组件(342)、夹持针旋转驱动机构(341)、夹持针滑动机构(344)、夹持针直线滑台固定座(346)；

所述夹持针(343)为L形，所述夹持针(343)的长端固定在所述夹持针固定组件(342)上，其短端用于辅助所述植入针(33)将柔性电极(134)植入目标对象；

所述夹持针旋转驱动机构(341)用于驱动所述夹持针(343)以其长端的中心轴线为旋转中心进行旋转；所述夹持针滑动机构(344)用于使所述夹持针(343)以其长端的轴向上下滑动；

所述夹持针固定组件(342)与所述夹持针旋转驱动机构(341)的旋转输出轴固定连接；所述夹持针旋转驱动机构(341)通过第二转接件(345)固定在所述夹持针滑动机构(344)上，所述夹持针滑动机构(344)安装在所述夹持针直线滑台固定座(346)上，所述夹持针直线滑台固定座(346)的一端固定在所述第二Z轴滑动组件(321)的第二固定底板(3213)上。

8.根据权利要求5所述的手术机器人，其特征在于，所述图像采集单元(2)包括：

两路显微视觉单元(23)、第二线性滑台组(21)、第二固定支架(22)；

所述两路显微视觉单元(23)通过所述第二固定支架(22)固定在所述第二线性滑台组(21)上；所述第二线性滑台组(21)用于带动所述两路显微视觉单元(23)在三维空间内移动；

所述两路显微视觉单元(23)用于采集所述植入针(33)和电极环(1341)之间的第一位置关系图像、以及所述植入针(33)和目标对象之间的第二位置关系图像；所述两路显微视觉单元(23)的光路轴线相交于一点。

9.根据权利要求8所述的手术机器人，其特征在于，所述图像采集单元(2)还包括：

隔振台(24)、电控柜(25)；

所述第二线性滑台组(21)的底面固定在所述隔振台(24)的上面，所述隔振台(24)设置在所述电控柜(25)的上面；

所述隔振台(24)用于隔离地面震动对所述两路显微视觉单元(23)获取图像质量的影响，所述电控柜(25)用于布置所述控制单元及电源适配器。

10.根据权利要求8所述的手术机器人，其特征在于，所述两路显微视觉单元(23)包括：

相对设置的两个第一工业相机(231)以及分别驱动所述两个第一工业相机(231)来回移动的聚焦滑台(232)；所述聚焦滑台(232)分别固定在所述第二固定支架(22)上。

11.根据权利要求8所述的手术机器人，其特征在于，所述图像采集单元还包括：中心视觉单元(26)；

所述中心视觉单元(26)设置在所述两路显微视觉单元(23)的中间位置，且固定在所述第二固定支架(22)上；

所述中心视觉单元(26)的镜头(262)能够旋转。

12.一种手术机器人控制装置，其特征在于，包括：

图像采集模块，用于利用图像采集单元获取植入针和柔性电极端部设置的电极环之间的第一位置关系图像、以及植入针和目标对象之间的第二位置关系图像；

控制模块，用于根据所述第一位置关系图像确定所述植入针和电极环的第一相对位姿，并根据所述第二位置关系图像确定所述植入针和目标对象的第二相对位姿；

所述控制模块，还用于根据所述第一相对位姿和所述第二相对位姿控制柔性电极植入单元将柔性电极在植入针的辅助下植入所述目标对象内。

13.根据权利要求12所述的手术机器人控制装置，其特征在于，所述控制模块具体用于：

根据所述植入针和电极环的第一相对位姿，控制所述植入针插入所述电极环内；

根据所述植入针和目标对象的第二相对位姿，控制带有所述电极环的植入针移动至所述目标对象正上方，并将柔性电极在植入针的辅助下植入所述目标对象内。

14.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如下方法：

利用图像采集单元获取植入针和柔性电极端部设置的电极环之间的第一位置关系图像、以及植入针和目标对象之间的第二位置关系图像；

根据所述第一位置关系图像确定所述植入针和电极环的第一相对位姿，并根据所述第二位置关系图像确定所述植入针和目标对象的第二相对位姿；

根据所述第一相对位姿和所述第二相对位姿控制柔性电极植入单元将柔性电极在植入针的辅助下植入所述目标对象内。