CN115590618A - 交互系统、手术机器人导航定位系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交互系统、手术机器人导航定位系统及其控制方法，手术机器人导航定位系统包括机械臂以及戳卡，具有机械臂不动点以及实际不动点，交互系统包括位置信息模块、机械臂信息模块以及控制器，其中：位置信息模块用于获取实际不动点的定位信息；机械臂信息模块用于获取机械臂不动点的位置信息；控制器与位置信息模块通信连接，控制器用于基于实际不动点的定位信息以及机械臂不动点的位置信息确定实际不动点和机械臂不动点的位置关系，并控制机械臂运动，直至自动运动至实际不动点和机械臂不动点相重合，无需医护人员的参与，进而能够避免患者体表创口扩大以及造成手术事故，提高了自动化程度以及安全性。

Description

交互系统、手术机器人导航定位系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种交互系统、手术机器人导航定位系统及其控制方法。

背景技术

随着医疗器械、计算机技术及控制技术的不断发展，微创手术以其手术创伤小、康复时间短、患者痛苦少等优点得到了越来越广泛的应用。而微创手术机器人以其高灵巧性、高控制精度、直观的手术图像等特点能够避免操作局限性，如过滤操作时手部的震颤等，广泛适用于腹腔、盆腔、胸腔等手术区域。

目前，微创手术机器人包括主操作臂和机械臂，主操作臂采集到医生的操作信号经控制系统处理后生成机械臂的控制信号，由机械臂执行手术操作。机器人手术过程中，机械臂卡接手术器械，手术器械通过插在患者体表切口上的戳卡进入患者体内，戳卡轴的中心线与体表的交点为“实际不动点”。手术过程中，机械臂握持手术器械杆必须通过戳卡经过此点，称为“机械臂不动点”。“实际不动点”与“机械臂不动点”的不匹配可能造成患者体表创口扩大，甚至导致手术事故。现有实现机械臂不动点的方法包括两种：第一种机械不动点，基于平行四边形连杆等机构，实际不动点位置相对于基座位置固定；第二种主动不动点，使用运动控制算法约束手术器械通过一个固定的点。目前两种机械臂在实际不动点与机械臂不动点的匹配过程都需要医护人员手动拖拽机械臂，操作复杂度较高，术前准备时间较长。

发明内容

基于此，有必要针对上述机械臂不动点和实际不动点对准过程安全性较低的问题，提供一种交互系统、手术机器人导航定位系统及其控制方法。

一种交互系统，应用于手术机器人导航定位系统，所述手术机器人导航定位系统包括机械臂以及戳卡，具有机械臂不动点以及实际不动点，交互系统包括位置信息模块、机械臂信息模块以及控制器，其中：

所述位置信息模块用于获取实际不动点的定位信息；

所述机械臂信息模块用于获取所述机械臂不动点的位置信息；

所述控制器分别与所述位置信息模块以及所述机械臂信息模块通信连接，所述控制器用于基于所述实际不动点的定位信息以及所述机械臂不动点的位置信息确定所述实际不动点和机械臂不动点的位置关系，并控制所述机械臂运动。

在上述交互系统中，位置信息模块获取实际不动点的定位信息，并且位置信息模块将实际不动点的定位信息传输至控制器，机械臂信息模块获取机械臂不动点的位置信息，并且机械臂信息模块将机械臂不动点的位置信息传输至控制器，控制器基于实际不动点的定位信息以及机械臂不动点的位置信息确定实际不动点和机械臂不动点的位置关系，并且控制器基于确定出的实际不动点和机械臂不动点的位置关系控制机械臂自动运动，直至实际不动点和机械臂不动点相重合，因此，通过上述交互系统能够实现机械臂自动运动至实际不动点和机械臂不动点相重合，无需医护人员的参与，进而能够避免患者体表创口扩大以及造成手术事故，提高了自动化程度以及安全性。

在其中一个实施例中，所述位置信息模块包括磁场发生器以及与所述控制器通信连接的传感器，所述磁场发生器用于生成覆盖所述传感器的电磁场，所述传感器用于在所述电磁场内生成定位电流，所述控制器存储有所述磁场发生器的位置信息，且基于所述定位电流生成所述传感器的空间位置矩阵。

在其中一个实施例中，所述磁场发生器的位置信息用于表征所述实际不动点的位置信息，所述空间位置矩阵包括所述戳卡的位置信息以及所述戳卡的轴线信息，用于表征所述实际不动点的定位信息。

在其中一个实施例中，所述磁场发生器的位置信息用于表征所述实际不动点的位置信息，所述空间位置矩阵包括创口的定位信息，用于表征所述实际不动点的定位信息。

在其中一个实施例中，所述控制器包括信息放大处理单元，所述信息放大处理单元包括通信连接为一体的信号放大器和信号转换器。

在其中一个实施例中，所述位置信息模块包括光学跟踪器以及导航标记器，所述光学跟踪器与所述控制器通信连接，用于发出发射光线以及接收被所述导航标记器所反射的反射光线，所述控制器存储有所述光学跟踪器的位置信息，且基于所述发射光线和所述反射光线生成所述导航标记器的空间坐标，所述空间坐标包括所述戳卡的位置信息以及所述戳卡的轴线信息，用于表征所述实际不动点的定位信息。

在其中一个实施例中，所述位置信息模块包括图像采集器以及位置标记器，所述图像采集器与所述控制器通信连接，用于采集所述位置标记器的用于表征所述实际不动点的位置信息，所述控制器存储有所述图像采集器的位置信息，且基于所述位置标记器的位置信息生成所述位置标记器的空间坐标，所述空间坐标包括所述戳卡的位置信息以及所述戳卡的轴线信息，用于表征所述实际不动点的定位信息。

在其中一个实施例中，所述机械臂信息模块为安装于所述机械臂的角度传感器。

另外，本发明还提供了一种手术机器人导航定位系统，包括手术台车、机械臂、戳卡以及上述任一项技术方案所述的交互系统，所述控制器与所述手术台车及所述机械臂通信连接。

在上述手术机器人导航定位系统中，交互系统的位置信息模块获取实际不动点的定位信息以及机械臂不动点的位置信息，并且位置信息模块将实际不动点的定位信息以及机械臂不动点的位置信息传输至控制器，控制器基于实际不动点的定位信息以及机械臂不动点的位置信息确定实际不动点和机械臂不动点的位置关系，并且控制器基于确定出的实际不动点和机械臂不动点的位置关系控制机械臂自动运动，因此，上述手术机器人导航定位系统能够实现机械臂自动运动至实际不动点和机械臂不动点相重合，无需医护人员的参与，进而能够避免患者体表创口扩大以及造成手术事故，提高了自动化程度以及安全性。

在其中一个实施例中，如上述一技术方案所述的交互系统；所述传感器安装于所述戳卡或所述创口处，所述戳卡上设置有实际不动点标记，所述磁场发生器安装于所述手术台车上。

在其中一个实施例中，所述磁场发生器可移动地安装于所述手术台车的立柱上。

在其中一个实施例中，如上述另一技术方案所述的交互系统；所述导航标记器安装于所述戳卡，所述戳卡上设置有实际不动点标记，所述光学跟踪器安装于所述手术台车上。

在其中一个实施例中，如上述另一技术方案所述的交互系统；所述位置标记器安装于所述戳卡，所述戳卡上设置有实际不动点标记，所述图像采集器安装于所述手术台车上。

另外，本发明还提供了一种如上述任一项技术方案所述的手术机器人导航定位系统的控制方法，包括：

步骤S701，获取并传输实际不动点的定位信息；

步骤S702，获取获机械臂不动点的位置信息；

步骤S703，基于所述实际不动点的定位信息以及所述机械臂不动点的位置信息确定所述实际不动点和机械臂不动点的位置关系；

步骤S704，基于所述实际不动点和机械臂不动点的位置关系控制所述机械臂运动。

在上述手术机器人导航定位系统的控制方法中，首先通过步骤S701，位置信息模块获取实际不动点的定位信息，并且位置信息模块将实际不动点的定位信息传输至控制器，首先通过步骤S702，机械臂信息模块获取机械臂不动点的位置信息，并且机械臂信息模块将机械臂不动点的位置信息传输至控制器，接着通过步骤S703，控制器基于实际不动点的定位信息以及机械臂不动点的位置信息确定实际不动点和机械臂不动点的位置关系，然后通过步骤 S704，控制器基于确定出的实际不动点和机械臂不动点的位置关系控制机械臂自动运动，直至实际不动点和机械臂不动点相重合，上述手术机器人导航定位系统的控制方法能够较为方便地实现机械臂自动运动至实际不动点和机械臂不动点相重合，无需医护人员的参与，进而能够避免患者体表创口扩大以及造成手术事故，提高了自动化程度以及安全性。

在其中一个实施例中，如权利要求13所述的交互系统，在步骤“获取并传输实际不动点的定位信息”之前，还包括：

在所述立柱上向着戳卡移动所述磁场发生器，以使得所述磁场发生器的电磁场覆盖所述传感器。

附图说明

图1为本发明提供的一种手术机器人导航定位系统与体表组成模块的结构示意图；

图2为本发明提供的一种手术机器人导航定位系统中的手术台车的结构示意图；

图3为本发明提供的一种手术机器人导航定位系统中的机械臂的结构示意图；

图4为本发明提供的一种手术机器人导航定位系统中的戳卡的结构示意图；

图5为本发明提供的一种手术机器人导航定位系统的工作流程图；

图6为本发明提供的另一种手术机器人导航定位系统的工作流程图；

图7为本发明提供的一种手术机器人导航定位系统的控制方法流程图。

附图标记：

10、手术机器人导航定位系统；

A、机械臂不动点；

100、位置信息模块；110、磁场发生器；120、传感器；130、连接接口； 140、光学跟踪器；150、导航标记器；

200、控制器；210、信息放大处理单元；211、信号放大器；212、信号转换器；220、系统控制器；230、主机；

300、手术台车；310、底座；320、立柱；330、定向平台；

400、机械臂；410、空间定位机构；411、基座；412、第一转动关节； 413、第一连杆；414、第一移动关节；415、第二连杆；416、第二转动关节； 417、第三连杆；420、平面运动机构；421、第四连杆；422、第三转动关节； 423、第五连杆；424、第四转动关节；425、第六连杆；426、第五转动关节； 427、第七连杆；428、第二移动关节；430、自转关节；

500、戳卡；510、实际不动点标记；

600、伸缩臂；

20、手术器械；

30、体表；31、创口。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“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。

下面结合附图介绍本发明实施例提供的技术方案。

如图1所示，本发明提供了一种交互系统，该交互系统应用于手术机器人导航定位系统10，手术机器人导航定位系统10包括机械臂400以及戳卡500，手术机器人导航定位系统10具有机械臂不动点A以及实际不动点，交互系统包括位置信息模块100、机械臂信息模块以及控制器，其中：

位置信息模块100用于获取实际不动点的定位信息；

机械臂信息模块用于获取机械臂不动点A的位置信息；

控制器200分别与位置信息模块100以及机械臂信息模块通信连接，控制器200用于基于实际不动点的定位信息以及机械臂不动点A的位置信息确定实际不动点和机械臂不动点A的位置关系，并且控制机械臂400运动。

在上述交互系统中，位置信息模块100获取实际不动点的定位信息，并且位置信息模块100将实际不动点的定位信息传输至控制器200，机械臂信息模块用于获取机械臂不动点A的位置信息，并且机械臂信息模块机械臂不动点A的位置信息传输至控制器200，控制器200基于实际不动点的定位信息以及机械臂不动点A的位置信息确定实际不动点和机械臂不动点A的位置关系，并且控制器200基于确定出的实际不动点和机械臂不动点A的位置关系控制机械臂400自动运动，直至实际不动点和机械臂不动点A相重合，因此，通过上述交互系统能够实现机械臂400自动运动至实际不动点和机械臂不动点A 相重合，无需医护人员的参与，进而能够避免患者体表30创口31扩大以及造成手术事故，提高了自动化程度以及安全性。

另外，如图1、图2、图3以及图4所示，本发明还提供了一种手术机器人导航定位系统10，包括手术台车300、机械臂400、戳卡500以及上述技术方案的交互系统，其中：

控制器200与手术台车300通信连接，并且控制器200与机械臂400通信连接；在具体设置时，手术台车300至少包括底座310和立柱320，立柱320固定在底座310上，控制器200包括安装于底座310的主机230以及安装于立柱320的系统控制器220，机械臂400通过连接机构与立柱320连接，为了适应不同的手术场合，可以设置多个机械臂400，并且对应设置多个交互系统。

机械臂400包括空间定位机构410、平面运动机构420以及自转关节430 这三部分，而自转关节430连接空间定位机构410和平面运动机构420，平面运动机构420的末端与手术器械20相连接，自转关节430的旋转轴340线与手术器械20的轴线交点为机械臂不动点A，空间定位机构410的首端与手术台车300转动连接；在具体设置时，空间定位机构410包括依次相连接的基座411、第一转动关节412、第一连杆413、第一移动关节414、第二连杆415、第二转动关节416、第三连杆417，基座411与旋转盘350相连接，第三连杆 417与自转关节430相连接，平面运动机构420包括依次相连接的第四连杆 421、第三转动关节422、第五连杆423、第四转动关节424、第六连杆425、第五转动关节426、第七连杆427、第二移动关节428，第四连杆421与自转关节430相连接，第二移动关节428与手术器械20相连接，并且平面运动机构420所在平面的垂线与自转关节430的旋转轴340线相垂直；

戳卡500安装在体表30创口31处，并且戳卡500的轴线与体表30的交点为实际不动点，自转关节430的旋转轴340线在手术中始终转过机械臂不动点A。

在上述手术机器人导航定位系统10中，交互系统的位置信息模块100获取实际不动点的定位信息，并且位置信息模块100将实际不动点的定位信息传输至控制器200，机械臂信息模块用于获取机械臂不动点A的位置信息，并且机械臂信息模块机械臂不动点A的位置信息传输至控制器200，控制器200 基于实际不动点的定位信息以及机械臂不动点A的位置信息确定实际不动点和机械臂不动点A的位置关系，并且控制器200基于确定出的实际不动点和机械臂不动点A的位置关系控制机械臂400自动运动，机械臂400的空间定位机构410运动实现机械臂不动点A在空间大范围定位，平面运动机构420 运动实现机械臂不动点A在平面运动机构420所在平面上的精细定位，直至实际不动点和机械臂不动点A相重合，因此，上述手术机器人导航定位系统 10能够实现机械臂400自动运动至实际不动点和机械臂不动点A相重合，无需医护人员的参与，进而能够避免患者体表30创口31扩大以及造成手术事故，提高了自动化程度以及安全性。

位置信息模块100的结构形式具有多种，如图5所示，一种优选实施方式，位置信息模块100包括磁场发生器110以及传感器120，传感器120与控制器200通信连接，磁场发生器110用于生成覆盖传感器120的电磁场，传感器120用于在电磁场内生成定位电流，控制器200存储有磁场发生器110 的位置信息，并且控制器200基于定位电流生成传感器120的空间位置矩阵。

在上述交互系统中，磁场发生器110在安装后在控制器200内预先存储磁场发生器110的位置信息，磁场发生器110启动后生成电磁场，该电磁场覆盖传感器120，传感器120在电磁场内生成定位电流，该定位电流传输至控制器200，控制器200基于定位电流生成传感器120的空间位置矩阵，从而使得位置信息模块100获取实际不动点的定位信息以及机械臂不动点A的位置信息，并且位置信息模块100将实际不动点的定位信息以及机械臂不动点A的位置信息传输至控制器200。在具体设置时，磁场发生器110可以选用平面20*20型号，这种型号的磁场发生器110可以覆盖500mm*500mm*500的立方体、 R＝660mm的半球体或是R＝480mm的圆柱体，磁场发生器110可以发射低强度、不断变化的电磁场，用来确定测量体积，当然，磁场发生器110并不局限于上述型号，还可以为其他能够满足要求的结构形式；传感器120可以5和6 自由度传感器120，能够较为方便集成到承载仪器中，传感器120最小的直径可以达到0.3mm，在磁场中传感器120可以输出5个或6个位置信息和姿态信号，当然，传感器120并不局限于上述结构形式，还可以为其他能够满足要求的结构形式。

一种优选实施方式，如图2所示，手术机器人导航定位系统10中磁场发生器110通过螺纹连接、卡扣连接、凹凸配合、焊接等方式固定安装于手术台车300上，在具体设置时，磁场发生器110固定安装在手术台车300的立柱320、定向平台330或底座310上，磁场发生器110的位置不做限定，只需要保证磁场发生器110与机械臂不动点A之间的的空间位置关系确定即可。

在上述手术机器人导航定位系统10中，磁场发生器110固定在手术台车 300上后，磁场发生器110的位置确定，并将该确定位置存储在控制器200内。在具体设置时，立柱320上设置有连接接口130，该连接接口130的数目可以达到八个，每一个连接接口130可以对应连接一个传感器120；而根据传感器 120的不同位置，信息模块的设置方式具有多种，如下所示：

实施例一：

手术机器人导航定位系统10中，传感器120通过螺纹连接、卡扣连接、凹凸配合、焊接等方式固定安装在戳卡500上，戳卡500上设置有实际不动点标记510，以表征出实际不动点。

在上述手术机器人导航定位系统10中，实际不动点标记510的圆心即为实际不动点，传感器120固定在戳卡500上后，传感器120与实际不动点标记510的位置关系确定，此时，根据传感器120的中心点空间位置就能够确定实际不动点的位置。

为了便于获取实际不动点的定位信息，一种优选实施方式，磁场发生器 110的位置信息用于表征实际不动点的位置信息，空间位置矩阵包括戳卡500 的位置信息以及戳卡500的轴线信息，空间位置矩阵用于表征实际不动点的定位信息。

在上述交互系统中，磁场发生器110安装在立柱320上，机械臂400通过连接机构与立柱320连接，因此，磁场发生器110和自转关节430的位置确定，根据磁场发生器110的位置信息就能够确定出实际不动点的位置信息，以表征出实际不动点的位置信息。空间位置矩阵包括戳卡500在空间坐标系内的位置信息以及戳卡500的轴线的空间指向信息，能够表征出实际不动点的定位信息。

实施例二：

手术机器人导航定位系统10中传感器120通过粘结剂粘体于创口31处，戳卡500上设置有实际不动点标记510，以表征出实际不动点；在具体设置时，传感器120可以通过粘结剂粘体于创口31处，传感器120还可以通过粘结剂粘体于戳卡500上。

在上述手术机器人导航定位系统10中，实际不动点标记510的圆心即为实际不动点，传感器120固定在创口31处或是戳卡500上后，传感器120与实际不动点标记510的位置关系确定，此时，根据传感器120的中心点空间位置就能够确定实际不动点的位置。

为了便于获取实际不动点的定位信息，一种优选实施方式，磁场发生器110的位置信息用于表征实际不动点的位置信息，空间位置矩阵包括创口31 的定位信息，空间位置矩阵用于表征实际不动点的定位信息。

在上述交互系统中，磁场发生器110安装在立柱320上，因此，磁场发生器110和自转关节430的位置确定，根据磁场发生器110的位置信息就能够确定出实际不动点的位置信息，以表征出实际不动点的位置信息。空间位置矩阵包括创口31的在空间坐标系内的位置信息，能够表征出实际不动点的定位信息。

为了便于传感器120的安装，一种优选实施方式，传感器120可以为柔性传感器。

在上述手术机器人导航定位系统10中，通过限定传感器120为柔性传感器，以能够根据创口31的形状弯折传感器并将该传感器120粘贴固定在创口 31周围，一方面能够便于传感器120的安装，另一方面在术中传感器120随着创口31改变形状，提高实际不动点的定位信息的准确性。

在上述实施例一和实施例二中，为了确保传感器120位于电磁场的覆盖范围内，一种优选实施方式，如图2所示，磁场发生器110可移动地安装于手术台车300的立柱320上。在具体设置时，磁场发生器110可以通过伸缩臂600安装在手术台车300的立柱320上，当然，磁场发生器110与立柱320 之间的可移动地安装方式并不局限于此，还可以为其他能够满足要求的方式。

在上述手术机器人导航定位系统10中，在磁场发生器110产生的电磁场没有覆盖传感器120时，此时，磁场发生器110启动，但是传感器120并不能够产生定位电流，可通过调整伸缩臂600，以使得伸缩臂600前后移动，带动磁场发生器110随之前后移动，从而使得电磁场能够覆盖传感器120。此伸缩臂600通过伺服传动机构，或者在伸缩臂600上增加位移传感单元，通过伺服传动机构或位移传感单元能够精确反馈伸缩臂600的移动距离。

在上述实施例一和实施例二中，为了确保信息处理的准确性，如图5所示，一种优选实施方式，控制器200包括信息放大处理单元210，信息放大处理单元210包括信号放大器211和信号转换器212，信号放大器211和信号转换器212通信连接为一体。

在上述手术机器人导航定位系统10中，由于传感器120在电磁场内生成的定位电流较小，定位电流经过连接接口130进入到信号放大器211，通过信号放大器211进行放大，并且信号转换器212将放大的定位电流转换为数字信号，该数字信号被传输至立柱320上的控制器200中的系统控制器220，在系统控制器220中，可以计算出每个传感器120的空间位置和方向，将位置和方向数据转化为空间位置矩阵。由此可以得出传感器120与磁场发生器110 之间的空间位置关系，间接的可以通过计算得出磁场发生器110与实际不动点之间的空间位置关系。此空间位置关系被传送到底座310上的控制器200 中的主机230，主机230可以控制手术机械臂400运动，由于手术机械臂400 和磁场发生器110共同连接在手术台车300上，所以手术机械臂400上的机械臂不动点A与磁场发起器之间具有一定的空间位置关系，拟定磁场发生器 110为基准点，通过主机230将磁场发生器110和实际不动点之间的位置关系通过内在算法转化成手术机械臂400机械臂不动点A与实际不动点之间的空间位置关系，然后主机230控制手术机械臂400自动运动，使机械臂不动点A 与实际不动点重合。在具体设置时，控制器200包括信息放大处理单元210、系统控制器220以及主机230，当然，控制器200的结构形式并不局限于此，还可以为其他能够满足要求的结构形式。

位置信息模块100的结构形式具有多种，如图6所示，一种优选实施方式，位置信息模块100包括光学跟踪器140以及导航标记器150，光学跟踪器 140与控制器200通信连接，光学跟踪器140用于发出发射光线以及接收被导航标记器150所反射的反射光线，控制器200存储有光学跟踪器140的位置信息，并且控制器200基于发射光线和反射光线生成导航标记器150的空间坐标。

在上述交互系统中，光学跟踪器140在安装后在控制器200内预先存储光学跟踪器140的位置信息，光学跟踪器140启动后发出发射光线，发射光线通过导航标记器150反射回光学跟踪器140，发射光线和反射光线信息经过光学跟踪器140输至控制器200，控制器200基于发射光线和反射光线生成导航标记器150的空间坐标，从而使得位置信息模块100获取实际不动点的定位信息，并且位置信息模块100将实际不动点的定位信息传输至控制器200。在具体设置时，光学跟踪器140Polaris Vega ST型号，这种型号的光学跟踪器140精度高、体积小，而且还可以提供辐射保护功能，光学跟踪器140上安装有红外发射器和红外接收传感器120，当光学跟踪器140用红外发射器发射红外光，红外光通过导航标记器150反射回光学跟踪器140，并通过红外接收器接收返回红外光数据；导航标记器150可以为被动标记球，标记球上有独特的逆反射表面，可以使光学跟踪器140能接收到逆反射光线，当然，光学跟踪器140和导航标记器150的结构形式并不局限于此，还可以为其他能够满足要求的结构形式。

具体地，手术机器人导航定位系统10中导航标记器150通过螺纹连接、卡扣连接、凹凸配合、焊接、粘贴等方式固定安装于戳卡500，戳卡500上设置有实际不动点标记510，以表征出实际不动点；光学跟踪器140通过螺纹连接、卡扣连接、凹凸配合、焊接、粘贴等方式安装于手术台车300上，在具体设置时，光学跟踪器140可以设置在立柱320上或是连接机构(图中未示出)上，当然，光学跟踪器140的位置不做限定，只需要保证光学跟踪器140 与机械臂不动点A之间的的空间位置关系确定即可。

在上述手术机器人导航定位系统10中，光学跟踪器140用红外发射器发射红外光照射戳卡500，红外光通过戳卡500上导航标记器150反射回光学跟踪器140，并通过红外接收器接收返回红外光数据，控制器200的主机230通过对发射和接收的红外数据计算，可以得出戳卡500在空间坐标位置。再将空间信息传输给系统控制器220，然后通过主机230内部算法处理后，将最终位置数据传输给手术机械臂400并控制手术机械臂400自动运动，实现机械臂不动点A位置运动到与实际不动点位置重合。

为了便于获取实际不动点的定位信息，具体地，光学跟踪器140的位置信息用于表征实际不动点的位置信息，导航标记器150的空间坐标包括戳卡 500的位置信息以及戳卡500的轴线信息，导航标记器150的空间坐标用于表征实际不动点的定位信息。

在上述交互系统中，光学跟踪器140安装在立柱320上，机械臂400通过连接机构与立柱320连接，因此，光学跟踪器140和自转关节430的位置确定，根据光学跟踪器140的位置信息就能够确定出实际不动点的位置信息，以表征出实际不动点的位置信息。导航标记器150的空间坐标包括戳卡500 在空间坐标系内的位置信息以及戳卡500的轴线的空间指向信息，能够表征出实际不动点的定位信息。

位置信息模块100的结构形式具有多种，一种优选实施方式，位置信息模块100包括图像采集器以及位置标记器，图像采集器与控制器200通信连接，图像采集器用于采集位置标记器的位置信息，控制器200存储有图像采集器的位置信息，并且控制器200基于位置标记器的位置信息生成位置标记器的空间坐标。

在上述交互系统中，图像采集器在安装后在控制器200内预先存储图像采集器的位置信息，图像采集器启动后配置为实时采集位置标记器位置信息，并将采集到的位置标记器位置信息传输至控制器200，控制器200基于位置标记器位置信息生成位置标记器的空间坐标，从而使得位置信息模块100获取实际不动点的定位信息，并且位置信息模块100将实际不动点的定位信息传输至控制器200。在具体设置时，图像采集器可以为相机，还可以为其他能够满足要求的结构形式。

具体地，手术机器人导航定位系统10中位置标记器通过螺纹连接、卡扣连接、凹凸配合、焊接、粘贴等方式安装于戳卡500，戳卡500上设置有实际不动点标记510，以表征出实际不动点；图像采集器通过螺纹连接、卡扣连接、凹凸配合、焊接、粘贴等方式安装于手术台车300上；在具体设置时，图像采集器可以安装在立柱320或是定向平台330上，当然，图像采集器的设置位置并不局限于此，图像采集器的位置不做限定，只需要保证图像采集器与机械臂不动点A之间的的空间位置关系确定即可。

在上述手术机器人导航定位系统10中，图像采集器实时采集位置标记器位置信息，并将采集到的位置标记器位置信息传输至控制器200，控制器200 通过位置标记器位置信息，可以得出位置标记器的空间坐标。再将位置标记器的空间坐标传输给系统控制器220，然后通过主机230内部算法处理后，将最终位置数据传输给手术机械臂400并控制手术机械臂400自动运动，实现机械臂不动点A位置运动到与实际不动点位置重合。

为了便于获取实际不动点的定位信息，一种优选实施方式，图像采集器的位置信息用于表征实际不动点的位置信息，位置标记器的空间坐标包括戳卡500的位置信息以及戳卡500的轴线信息，用于表征实际不动点的定位信息。

在上述交互系统中，图像采集器安装在立柱320上，机械臂400通过连接机构与立柱320连接，因此，图像采集器和自转关节430的位置确定，根据图像采集器的位置信息就能够确定出实际不动点的位置信息，以表征出实际不动点的位置信息。位置标记器的空间坐标包括戳卡500在空间坐标系内的位置信息以及戳卡500的轴线的空间指向信息，能够表征出实际不动点的定位信息。

为了便于获取机械臂不动点A的位置信息，一种优选实施方式，机械臂信息模块可以为角度传感器，角度传感器通过螺纹连接、卡扣连接、凹凸配合、焊接、粘贴等方式安装于机械臂400上，当然，机械臂信息模块并不局限于上述角度传感器，还可以为其他能够满足要求的结构形式。

另外，如图7所示，本发明还提供了一种如上述任一项技术方案的手术机器人导航定位系统10的控制方法，包括：

步骤S701，获取并传输实际不动点的定位信息；

步骤S702，获取并传输机械臂不动点A的位置信息；

步骤S703，基于实际不动点的定位信息以及机械臂不动点A的位置信息确定实际不动点和机械臂不动点A的位置关系；

步骤S704，基于实际不动点和机械臂不动点A的位置关系控制机械臂 400运动。

在上述手术机器人导航定位系统10的控制方法中，首先通过步骤S701，位置信息模块100获取实际不动点的定位信息，并且位置信息模块100将实际不动点的定位信息传输至控制器200；接着通过步骤S702，机械臂信息模块获取机械臂不动点A的位置信息，并且机械臂信息模块将机械臂不动点A 的位置信息传输至控制器200，接着通过步骤S703，控制器200基于实际不动点的定位信息以及机械臂不动点A的位置信息确定实际不动点和机械臂不动点A的位置关系，然后通过步骤S704，控制器200基于确定出的实际不动点和机械臂不动点A的位置关系控制机械臂400自动运动，直至实际不动点和机械臂不动点A相重合，上述手术机器人导航定位系统10的控制方法能够较为方便地实现机械臂400自动运动至实际不动点和机械臂不动点A相重合，无需医护人员的参与，进而能够避免患者体表30创口31扩大以及造成手术事故，提高了自动化程度以及安全性。在具体设置时，步骤S701和步骤S702的顺序可以颠倒，也可以同时进行。

为了确保传感器120位于电磁场的覆盖范围内，一种优选实施方式，在交互系统中，磁场发生器110可移动地安装于手术台车300的立柱320上时，在步骤“获取并传输实际不动点的定位信息”之前，还包括：

在立柱320上向着戳卡500移动磁场发生器110，以使得磁场发生器110 的电磁场覆盖传感器120。

在上述手术机器人导航定位系统10的控制方法中，当磁场发生器110启动，但是传感器120并不能够产生定位电流时，表明此时传感器120位于电磁场的外侧，通过在立柱320上向着戳卡500移动磁场发生器110，以使得磁场发生器110靠近戳卡500，进而使得得磁场发生器110的电磁场向着戳卡 500移动，以使得磁场发生器110的电磁场覆盖传感器120。

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 (15)

1.一种交互系统，应用于手术机器人导航定位系统，所述手术机器人导航定位系统包括机械臂以及戳卡，具有机械臂不动点以及实际不动点，其特征在于，包括位置信息模块、机械臂信息模块以及控制器，其中：

所述位置信息模块用于获取实际不动点的定位信息；

所述机械臂信息模块用于获取所述机械臂不动点的位置信息；

所述控制器分别与所述位置信息模块以及所述机械臂信息模块通信连接，所述控制器用于基于所述实际不动点的定位信息以及所述机械臂不动点的位置信息确定所述实际不动点和机械臂不动点的位置关系，并控制所述机械臂运动。

2.根据权利要求1所述的交互系统，其特征在于，所述位置信息模块包括磁场发生器以及与所述控制器通信连接的传感器，所述磁场发生器用于生成覆盖所述传感器的电磁场，所述传感器用于在所述电磁场内生成定位电流，所述控制器存储有所述磁场发生器的位置信息，且基于所述定位电流生成所述传感器的空间位置矩阵。

3.根据权利要求2所述的交互系统，其特征在于，所述磁场发生器的位置信息用于表征所述实际不动点的位置信息，所述空间位置矩阵包括所述戳卡的位置信息以及所述戳卡的轴线信息，用于表征所述实际不动点的定位信息。

4.根据权利要求2所述的交互系统，其特征在于，所述磁场发生器的位置信息用于表征所述实际不动点的位置信息，所述空间位置矩阵包括创口的定位信息，用于表征所述实际不动点的定位信息。

5.根据权利要求2所述的交互系统，其特征在于，所述控制器包括信息放大处理单元，所述信息放大处理单元包括通信连接为一体的信号放大器和信号转换器。

6.根据权利要求1所述的交互系统，其特征在于，所述位置信息模块包括光学跟踪器以及导航标记器，所述光学跟踪器与所述控制器通信连接，用于发出发射光线以及接收被所述导航标记器所反射的反射光线，所述控制器存储有所述光学跟踪器的位置信息，且基于所述发射光线和所述反射光线生成所述导航标记器的空间坐标，所述空间坐标包括所述戳卡的位置信息以及所述戳卡的轴线信息，用于表征所述实际不动点的定位信息。

7.根据权利要求1所述的交互系统，其特征在于，所述位置信息模块包括图像采集器以及位置标记器，所述图像采集器与所述控制器通信连接，用于采集所述位置标记器的用于表征所述实际不动点的位置信息，所述控制器存储有所述图像采集器的位置信息，且基于所述位置标记器的位置信息生成所述位置标记器的空间坐标，所述空间坐标包括所述戳卡的位置信息以及所述戳卡的轴线信息，用于表征所述实际不动点的定位信息。

8.根据权利要求1所述的交互系统，其特征在于，所述机械臂信息模块为安装于所述机械臂的角度传感器。

9.一种手术机器人导航定位系统，其特征在于，包括手术台车、机械臂、戳卡以及权利要求1-8任一项所述的交互系统，所述控制器与所述手术台车及所述机械臂通信连接。

10.根据权利要求9所述的手术机器人导航定位系统，其特征在于，如权利要求3所述的交互系统；所述传感器安装于所述戳卡或所述创口处，所述戳卡上设置有实际不动点标记，所述磁场发生器安装于所述手术台车上。

11.根据权利要求10所述的手术机器人导航定位系统，其特征在于，所述磁场发生器可移动地安装于所述手术台车的立柱上。

12.根据权利要求9所述的手术机器人导航定位系统，其特征在于，如权利要7所述的交互系统；所述导航标记器安装于所述戳卡，所述戳卡上设置有实际不动点标记，所述光学跟踪器安装于所述手术台车上。

13.根据权利要求9所述的手术机器人导航定位系统，其特征在于，如权利要9所述的交互系统；所述位置标记器安装于所述戳卡，所述戳卡上设置有实际不动点标记，所述图像采集器安装于所述手术台车上。

14.一种如权利要求9-13任一项所述的手术机器人导航定位系统的控制方法，其特征在于，包括：

获取并传输实际不动点的定位信息；

获取并传输机械臂不动点的位置信息；

基于所述实际不动点的定位信息以及所述机械臂不动点的位置信息确定所述实际不动点和机械臂不动点的位置关系；

基于所述实际不动点和机械臂不动点的位置关系控制所述机械臂运动。

15.根据权利要求14所述的手术机器人导航定位系统的控制方法，其特征在于，如权利要求10手术机器人导航定位系统，在步骤“获取并传输实际不动点的定位信息”之前，还包括：

在所述立柱上向着戳卡移动所述磁场发生器，以使得所述磁场发生器的电磁场覆盖所述传感器。

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