CN115645048A - 一种手术机器人末端跟踪装置及一体化配准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种手术机器人末端跟踪装置及一体化配准方法，包括：基座、导向器和追踪器；所述基座一端与机器人末端连接固定，所述导向器设置有手术作业打入克氏针时以辅助定位的导向管，所述追踪器安装在所述导向管上端，通过所述追踪器在所述机器人坐标系与光学测位仪坐标系下的运动轨迹数据，通过ICP算法进行一体化配准，从而实现控制手术机器人的导航定位操作，可以进行高精度地定位到术前规划的病灶点，辅助术者建立置钉通道的临床应用功能，所述末端跟踪装置在术中实时跟踪且可视化。该装置的配准方法一体化，消除了其他环节带来的累计误差；具有防呆式安装结构，且有很高的重复安装精度；从而提高了手术机器人系统的临床定位精度。

Description

一种手术机器人末端跟踪装置及一体化配准方法

技术领域

本发明涉及一种机器人跟踪装置及其配准方法，特别是一种手术机器人末端跟踪装置及一体化配准方法。

背景技术

近年来，手术机器人在外科临床应用中越来越广泛。手术机器人主要功能是用于在外科开放或微创手术中，辅助完成手术器械或植入物的导航定位。

机器人在手术过程中需要通过与光学测位仪(又称光学跟踪相机)的配准，从而实现导航定位。机器人配准是建立光学测位仪坐标系与机器人坐标系转换关系的过程，基于机器人在光学测位仪坐标系和机器人坐标系下对应的轨迹数据，完成光学测位仪坐标系与机器人坐标系的转换关系。在机器人配准实现过程中，光学测位仪通过安装在机器人末端上的跟踪装置，来获取其在光学测位仪坐标系下的坐标。

在现有技术中，手术机器人末端跟踪装置可以分为主动发光跟踪装置和被动反光跟踪装置。主动发光跟踪装置识别区域较大，但需在机器人末端集成配套供电模块，增加了手术机器人系统复杂度和故障风险。被动反光跟踪装置识别区域有限制，但是不需供电模块，手术机器人系统可靠性高。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种手术机器人末端跟踪装置及一体化配准方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种手术机器人末端跟踪装置及一体化配准方法。

一种手术机器人末端跟踪装置，包括：基座、导向器、追踪器以及套筒；

所述基座与设置在手术机器人末端的法兰连接固定。

所述基座底面设置有与手术机器人末端的法兰连接的固定孔，所述基座的中部设置有一个基座杆，所述基座杆上设置有锁紧螺套，所述基座杆末端设置有弧形与多边形组合接口。

所述导向器包括：导向管和导向杆，所述导向管上端设置有追踪器，所述导向杆末端设置有截面为弧形与多边形组合的接杆，所述导向杆末端设置有螺柱。

所述导向器通过所述弧形与多边形组合接口与基座杆末端的接杆连接，导向器通过所述螺柱与所述基座杆上的锁紧螺套锁止和解锁。

所述追踪器用于追踪所述导向管的空间位置信息，所述追踪器包括：支架，安装环、固定旋钮以及三个以上标记球。

所述导向器与所述追踪器之间，以可拆卸方式连接，具体如下：

所述追踪器通过支架以可拆卸的方式与导向管上端安装固定；

所述追踪器的支架上设有安装环，安装环上设有固定旋钮；

导向管上端的外壁上设置定位凹槽，所述安装环安装在导向管上端，到达预定位置后，旋紧所述固定旋钮直至与所述定位凹槽底面相抵；所述安装环、所述固定旋钮与所述导向管为环柱及轴孔的安装方式。

所述标记球设置于所述支架上，所述标记球表面涂有反射波长800nm～1100nm红外光的涂层，任意两个标记球之间的距离需大于50毫米，且所述距离的差值大于5毫米，所述标记球中至少有一个与其他标记球不共线。

所述导向管为空心柱体，所述导向管内设置有套筒；所述套筒在所述导向管内自由旋转或自由上下移动，所述套筒顶部设置有止滑环，所述套筒轴心设置有直通孔，所述直通孔用于穿插克氏针。

一种一体化配准方法，包括以下步骤：

步骤1，采集手术中的三维图像数据，并进行图像配准，完成三维图像的坐标系与手术机器人系统中的光学测位仪坐标系间的关系转换；

步骤2，手术机器人开始运动，并带动跟所述的手术机器人末端踪装置同步运动，同时光学测位仪识别并记录手术机器人末端跟踪装置中追踪器的运动轨迹信息；

步骤3，利用所述追踪器在所述手术机器人的坐标系与所述光学测位仪的坐标系下对应的运动轨迹，通过ICP算法进行一体化配准，完成手术机器人坐标系与光学测位仪坐标系的关系转换；

步骤4，根据导航的定位原理与通道规划方法，调用步骤3中所述的一体化配准结果，获得所述三维图像坐标系与机器人坐标系的关系转换，控制手术机器人进行导航定位操作。

步骤2中，手术机器人末端跟踪装置的运动轨迹是特定的。

有益效果：

1、导向器的导向杆与基座杆头部之间的连接，采用弧形与多边形组合的截面，保证导向器进入基座杆时的角度与方向的唯一性，具有很高的重复安装精度；

2、锁紧螺套通过顺时针方向旋转产生轴向压力将基座杆头部与导向器外螺套牢固锁定，基座杆头部外圆锥面与导向器外螺套的内圆锥面紧密贴合，消除了两者之间的配合间隙，安装更稳固。拆卸时，只需要将锁紧螺套逆时针方向旋转脱出，即可将导向器与基座杆分离，实现了快速锁紧及拆卸；

3、通过光学测位仪，将患者坐标系、图像坐标系、机器人坐标系进行高精度融合，实现了手术机器人末端跟踪装置实时可视化、可导航定位的临床应用功能；

4、被动反光的追踪器，不需供电模块，使用方便快捷，信号稳定可靠。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是基座杆的结构示意图。

图3是导向器的结构示意图。

图4是示踪器的结构示意图。

图5是套筒的结构示意图。

图6是本发明的手术机器人系统临床使用示意图。

具体实施方式

实施例：

(1).如图1所示，本发明提供了一种手术机器人末端跟踪装置，包括基座1，导向器2，追踪器3，套筒4，机器人末端法兰5；所述基座1与机器人末端法兰5连接固定。

(2)进一步，如图2和图3所示，所述导向器2安装在所述基座杆10的一端，通过所述锁紧螺套11将所述导向器2与所述基座杆10锁紧固定，所述基座杆10的另一端连接固定在所述基座1上，所述追踪器3安装在所述导向管22的一端。

(3).进一步，所述基座杆10的组合接口100为弧形与多边形接口，所述导向器2的组合接杆20为与所述弧形与多边形接口配套的弧形与多边形接杆，这种整体协调性的结构设计，组合接口100与组合接杆20的配合精度较高，避免了不必要的安装误差，也提高了重复安装精度，进而间接保证了临床使用精度。

(4).进一步，还设有一锁紧螺套11，所述锁紧螺套11内壁设有内螺纹110，所述锁紧螺套11咬合旋紧在螺柱21上，所述螺柱21柱体上设有外螺纹210，所述内螺纹110与所述外螺纹210为配套的同一规格型号螺纹。这样保证每次安装的一致性，且安装的快捷性；另外还可有效防止导向器2的松动。

(5).进一步，如图3和图4所示，所述追踪器3以可拆卸的方式与导向管22上端安装固定，所述追踪器3上设有一安装环30，所述安装环30上设有一固定旋钮300，导向管22外壁上有定位凹槽220，所述安装环30安装在导向管22上端到位后，旋紧所述固定旋钮300直至与所述定位凹槽220底面相抵，所述安装环30、所述固定旋钮300与所述导向管22为环柱、轴孔的安装方式，配合精度较高，能保证每次安装的一致性。

(6).进一步，所述追踪器3上设有一追踪器支架31，所述追踪器支架31设有三个以上标记球32，标记球32表面有反射波长800nm～1100nm红外光的涂层；所述标记球32安装在所述追踪器支架31上，所述标记球32的安装固定具有向异性：所述标记球32任意两点之间的距离需大于50毫米，所述标记球32任意两点距离的差值需要大于5毫米，所述标记球32至少有一个所述标记球32与其他所述标记球32不共线。

(7).进一步，所述套筒4穿插到所述导向管22内，直至所述套筒4的止滑环与导向管22相抵，通过三坐标测量仪标定所述标记球32、所述套筒4尖端的空间三维坐标；以所述标记球32其中的某一标记球为标定原点。

(8).进一步，将所述标记球32、所述套筒4尖端的空间三维坐标，在所述工作站形成定义程序文件，并运行，所述追踪器3即可追踪所述套筒4的空间位置信息。

一种手术机器人末端跟踪装置的整体安装过程如下：

末端跟踪装置的基座1通过螺钉,与机器人末端法兰5连接固定,将导向器2的组合接杆20安插到基座杆10的组合接口100中,插到底后,把基座杆10的锁紧螺套11咬合在导向器2的螺柱21上，旋紧即可。同理，拆卸的时候，旋松锁紧螺套11，将导向器2从基座杆10的组合接口100中拔除即可。

本发明提供一体化配准装置的方法，包括如下步骤：

(1)参照图6，三维C臂机6采集满足导航定位系统精度的3D图像数据并传输给工作站8；

(2)工作站8获取3D图像数据，根据三维C臂机6成像原理，通过ICP算法，可得到光学跟踪器坐标系与图像坐标系间的转换关系；

(3)需要说明的是，具体的ICP算法可参考公开号为CN113855247A中所公开的关于此类跟踪装置10的空间位置算法。

(4)在机器人9末端安装手术机器人末端跟踪装置10，安装位置与机器人9末端有刚性固定的几何结构；

(5)利用手术机器人末端跟踪装置10在机器人9的坐标系与光学测位仪7的坐标系下对应的运动轨迹信息，通过ICP算法进行一体化配准，完成所述机器人9的坐标系与所述光学测位仪7的坐标系的关系转换，根据骨科手术机器人导航定位原理和预规划功能，计算图像坐标系与机器人坐标系间的转换关系，并最终控制机器人9驱动末端跟踪装置进行导航定位。

在配准过程中，从配准开始到结束，机器人的运动轨迹是程序设定好的，机器人只会按照设定的程序要求运动，机器人不是随意运动的，所以末端跟踪装置的运动轨迹是也是特定的。

具体实现中，本申请提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的一种手术机器人末端跟踪装置及一体化配准方法的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，ROM)或随机存储记忆体(random access memory，RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的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计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备(可以是个人计算机，服务器，单片机，MUU或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本发明提供了一种手术机器人末端跟踪装置及一体化配准方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种手术机器人末端跟踪装置，其特征在于：包括：基座(1)、导向器(2)、追踪器(3)以及套筒(4)；

所述基座(1)与设置在手术机器人末端的法兰(5)连接固定。

2.根据权利要求1所述的一种手术机器人末端跟踪装置，其特征在于，所述基座(1)底面设置有与手术机器人末端的法兰(5)连接的固定孔，所述基座(1)的中部设置有一个基座杆(10)，所述基座杆(10)上设置有锁紧螺套(11)，所述基座杆(10)末端设置有弧形与多边形组合接口(100)。

3.根据权利要求2所述的一种手术机器人末端跟踪装置，其特征在于：所述导向器(2)包括：导向管(22)和导向杆(23)，所述导向管(22)上端设置有追踪器，所述导向杆(23)末端设置有截面为弧形与多边形组合的接杆(200)，所述导向杆(23)末端设置有螺柱(21)。

4.根据权利要求3所述的一种手术机器人末端跟踪装置，其特征在于：所述导向器(2)通过所述弧形与多边形组合接口(100)与基座杆(10)末端的接杆(200)连接，导向器(2)通过所述螺柱(21)与所述基座杆(10)上的锁紧螺套(11)锁止和解锁。

5.根据权利要求4所述的一种手术机器人末端跟踪装置，其特征在于：所述追踪器(3)用于追踪所述导向管(22)的空间位置信息，所述追踪器(3)包括：支架(31)，安装环(30)、固定旋钮(300)以及三个以上标记球(32)。

6.根据权利要求5所述的一种手术机器人末端跟踪装置，其特征在于：所述导向器(2)与所述追踪器(3)之间，以可拆卸方式连接，具体如下：

所述追踪器(3)通过支架(31)以可拆卸的方式与导向管(22)上端安装固定；

所述追踪器(3)的支架(31)上设有安装环(30)，安装环(30)上设有固定旋钮(300)；

导向管(22)上端的外壁上设置定位凹槽(220)，所述安装环(30)安装在导向管(22)上端，到达预定位置后，旋紧所述固定旋钮(300)直至与所述定位凹槽(220)底面相抵；所述安装环(30)、所述固定旋钮(300)与所述导向管(22)为环柱及轴孔的安装方式。

7.根据权利要求6所述的一种手术机器人末端跟踪装置，其特征在于：所述标记球(32)设置于所述支架(31)上，所述标记球(32)表面涂有反射波长800nm～1100nm红外光的涂层，任意两个标记球(32)之间的距离需大于50毫米，且所述距离的差值大于5毫米，所述标记球(32)中至少有一个与其他标记球(32)不共线。

8.根据权利要求7所述的一种手术机器人末端跟踪装置，其特征在于：所述导向管(22)为空心柱体，所述导向管(22)内设置有套筒(4)；所述套筒(4)在所述导向管(22)内自由旋转或自由上下移动，所述套筒(4)顶部设置有止滑环(41)，所述套筒轴心设置有直通孔(42)，所述直通孔(42)用于穿插克氏针。

9.一种一体化配准方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，采集手术中的三维图像数据，并进行图像配准，完成三维图像的坐标系与手术机器人系统中的光学测位仪坐标系间的关系转换；

步骤2，手术机器人开始运动，并带动跟所述的手术机器人末端踪装置同步运动，同时光学测位仪识别并记录手术机器人末端跟踪装置中追踪器(3)的运动轨迹信息；

步骤3，利用所述追踪器(3)在所述手术机器人的坐标系与所述光学测位仪的坐标系下对应的运动轨迹，通过ICP算法进行一体化配准，完成手术机器人坐标系与光学测位仪坐标系的关系转换；

步骤4，根据导航的定位原理与通道规划方法，调用步骤3中所述的一体化配准结果，获得所述三维图像坐标系与机器人坐标系的关系转换，控制手术机器人进行导航定位操作。

10.根据权利要求9所述的一种一体化配准方法，其特征在于：步骤2中，手术机器人末端跟踪装置的运动轨迹是特定的。

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