CN117045312A - 一种刀头标定和验证系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种刀头标定和验证系统及其使用方法，属于医疗器械技术领域，包括：刀头标定装置，包括第一支架、设置在第一支架上的第一定位装置和轴向设置在第一支架上的插入槽；刀头插入插入槽内，与第一支架固定连接，刀头标定装置用于通过第一定位装置标定刀头与安装此刀头的机械臂之间的位置关系；标定验证装置，包括第二支架和设置在第二支架上的验证部，验证部包括至少一条检测槽、标定锥和第二定位装置，标定锥设置在每条检测槽的两端，并与检测槽的槽口对应设置；标定验证装置用于通过验证部验证所述刀头标定装置的标定信息是否准确。该系统对刀头进行标定，并验证标定信息，以提高手术安全性。

Description

一种刀头标定和验证系统及其使用方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种刀头标定和验证系统及其使用方法。

背景技术

超声骨刀是利用高强度聚焦超声技术，进行骨手术的一种医疗器械，它作为一种新型的骨外科手术设备，通过特殊转换装置将电能转换为机械能，经过高频超声震荡，切割所需要的骨组织。该刀利用高强度聚焦超声技术，通过换能器，将电能转化为机械能，经高频超声震荡，使所接触的组织细胞内水汽化，蛋白氢键断裂，从而将手术中需要切割的骨组织彻底破坏。

临床手术结果已经表明，相较于传统骨刀、高速磨钻、咬骨钳等传统脊柱手术器具，超声骨刀在高效、精确地切割骨质的同时，可以更好地降低神经、血管等软组织的损伤风险，提高了手术的安全性与患者的恢复速度，因此在脊柱手术中得到了广泛的应用。

目前，在较多手术中存在通过机器人操控超声骨刀进行手术，通过该种方式能够有效解决医生手持操作骨刀的稳定性问题，但该种方式对于骨刀与机械臂之间的位置关系的精确度具有较高要求，如骨刀刀尖与机械臂安装后，其刀尖位置信息不准确，机器人则无法精准操控骨刀对病人进行手术，无法确保手术的安全性，因此，如何确保骨刀刀尖与机械臂之间的位置关系准确是本领域人员所要考虑的。

发明内容

本发明的目的在于解决上述背景技术中的至少一个问题，提供一种刀头标定和验证系统及其使用方法。

为实现上述目的，本发明的一种刀头标定和验证系统，包括：

刀头标定装置和标定验证装置，

所述刀头标定装置，包括第一支架、设置在所述第一支架上的第一定位装置和轴向设置在所述第一支架上的插入槽；刀头插入所述插入槽内，并与所述第一支架固定连接，所述刀头标定装置用于通过所述第一定位装置标定所述刀头与安装此刀头的机械臂之间的位置关系；

所述标定验证装置，包括第二支架和设置在所述第二支架上的验证部，所述验证部包括至少一条检测槽、标定锥和第二定位装置，所述标定锥设置在每条检测槽的两端，并与所述检测槽的槽口对应设置；所述标定验证装置用于通过所述验证部验证所述刀头标定装置的标定信息是否准确。

优选地，所述验证部包括相互正交的两条检测槽，四个标定锥对应设置在两条检测槽的四个槽口位置。

优选地，所述第一定位装置和第二定位装置为多个定位反光球，用于建立基础坐标系。

优选地，在所述第一支架上设置有径向的定位槽，所述定位槽贯穿所述插入槽；

在所述定位槽内设置有定位销，所述定位销用于固定所述刀头。

优选地，在所述第一支架上还设置有径向的观察槽，所述观察槽贯穿所述第一支架；所述观察槽用于观察所述插入槽内的所述刀头的位置。

优选地，所述插入槽的形状与所述刀头的形状相同。

优选地，所述定位反光球能够被相机识别。

为实现上述目的，本发明还提供一种上述中任意一项所述的一种刀头标定和验证系统的使用方法，包括：

将刀头安装至刀柄上，将所述刀柄具有所述刀头的一端插入刀头标定装置中，所述刀柄另一端与机械臂固定连接；

基于第一定位装置建立第一基础坐标系，刀头标定装置基于第一基础坐标系标定所述刀头与机械臂之间的位置关系；

基于第二定位装置建立第二基础坐标系，标定验证装置基于第二基础坐标系标定所述标定锥的相对位置关系；

机械臂将刀头移动到标定验证装置的验证部，并控制所述刀头沿着检测槽在所述标定锥之间移动；

根据所述刀头落点是否准确，判断所述刀头标定装置的标定是否合格。

优选地，所述根据所述刀头落点是否准确，判断所述刀头标定装置的标定是否合格的步骤，包括：

若刀头从一个标定锥移动到另一个标定锥的过程中，刀头没有准确落在另一标定锥的锥尖处，则表明标定不合格。

优选地，所述根据所述刀头落点是否准确，判断所述刀头标定装置的标定是否合格的步骤，包括：

若刀头从一个标定锥移动到另一个标定锥的过程中，刀头触碰到所述检测槽的内壁，则表明标定不合格。

基于此，本发明的有益效果为：

1.通过本发明的方案，能够通过刀头标定装置对超声骨刀刀柄与机械臂之间的位置关系进行标定，使得机器人能够准确知道骨刀刀头位置，同时，当标定完毕后，本发明还通过标定验证装置对刀头标定装置的标定信息进行检测，通过机械臂操控骨刀在标定验证装置上的运动，进而判断刀头标定装置的标定信息是否准确，通过该系统，本发明能够有效确保骨刀安装上机械臂后，机器人对于骨刀刀尖位置的准确性，进行提高手术的精确度；

2.通过本发明的方案，标定验证装置包括检测槽、标定锥和第二定位装置，标定锥位于检测槽的两端，当进行检测时，机械臂依据刀头标定装置的标定信息，控制刀头在检测槽内进行移动，如移动过程中触碰到检测槽的内壁，或移动到另一端的标定锥时未处于两个标定锥锥尖的连接线上，则表明标定信息错误，需重新进行标定，如移动到另一端的标定锥处，并处于两个标定锥锥尖的连接线上，则表明标定信息准确，上述设置能够有效避免机器人在标定信息有误时操控骨刀进行手术，确保手术的安全性与准确性。

附图说明

图1示意性表示本发明一种实施方式的刀头标定装置的结构示意图；

图2示意性表示本发明一种实施方式的标定验证装置的结构示意图；

图3示意性表示本发明一种实施方式的第一支架的结构示意图；

图4示意性表示本发明一种实施方式的第一支架的透视图；

图5示意性表示本发明一种实施方式的标定和验证系统的使用方法的流程图；

附图说明：刀头标定装置10，第一支架101，第一定位装置102，插入槽103，定位槽104，观察槽105，标定验证装置20，第二支架201，验证部202，检测槽2021，标定锥2022，第二定位装置2023。

具体实施方式

现在将参照示例性实施例来论述本发明的内容。应当理解，论述的实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本发明的内容，而不是暗示对本发明的范围的任何限制。

如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。

图1示意性表示本发明一种实施方式的刀头标定装置的结构示意图，图2示意性表示本发明一种实施方式的标定验证装置的结构示意图，如图1、2所示，本发明的一种刀头标定和验证系统，包括：

刀头标定装置10和标定验证装置20；

刀头标定装置10，包括第一支架101、设置在第一支架101上的第一定位装置102和抽象设置在第一支架101上的插入槽103，刀头插入插入槽103，与第一支架101固定连接，刀头标定装置10用于通过第一定位装置102标定刀头与安装此刀头的机械臂之间的位置关系；

标定验证装置20，包括第二支架201、设置在第二支架201上的验证部202，验证部202包括至少一个检测槽2021、标定锥2022和第二定位装置2023，标定锥2022设置在每条检测槽2021的两端，并与检测槽2021的槽口对应设置；所述标定验证装置20用于通过验证部2021验证刀头标定装置10的标定信息是否准确。

具体地，刀头标定装置10的第一支架101可拆卸的固定于工作台上，在第一支架101上设置有插入槽103，可将超声骨刀刀柄的刀头端插入插入槽103内，刀柄的另一端与手术机器人的机械臂固定连接，此时，外设的导航定位系统可对刀头与机械臂之间的位置关系进行标定，使得机器人能够准确知道刀柄的刀头位置与方向，能够更精准的操控其进行手术。

但对于手术而言，手术是个高难度操作，并且没有试错可能性，而机器人操控骨刀进行切割为程序操作，并不能根据现场实操情况进行实时调整，如刀头标定装置10标定的位置信息错误，那么会致使机器人控制刀尖切割的位置出现错误，进而产生不可避免的后果，因此，需要对刀头标定装置10的标定信息进行检验，以确保其标定信息准确，使得机器人操作无误。

基于上述情况，本发明的刀头标定检测系统不但包括刀头标定装置10，能够标定刀柄的刀头端与安装此刀柄的机械臂之间的位置关系，还包括有标定验证装置20，该装置能够对刀头标定装置10的标定信息进行检验，进而确保该标定信息准确无误，防止机器人操控骨刀刀尖切割的位置出现错误，确保手术的安全性。

标定验证装置20包括第二支架201，其同样可拆卸的固定于工作台上，在第二支架201上设置有验证部202，验证部202包括至少一个检测槽2021、标定锥2022和第二定位装置2023，标定锥2022位于检测槽2021的两端，且与检测槽2021的槽口对应设置；

第二定位装置2023用于外设的导航定位系统建立基础坐标系，当进行检测时，机械臂控制刀头移动至标定锥2022的正上方，且刀头与标定锥2022的锥尖对应设置，此时机械臂依据标定信息控制刀头朝向检测槽2021方向移动，并下移使得刀头插入检测槽2021内，朝向检测槽2021另一端的标定锥2022移动，如在移动过程中刀头触碰检测槽2021的内壁，或移动到另一标定锥2022处后未处于两个标定锥2022的锥尖连线上，则表明标定信息错误，需要重新进行标定，如刀头移动到另一端的标定锥2022处，且位于两个标定锥2022锥尖的连接线上，则表明标定信息正确。

进一步地，验证部202包括相互正交的两条检测槽2021，四个标定锥2022对应设置在两条检测槽2021的四个槽口位置。

第一定位装置102和第二定位装置2023为多个定位反光球，用于建立基础坐标系。

具体地，当检测槽2021设置为一条时，其为一字型凹槽，两端处设置有标定锥2022，机械臂可控制刀头在检测槽2021内进行直线运动，当检测槽2021设置为两条时，两条检测槽2021成十字型交叉设置，四个端部均设置有标定锥2022，使得刀头在检测槽2021内移动时，不但可以进行直线运动，还能进行转弯，进行更进一步的检测。

标定锥2022具有锥面，可不具有锥尖，当进行检测时，导航定位系统可根据锥面推算出锥面形成的尖端位置，方便机器人定位初始点，同时标定锥2022也可具有锥尖，锥尖便于使用者观察，使用者可通过刀头是否处于两个标定锥2022的锥尖的连接线判断刀头标定装置10的标定信息是否准确，整体测量方法简单，验证快捷、迅速，方便用户判断。

进一步地，图3示意性表示本发明一种实施方式的第一支架的结构示意图，图4示意性表示本发明一种实施方式的第一支架的透视图，如图3、4所示：

在第一支架101上设置有径向的定位槽104，定位槽104贯穿插入槽103；

在定位槽104内设置有定位销，定位销用于固定刀头。

具体地，插入槽103轴向设置，具体设置在第一支架101的中心轴上，定位槽104径向设置，使得定位槽104与插入槽103相互交叉，同时定位槽104贯穿插入槽103，当刀头插入插入槽103后，可将定位销从第一支架101两侧定位槽104分别插入，定位销与定位槽104螺纹连接，随着定位销的锁紧，使得定位销与刀头抵接，进而将刀头固定，使得刀头不会发生晃动。

进一步地，在第一支架101上还设置有径向的观察槽105，观察槽105贯穿第一支架101；观察槽105用于贯穿插入槽103内的刀头的位置。

具体地，观察槽105径向设置，使得观察槽105与插入槽103相交，当刀头插入插入槽103内时，使用者可通过观察槽105查看刀头的插入状态，进而可根据实际情况随时进行调节刀头方向，同时观察槽105还与定位槽104垂直设置，使得使用者也可从观察槽105处查看定位销的锁定情况。

进一步地，插入槽103的形状与刀头的形状相同，如此设置，能够使得刀柄的刀头端插入插入槽103后，不会发生旋转，避免标定位置信息后，拿出刀柄时发生晃动旋转，使得标定信息无效。

进一步地，定位反光球能够被相机识别，使得第一定位装置102与第二定位装置2023可被外设的导航定位系统的双目相机识别，进而能够建立基础坐标值，方便标定与验证。

本发明的标定检测系统在使用时，使用者将超声骨刀与手术机器人的机械臂进行安装，将骨刀刀柄的刀头端插入插入槽103内，当使用者从观察槽105观察到刀头插入到位后，将定位销从定位槽104处插入、锁紧，使得刀头无法再进行移动，使得骨刀刀柄与第一支架101固定连接，此时，外设的导航定位系统通过双目相机识别第一支架101上的第一定位装置102的位置，进而建立基础坐标系，基于基础坐标系对刀柄与机械臂之间的位置关系进行标定，使得机器人能够知道骨刀刀头的位置以及方向；

之后，将刀头从刀头标定装置10内移出，机械臂控制刀柄移动至标定验证装置20的验证部202位置，使得刀头位于标定锥2022的正上方，且刀头的端部与标定锥2022的锥尖对应设置，此时，导航定位系统已经通过第二定位装置2023建立基础坐标系，机械臂基于此基础坐标系控制刀柄向检测槽2021处移动，刀柄先朝向检测槽2021的方向水平移动，再竖直向下移动，使得刀柄的刀头插入检测槽2021内，机械臂基于标定信息继续控制刀头向检测槽2021另一端的标定锥2022处移动；

如标定信息准确，那么刀头在移动过程中始终处于两个标定锥2022的锥尖的连线上，不会发生偏移，而如果标定信息错误，那么刀头在移动过程中可能会碰撞到检测槽2021的侧壁，或移动到另一端的标定锥2022后，未处于两个标定锥2022锥尖的连线处，此时，需要重新对刀头与机械臂之间的位置关系进行标定，直至标定信息准确。

进一步地，图5示意性表示本发明一种实施方式的刀头标定和验证系统的使用方法的流程图，如图5所示，本发明还提供一种刀头标定和验证系统的使用方法，包括：

S101：刀头安装至刀柄上，将刀柄具有刀头的一端插入刀头标定装置中，刀柄另一端与机械臂固定连接；

S102：基于第一定位装置102建立基础坐标系，刀头标定装置10基于基础坐标系标定刀头与机械臂之间的位置关系；

S103：机械臂控制刀头移动到标定验证装置20的验证部202处进行标定信息的验证；

S104：如标定信息正确，则机械臂可控制刀头进行手术切割，如标定信息错误，则需要重新进行标定，直至标定信息正确。

具体地，在步骤S103中，验证标定信息是否准确的步骤包括：

S1031：将刀头移动到标定锥2022的正上方，刀头的端部与标定锥2022的锥尖对应设置；

S1032：机械臂基于标定信息控制刀头在检测槽2021内向另一端的标定锥2022移动；

S1033：如刀头移动到另一端的标定锥2022处，且位于两个标定锥2022的锥尖的连接线上，则表明标定信息准确；

S1034；如刀头在移动中触碰到检测槽2021的内壁，或刀头移动到另一端的标定锥2022处未在两个标定锥的锥尖的连接线处，则表明标定信息错误，需要重新进行标定。

进一步地，在步骤S103中，机械臂依据第二定位装置2023建立的基础坐标系，控制刀头在检测槽2021内移动。

综上所述，本发明的刀头标定检测系统能够通过刀头标定装置10对超声骨刀刀柄与机械臂之间的位置关系进行标定，使得机器人能够准确知道骨刀刀尖的位置，同时，当标定完毕后，本发明的系统还通过标定验证装置20对刀头标定装置10的标定信息进行检测，通过机械臂操控骨刀在标定验证装置20上的运动，进而判断刀头标定装置10的标定信息是否准确，如准确，机器人可操控骨刀进行手术操作，如不准确，则需要重新通过刀头标定装置10进行标定操作，再经过标定验证装置20对其检测，直至标定信息准确为止，通过该系统，本发明能够有效确保骨刀安装在机械臂上后，机器人对骨刀刀尖的位置准确性，进而能够提高手术的安全性与精确度。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

应理解，本发明的发明内容及实施例中各步骤的序号的大小并不绝对意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

Claims (10)

1.一种刀头标定和验证系统，其特征在于，包括：

刀头标定装置和标定验证装置，

所述刀头标定装置，包括第一支架、设置在所述第一支架上的第一定位装置和轴向设置在所述第一支架上的插入槽；刀头插入所述插入槽内，并与所述第一支架固定连接，所述刀头标定装置用于通过所述第一定位装置标定所述刀头与安装有所述刀头的机械臂之间的位置关系；

所述标定验证装置，包括第二支架和设置在所述第二支架上的验证部，所述验证部包括至少一条检测槽、标定锥和第二定位装置，所述标定锥设置在每条检测槽的两端，并与所述检测槽的槽口对应设置；所述标定验证装置用于通过所述验证部验证所述刀头标定装置的标定信息是否准确。

2.根据权利要求1所述的一种刀头标定和验证系统，其特征在于，所述验证部包括相互正交的两条检测槽，四个标定锥对应设置在两条检测槽的四个槽口位置。

3.根据权利要求1所述的一种刀头标定和验证系统，其特征在于，所述第一定位装置和第二定位装置为多个定位反光球，用于建立基础坐标系。

4.根据权利要求1所述的一种刀头标定和验证系统，其特征在于，在所述第一支架上设置有径向的定位槽，所述定位槽贯穿所述插入槽；

在所述定位槽内设置有定位销，所述定位销用于固定所述刀头。

5.根据权利要求4所述的一种刀头标定和验证系统，其特征在于，在所述第一支架上还设置有径向的观察槽，所述观察槽贯穿所述第一支架；所述观察槽用于观察所述插入槽内的所述刀头的位置。

6.根据权利要求1所述的一种刀头标定和验证系统，其特征在于，所述插入槽的形状与所述刀头的形状相同。

7.根据权利要求3所述的一种刀头标定和验证系统，其特征在于，所述定位反光球能够被相机识别。

8.一种根据权利要求1-7中任意一项所述的一种刀头标定和验证系统的使用方法，其特征在于，包括：

刀头安装至刀柄上，将所述刀柄具有所述刀头的一端插入刀头标定装置中，所述刀柄的另一端与机械臂固定连接；

基于第一定位装置建立第一基础坐标系，刀头标定装置基于第一基础坐标系标定所述刀头与机械臂之间的位置关系；

基于第二定位装置建立第二基础坐标系，标定验证装置基于第二基础坐标系标定标定锥的相对位置关系；

机械臂将刀头移动到标定验证装置的验证部，并控制所述刀头沿着检测槽在所述标定锥之间移动；

根据所述刀头落点是否准确，判断所述刀头标定装置的标定是否合格。

9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，所述根据所述刀头落点是否准确，判断所述刀头标定装置的标定是否合格的步骤，包括：

若刀头从一个标定锥移动到另一个标定锥的过程中，刀头没有准确落在另一标定锥的锥尖处，则表明标定不合格。

10.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，所述根据所述刀头落点是否准确，判断所述刀头标定装置的标定是否合格的步骤，包括：

若刀头从一个标定锥移动到另一个标定锥的过程中，刀头触碰到所述检测槽的内壁，则表明标定不合格。