CN117653290A - 一种二旋转自由度的穿刺机器人系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二旋转自由度的穿刺机器人系统，包括双目光学定位相机、微型姿态调整装置、手动支架、穿刺针定位套筒，以及PC机。双目光学定位相机对操作区域的光学标记物进行跟踪定位，以获得穿刺针定位套筒的位姿。微型姿态调整装置控制穿刺针定位套筒的位姿变化；PC机将医学图像和测量坐标系O_c进行术前配准，将目标靶点部署到固定坐标系下；PC机读取微型姿态调整装置的状态，结合靶点位置制定控制指令，控制微型姿态调整装置建立起能到达目标靶点的路径通道；相比已有的基于六关节机械臂的穿刺手术机器人，本机器人系统具有机电结构简单、安装部署方便、安全可靠以及成本低等优点。

Description

一种二旋转自由度的穿刺机器人系统及其使用方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，更为具体地讲，涉及一种二旋转自由度的穿刺机器人系统及其使用方法。

背景技术

一场成功的手术不仅依赖于医生高超的技术水平，还需要得力的辅助设备。在医学手术中，常用的床旁固定支架等牵引式医疗器械存在一些问题，例如占地面积大，限制了手术医师的移动，而医生在操控过程中需要费时费力地进行牵引移动，人为移动也难以做到精准，调整过程还浪费了宝贵的手术时间。另一方面，六关节机械臂由于机械结构复杂、安装部署困难、成本高昂以及受到空间限制等缺点，限制了其在医疗实践中的广泛应用。

因此，设计一种简单、成本低、安装部署方便的两自由度平移式穿刺手术机器人成为更具吸引力和可行性的选择。由两个平移机构组成的机器人系统具有机电结构简单、安装部署方便、安全可靠以及成本低等优点。这种设计减少了潜在的故障点，提高了可靠性，同时还降低了制造和维护成本。医护人员可以更迅速地设置和操作机器人，从而为穿刺手术提供更高效和安全的体验。这种机器人系统的推广促进了穿刺手术机器人的自主化和产业化，为未来手术机器人行业的发展提供了新的方向和思路，同时也具备广泛的市场潜力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种二旋转自由度的穿刺机器人系统，针对调整医疗器械角度问题对手术机器人进行精简化，既保持了控制的精度和准度，又保证了结构的精简，以极小的经济成本和空间成本对医生的手术过程进行辅助，实现了与现有的大型六自由度手术机器人相同的医疗规划功能。

为实现上述发明目的，本发明一种二旋转自由度的穿刺机器人系统，其特征在于，包括：双目光学定位相机、微型姿态调整装置、手动支架、穿刺针定位套筒，以及PC机；

所述双目光学定位相机固定在操作台的一侧，面向穿刺操作区域；双目光学定位相机在使用前经过标定，记其测量坐标系为O_c，利用双目光学定位相机可对视场范围内的光学标记物进行实时的跟踪和定位，获取光学标记物在O_c坐标系下的三维坐标；

所述微型姿态调整装置是具备两个旋转自由度的电动姿态调节机构，其包括两种组装方式；微型姿态调整装置的一端连接手动支架，称为固定端，另一端连接穿刺针定位套筒，称为工具端；微型姿态调整装置在使用前经过运动学建模，在其固定端定义固定坐标系O_f，工具端定义浮动坐标系O_t，基于装置内部机械结构建立有运动学模型，可根据两个旋转角度参数α、β计算O_t与O_f之间的变换矩阵；使用过程中，通过改变旋转角度α、β能够调整工具端的穿刺针定位套筒相对固定端的姿态；

所述手动支架为一个六自由度的手动调节固定支架，其一端固定在操作台上，另一端与微型姿态调整装置的固定端连接；系统运行前，先由操作者手动调节支架，使微型姿态调整装置固定在操作台上方，系统运行过程中支架保持固定，由微型姿态调整装置根据操作者规划的目标靶点调整穿刺针定位套筒的姿态；

所述穿刺针定位套筒为细长中空圆柱体，筒身表面固定多个光学标记物，与微型姿态调整装置的工具端刚性连接；套筒在使用前经过标定可以得到光学标记物以及穿刺针定位套筒两端环形截面中心点在O_t下的坐标；

所述PC机加载患者医学图像，将医学图像与双目光学定位相机的测量坐标系O_c进行术前配准，首先由操作者在医学图像上规划目标靶点，然后PC机根据目标靶点坐标和从双目光学定位相机获取的套筒当前位姿，基于微型姿态调整装置的运动学模型进行逆运动学解算，得到能使套筒中心轴线穿过目标靶点的两个目标旋转角度，控制微型姿态调整装置至目标旋转角度，完成姿态调整。

此外，本发明还提供了二旋转自由度的穿刺机器人系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、系统使用前，完成双目光学相机标定，记光学定位相机的测量坐标系为O_c，记录相机内外参数；完成穿刺针定位套筒标定，记录筒身光学标记物和套筒两端环形截面中心点(记为p_a、p_b)在浮动坐标系O_t下的坐标；完成微型姿态调整装置的运动学建模，确立O_t到固定坐标系O_f的齐次坐标变换矩阵T_t2f与两个旋转角度参数α、β之间的函数：T_t2f＝f(α,β)；

(2)、PC机导入患者医学图像，将医学图像与测量坐标系O_c进行术前配准，建立起医学图像坐标系到O_c下的变换关系；

(3)、操作者在医学图像上规划目标靶点，根据步骤(2)建立的变换关系，计算目标靶点在O_c下的三维坐标，记为p₀；

(4)、操作者调整手动支架，将微型姿态调整装置固定在操作台上方，使穿刺针定位套筒的位姿处于较理想的初位；

(5)、PC机读取微型姿态调整装置当前的旋转角度α、β，将其代入步骤(1)建立的运动学模型，得到当前位姿下O_t到O_f的变换矩阵

当微型姿态调整装置采用组装方式一时，PC机通过角度编码器读取两个电机当前的旋转角度α、β；

当微型姿态调整装置采用组装方式二时，PC机通过角度编码器读取关节电机当前的旋转角度α，从电动伸缩机构可读取电动伸缩杆的长度参数l，然后根据电动伸缩杆所在机械结构计算出绕旋转轴的旋转角度β；

其中，a、b为电动伸缩杆所在机械结构中的取值；

(6)、PC机通过双目光学定位相机获取筒身光学标记物在O_c下的三维坐标，并根据步骤(1)套筒标定得到的光学标记物在O_t下的坐标，计算从O_c到当前姿态O_t的齐次变换矩阵

(7)、根据齐次变换矩阵和齐次变换矩阵/>计算从O_c到O_f的齐次变换矩阵

(8)、根据齐次变换矩阵T_c2f计算目标靶点p₀在O_f下的齐次坐标其中，是p₀在O_c下的齐次坐标；

(9)、基于微型姿态调整装置的运动学模型，对旋转角度参数α、β进行逆运动学解算：在装置允许的角度范围内，求解最优的α^*和β^*，使目标靶点到套筒中心轴线的距离最短，即在O_f坐标系下齐次向量与齐次向量/>之间的夹角余弦最大：

其中，<·>表示求两向量的内积，|·|表示求向量模，是步骤(1)获得的套筒两端中心点p_a、p_b在O_t下的齐次坐标；

(10)、PC机向微型姿态调整装置发送控制指令，使当前的两个旋转角度到达步骤(9)求解的最优角度值，即α＝α^*，β＝β^*，从而使建立起最优的穿刺通道。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种二旋转自由度的穿刺机器人系统，包括双目光学定位相机、微型姿态调整装置、手动支架、穿刺针定位套筒，以及PC机。双目光学定位相机对操作区域的光学标记物进行跟踪定位，以获得穿刺针定位套筒的位姿。微型姿态调整装置控制穿刺针定位套筒的位姿变化；PC机将医学图像和测量坐标系O_c进行术前配准，将目标靶点部署到固定坐标系下；PC机读取微型姿态调整装置的状态，结合靶点位置制定控制指令，控制微型姿态调整装置建立起能到达目标靶点的路径通道；相比已有的基于六关节机械臂的穿刺手术机器人，本机器人系统具有机电结构简单、安装部署方便、安全可靠以及成本低等优点。

同时，本发明一种二旋转自由度的穿刺机器人系统及其使用方法还具有以下有益效果：

(1)、本发明在使用时，运动空间始终保持在人体上方，在手术室中使用能降低对医生的干扰，保证医生的活动空间，以保障医生和患者的安全。

(2)本发明的角度调节装置结构更加小型化，结构简单，使用方便，便携性高。相比于大型手术器械，能够快速部署，节省宝贵的手术准备时间，同时使用成本更低。

(3)本发明的控制方式采用最优化算法，能够灵活适应各种状态条件，能够应对多种使用场景。即使硬件连接出现误差，也能够通过算法纠正。

附图说明

图1是本发明一种二旋转自由度的穿刺机器人系统的连接结构图；

图2是图1中微型姿态调整装置以组装方式一构成的结构图；

图3是图1中微型姿态调整装置以组装方式二构成的结构图；

图4是电动伸缩杆所在机械结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种二旋转自由度的穿刺机器人系统架构图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种二旋转自由度的穿刺机器人系统，包括：操作台、六自由度手动支架、双目光学定位相机、微型姿态调整装置、穿刺针定位套筒，以及PC机；

操作台用于支撑患者，并根据需要调整体位；

六自由度手动支架一端固定在操作台上，另一端与微型姿态调整装置的固定端连接；系统运行前，先由操作者手动调节支架，使微型姿态调整装置固定在操作台上方，系统运行过程中支架保持固定；

双目光学定位相机通过刚性的支架固定在操作台的任意一角，面向穿刺操作区域；双目光学定位相机在使用前经过标定，然后用于对视场范围内的光学标记物进行跟踪和定位；在双目光学定位相机上定义测量坐标系O_c，则通过双目光学定位相机可实时获取光学标记物在O_c坐标系下的三维坐标；本实施例中，光学定位相机标定可采用(但不限于)《AFlexible New Technique for Camera Calibration》(Zhengyou Zhang)提出的多相机标定方法；由于各相机之间刚性连接，相对位姿不变，相机标定是一次性的，可在产品出厂前完成标定。

微型姿态调整装置包括两种组装方式，每种组装方式均具备2个旋转自由度的电动姿态调节机构；其一端连接手动支架，称为固定端，另一端连接穿刺针定位套筒，称为工具端；微型姿态调整装置在使用前经过运动学建模，在其固定端定义固定坐标系O_f，工具端定义浮动坐标系O_t，基于装置内部机械结构建立有运动学模型，根据两个旋转角度参数α、β，计算O_t与O_f之间的变换矩阵T_t2f；另外通过改变旋转角度参数α、β能够调整工具端穿刺针定位套筒相对固定端的姿态；

在本实例中，微型姿态调整装置的运动学模型可采用(但不限于)《工业机器人D-H建模与运动仿真》(唐越，郑金辉等)提出的D-H建模方法；由于支架的机械结构不变，其运动学建模也是一次性的，可在出厂前建立；

下面我们对微型姿态调整装置的两种组装方式进行详细说明，具体如下：

如图二所示，组装方式一：

微型姿态调整装置包括两个微型关节电机模组，每个微型关节电机模组都由电机、角度编码器、驱动器和控制器组成；记两个微型关节电机模组分别为关节A和关节B；

关节A的定子端为微型姿态调整装置的固定端，定义固定坐标系O_f；关节A的转子端与关节B的定子端刚性连接；关节B的转子端与穿刺针定位套筒刚性连接，作为微型姿态调整装置的工具端，定义浮动坐标系O_t；两个关节电机的旋转轴互相垂直且相交，使O_t可相对O_f进行两自由度的旋转；

如图三所示，组装方式二：

微型姿态调整装置包括一个微型关节电机模组和一个微型电动伸缩杆；

微型关节电机模组与组装方式一中的关节A相同，其定子端为微型姿态调整装置的固定端，定义固定坐标系O_f；转子端沿关节电机旋转轴安装延长杆，延长杆末端通过一个一自由度的旋转铰链与穿刺针定位套筒连接，铰链旋转轴/>与关节电机旋转轴/>垂直；

微型电动伸缩杆的一端通过铰链与微型关节电机的转子端连接，另一端通过铰链与穿刺针定位套筒连接；电动伸缩杆和套筒构成以延长杆末端旋转铰链为支点的杠杆运动机构，将伸缩杆的直线运动转化为套筒绕轴旋转运动；

在穿刺针定位套筒筒身定义浮动坐标系O_t，微型关节电机和微型电动伸缩杆可使O_t相对固定坐标系O_f进行两自由度的旋转。

穿刺针定位套筒为细长中空圆柱体，筒身表面固定多个光学标记物，与微型姿态调整装置的工具端刚性连接；套筒在使用前经过标定可以得到光学标记物以及穿刺针定位套筒两端环形截面中心点在O_t下的坐标；在本实例中，上述坐标可通过(但不限于)套筒的结构设计图纸获得；

所述PC机加载患者医学图像，将医学图像与双目光学定位相机的测量坐标系O_c进行术前配准，首先由操作者在医学图像上规划目标靶点，然后PC机根据目标靶点坐标和从双目光学定位相机获取的套筒当前位姿，基于微型姿态调整装置的运动学模型进行逆运动学解算，得到能使套筒中心轴线穿过目标靶点的两个目标旋转角度，控制微型姿态调整装置至目标旋转角度，完成姿态调整。在本实例中，具体配准技术可采用(但不限于)向华等在文献《手术导航三维空间配准技术研究》提出的配准技术。

下面我们对二旋转自由度的穿刺机器人系统的使用过程进行详细描述，包括以下步骤：

(1)、系统使用前，完成双目光学相机标定，记光学定位相机的测量坐标系为O_c，记录相机内外参数；完成穿刺针定位套筒标定，记录筒身光学标记物和套筒两端环形截面中心点(记为p_a、p_b)在浮动坐标系O_t下的坐标；完成微型姿态调整装置的运动学建模，确立O_t到固定坐标系O_f的齐次坐标变换矩阵T_t2f与两个旋转角度参数α、β之间的函数：T_t2f＝f(α,β)；

(2)、PC机导入患者医学图像，将医学图像与测量坐标系O_c进行术前配准，建立起医学图像坐标系到O_c下的变换关系；

(3)、操作者在医学图像上规划目标靶点，根据步骤(2)建立的变换关系，计算目标靶点在O_c下的三维坐标，记为p₀；

(4)、操作者调整手动支架，将微型姿态调整装置固定在操作台上方，使穿刺针定位套筒的位姿处于较理想的初位；

(5)、PC机读取微型姿态调整装置当前的旋转角度α、β，将其代入步骤(1)建立的运动学模型，得到当前位姿下O_t到O_f的变换矩阵

当微型姿态调整装置采用组装方式一时，PC机通过角度编码器读取两个电机当前的旋转角度α、β；

当微型姿态调整装置采用组装方式二时，PC机通过角度编码器读取关节电机当前的旋转角度α，从电动伸缩机构可读取电动伸缩杆的长度参数l，然后根据电动伸缩杆所在机械结构计算出绕旋转轴的旋转角度β；

在本实施例中，如图4所示，伸缩杆长度l与角度β之间的关系满足：(asinβ)²+(b-acosβ)²＝l²可得：

其中，a、b为电动伸缩杆所在机械结构中取值；

(6)、PC机通过双目光学定位相机获取筒身光学标记物在O_c下的三维坐标，并根据步骤(1)套筒标定得到的光学标记物在O_t下的坐标，计算从O_c到当前位姿O_t的齐次变换矩阵

(7)、根据齐次变换矩阵和齐次变换矩阵/>计算从O_c到O_f的齐次变换矩阵

(8)、根据齐次变换矩阵T_c2f计算目标靶点p₀在O_f下的齐次坐标其中，是p₀在O_c下的齐次坐标；

(9)、基于微型姿态调整装置的运动学模型，对旋转角度参数α、β进行逆运动学解算：在装置允许的角度范围内，求解最优的α^*和β^*，使目标靶点到套筒中心轴线的距离最短，即在O_f坐标系下齐次向量与齐次向量/>之间的夹角余弦最大：

其中，<·>表示求两向量的内积，|·|表示求向量模，是步骤(1)获得的套筒两端中心点p_a、p_b在O_t下的齐次坐标；

(10)、PC机向微型姿态调整装置发送控制指令，使当前的两个旋转角度到达步骤(9)求解的最优角度值，即α＝α^*，β＝β^*，从而使建立起最优的穿刺通道。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种二旋转自由度的穿刺机器人系统，其特征在于，包括：双目光学定位相机、微型姿态调整装置、手动支架、穿刺针定位套筒，以及PC机；

所述双目光学定位相机固定在操作台的一侧，面向穿刺操作区域；双目光学定位相机在使用前经过标定，记其测量坐标系为O_c，利用双目光学定位相机对视场范围内的光学标记物进行实时的跟踪和定位，获取光学标记物在O_c坐标系下的三维坐标；

所述微型姿态调整装置是具备两个旋转自由度的电动姿态调节机构，其包括两种组装方式；微型姿态调整装置的一端连接手动支架，称为固定端，另一端连接穿刺针定位套筒，称为工具端；微型姿态调整装置在使用前经过运动学建模，在其固定端定义固定坐标系O_f，工具端定义浮动坐标系O_t，基于装置内部机械结构建立有运动学模型，可根据两个旋转角度参数α、β计算O_t与O_f之间的变换矩阵；使用过程中，通过改变旋转角度α、β能够调整工具端的穿刺针定位套筒相对固定端的姿态；

所述手动支架为一个六自由度的手动调节固定支架，其一端固定在操作台上，另一端与微型姿态调整装置的固定端连接；系统运行前，先由操作者手动调节支架，使微型姿态调整装置固定在操作台上方，系统运行过程中支架保持固定，由微型姿态调整装置根据操作者规划的目标靶点调整穿刺针定位套筒的姿态；

所述穿刺针定位套筒为细长中空圆柱体，筒身表面固定多个光学标记物，与微型姿态调整装置的工具端刚性连接；套筒在使用前经过标定可以得到光学标记物以及穿刺针定位套筒两端环形截面中心点在O_t下的坐标；

所述PC机加载患者医学图像，将医学图像与双目光学定位相机的测量坐标系O_c进行术前配准；配准完成后由操作者在医学图像上规划目标靶点，然后PC机根据目标靶点坐标和从双目光学定位相机获取的套筒当前位姿，基于微型姿态调整装置的运动学模型进行逆运动学解算，得到能使套筒中心轴线穿过目标靶点的两个目标旋转角度，控制微型姿态调整装置至目标旋转角度，完成姿态调整。

2.根据权利要求1所述的一种二旋转自由度的穿刺机器人系统，其特征在于，所述微型姿态调整装置的两种组装方式为：

组装方式一：

微型姿态调整装置包括两个微型关节电机模组，每个微型关节电机模组都由电机、角度编码器、驱动器和控制器组成；记两个微型关节电机模组分别为关节A和关节B；

关节A的定子端为微型姿态调整装置的固定端，定义固定坐标系O_f；关节A的转子端与关节B的定子端刚性连接；关节B的转子端与穿刺针定位套筒刚性连接，作为微型姿态调整装置的工具端，定义浮动坐标系O_t；两个关节电机的旋转轴互相垂直且相交，使O_t可相对O_f进行两自由度的旋转；

组装方式二：

微型姿态调整装置包括一个微型关节电机模组和一个微型电动伸缩杆；

微型关节电机模组与组装方式一中的关节A相同，其定子端为微型姿态调整装置的固定端，定义固定坐标系O_f；转子端沿关节电机旋转轴安装延长杆，延长杆末端通过一个一自由度的旋转铰链与穿刺针定位套筒连接，铰链旋转轴/>与关节电机旋转轴/>垂直；

微型电动伸缩杆的一端通过铰链与微型关节电机的转子端连接，另一端通过铰链与穿刺针定位套筒连接；电动伸缩杆和套筒构成以延长杆末端旋转铰链为支点的杠杆运动机构，将伸缩杆的直线运动转化为套筒绕轴旋转运动；

在穿刺针定位套筒筒身定义浮动坐标系O_t，微型关节电机和微型电动伸缩杆可使O_t相对固定坐标系O_f进行两自由度的旋转。

3.根据权利要求1所述的一种二旋转自由度的穿刺机器人系统，其特征在于，所述光学标记物的个数至少为4个。

4.根据权利要求1所述的一种二旋转自由度的穿刺机器人系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、系统使用前，完成双目光学相机标定，记光学定位相机的测量坐标系为O_c，记录相机内外参数；完成穿刺针定位套筒标定，记录筒身光学标记物和套筒两端环形截面中心点在浮动坐标系O_t下的坐标；完成微型姿态调整装置的运动学建模，确立O_t到固定坐标系O_f的齐次坐标变换矩阵T_t2f与两个旋转角度参数α、β之间的函数：T_t2f＝f(α,β)；

(2)、PC机导入患者医学图像，将医学图像与测量坐标系O_c进行术前配准，建立起医学图像坐标系到O_c下的变换关系；

(3)、操作者在医学图像上规划目标靶点，根据步骤(2)建立的变换关系，计算目标靶点在O_c下的三维坐标，记为p₀；

(4)、操作者调整手动支架，将微型姿态调整装置固定在操作台上方，使穿刺针定位套筒的位姿处于较理想的初位；

(5)、PC机读取微型姿态调整装置当前的旋转角度α、β，将其代入步骤(1)建立的运动学模型，得到当前位姿下O_t到O_f的变换矩阵

当微型姿态调整装置采用组装方式一时，PC机通过角度编码器读取两个电机当前的旋转角度α、β；

当微型姿态调整装置采用组装方式二时，PC机通过角度编码器读取关节电机当前的旋转角度α，从电动伸缩机构可读取电动伸缩杆的长度参数l，然后根据电动伸缩杆所在机械结构计算出绕旋转轴的旋转角度β；

其中，a、b为电动伸缩杆所在机械结构中的取值；

(6)、PC机通过双目光学定位相机获取筒身光学标记物在O_c下的三维坐标，并根据步骤(1)套筒标定得到的光学标记物在O_t下的坐标，计算从O_c到当前姿态O_t的齐次变换矩阵

(7)、根据齐次变换矩阵和齐次变换矩阵/>计算从O_c到O_f的齐次变换矩阵

(8)、根据齐次变换矩阵T_c2f计算目标靶点p₀在O_f下的齐次坐标其中，/>是p₀在O_c下的齐次坐标；

(9)、基于微型姿态调整装置的运动学模型，对旋转角度参数α、β进行逆运动学解算：在装置允许的角度范围内，求解最优的α^*和β^*，使目标靶点到套筒中心轴线的距离最短，即在O_f坐标系下齐次向量与齐次向量/>之间的夹角余弦最大：

其中，<·>表示求两向量的内积，|·|表示求向量模，是步骤(1)获得的套筒两端中心点p_a、p_b在O_t下的齐次坐标；

(10)、PC机向微型姿态调整装置发送控制指令，使当前的两个旋转角度到达步骤(9)求解的最优角度值，即α＝α^*，β＝β^*，从而使建立起最优的穿刺通道。