CN205649543U - 一种高精度光学跟踪工具 - Google Patents

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李寅岩
徐进
王彬彬
张维军
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
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Abstract

本实用新型一种高精度光学跟踪工具，它包括刚性支架、主标记点群和第二标记点群；其中，主标记点群包括三个以上第一标记点，各第一标记点均设置在刚性支架上；第二标记点群包括一个或两个第二标记点，当高精度光学跟踪工具安装在需要定位的设备上时第二标记点与每一第一标记点间的距离均大于50mm。当本实用新型在手术机器人上应用时，主标记点群通过刚性支架安装在手术机器人本体上，第二标记点群设置在末端工具上其中，由于第二标记点群中的标记点更接近末端工具的特定点，因此定位精度可以得到显著的提高。另外可以通过改变第二标记点群的结构，与主标记点群构成不同的形状，实现对第二标记点群的识别。再者若第二标记点群与主标记点群安装不正确，系统可利用两标记点群位置规则识别出这种错误，提醒使用者。

Description

一种高精度光学跟踪工具
技术领域
本实用新型涉及一种高精度光学跟踪工具。
背景技术
定位精度是手术机器人最重要的一项性能，该精度主要指机器人的绝对空间精度。为适应不同的手术，机器人往往备有多种不同类型的末端工具，这些末端工具多使用快速装卸机构和机器人本体相连接。由于机器人手臂自身机械精度的限制，往往采用在末端工具附近安装光学跟踪工具进行“手眼反馈”来提高精度。在这种情况下，手术机器人的精度往往依赖于光学立体定位技术的精度。光学立体定位技术是利用单目或双目立体视觉原理，识别附着在被跟踪物体上中预先设计的标志点，进而计算出被跟踪物体的空间位置和方向。对于成熟的设备一般将标志点预先布置在一个刚体上，这个刚体称之为光学跟踪工具。由于原理的限制和提升精度的需求，被光学跟踪工具上的标志点必须满足某些限制条件。这些限制条件主要是点与点之间形成的点对的最小距离和不同点对之间距离的最小差，故而无法将标志点布置在一个很小的范围内，也相应限制了光学跟踪工具的最小尺寸。
机器人末端工具的绝对空间精度，以手术器械为例一般是指手术导针针尖的空间定位精度。此特定点的精度受光学跟踪工具本身的大小及安装距离影像，原则上希望提高精度需要尽可能将光学跟踪工具中的标志点靠近特定点，或是增加光学跟踪工具本身的大小。但是光学跟踪工具往往受到限制无法靠近特定点，同时过大的光学跟踪工具对使用有阻碍。
此外，末端工具类型的识别和状态检测也是手术机器人的一个重要的方面，这项工作一般通过术中自检测来实现。术中自检测是指在不改变医疗流程不添加额外步骤的前提下对机器人是否安装了正确类型的末端工具、末端工具是否变形及安装是否到位进行快速检测。
发明内容
针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种高精度光学跟踪工具，该光学跟踪工具安装在手术机器人(或者其它需要精确定位的设备上)能够显著提高定位精度，并且能够对末端工具的类型、状态进行快速检测。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种高精度光学跟踪工具，其特征在于：它包括刚性支架、主标记点群和第二标记点群；其中，所述主标记点群包括三个以上第一标记点，各所述第一标记点均设置在所述刚性支架上；所述第二标记点群包括一个或两个第二标记点，当所述高精度光学跟踪工具安装在需要定位的设备上时所述第二标记点与每一所述第一标记点间的距离均大于50mm。
任意两所述第一标记点间的距离均大于50mm且各所述距离的差大于5mm。
在所述主标记点群中至少有三个所述第一标记点成75°以下的夹角。
在所述第二标记点与所述第一标记点所组成的大群中，各标记点间距离的差大于5mm。
本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型包括一个主标记点群和一个第二标记点群，当本实用新型在手术机器人上应用时，主标记点群通过刚性支架安装在手术机器人本体上，第二标记点群设置在末端工具上其中，第二标记点群中的标记点数量可以视情况设置得较少(一个或两个)，由于第二标记点群中的标记点更接近末端工具的特定点，因此定位精度可以得到显著的提高。2、本实用新型设置在不同的末端工具上的第二标记点群不同，因此，可以通过检测位置关系识别出当前使用的是哪一个末端工具。3、本实用新型可以用于末端工具的实时检测，当末端工具没有维持正常安装或是发生损坏时，将由光学跟踪设备的数据判断出第二标记点群与主标记点群的位置关系不正确，从而提醒操作人员进行检查，进行重新安装或者更换。本实用新型可以广泛应用于需要精确定位的设备上。
附图说明
图1是本实用新型的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。
如图1所示，本实用新型提出了一种高精度光学跟踪工具，它包括刚性支架1、主标记点群和第二标记点群。其中，主标记点群包括三个以上标记点2，各标记点2均设置在刚性支架1上，并且标记点2的分布满足以下两个条件：①每任意两标记点2间的距离大于50mm且各个距离的差大于5mm(以三个标记点ABC为例，有AB、AC、BC三条连线，这些距离应乱序依次大于50mm、55mm、60mm)；②至少有三个标记点2成75°以下的夹角(不共线)。第二标记点群包括一个或两个标记点3，当本实用新型应用于需要定位的设备上时，主标记点群通过刚性支架1连接在设备上，第二标记点群的安装位置则满足以下条件：标记点3与主标记点群中的每个标记点2间的距离均大于50mm，同时，在标记点3与标记点2所组成的标记点大群中各点距离的差大于5mm(以标记点2为ABC，标记点3为D为例，有AB、AC、AD、BC、BD、CD六条连线，这些距离排序后应依次大于50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm)。
图1是本实用新型在手术机器人上的应用示意图，在本实施例中，末端工具5通过快速连接机构6与手术机器人本体4连接，本实用新型的刚性支架1安装在手术机器人本体4上，本实用新型的第二标记点群设置在末端工具5上，对于不同的末端工具5第二标记点群可以设置成不同的结构(标记点3的数量及其与主标记点群的位置关系)。由于不同的第二标记点群与主标记点群的位置关系不同，因此可以通过检测位置关系识别出当前安使用的是哪个末端工具5。而在使用时，当末端工具5没有维持正常安装或是发生损坏时，可以检测出第二标记点群与主标记点群的位置关系不正确，从而提醒手术机器人的操作人员进行检查，以重新安装或者更换。此外，本实用新型由于标记点3相比与传统光学跟踪工具而言更接近末端工具5的特定点，因此定位精度有显著的提高。
本实用新型不仅可以应用于手术机器人，也可以应用于任何一种需要精确定位的设备，在应用在其它设备上时，使用方法与上述方式类似。
本实用新型仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本实用新型技术方案的基础上，凡根据本实用新型的实用新型原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种高精度光学跟踪工具，其特征在于：它包括刚性支架、主标记点群和第二标记点群；其中，所述主标记点群包括三个以上第一标记点，各所述第一标记点均设置在所述刚性支架上；所述第二标记点群包括一个或两个第二标记点，当所述高精度光学跟踪工具安装在需要定位的设备上时所述第二标记点与每一所述第一标记点间的距离均大于50mm。
2.如权利要求1所述的一种高精度光学跟踪工具，其特征在于：任意两所述第一标记点间的距离均大于50mm且各所述距离的差大于5mm。
3.如权利要求2所述的一种高精度光学跟踪工具，其特征在于：在所述主标记点群中至少有三个所述第一标记点成75°以下的夹角。
4.如权利要求1或2或3所述的一种高精度光学跟踪工具，其特征在于：在所述第二标记点与所述第一标记点所组成的大群中，各标记点间距离的差大于5mm。
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