CN215130040U - 一种辅助定位手术机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种辅助定位手术机器人，包括底座，底座上通过升降机构安装升降杆，升降杆上转动安装四节式手臂，四节式手臂终端处安装力矩传感器和定位标记组件，通过力矩传感器采集施加于四节式手臂上的力并反馈至控制系统，由控制系统控制四节式手臂移动；升降杆顶端安装有触摸屏，四节式手臂的下方放置有手术床；还包括摄像头，摄像头采集定位标记组件的位置信息并反馈至控制系统，以实时获取四节式手臂执行终端的位姿。本实用新型的机器人智能化程度高，能够在骨科手术中实现定位导航功能，系统精度高，通过粗定位加精定位的模式保证定位的准确，机器人作为智能手术工具协助医生完成手术，极大地助力于整个手术的质量。

Description

一种辅助定位手术机器人

技术领域

本实用新型涉及手术机器人技术领域，尤其是一种辅助定位手术机器人。

背景技术

机器人进入医疗领域以来，随着技术水平的提高，由机器人辅助的外科手术逐渐成为生物医学及机器人学科研究的热点。由于机器人辅助的外科手术具有更小的创伤、更短的康复时间、更精确的操作等优点，因此在许多类型手术中都得到了应用。

骨科手术机器人是一种外科手术机器人。早期的骨科手术机器人为了能够实现高精度的手术操作都是以主动式机器人为主，但是随着临床试验的深入，医生发现在复杂的手术操作环境下，高度的自动化并没有给手术过程带来足够的安全保障，反而给医生心理带来很大的压力，后来逐渐发展了被动机器人、主从遥操作机器人、人机协作机器人等几种操作模式的机器人，以此希望通过医生对机器人实时的、直接的干预实现高安全性的手术过程。从实际效果看，人机协作机器人在骨科手术中的应用需求更明显，机器人保留了其高精度以及高灵巧性的特点，医生具有操作技巧以及决策能力，机器人作为智能手术工具来协助医生完成手术。

实用新型内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的辅助定位手术机器人，从而通过半自主式的智能辅助定位，极大地助力于协助医生完成手术，助力于手术质量的提升。

本实用新型所采用的技术方案如下：

一种辅助定位手术机器人，包括底座，底座上通过升降机构安装有升降杆，升降杆上转动安装有四节式手臂，四节式手臂的执行终端处安装有力矩传感器和定位标记组件，通过力矩传感器采集施加于四节式手臂上的力并反馈至控制系统，由控制系统控制四节式手臂移动；所述升降杆顶端安装有触摸屏，所述四节式手臂的下方放置有手术床；还包括位于机器人外部、由支架支承的摄像头，摄像头采集定位标记组件的位置信息并反馈至控制系统，以实时获取四节式手臂执行终端的位姿；所述四节式手臂执行终端的末端支承有手术器械。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述四节式手臂的结构为：包括转动安装于升降杆的大臂，大臂一端套装于升降杆并转动连接，大臂另一端的底面转动安装有J型结构的小臂；所述小臂顶端转动安装于大臂底面，小臂下端沿着轴向转动安装有回转臂，回转臂端部转动安装有旋转臂，旋转臂以其与回转臂的相接位为中心上下摆动；所述旋转臂圆周壁面上固装有定位标记组件，位于定位标记组件前方的旋转臂上固装有力矩传感器；所述旋转臂端部开有供手术器械卡装的上下贯穿的孔。

所述定位标记组件的结构为：包括与四节式手臂固装的十字形架，十字形架的同一侧面的四个端头均固装有反光球，摄像头采集四个反光球的位置信息并反馈至控制系统，由控制系统计算获得四节式手臂执行终端的位姿。

手术床上的人体上配置有相同的反光球，结合摄像头的位置采集，经视觉匹配算法，由控制系统控制四节式手臂的末端移动跟踪至待手术位置的上方。

所述升降机构的结构为：包括竖直安装于底座上的支座，位于支座内侧的底座上安装有电机，电机输出端通过皮带传动结构衔接安装有丝杆，丝杆两端端部转动安装于支座内侧的顶部和底部；位于丝杆两侧的支座上对称安装有导轨，两根导轨共同通过滑块滑动安装有升降块，升降块通过螺母与丝杆螺旋副配装；所述升降块顶面与升降杆底端固装。

所述控制系统包括控制机器人运动、粗定位和精定位的控制模块，以及终端服务设备；

所述控制模块包括运动控制模块、粗定位模块和精定位模块，所述运动控制模块控制四节式手臂的空间运动；所述粗定位模块通过采集模块采集力矩传感器的力矩信息后，传递给力控制模块，力控制模块将该力矩信息转化至机器人坐标系中并向运动控制模块输出速度命令和位置增量命令；所述精定位模块通过摄像头采集定位标记组件的空间信息并转换为坐标，反馈至运动控制模块。

所述运动控制模块包括运动模块、轨迹规划模块和回零模块；所述运动模块中包含有机器人四节式手臂的DH参数，运动模块控制机器人的相对、绝对运动，以及四节式手臂中各关节的点动、末端的点动；所述轨迹规划模块根据精定位模块反馈的位置坐标信息，计算并控制机器人自主到达的路径、时间以及速度；所述回零模块控制机器人回零位。

所述粗定位模块包括A/D转换模块、采集模块和力控制模块；所述A/D模块将力矩传感器的模拟电压信号转换为数字量信号供采集模块采集处理；力控制模块获得采集模块反馈的施加于机器人末端的力矩信息后，经过电压变换和校准，并进行重力补偿，再经过工具坐标将力矩信息变换至机器人坐标系中。

所述精定位模块包括图像采集模块、三维坐标转换模块、图像定位模块和图像导航模块；所述图像采集模块与CT机电性连接，其在术前采集患者的骨骼三维CT图像，在术中采集患者的二维X光图像；所述三维坐标转换模块将摄像头采集的定位标记组件的空间信息转换为机器人和患者的三维空间坐标信息；所述图像定位模块将三维坐标转换模块的三维空间坐标信息转化为实际的空间坐标信息并反馈至图像导航模块；图像导航模块将接收到的空间坐标信息以机器人末端与患者之间的位姿关系实时显示于触摸屏上。

所述终端服务设备包括触摸屏、操作控制台、实时监测模块和结果存储输出模块；所述操作控制台通过运动控制模块用于机器人运动模式的切换；所述实时监测模块为摄像头、外部CT机；所述结果存储输出模块对整个手术过程的数据进行存储或输出。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型结构紧凑、合理，操作方便，通过操作者对机器人的拖拽，使得四节式手臂按照拖动方向移动至需求的手术位置，再由四节式手臂对手术器械的支承，配合操作者对手术床上的病人实施手术，从而实现手术的辅助定位，即依托机器人的四节式手臂保持手术位置，不会因医生的手抖发生改变；其作为智能手术工具极大地协助于医生完成手术，有效保障了手术质量；

本实用新型还包括如下优点：

通过机器人、控制模块和终端服务设备构成手术机器人系统，通过半自主式的粗定位+精定位的模式实现手术的准确定位，助力于手术的顺利实施；

在机器人四节式手臂的末端到达手术位置后，医生将骨科手术器械穿过旋转臂末端孔后直达骨科手术位置，简单、方便、可靠。

附图说明

图1为本实用新型机器人的结构示意图。

图2为本实用新型升降机构和四节式手臂的结构示意图。

图3为本实用新型的系统结构示意图。

其中：1、底座；2、升降机构；3、升降杆；4、支架；5、摄像头；6、触摸屏；7、四节式手臂；8、定位标记组件；9、手术床；21、支座；22、导轨；23、升降块；24、电机；25、丝杆；26、皮带传动结构；71、大臂；72、小臂；73、回转臂；74、力矩传感器；75、旋转臂。

具体实施方式

下面结合附图，说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，本实施例的一种辅助定位手术机器人，包括底座1，底座1上通过升降机构2安装有升降杆3，升降杆3上转动安装有四节式手臂7，四节式手臂7的终端处安装有力矩传感器74和定位标记组件8，通过力矩传感器74采集施加于四节式手臂7上的力并反馈至控制系统，由控制系统控制四节式手臂7移动；升降杆3顶端安装有触摸屏6，四节式手臂7的下方放置有手术床9；还包括位于机器人外部、由支架4支承的摄像头5，摄像头5采集定位标记组件8的位置信息并反馈至控制系统，以实时获取四节式手臂7执行终端的位姿；所述四节式手臂7执行终端的末端支承有手术器械；通过操作者对机器人的拖拽，使得四节式手臂7按照拖动方向移动至需求的手术位置，再由四节式手臂7对手术器械的支承，配合操作者对手术床9上的病人实施手术，从而实现手术的辅助定位，即依托机器人的四节式手臂7保持手术位置，不会因医生的手抖发生改变；其作为智能手术工具极大地协助于医生完成手术。

如图2所示，四节式手臂7的结构为：包括转动安装于升降杆3的大臂71，大臂71一端套装于升降杆3并转动连接，大臂71另一端的底面转动安装有J型结构的小臂72，大臂71和小臂72的回转轴线均平行于重力方向；小臂72顶端转动安装于大臂71底面，小臂72下端沿着轴向转动安装有回转臂73，回转臂73端部转动安装有旋转臂75，旋转臂75以其与回转臂73的相接位为中心上下摆动；回转臂73和旋转臂75的回转轴线相互垂直且均垂直于重力方向；旋转臂75圆周壁面上固装有定位标记组件8，位于定位标记组件8前方的旋转臂75上固装有力矩传感器74；旋转臂75端部开有供手术器械卡装的上下贯穿的孔；通过升降杆3的升降以及大臂71、小臂72、回转臂73和旋转臂75的转动，使得旋转臂75的末端能够到达手术需要的任意位置，空间利用率好，有效助力于手术定位功能的实现。在对机器人进行粗定位拖拽时，设定大臂71和小臂72相对于地面的高度不变，在随意拖拽过程中不会对下方的手术床9上的病人带来安全隐患，保证了手术的安全性。

定位标记组件8的结构为：包括与四节式手臂7固装的十字形架，十字形架的同一侧面的四个端头均固装有反光球，摄像头5采集四个反光球的位置信息并反馈至控制系统的精定位模块，由控制系统的精定位模块计算获得四节式手臂7执行终端的位姿。

手术床9上的人体上配置有相同的反光球，结合摄像头5的位置采集，经视觉匹配算法，由控制系统的运动控制模块控制四节式手臂7的末端移动跟踪至待手术位置的上方。

升降机构2的结构为：包括竖直安装于底座1上的支座21，位于支座21内侧的底座1上安装有电机24，电机24输出端通过皮带传动结构26衔接安装有丝杆25，丝杆25两端端部转动安装于支座21内侧的顶部和底部；位于丝杆25两侧的支座21上对称安装有导轨22，两根导轨22共同通过滑块滑动安装有升降块23，升降块23通过螺母与丝杆25螺旋副配装；升降块23顶面与升降杆3底端固装。

如图3所示，控制系统包括控制机器人运动、粗定位和精定位的控制模块，以及终端服务设备；

控制模块包括运动控制模块、粗定位模块和精定位模块，运动控制模块控制四节式手臂7的空间运动；粗定位模块通过采集模块采集力矩传感器74的力矩信息后，传递给力控制模块，力控制模块将该力矩信息转化至机器人坐标系中并向运动控制模块输出速度命令和位置增量命令；精定位模块通过摄像头5采集定位标记组件8的空间信息并转换为坐标，反馈至运动控制模块。

通过机器人、控制模块和终端服务设备构成手术机器人系统，通过半自主式的粗定位+精定位的模式实现手术的准确定位，助力于手术的顺利实施；在机器人四节式手臂7的末端到达手术位置后，医生将骨科手术器械穿过旋转臂75末端孔后直达骨科手术位置，依托机器人的四节式手臂7保持手术位置，简单、方便、可靠，有效实现手术辅助功能。

运动控制模块包括运动模块、轨迹规划模块和回零模块；运动模块中包含有机器人四节式手臂7的DH参数，运动模块控制机器人的相对、绝对运动，以及四节式手臂7中各关节的点动、末端的点动；轨迹规划模块根据精定位模块反馈的位置坐标信息，计算并控制机器人自主到达的路径、时间以及速度；回零模块控制机器人回零位。

粗定位模块包括A/D转换模块、采集模块和力控制模块；A/D模块将力矩传感器74的模拟电压信号转换为数字量信号供采集模块采集处理；力控制模块获得采集模块反馈的施加于机器人末端的力矩信息后，经过电压变换和校准，并进行重力补偿，再经过工具坐标将力矩信息变换至机器人坐标系中。

精定位模块包括图像采集模块、三维坐标转换模块、图像定位模块和图像导航模块；图像采集模块与CT机电性连接，其在术前采集患者的骨骼三维CT图像，在术中采集患者的二维X光图像；三维坐标转换模块将摄像头5采集的定位标记组件8的空间信息转换为机器人和患者的三维空间坐标信息；图像定位模块将三维坐标转换模块的三维空间坐标信息转化为实际的空间坐标信息并反馈至图像导航模块；图像导航模块将接收到的空间坐标信息以机器人末端与患者之间的位姿关系实时显示于触摸屏6上。

终端服务设备包括触摸屏6、操作控制台、实时监测模块和结果存储输出模块；操作控制台通过运动控制模块用于机器人运动模式的切换；实时监测模块为摄像头5、外部CT机；结果存储输出模块对整个手术过程的数据进行存储或输出。

本实施例的一种辅助定位手术机器人的操作方法，包括如下步骤：

通过触摸屏6，经运动控制模块控制机器人的四节式手臂7回至初始位置；

施力于四节式手臂7的末端，由粗定位模块中的采集模块采集力矩传感器74的力矩信息，由力控制模块转换为速度命令和位置增量命令并反馈至运动控制模块，由运动控制模块控制四节式手臂7的实际运动，使得四节式手臂7的末端随着施加的力移动至待手术位置的上方，完成手术粗定位；

经精定位模块中的图像采集模块获取术前骨骼三维CT图像和术中二维X光图像，由精定位模块中的三维坐标转换模块获取并计算机器人和患者的实际三维空间坐标信息，并由图像导航模块于触摸屏6上实时显示；同时由运动控制模块中的轨迹规划模块控制四节式手臂7的末端移动至待手术位置的准确上方，完成手术精定位；

将手术器械装于四节式手臂7的末端，由机器人支承手术器械，人员施力于四节式手臂7末端对其进行实时拖曳，进行手术。

本实用新型通过半自主式的智能辅助定位，作为智能手术工具极大地协助于医生完成手术，有效保障了手术质量。

以上描述是对本实用新型的解释，不是对实用新型的限定，本实用新型所限定的范围参见权利要求，在本实用新型的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种辅助定位手术机器人，其特征在于：包括底座(1)，底座(1)上通过升降机构(2)安装有升降杆(3)，升降杆(3)上转动安装有四节式手臂(7)，四节式手臂(7)的执行终端处安装有力矩传感器(74)和定位标记组件(8)，通过力矩传感器(74)采集施加于四节式手臂(7)上的力并反馈至控制系统，由控制系统控制四节式手臂(7)移动；所述升降杆(3)顶端安装有触摸屏(6)，所述四节式手臂(7)的下方放置有手术床(9)；还包括位于机器人外部、由支架(4)支承的摄像头(5)，摄像头(5)采集定位标记组件(8)的位置信息并反馈至控制系统，以实时获取四节式手臂(7)执行终端的位姿；所述四节式手臂(7)执行终端的末端支承有手术器械。

2.如权利要求1所述的一种辅助定位手术机器人，其特征在于：所述四节式手臂(7)的结构为：包括转动安装于升降杆(3)的大臂(71)，大臂(71)一端套装于升降杆(3)并转动连接，大臂(71)另一端的底面转动安装有J型结构的小臂(72)；所述小臂(72)顶端转动安装于大臂(71)底面，小臂(72)下端沿着轴向转动安装有回转臂(73)，回转臂(73)端部转动安装有旋转臂(75)，旋转臂(75)以其与回转臂(73)的相接位为中心上下摆动；所述旋转臂(75)圆周壁面上固装有定位标记组件(8)，位于定位标记组件(8)前方的旋转臂(75)上固装有力矩传感器(74)；所述旋转臂(75)端部开有供手术器械卡装的上下贯穿的孔。

3.如权利要求1或2所述的一种辅助定位手术机器人，其特征在于：所述定位标记组件(8)的结构为：包括与四节式手臂(7)固装的十字形架，十字形架的同一侧面的四个端头均固装有反光球，摄像头(5)采集四个反光球的位置信息并反馈至控制系统，由控制系统计算获得四节式手臂(7)执行终端的位姿。

4.如权利要求3所述的一种辅助定位手术机器人，其特征在于：手术床(9)上的人体上配置有相同的反光球，结合摄像头(5)的位置采集，经视觉匹配算法，由控制系统控制四节式手臂(7)的末端移动跟踪至待手术位置的上方。

5.如权利要求1所述的一种辅助定位手术机器人，其特征在于：所述升降机构(2)的结构为：包括竖直安装于底座(1)上的支座(21)，位于支座(21)内侧的底座(1)上安装有电机(24)，电机(24)输出端通过皮带传动结构(26)衔接安装有丝杆(25)，丝杆(25)两端端部转动安装于支座(21)内侧的顶部和底部；位于丝杆(25)两侧的支座(21)上对称安装有导轨(22)，两根导轨(22)共同通过滑块滑动安装有升降块(23)，升降块(23)通过螺母与丝杆(25)螺旋副配装；所述升降块(23)顶面与升降杆(3)底端固装。

6.如权利要求1所述的一种辅助定位手术机器人，其特征在于：所述控制系统包括控制机器人运动、粗定位和精定位的控制模块，以及终端服务设备；

所述控制模块包括运动控制模块、粗定位模块和精定位模块，所述运动控制模块控制四节式手臂(7)的空间运动；所述粗定位模块通过采集模块采集力矩传感器(74)的力矩信息后，传递给力控制模块，力控制模块将该力矩信息转化至机器人坐标系中并向运动控制模块输出速度命令和位置增量命令；所述精定位模块通过摄像头(5)采集定位标记组件(8)的空间信息并转换为坐标，反馈至运动控制模块。

7.如权利要求6所述的一种辅助定位手术机器人，其特征在于：所述运动控制模块包括运动模块、轨迹规划模块和回零模块；所述运动模块中包含有机器人四节式手臂(7)的DH参数，运动模块控制机器人的相对、绝对运动，以及四节式手臂(7)中各关节的点动、末端的点动；所述轨迹规划模块根据精定位模块反馈的位置坐标信息，计算并控制机器人自主到达的路径、时间以及速度；所述回零模块控制机器人回零位。

8.如权利要求6所述的一种辅助定位手术机器人，其特征在于：所述粗定位模块包括A/D转换模块、采集模块和力控制模块；所述A/D模块将力矩传感器(74)的模拟电压信号转换为数字量信号供采集模块采集处理；力控制模块获得采集模块反馈的施加于机器人末端的力矩信息后，经过电压变换和校准，并进行重力补偿，再经过工具坐标将力矩信息变换至机器人坐标系中。

9.如权利要求6所述的一种辅助定位手术机器人，其特征在于：所述精定位模块包括图像采集模块、三维坐标转换模块、图像定位模块和图像导航模块；所述图像采集模块与CT机电性连接，其在术前采集患者的骨骼三维CT图像，在术中采集患者的二维X光图像；所述三维坐标转换模块将摄像头(5)采集的定位标记组件(8)的空间信息转换为机器人和患者的三维空间坐标信息；所述图像定位模块将三维坐标转换模块的三维空间坐标信息转化为实际的空间坐标信息并反馈至图像导航模块；图像导航模块将接收到的空间坐标信息以机器人末端与患者之间的位姿关系实时显示于触摸屏(6)上。

10.如权利要求6所述的一种辅助定位手术机器人，其特征在于：所述终端服务设备包括触摸屏(6)、操作控制台、实时监测模块和结果存储输出模块；所述操作控制台通过运动控制模块用于机器人运动模式的切换；所述实时监测模块为摄像头(5)、外部CT机；所述结果存储输出模块对整个手术过程的数据进行存储或输出。

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