CN215606240U - 一种基于动态平面的路径规划装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于动态平面的路径规划装置，该路径规划装置包括：末端连接法兰，一端连接机械臂；手术路径定位板，通过连杆连接末端连接法兰的另一端，其上端设有导向孔；特征点分布连接臂，一端连接手术路径定位板，其上设有两个特征杆或/和至少三个特征点；X光机，用于拍摄特征点在正位和侧位的影像。本实用新型采用动态平面方法，将医生规划的手术通道映射到机器人空间下，完成机器人运动导航，在有限的空间内，实现手术通道的定位。本实用新型使用C型臂下分别拍摄正、侧位图像，通过比例系数来计算运动角度，通常情况下只需两张图即可完成手术路径的定位，操作简单实用，精度高，便于在各中小型医院推广。

Description

一种基于动态平面的路径规划装置

技术领域

本实用新型涉及医疗设备领域，特别涉及一种基于动态平面的路径规划装置。

背景技术

随着机器人在医疗领域的应用日臻成熟，临床医生对机器人要求提出了越来越高的要求，除了精度、安全性以外，还对易用性、通用性及普及性等方面都提出了更高的要求。

以骨科定位机器人为例。骨科定位机器人的难点在于非直视，无法采用视觉定位等方式直接导航机器人定位，通常采用透视影像如O型臂、C型臂进行术中定位。采用O型臂的三维透视数据在术中实现手术路径的规划，但是O型臂价格昂贵，除三甲医院外极少数医院配备O型臂，存在普及度低，该方案难以在中小型医院推广的缺点。采用C臂影像结合特有的机器人双圆环末端实现手术通道定位，只需一张片子即可完成定位，但是其主要针对脊柱通道的制定，难以进行骨盆复位等手术中的大角度通道定位。另一种基于C臂影像的立体XSpot标记点导航技术，可以计算出C臂的投影模型，实现C臂空间与双目视觉空间的相互映射，进而完成动态的术中导航。采用基于C臂影像的立体XSpot标记点导航技术存在以下缺点，首先需要在人体身上安装标记点，对人体造成二次伤害。其次Xspot体积过大，在使用中受到C臂视野的限制，使用极为不便。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供一种操作简单实用，精度高，便于在各中小型医院推广的基于动态平面的路径规划装置。

为了实现上述目的本实用新型采取的技术方案是：

一种基于动态平面的路径规划装置，包括：

末端连接法兰，一端连接机械臂；

手术路径定位板，通过连杆连接末端连接法兰的另一端，其上端设有导向孔；

特征点分布连接臂，一端连接手术路径定位板，其上设有两个特征杆或/和至少三个特征点；

X光机，用于拍摄特征点在正位和侧位的影像。

所述特征点分布连接臂包括第一支撑臂和第二支撑臂；

所述第一支撑臂一端连接手术路径定位板，另一端连接第二支撑臂；

所述第二支撑臂的一侧设有第一特征点和第二特征点，或/和所述第一特征点和第二特征点之间设有第一特征杆；

所述第二支撑臂的另一侧设有第三特征点和第四特征点，或/和所述第三特征点和第四特征点之间设有第二特征杆。

所述第一支撑臂和第二支撑臂之间的夹角为0-180°。

所述特征点分布连接臂上设有嵌入孔和嵌入槽，所述特征点设置在相应的嵌入孔内，所述特征杆设置在相应的嵌入槽内。

所述特征点通过过盈配合的方式固定在嵌入孔内，所述特征杆通过过盈配合的方式固定在嵌入槽内。

所述特征点通过胶水粘接在嵌入孔内，所述特征杆通过胶水粘接在嵌入槽内。

所述特征点为不锈钢圆片，所述特征杆为不锈钢杆。

所述特征点分布连接臂的材质为尼龙或者树脂；所述特征点分布连接臂与所述手术路径定位板通过定位销与螺栓连接。

所述第一特征杆的一端与第一特征点/第二特征点之间的距离大于另一端与第二特征点/第一特征点之间的距离；

所述第二特征杆的一端与第三特征点/第四特征点之间的距离大于另一端与第四特征点/第三特征点之间的距离。

所述第一特征点与第二特征点的形状和/或大小不同，用于在X光下具有不同的显影从而识别出第一特征点与第二特征点；

所述第三特征点与第四特征点的形状和/或大小不同，用于在X光下具有不同的显影从而识别出第三特征点与第四特征点。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本实用新型的一种基于动态平面的路径规划装置，采用动态平面方法，将医生规划的手术通道映射到机器人空间下，完成机器人运动导航，在有限的空间内，在不干扰医生其他操作的情况下，实现手术通道的定位。本实用新型使用X光机分别拍摄正、侧位图像，通过比例系数来计算运动角度，通常情况下只需两张图即可完成手术路径的定位，操作简单实用，精度高，便于在各中小型医院推广，让偏远医院也能享受到医疗机器人所带来的便捷。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的基于动态平面的路径规划装置的结构示意图；

图2本实用新型实施例提供的基于动态平面的路径规划装置的下方定位点示意图；

图3是实用新型实施例提供的基于动态平面的路径规划装置的正位拍摄的结构示意图；

图4是实用新型实施例提供的基于动态平面的路径规划装置的侧位拍摄的结构示意图；

图5、图6和图7分别为导航流程图；

图8是本实用新型实施例提供的源手术通道和目标手术通道形成的结构示意图。

图中：

1 末端连接法兰；

2 手术路径定位板；

3 特征点分布连接臂，31 第一支撑臂，32 第二支撑臂；

4 第一特征点；

5 第二特征点；

6 第一特征杆；

7 第三特征点；

8 第四特征点；

9 第二特征杆；

10 机械臂；

11 X光机；

12 连杆；

13 第一平面；

14 第二平面；

15 目标手术通道；

16 原手术通道；

17 第一直线；

18 第二直线；

19 手术路径规划线。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

参见图1、图2、图3和图4，一种基于动态平面的路径规划装置，包括：

末端连接法兰1，一端连接机器人的机械臂10；

手术路径定位板2，通过连杆12连接末端连接法兰1的另一端，其上端设有导向孔；

特征点分布连接臂3，一端连接手术路径定位板2，其上设有两个特征杆和/或至少三个特征点；

X光机11，用于拍摄特征点在正位和侧位的影像；X光机优选C型臂X光机。

本实用新型一种基于动态平面的路径规划装置连接在高精度六自由度机器人末端，结合C臂影像进行术中路径规划，采用C臂的二维图像进行三维空间导航，只需正、侧位两张C臂影像视图即可完成定位和导航，完成手术通道的确定，具有设备要求低，操作简单，适合在中小型医院推广普及的优点。

本实施例在上述实施例的基础上，特征点分布连接臂3包括第一支撑臂31和第二支撑臂32；

第一支撑臂31一端连接手术路径定位板2，另一端连接第二支撑臂32；

第二支撑臂32的一侧设有第一特征点4和第二特征点5，第一特征点4和第二特征点5之间设有第一特征杆6；

所述第二支撑臂32的另一侧设有第三特征点7和第四特征点8，第三特征点7和第四特征点8之间设有第二特征杆9。

本实用新型的第一特征点4与第二特征点5的连线，第三特征点7与第四特征点8的连线，即第一直线和第二直线可以相互平行，本实用新型所选用的特征点分布形成一个平面，也可通过至少三个特征点形成一个平面，或通过两个特征杆形成一个平面，形成的平面绕平面内直线旋转，形成动态的两个定位平面，通过两个平面的交线，确定最终的目标手术通道，实现手术通道的定位，具有快捷、方便、易于推广的优点。

优选地，所述第一支撑臂和第二支撑臂之间的夹角为0-180°，可以是120°、90°、135°等，在0-180°范围内进行选择，这是根据人体体位，透视时手术方向的要求来确定的。

优选地，所述特征点分布连接臂上设有嵌入孔和嵌入槽，所述特征点设置在相应的嵌入孔内，所述特征杆设置在相应的嵌入槽内。

优选地，本实用新型的特征点分布连接臂3为平面板状结构，手术路径定位板2垂直于所述特征点分布连接臂所在的平面。

为了连接的牢固性，使特征点和特征杆不脱落，所述特征点通过过盈配合的方式固定在嵌入孔内，所述特征杆通过过盈配合的方式固定在嵌入槽内。

进一步地，特征点通过胶水粘接在嵌入孔内，所述特征杆通过胶水粘接在嵌入槽内。

进一步地，第一特征点4、第二特征点5、第三特征点7和第四特征点8均为可在X光下显影的金属材质制成，优选为不锈钢圆片，第一特征杆6和第二特征杆9均为不锈钢杆。

本实用新型的两个特征杆还可以作为识别特征点的参考物，第一特征杆6用于在X光下显影下作为识别第一特征点4与第二特征点5的显影的参考，第二特征杆9用于在X光下显影下作为识别第三特征点7与第四特征点8的显影的参考，通过实际中第一特征杆的端部距离第一特征点4与第二特征点5的距离不同来进行识别，可以是，第一特征杆6的一端与第一特征点4/第二特征点5之间的距离大于另一端与第二特征点5/第一特征点4之间的距离。

同样的，第二特征杆9位于第三特征点7与第四特征点8之间，且第二特征杆9的一端与第三特征点7/第四特征点8之间的距离大于另一端与第四特征8点/第三特征点7之间的距离。

在X光机的影像下，根据显影的特征点与特征杆之间的位置关系从而识别出第一特征点4、第二特征点5、第三特征点7及第四特征点8。

或者，第一特征点4与第二特征点5的形状和/或大小不同，用于在X光下具有不同的显影从而识别出第一特征点4与第二特征点5；

第三特征点7与第四特征点8的形状和/或大小不同，用于在X光下具有不同的显影从而识别出第三特征点7与第四特征点8。

优选地，所述特征点分布连接臂的材质为尼龙或者树脂。为了方便连接，特征点分布连接臂3与手术路径定位板2通过定位销与螺栓连接。

优选地，末端连接法兰1与机器人的机械臂10末端通过定位销和螺栓连接。

本实用新型的基于动态平面的机器人手术路径规划装置采用具有可在X光下显影的第一特征点4、第二特征点5、第三特征点7及第四特征点8，将X光机置于第一位置(正位)，通过在X光机影像下进行手术规划路径，根据第一特征点4、第二特征点5、第三特征点7及第四特征点8与手术规划路径之间的几何关系可计算得到手术规划路径与第一特征点4、第二特征点5、第三特征点7、第四特征点8重合时机器人的机械臂的运动路径。由于手术规划路径是三维空间上的路径，本实施例的X光机置于与第一位置相交的第二位置(侧位)，采用同样的方法计算得到手术规划路径与第一特征点4、第二特征点5、第三特征点7、第四特征点8重合时机器人的机械臂的运动路径。将两个位置的运动路径联立得到的交线即为手术规划路径DST_Channel，控制机械臂运动使原手术通道SRC_Channel与手术规划路径DST_Channel重合，医生即可通过手术路径定位板上的手术导向孔进行手术操作，手术规划路径也就是目标手术通道。

本实用新型能够很好适应大角度下的机器人定位，能够适应多种临床适应症，如脊柱置钉、骨盆复位等等。相比现有技术，无需在患者身上另外植入Marker，减少了对患者的伤害，提升了手术的安全性。本实用新型的装置无需采用第三方导航设备，如双目相机，减少了设备使用的复杂性，减少了中间环节，降低误差累积。因此，本实用新型的装置在精度、易用性、实用性、成本控制、安全性方面均有良好表现，具有较高的市场价值。

进一步地，手术路径定位板2与末端连接法兰1通过连接孔和螺栓连接，手术路径定位板2上的导向孔的中心轴线、第一直线17、第二直线18以及连接孔的中心轴线相互平行。这样便于确定特征点、手术路径定位板之间的空间位置关系，便于进行空间位置关系的几何运算。

本实用新型的整个工作过程如下：

第一步，将X光机11接收端调整至手术区域正上方状态，即正位。手动拖动机械臂使路径规划装置的特征点位于C型臂X光机11与手术区域中间位置，并尽量使特征点分布平面垂直于X光机11接收端。

第二步，拍摄一张X光影像，通过直线检测、拟合的方法在X光影像上识别两根特征杆的位置；采用霍夫圆检测等手段识别四个特征点的圆的位置，通过特征点与特征杆的毗邻关系，对四个特征点进行一一识别对应，也可不采用特征杆，直接识别X光影像上的四个特征点的显影位置。若自动识别失败可以采用手动选取的方式进行选取。在X光影像上选取目标通道上的两点，两点之间的连线为手术路径规划线，即手术通道在X光图像上的投影位置。识别特征点和医生规划的手术路径规划通道完成后结果如图5所示。

第三步，计算正位时特征点分布平面与医生规划通道重合时机械臂末端Tcp相对于基座坐标系Base的相对位置

a.建立坐标系。在第一特征点4处建立坐标系Pannel，第一特征点到第二特征点的连线方向为z方向，y轴垂直于特征点分布平面，如图3、图4、图5和图6-II所示。由于机械尺寸固定，因此，安装完毕之后机械臂10末端Tcp坐标系至第一特征点Pannel坐标系位置关系确定且已知，记为

在手术路径定位板2上建立坐标系Tool，同样地，安装完毕之后机械臂末端Tcp坐标系至手术路径定位板2坐标系Tool坐标系位置关系确定且已知，记为

b.计算真实尺度空间与像素空间的比例系数。测量第一特征点4至第二特征点5的像素距离p₁₂，以及第三特征点7至第四特征点8的长度p₃₄，令真实尺度空间与像素空间的比例系数ref：

其中，l₁₂是第一特征点4的圆心至第二特征点5的圆心的真实距离；l₃₄是第三特征点7的圆心至第四特征点8的圆心的真实距离，为已知参数。

c.计算使第一特征点、第二特征点、第三特征点和第四特征点共线的旋转角度α。如图6-II所示，计算第一直线17和第二直线18之间在图像上的像素距离s，根据第b步计算的比例系数，此处需说明，由于第一直线和第二直线在三维空间中是平行的，因此其向任意方向平行投影结果都平行。根据第b步计算的比例系数，可得：

其中，第一直线17为第一特征点的圆心至第二特征点的圆心之间的连线，第二直线18为第三特征点的圆心至第四特征点的圆心之间的连线；h为第一直线和第二直线在三维空间的实际距离，为已知；

d.计算手术路径规划线19与第一直线的夹角θ，通过向量夹角公式可得，不在此展开，如图6-III所示。

e.计算第一直线17至手术路径规划线19的像素距离，通过真实尺度空间与像素空间的比例系数ref，获得第一特征点4至手术路径规划线19的实际距离d，如图6-IV所示。

f.汇总第c、d、e步数据，得运动矩阵T_Pannel：

g.利用

将机器人工具坐标系设置到第一特征点Pannel坐标系，控制机器人运动T_pannel，运动完毕之后还原机械臂末端Tcp至零点位置。如图6-V所示，至此完成平面的对准，此时可以拍摄一张X光图像确认是否移动到位，如图7所示。记录此刻机械臂末端Tcp相对于基座坐标系Base的相对位置

第四步，旋转X光机11至侧位位置，控制机械臂末端法兰盘旋转90°，通过调整机械臂各关节角度调整机械臂末端位置，使四个特征点在C臂X光机下视野良好。此过程要注意保持机械臂基座位置固定，否则

无效，需要重新进行采集。

第五步，计算侧位时特征点分布平面与医生规划通道重合时机械臂末端Tcp相对于基座坐标系Base的相对位置

过程与第二步、第三步近似，此处不再展开描述。

第六步，通过记录的

以及已知的

可以计算出正侧位状态下第一特征点Pannel坐标系相对于基座坐标系Base坐标系的姿态

侧位状态下第一特征点Pannel坐标系相对于基座坐标系Base坐标系的姿态

可得第一平面13的点法式方程：

a₁₂*(x-a₁₄)+a₂₂*(x-a₂₄)+a₃₂*(x-a₃₄)＝0

得第二平面14的点法式方程：

b₁₂*(x-b₁₄)+b₂₂*(x-b₂₄)+b₃₂*(x-b₃₄)＝0

联立方程组，第一平面13和第二平面14的交线即为规划的目标手术通道15，设其方向向量为v₁，通过点p₁，v₁为第一平面13和第二平面14的交线，p₁为交线上的任意一点，如图8所示。

第七步，控制机械臂运动使导向孔定位的原手术通道16与两个平面的交线定位的目标手术通道15重合即可。此为机器人运动常见操作，此处不展开赘述。

第八步，通过机器人定位的孔道进行手术操作，例如采用电钻植入导针等。

本实用新型只需两张正侧位图即可完成定位和导航，实现路径规划装置的自动识别和姿态计算，具有操作简单的优势。另外，相比于现有技术，本实用新型能够很好适应大角度下的机器人定位，能够适应多种临床适应症，如脊柱置钉、骨盆复位等等。本实用新型无需在患者身上另外植入标记点，减少了对患者的伤害，提升了手术的安全性。本实用新型无需采用第三方导航设备，如双目相机，减少了设备使用的复杂性，减少了中间环节，降低误差累积。因此，本实用新型在精度、易用性、实用性、成本控制、安全性方面均有良好表现，具有较高的市场价值。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于动态平面的路径规划装置，其特征在于，包括：

末端连接法兰，一端连接机械臂；

手术路径定位板，通过连杆连接末端连接法兰的另一端，其上端设有导向孔；

特征点分布连接臂，一端连接手术路径定位板，其上设有两个特征杆或/和至少三个特征点；

X光机，用于拍摄特征点在正位和侧位的影像。

2.根据权利要求1所述的基于动态平面的路径规划装置，其特征在于，所述特征点分布连接臂包括第一支撑臂和第二支撑臂；

所述第一支撑臂一端连接手术路径定位板，另一端连接第二支撑臂；

所述第二支撑臂的一侧设有第一特征点和第二特征点，或/和所述第一特征点和第二特征点之间设有第一特征杆；

所述第二支撑臂的另一侧设有第三特征点和第四特征点，或/和所述第三特征点和第四特征点之间设有第二特征杆。

3.根据权利要求2所述的基于动态平面的路径规划装置，其特征在于，所述第一支撑臂和第二支撑臂之间的夹角为0-180°。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于动态平面的路径规划装置，其特征在于，所述特征点分布连接臂上设有嵌入孔和嵌入槽，所述特征点设置在相应的嵌入孔内，所述特征杆设置在相应的嵌入槽内。

5.根据权利要求4所述的基于动态平面的路径规划装置，其特征在于，所述特征点通过过盈配合的方式固定在嵌入孔内，所述特征杆通过过盈配合的方式固定在嵌入槽内。

6.根据权利要求5所述的基于动态平面的路径规划装置，其特征在于，所述特征点通过胶水粘接在嵌入孔内，所述特征杆通过胶水粘接在嵌入槽内。

7.根据权利要求6所述的基于动态平面的路径规划装置，其特征在于，所述特征点为不锈钢圆片，所述特征杆为不锈钢杆。

8.根据权利要求7所述的基于动态平面的路径规划装置，其特征在于，所述特征点分布连接臂的材质为尼龙或者树脂；所述特征点分布连接臂与所述手术路径定位板通过定位销与螺栓连接。

9.根据权利要求2或3所述的基于动态平面的路径规划装置，其特征在于，所述第一特征杆的一端与第一特征点/第二特征点之间的距离大于另一端与第二特征点/第一特征点之间的距离；

所述第二特征杆的一端与第三特征点/第四特征点之间的距离大于另一端与第四特征点/第三特征点之间的距离。

10.根据权利要求2或3所述的基于动态平面的路径规划装置，其特征在于，所述第一特征点与第二特征点的形状和/或大小不同，用于在X光下具有不同的显影从而识别出第一特征点与第二特征点；

所述第三特征点与第四特征点的形状和/或大小不同，用于在X光下具有不同的显影从而识别出第三特征点与第四特征点。

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