专利名称：机器人的末端操作系统及视觉导航微创外科机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种医疗器械，尤其涉及一种机器人的末端操作系统及视觉导航微创外科 机器人。
背景技术：
近年来，国内医疗机器人的研究和开发力度越来越大，能在临床应用的机器人越来越 多。临床应用中，对机器人的末端操作系统的位置和姿态的标定和跟踪尤为重要。
现有技术中， 一般在末端操作系统之外建立一套摄像头空间到机器人空间的映射装 置，用于对机器人的末端操作系统的位置和姿态进行标定和跟踪。
上述现有技术至少存在以下缺点系统复杂、成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、成本低的机器人的末端操作系统及视觉导航微创 外科机器人。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的
本发明的机器人的末端操作系统，包括基板，所述的基板上设有锁紧装置，所述锁紧 装置上设有手术器械，还包括标定模板，所述标定模板可以被机器人的视觉系统识别。
本发明的视觉导航微创外科机器人，包括视觉系统，还包括上述的机器人的末端操作 系统，所述视觉系统识别所述标定模板的位置信息，机器人根据该信息判断所述手术器械 的位置信息。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的机器人的末端操作系统及视觉 导航微创外科机器人。由于机器人的末端操作系统包括标定模板，所述标定模板可以被机 器人的视觉系统识别，视觉系统识别所述标定模板的位置信息，机器人根据该信息判断手 术器械的位置信息。系统结构简单、成本低。
图l为本发明机器人的末端操作系统的立面结构示意图2为本发明机器人的末端操作系统的侧面结构示意图3为本发明机器人的末端操作系统的平面结构示意图4为本发明中基板的立面结构示意图5为本发明中基板的平面结构示意图6为本发明中侧锁紧架的立面结构示意图7为本发明中侧锁紧架的侧面结构示意图8为本发明中侧锁紧架的平面结构示意图9为本发明中主锁紧架的立面结构示意图10为本发明中主锁紧架的侧面结构示意图ll为本发明中主锁紧架的平面结构示意图。
具体实施例方式
本发明的机器人的末端操作系统，其较佳的具体实施方式
如图l、图2、图3所示，包 括基板l，基板l上设有锁紧装置，锁紧装置上设有手术器械。还包括标定模板4，所述标定 模板4可以被机器人的视觉系统识别。标定模板4上可以设有黑白相间的正方形纹理或其它 的图案，便于机器人的视觉系统识别。
标定模板4可以平行于基板1的上表面设置，标定模板4与基板1之间可以相对旋转。具 体标定模板4与基板1之间可以通过支撑杆23连接，支撑杆23的下端固定在基板1上；上端与 标定模板4铰接。标定模板4与所述支撑杆23之间可以设有定位装置，定位装置可以是设置 在铰接点处的第二锁紧螺钉IO，用于对标定模板4的位置进行固定，也可以设置在其它的部 位，实现对标定模板4的位置进行固定。
上述的锁紧装置可以包括主锁紧架3、侧锁紧架2，所述手术器械固定在所述主锁紧架 3上。手术器械可以为手术穿刺针5，手术穿刺针5设置在主锁紧架3和侧锁紧架2上。具体可 以在主锁紧架3和侧锁紧架2上分别设有前针套19和后针套15，手术穿刺针5穿入前针套19和 后针套15中。
主锁紧架3和侧锁紧架2与基板1之间可以通过导轨、导槽配合滑动连接，如燕尾槽、 燕尾台配合等，可以相对滑动。主锁紧架3和侧锁紧架2与基板1之间可以分别设有定位装 置，用于对主锁紧架3和侧锁紧架2的位置进行固定。
具体实施例如图4、图5所示，在基板l的上表面，燕尾槽7和燕尾台6分别位于基板1的中部和一 侧，燕尾槽7用于约束和定位主锁紧架3，燕尾台6用于约束和定位侧锁紧架2。燕尾槽7和燕 尾台6的滑道方向相互平行。基板1的另一侧为与基板1一体的螺栓8，该螺栓8用于将本发 明的的末端操作系统与机器人末端连接起来。
如图6、图7、图8所示，侧锁紧架2的底部设有与燕尾台6相配合的燕尾槽，侧锁紧架2 可以沿燕尾台6自由运动，并通过侧锁紧架2上的第一手动螺钉11对侧锁紧架2的位置进行定 位。
侧锁紧架2包括上紧定圈14、下紧定圈12。第二手动螺钉13将上紧定圈14和下紧定圈 12固连形成一个半圆柱形孔，用于安装导针5的后针套15。侧锁紧架2上的燕尾槽与下紧定 圈12是一整体。
如图9、图10、图11所示，主锁紧架3的底部设有与燕尾槽7相配合的燕尾台，主锁紧 架3可以在燕尾槽7内自由移动，并通过基板1上的第一锁定螺钉9对主锁紧架3的位置进行定 位。
主锁紧架3由上定位圈16、下定位圈17和燕尾槽配合杆18组成。上定位圈16与下定位 圈17开半圆形孔，通过第三手动螺钉20固定并形成一个圆柱形孔，将第三手动螺钉20松 开，即可安装后针套15。紧定螺钉21可以将燕尾槽配合杆18与下定位圈17连接成一整体并 固定。圆柱形孔用于安装导针5的前针套19。
穿刺针5由主锁紧架3和侧锁紧架2上的后针套15和前针套19引导并由后针套15和前针 套19支撑。
本发明中，标定模板4上贴有黑白相间的正方形纹理，用于机器人的视觉系统实时跟 踪捕捉标定模板4的位置，并确定穿刺针5的位置。包括有安装在基板1上的支撑杆23、模板 转轴22、模板4和第二锁定螺钉10。转轴22嵌入支撑杆23的槽内并固定，模板4与基板1的上 表面平行。当机器人的视觉系统对标定模板4的位置标定完毕后，标定模板4可以旋转到180 度方向并锁定，这样可以给医生留出方便手术操作的足够操作空间。穿刺针5由后针套15和 针套19支撑，其中后针套15和针套19均由两个半圆柱形体组成，可以拆分，以方便手术器 械的更换。同时后针套15和前针套19共轴，引导穿刺针5通过两个针套的内孔，同时穿刺针 在内孔中的转动不受限制，其推进自由度是一个被动自由度，由医生提供。
本发明的视觉导航微创外科机器人，包括视觉系统，还包括上述的机器人的末端操作 系统，所述视觉系统识别所述标定模板4的位置信息，机器人根据该信息判断手术器械的位 置信息。
进行微创外科手术时，先将侧锁紧架的一个侧面对准燕尾台的O刻度，并固定侧锁紧架，然后将穿刺针插入两个针套的内孔中，调整主锁紧架在燕尾槽的位置并锁紧。将标定 模板与基板连接固定，并调整它与机器人的位置关系，使其在机器人的双目视觉系统的可 视范围之内。手动调节针架的位置，如果软件显示坐标有变化，则位置捕捉正常；软件进 而检测坐标的捕获精度，如果满足要求，说明可以进行手术。另外，通过更换锁紧架上的 两个针套(其内径有不同的等级)，可以用于不同规格穿刺针的手术。而且，当标定完 毕，标定模板将旋转180度锁定，这样标定模板变为针架系统位置的跟踪模板，它可以给医 生留出足够的操作空间，方便手术操作。同时，穿刺针所有零部件的安装和拆卸不需要任 何辅助工具，并且所有零部件之间的固定和锁紧同样不需要任何辅助工具。上述安装、锁 紧和拆卸工作只通过针架系统的所有手动锁紧螺钉来完成，因此，提高了手术准备的效 率。
本发明的机器人的末端操作系统，结构简单、成本低、体积小、结构紧凑；操作和维 护方便；通过结构和材料改进，其重量可以小于350克，机器人末端承载量小，尤其适用于 小型机器人；另外，该操作系统可用于神经外科、骨外科、整形外科和腹胸外科等手术刀 的把持引导，适应性和通用性较强。既可以作为空间位置标定用，也可以作为机器人末端 操纵器的位置跟踪用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都 应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种机器人的末端操作系统，包括基板，其特征在于，所述的基板上设有锁紧装置，所述锁紧装置上设有手术器械，还包括标定模板，所述标定模板可以被机器人的视觉系统识别。
2、 根据权利要求l所述的机器人的末端操作系统，其特征在于，所述的标定模板平行 于所述基板的上表面，且所述标定模板与所述基板之间可以相对旋转。
3、 根据权利要求2所述的机器人的末端操作系统，其特征在于，所述标定模板与所述 基板通过支撑杆连接，所述支撑杆的下端固定在所述基板上；上端与所述标定模板铰接。
4、 根据权利要求3所述的机器人的末端操作系统，其特征在于，所述标定模板与所述 支撑杆之间设有定位装置。
5、 根据权利要求l所述的机器人的末端操作系统，其特征在于，所述锁紧装置包括主 锁紧架、侧锁紧架，所述手术器械固定在所述主锁紧架和侧锁紧架上。
6、 根据权利要求5所述的机器人的末端操作系统，其特征在于，所述主锁紧架和侧锁 紧架的底部分别设有燕尾槽或燕尾台；相应的，所述基板上对应于所述主锁紧架和侧锁紧 架的位置分别设有燕尾台或燕尾槽，所述燕尾台插入对应的燕尾槽中，并可相对滑动。
7、 根据权利要求6所述的机器人的末端操作系统，其特征在于，所述的手术器械为手 术穿刺针，所述手术穿刺针设置在所述主锁紧架和侧锁紧架上。
8、 根据权利要求7所述的机器人的末端操作系统，其特征在于，所述主锁紧架和侧锁 紧架上分别设有前针套和后针套，所述手术穿刺针穿入所述的前针套和后针套中。
9、 根据权利要求l所述的机器人的末端操作系统，其特征在于，所述的标定模板上设 有黑白相间的正方形纹理。
10、 一种视觉导航微创外科机器人，包括视觉系统，其特征在于，还包括权利要求l 至9所述的机器人的末端操作系统，所述视觉系统识别所述标定模板的位置信息，机器人根 据该信息判断所述手术器械的位置信息。
全文摘要
本发明公开了一种机器人的末端操作系统及视觉导航微创外科机器人，包括基板，基板上设有锁紧装置，锁紧装置包括主锁紧架、侧锁紧架，手术穿刺针设置在主锁紧架和侧锁紧架上。还包括标定模板，标定模板上设有黑白相间的正方形纹理，可以被机器人的视觉系统识别，标定模板平行于基板的上表面，且标定模板与基板之间可以相对旋转。视觉导航微创外科机器人的视觉系统识别标定模板的位置信息，机器人根据该信息判断手术穿刺针的位置信息。结构简单、成本低，可用于神经外科、骨外科、整形外科和腹胸外科手术刀的把持引导，适应性和通用性较强。既可以作为空间位置标定用，也可以作为机器人末端操纵器的位置跟踪用。
文档编号A61B17/00GK101411630SQ200710176140
公开日2009年4月22日 申请日期2007年10月19日 优先权日2007年10月19日
发明者达 刘, 粲 唐, 王田苗 申请人:北京航空航天大学