一种精准定位的肿瘤手术机器人系统及其目标定位方法与流程

本发明涉及外科手术技术领域，尤其涉及一种精准定位的肿瘤手术机器人系统及其目标定位方法。

背景技术

随着医学技术的不断发展和进步，外科手术也正朝着更加复杂和精细的方向发展。传统的外科手术创伤大、出血多、容易发生术后并发症，给病人造成了生理和心里上的痛苦。由于外科手术机器人具有操作灵活、手术稳定性好、精确度高的特点，因此能够辅助完成精细复杂的各类高难度手术，尤其是对于肿瘤手术而言，通过外科手术机器人能够达到较好的手术效果。然而现有的肿瘤手术机器人，对于操作精准度要求更高的肿瘤手术而言，其导航精度难以达到预期要求，不仅会影响手术效率，而且会影响手术的效果。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种精准定位的肿瘤手术机器人系统及其目标定位方法，能够有效提高定位精度，提高手术效率和手术效果。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种精准定位的肿瘤手术机器人系统，包括机器人装置，所述机器人装置包括机器人本体、设置在所述机械人本体上的六自由度机械臂以及与所述六自由度机械臂连接的跟踪标记组件；所述跟踪标记组件包括连接杆，所述连接杆的首端与所述六自由度机械臂的末端相连，所述连接杆的末端设有穿刺套筒，在所述连接杆上设有至少四个反光小球。

具体地，在所述连接杆上靠近所述连接杆末端位置处设有安装杆，所述安装杆上设有一个所述反光小球，在所述连接杆上靠近所述连接杆首端位置处设有安装架，所述安装架的中心设有安装孔，所述连接杆穿过所述安装孔，在所述安装架上呈放射状均布有三个所述反光小球。

进一步地，在所述机器人本体的底部设有机器人底座，所述机器人底座的底部设有脚轮。

具体地，所述机械人本体通过支撑杆与所述六自由度机械臂的首端相连，所述六自由度机械臂的末端通过法兰盘与所述连接杆相连。

进一步地，在所述机器人本体上设有维修侧门和维修后门。

具体地，在所述机器人本体的前侧设有前侧散热孔，在所述维修后门上设有后侧散热孔。

进一步地，在所述机器人本体中设有控制箱，所述控制箱与所述六自由度机械臂相连。

进一步地，还包括外部计算机，所述外部计算机与所述控制箱相连。

具体地，还包括导航装置，所述导航装置包括导航底座，所述导航底座的底部设有行走轮，所述导航底座上连接有导航支架，所述导航支架上安装有远红外摄像头，其中所述远红外摄像头与所述外部计算机相连。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种精准定位的肿瘤手术机器人系统的目标定位方法，该方法采用上述的精准定位的肿瘤手术机器人系统，具体包括如下步骤：

设定所述穿刺套筒的当前位置为线段ab，所述穿刺套筒的目标位置为线段a’b’，所述六自由度机械臂末端的当前位置为点o；

以线段a’b’为轴旋转360度形成一个平面圆，将所述六自由度机械臂末端的当前位置点o投影到所述平面圆上，获得投影点p；

将所述投影点p与所述平面圆的圆心作连线，所述连线与所述平面圆的圆周之间形成两个交点，取其中靠近所述投影点p的交点作为所述六自由度机械臂末端的目标位置点o’；

获取a’b’o’三点后，通过矩阵计算得到所述六自由度机械臂末端的运动目标位姿矩阵mtarget_ndi。

进一步地，该方法还包括：

s1、设定所述跟踪标记组件的当前位姿为mnow_ndi，则所述跟踪标记组件的运动矩阵为mreduc_ndi＝mnow_ndi_invert*mtarget_ndi,其中，mtarget_ndi为所述六自由度机械臂末端的运动目标位姿矩阵,mnow_ndi_invert为mnow_ndi的逆；

s2、根据手眼标定矩阵，将mreduc_ndi在所述六自由度机械臂末端的坐标系中表示为mreduc_robot,所述六自由度机械臂末端的当前坐标系位姿为mnow_robotbase,则所述六自由度机械臂末端的目标位姿mtarget_robotbase＝mnow_robotbase*mreduc_robot；

s3、根据获得的mtarget_robotbase，控制所述跟踪标记组件运动到指定位置；

s4、再次计算获取所述跟踪标记组件的当前位姿mnow_ndi，并计算与所述六自由度机械臂末端的运动目标位姿矩阵mtarget_ndi之间的误差，如果误差小于设定的误差阈值，则执行步骤s5；如果误差大于或等于设定的误差阈值，则执行步骤s1；

s5、结束计算，所述跟踪标记组件已经到达目标位置。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供的精准定位的肿瘤手术机器人系统，通过设置在机械人本体上的六自由度机械臂带动跟踪标记组件运动，通过设置在连接杆上的反光小球来确定穿刺套筒的位置，有效提高了定位精度，提高了手术效率和手术效果。

本发明提供的精准定位的肿瘤手术机器人系统的目标定位方法，能够实现对机器人装置从当前位置至目标位置的精确定位，并可以矫正机器人装置运动误差导致的定位精度不足。

附图说明

图1是本发明实施例一精准定位的肿瘤手术机器人系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一精准定位的肿瘤手术机器人系统中机器人装置的第一立体结构图；

图3是本发明实施例一精准定位的肿瘤手术机器人系统中机器人装置的第二立体结构图；

图4是本发明实施例一精准定位的肿瘤手术机器人系统中机器人装置的俯视图；

图5是本发明实施例一精准定位的肿瘤手术机器人系统中跟踪标记组件结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1-5所示，本发明实施例提供一种精准定位的肿瘤手术机器人系统，包括机器人装置20，所述机器人装置20包括机器人本体2、设置在所述机械人本体2上的六自由度机械臂8以及与所述六自由度机械臂8连接的跟踪标记组件1。

其中，所述跟踪标记组件1包括连接杆101，所述连接杆101的首端与所述六自由度机械臂8的末端相连，所述连接杆101的末端设有穿刺套筒102，在所述连接杆101上设有至少四个反光小球103。

其中，所述穿刺套筒102为空心圆柱结构，所述穿刺套筒102的外侧与所述连接杆101连接固定，所述穿刺套筒102的内孔的直径根据实际手术需求可以设置为不大小，用以适配不同粗细的穿刺针。

本发明实施例所述的精准定位的肿瘤手术机器人系统，通过所述六自由度机械臂8带动所述跟踪标记组件1运动，进而带动所述穿刺套筒102运动，通过所述反光小球103来确定所述穿刺套筒102的位置，有效提高了定位精度，提高了手术效率和手术效果。

在本实施例中，在所述连接杆101上靠近所述连接杆末端位置处设有安装杆104，所述安装杆104上设有一个所述反光小球103，在所述连接杆101上靠近所述连接杆首端位置处设有安装架105，所述安装架105的中心设有安装孔，所述连接杆101穿过所述安装孔，在所述安装架105上呈放射状均匀地布置有三个所述反光小球103，通过这四个所述反光小球103即可确定出所述穿刺套筒102的位置。当然，所述反光小球103的设置数量以及在所述连接杆101上的安装方式可以根据实际需求进行调整。

进一步来说，在所述机器人本体2的底部设有机器人底座3，所述机器人底座3的底部设有脚轮6，便于实现对所述机器人装置20的移动。

具体来说，所述机械人本体2通过支撑杆10与所述六自由度机械臂8的首端相连，所述六自由度机械臂8的末端通过法兰盘106与所述连接杆101相连。

进一步来说，在所述机器人本体2上设有维修侧门4和维修后门5，便于实现对所述机器人装置20的内部维护。

其中，在所述机器人本体2的前侧设有前侧散热孔7，在所述维修后门5上设有后侧散热孔14，便于对所述机器人装置20进行散热。

进一步来说，在所述机器人本体2中设有控制箱，所述控制箱与所述六自由度机械臂8相连，通过所述控制箱能够控制所述六自由度机械臂8进行指定运动。

进一步来说，所述的肿瘤手术机器人系统还包括外部计算机19，所述外部计算机19与所述控制箱相连，通过所述外部计算机19能够向所述控制箱发送控制指令，进而通过所述控制箱控制所述六自由度机械臂8进行指定运动。

更进一步来说，所述的肿瘤手术机器人系统还包括导航装置，所述导航装置包括导航底座15，所述导航底座15的底部设有行走轮16，所述导航底座15上连接有导航支架17，所述导航支架17上安装有远红外摄像头18，其中所述远红外摄像头18与所述外部计算机19相连。通过设置所述远红外摄像头18能够实时监测所述反光小球103的位置信息，进而确定所述穿刺套筒102的实时位置，并将实时位置信息反馈至所述外部计算机19。

此外，所述机器人本体2的上侧板上还设有电源开关11、之地开关12以及急停按钮13。

在使用时，通过所述外部计算机19向所述控制箱发送控制信号，所述控制箱再控制所述六自由度机械臂8运动，在所述六自由度机械臂8的作用下，带动所述跟踪标记组件1中的穿刺套筒102运动至指定位置，而所述远红外摄像头18能够将所述反光小球103所确定的穿刺套筒102的位置信息实时反馈至所述外部计算机19，进而确保所述穿刺套筒102的定位精度，从而确保医生能够手持所述跟踪标记组件1，在体外定位到正确的空间位置，确认并记录所述穿刺套筒102的位置，进而保持病人体位不变的情况下，对穿刺位置进行消毒铺单以及辅助医生穿刺定位。

实施例二

本发明实施例还提供了一种精准定位的肿瘤手术机器人系统的目标定位方法，该方法采用上述实施例一所述的精准定位的肿瘤手术机器人系统，具体包括如下步骤：

设定所述穿刺套筒的当前位置为线段ab，所述穿刺套筒的目标位置为线段a’b’，所述六自由度机械臂末端的当前位置为点o。

以线段a’b’为轴旋转360度形成一个平面圆，将所述六自由度机械臂末端的当前位置点o投影到所述平面圆上，获得投影点p。

将所述投影点p与所述平面圆的圆心作连线，所述连线与所述平面圆的圆周之间形成两个交点，取其中靠近所述投影点p的交点作为所述六自由度机械臂末端的目标位置点o’。

获取a’b’o’三点后，通过矩阵计算得到所述六自由度机械臂末端的运动目标位姿矩阵mtarget_ndi。

进一步来说，该方法还包括如下步骤：

s1、设定所述跟踪标记组件的当前位姿为mnow_ndi，则所述跟踪标记组件的运动矩阵为mreduc_ndi＝mnow_ndi_invert*mtarget_ndi,其中，mtarget_ndi为所述六自由度机械臂末端的运动目标位姿矩阵,mnow_ndi_invert为mnow_ndi的逆。

s2、根据手眼标定矩阵，将mreduc_ndi在所述六自由度机械臂末端的坐标系中表示为mreduc_robot,所述六自由度机械臂末端的当前坐标系位姿为mnow_robotbase,则所述六自由度机械臂末端的目标位姿mtarget_robotbase＝mnow_robotbase*mreduc_robot。

s3、根据获得的mtarget_robotbase，控制所述跟踪标记组件运动到指定位置。

s4、再次计算获取所述跟踪标记组件的当前位姿mnow_ndi，并计算与所述六自由度机械臂末端的运动目标位姿矩阵mtarget_ndi之间的误差，如果误差小于设定的误差阈值，则执行步骤s5；如果误差大于或等于设定的误差阈值，则执行步骤s1。

s5、结束计算，所述跟踪标记组件已经到达目标位置。

通过本发明实施例所述的精准定位的肿瘤手术机器人系统的目标定位方法，能够实现对机器人装置从当前位置至目标位置的精确定位，并可以矫正机器人装置运动误差导致的定位精度不足。

综上所述，本发明实施例所述的精准定位的肿瘤手术机器人系统及其目标定位方法，通过设置在机械人本体上的六自由度机械臂带动跟踪标记组件运动，通过设置在连接杆上的反光小球来确定穿刺套筒的位置，有效提高了定位精度，提高了手术效率和手术效果。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有说明，“若干”的含义是一个或多个；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的机或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。