自动化协同工作组件及其在手术器械中的应用制造技术

一种自动化协同工作组件，包括第一运动臂、第二运动臂、工作部件和影像获取装置。影像获取装置设置于第二运动臂的一端，受第二运动臂的控制而运动，对目标实施光学定位和跟踪，目标遮挡的识别和避开。分别对第一运动臂和第二运动臂的位置、姿态和运动速度进行数值化，建立第一运动臂和第二运动臂的关联关系，并在计算机控制下实施协同运动。本发明专利技术提供的组件，用于图像引导手术器械，可以协同完成手术过程，避免碰撞，同时解决手术过程中人体、医疗器械和组织器官对跟踪目标的遮挡导致的手术中断，使得手术得以持续，保证手术的连贯性。

Automated Cooperative Working Component and Its Application in Surgical Instruments

【技术实现步骤摘要】
自动化协同工作组件及其在手术器械中的应用
本专利技术涉及一种能自动化运行的机械装置，尤其涉及一种组件，在计算机的控制下，各个部件之间能够互相协同，自动化完成各项任务，以及其在手术器械中的应用。
技术介绍
基于光学定位的手术机器人系统，如：法国MedTech公司的ROSASpine系统，美国Stryker公司的MAKO系统，以及天智航公司的“天玑”系统都使用光学定位实现对手术部位和手术工具(或者机械臂)的跟踪。这些系统仅配置一个机械臂，用于抓持手术工具，光学定位系统与安装机械臂的主机体分离，被另外安装在一个移动支架上。这种系统的弊端在于，机械臂进行较大范围的自动运动时会存在风险，可能会碰撞周边环境物体，造成损伤。另外，这种系统需要时刻保持手术部位和手术工具同时被光学定位跟踪系统识别跟踪，才能确保手术的顺利进行。同时，识别两个移动物体需要定位跟踪系统具有更大的识别跟踪范围，范围越大，光学定位跟踪系统的定位精度越低。另外光学定位跟踪系统基于摄像机摄像原理，存在拍摄光路遮挡情况，当手术部位或手术工具中的任何一个被遮挡时，都会造成手术中断。此外，由于两个被跟踪目标(如：手术部位与手术工具)都可能产生移动，两者同时保持跟踪时，操作者需要专门为跟踪摄像头让出拍摄的光路；还需要时刻保持手术工具朝向定位跟踪系统。由于医生操作手术器械时，其运动自由度(如：移动、旋转和翻转等)很大，容易造成手术器械被遮挡，失去追踪，给医生实施手术带来诸多不便，降低了医生设备操作上的体验。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供一种组件，在计算机控制下各个组件之间能自动化协同工作，完成各项工作任务。本专利技术的另一个目的在于提供一种组件，在计算机控制下各个组件能实施自动化协同，完成手术操作。本专利技术的再一个目的在于提供一种组件，用于图像引导手术器械，解决手术过程中人体、医疗器械和组织器官对跟踪目标的遮挡导致的手术中断，使得手术得以持续，保证手术的连贯性。一种组件，包括：第一运动臂，其包括若干第一支臂和至少1个第一运动关节；第二运动臂，其包括若干第二支臂和至少1个第二运动关节；工作部件，其设置于第一运动臂的一端，受第一运动臂的控制而运动；影像获取装置，其设置于第二运动臂的一端，受第二运动臂的控制而运动，对目标实施光学定位和跟踪，目标遮挡的识别和避开；分别对第一运动臂和第二运动臂的位置、姿态和运动速度进行数值化，将第一运动臂的位置信息和姿态信息与第二运动臂的位置信息和姿态信息建立关联关系，实现第一运动臂坐标系和第二运动臂坐标系之间的转换，并在计算机控制下实施协同运动。本专利技术提供的影像获取装置包括若干摄像头，按规则排列组成。本专利技术的组件，实施协同运动的方法如下：影像获取装置实时获取被跟踪目标的位置和姿态，计算机通过第一运动臂上各个第一关节的旋转角度实时获知工作部件(如：手术中使用的器械)的位置和姿态，根据第一运动臂与第二运动臂之间的关联关系，完成被跟踪目标在影像获取装置坐标系下的位置及姿态与在第一运动臂坐标系下的位置与姿态之间的转换，使第一运动臂获取被跟踪目标在第一运动臂坐标系下的位置与姿态，进而获得预定的工作路径的具体位置与方向，驱动第一运动臂在被跟踪目标附近按预定的路径完成工作任务。计算机实时获知工作部件(如：手术中使用的器械)的位置信息与姿态信息，以及第一运动臂的位置信息和姿态信息；此时，设置在第二运动臂上的影像获取装置实时调整获取影像的方向，朝向第一运动臂及工作部件，并保持对第一运动臂以及工作部件进行跟踪；接着，及时获得工作部件及第一运动臂所处的周边环境的三维计算机场景，即获得周边环境物体表面点的三维信息，得到点云，并进行网格化；之后，根据第一运动臂上各个第一运动关节位置及周边环境物体表面点的三维信息，计算第一运动臂及工作部件与周边环境物体的最小距离，预判第一运动臂或工作部件与周边环境物体是否会发生碰撞；当存在发生碰撞的可能时，则停止第一运动臂的移动。在执行工作任务时，第二运动臂及影像获取装置还能解决手术过程中人体、医疗器械和组织器官对被跟踪目标的遮挡导致的手术中断，使得手术得以持续，保证手术的连贯性。在手术时，影像获取装置对手术部位的跟踪通过跟踪与手术部位刚性连接的标志物实现。标志物又称目标，它包含若干个标志点，标志点具有特定的形状和颜色，对特定的光具有强烈的反射能力，可以被摄像头高对比度拍摄并通过算法高效识别。通过识别标志点，并运用双目定位方式，可以判断目标的位置和姿态。通过影像获取装置保持对目标的跟踪，同时实时获取视野场景中物体的表面三维位置信息。若影像获取装置因被遮挡，或因手术部位的移动造成对目标失去跟踪，则通过获取视野场景中物体的表面三维信息，自动计算出一个新的跟踪位置和方向；第二运动臂驱动影像获取装置达到新的位置和方向，再度实现对手术部位的实时跟踪。本专利技术提供的一种避开遮挡、保持对目标进行跟踪的方法，包括如下步骤：1.对影像获取装置进行标定，获得各摄像头的内部参数(如：焦距)和外部参数(如：位置和方向)。2.设定影像获取装置中各摄像头按设定的频率同步曝光拍摄，对于每一次曝光重复以下各步骤：首先，识别目标之标志点，一个目标预设1个以上的标志点，识别并确定每个摄像头所获取的影像中目标各标志点的中心位置；同时也确定各标志点中心的三维空间位置，并通过这些中心位置计算出一个目标的中心位置。当任意摄像头所获取的影像中，识别出的目标的标志点数量少于预定数量时，判定有遮挡发生。计算影像获取装置视场范围内所有物体表面的三维位置信息，得到用点云表示的物体表面，并将这些点云网格化表示，得到物体的几何边界，再按以下步骤获得影像获取装置的一个新位置和方向：1)在影像获取装置和目标中心位置之间的距离上建立一个球面或者平面区域，亦或是任意选定的一个规则空间的三维区域，作为查找区域，查找区域的范围由第二运动臂能够到达的范围决定；2)在查找区域上获得若干采样点(如：通过网格化的方式，将网格交叉点作为采样点)；3)将影像获取装置的中心位置依次设定在这些采样点上，并将影像获取装置的视场方向设定为采样点与目标中心位置之间的矢量；4)在每个采样点，根据摄像头的内部参数和外部参数，并沿视场方向旋转影像获取装置，在计算机中虚拟连续曝光拍摄，直到找到一个意向位置，使得各摄像头同时获取到目标的所有标志点；最后，第二运动臂将影像获取装置移动旋转到计算得到的意向位置。若在计算得到的意向位置上依然存在遮挡，则继续寻找，直到各个摄像头获取目标预设的全部标志点。第二运动臂可以实现若干个自由度的运动，保证影像获取装置到达新的位置和方向(如：6自由度机械臂，x，y和z方向的移动和旋转)。第二运动臂带有编程接口和电机，可以接收命令，并主动运动到命令指示的位置和姿态。本专利技术提供的方法，适合在图像引导手术中应用，解决手术过程中人体、医疗器械和组织器官对跟踪目标的遮挡导致的手术中断，使得手术得以持续，保证手术的连贯性。考虑到摄像机的拍摄范围大小不同，寻找避开遮挡的位置和方向需要更大范围的获取目标周围物体的信息。可以对影像获取装置进行特殊配置，如使用两个窄角度摄像头专门获取目标标志点的实时空间位置，用于定位跟踪，同时判断遮挡；再使用另外两个大角度摄像机获取目标周边的情况，计算新的影像获取装置位置和方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种组件，其特征在于包括：第一运动臂，其包括若干第一支臂和至少1个第一运动关节；第二运动臂，其包括若干第二支臂和至少1个第二运动关节；工作部件，其设置于第一运动臂的一端，受第一运动臂的控制而运动；影像获取装置，其设置于第二运动臂的一端，受第二运动臂的控制而运动，对目标实施光学定位和跟踪，目标遮挡的识别和避开；分别对第一运动臂和第二运动臂的位置、姿态和运动速度进行数值化，建立第一运动臂和第二运动臂的关联关系，并在计算机控制下实施协同运动。

【技术特征摘要】
1.一种组件，其特征在于包括：第一运动臂，其包括若干第一支臂和至少1个第一运动关节；第二运动臂，其包括若干第二支臂和至少1个第二运动关节；工作部件，其设置于第一运动臂的一端，受第一运动臂的控制而运动；影像获取装置，其设置于第二运动臂的一端，受第二运动臂的控制而运动，对目标实施光学定位和跟踪，目标遮挡的识别和避开；分别对第一运动臂和第二运动臂的位置、姿态和运动速度进行数值化，建立第一运动臂和第二运动臂的关联关系，并在计算机控制下实施协同运动。2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于实施所述的协同运动的方法如下：影像获取装置实时获取被跟踪目标的位置和姿态，计算机通过第一运动臂上各个第一关节的旋转角度实时获知工作部件的位置和姿态，系统根据第一运动臂与第二运动臂之间的关联关系，完成被跟踪目标在影像获取装置坐标系下的位置及姿态与在第一运动臂坐标系下的位置与姿态之间的转换，使第一运动臂获取被跟踪目标在第一运动臂坐标系下的位置与姿态，进而获得预定的工作路径的具体位置与方向，驱动第一运动臂在被跟踪目标附近按预定的路径完成工作任务。计算机实时获知工作部件的位置信息与姿态信息，以及第一运动臂的位置信息和姿态信息；此时，设置在第二运动臂上的影像获取装置实时调整获取影像的方向，朝向第一运动臂及工作部件，并保持对第一运动臂以及工作部件进行跟踪；接着，及时获得工作部件及第一运动臂所处的周边环境的三维计算机场景，即获得周边环境物体表面点的三维信息，得到点云，并进行网格化；之后，根据第一运动臂上各个第一运动关节位置及周边环境物体表面点的三维信息，计算第一运动臂及工作部件与周边环境物体的最小距离，预判第一运动臂或工作部件与周边环境物体是否会发生碰撞；当存在发生碰撞的可能时，则停止第一运动臂的移动。3.根据权利要求1所述的组...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚君，
申请(专利权)人：上海舍成医疗器械有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31