一种打钉机器人系统及其打钉控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种打钉机器人系统及其打钉控制方法，其中，打钉机器人系统包括：机械臂，在机械臂前端安装的力传感器、注册装置和手术器械；力传感器安装于机械臂和手术器械之间，用于检测钻孔打钉过程中力的变化；注册装置安装在机械臂前端的机械接口位置，用于进行机械臂和图像采集装置之间的注册；图像畸变校正装置与图像采集装置连接，用于对图像采集装置进行畸变校正；图像采集装置用于采集手术图像；远程工作站与机械臂和图像采集装置通过数据线连接，用于对图像采集装置采集的手术图像进行处理，对打钉路径进行规划以及控制机械臂运动。该系统对硬件设备要求低，降低手术成本，根据术中实时反馈的图像信息进行调整，提高打钉精度。

A driving robot system and its driving control method

【技术实现步骤摘要】
一种打钉机器人系统及其打钉控制方法
本专利技术涉及手术机器人
，特别涉及一种打钉机器人系统及其打钉控制方法。
技术介绍
在骨科手术中精确钻孔是常见的手术步骤，如脊柱手术中的椎弓根螺钉植入，创伤手术中的股骨颈螺钉置入，髓内针内固定的远端锁定等等，都需要进行精确的钻孔。钻孔的精度，包括入钉点的位置和钻孔的方向，都直接影响到手术的最终效果，而不正确的钻孔操作将可能造成对患者的致命伤害。为了提高钻孔操作的精度，机器人和计算机技术近年来逐步应用于临床手术，目前市场上也有众多的手术导航或手术机器人的商用产品可供医生选择。目前大多数用于钻孔打钉操作的手术导航系统或者手术机器人系统都是基于光学定位技术且依赖术中或术前的三维图像数据，包括在X光导引下的经皮介入手术。这些导航技术基于物理空间中的绝对坐标。换言之他们的功能本质上是获取在物理空间中手术器械和手术部位的位置和姿态。然后医生或者机器人根据这些位置和姿态信息进行进一步的操作。尽管现有的导航方式借助光学定位技术和三维图像信息可以达到相当高的定位精度，但是其缺点也是明显的。首先术中使用的图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种打钉机器人系统，其特征在于，包括：/n机械臂、注册装置、力传感器、手术器械、图像采集装置、图像畸变校正装置和远程工作站；/n所述机械臂包括至少三个平动自由度和两个旋转自由度，在所述机械臂前端有机械接口，通过机械接口安装所述注册装置或所述手术器械；/n所述力传感器安装于所述机械臂和所述手术器械之间，用于检测钻孔打钉过程中力的变化；/n所述注册装置安装在所述机械臂前端的机械接口位置，用于进行所述机械臂和所述图像采集装置之间的注册；/n所述图像畸变校正装置与所述图像采集装置连接，用于对所述图像采集装置进行畸变校正；/n所述图像采集装置用于采集手术图像，并发送给所述远程工作站；/n所述远程工作...

【技术特征摘要】
1.一种打钉机器人系统，其特征在于，包括：
机械臂、注册装置、力传感器、手术器械、图像采集装置、图像畸变校正装置和远程工作站；
所述机械臂包括至少三个平动自由度和两个旋转自由度，在所述机械臂前端有机械接口，通过机械接口安装所述注册装置或所述手术器械；
所述力传感器安装于所述机械臂和所述手术器械之间，用于检测钻孔打钉过程中力的变化；
所述注册装置安装在所述机械臂前端的机械接口位置，用于进行所述机械臂和所述图像采集装置之间的注册；
所述图像畸变校正装置与所述图像采集装置连接，用于对所述图像采集装置进行畸变校正；
所述图像采集装置用于采集手术图像，并发送给所述远程工作站；
所述远程工作站与所述机械臂和所述图像采集装置通过数据线连接，用于对所述图像采集装置采集的手术图像进行处理，对钻孔打钉路径进行规划以及控制所述机械臂运动。


2.根据权利要求1所述的打钉机器人系统，其特征在于，
所述图像畸变校正装置为由X光下不显影的材料制成的基板嵌入金属球阵列制成。


3.根据权利要求1所述的打钉机器人系统，其特征在于，
所述注册装置由X光下不显影的基座嵌入大于等于8个的空间排列的金属球制成；
所述金属球分为两组，两组金属球直径相差大于等于百分之四十，两组金属球分别各组成一个平面，且两个平面不重合，每组金属球的球心构成一个凸多边形的顶点；
将每组金属球两两分成若干对，每对金属球球心之间的连线在空间相中交于同一点，每对金属球中两个金属球球心到交点的距离之比不相同。


4.根据权利要求1所述的打钉机器人系统，其特征在于，
所述机械臂前端的机械接口分为三段，第一段和第二段之间隔有塑料薄膜，通过所述塑料薄膜将所述手术器械或所述注册装置隔离为无菌区，所述手术器械或所述注册装置通过第二段和第三段之间的机械接口对接，相邻两段机械接口之间的对接通过锁紧环旋转锁定。


5.一种如权利要求1-4所述的打钉机器人系统的打钉控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在图像采集装置上安装畸变校正装置，在手术需要的预设的两个透视角度下对所述图像采集装置进行畸变校正；
S2，在机械臂前端安装注册装置，在所述预设的两个透视角度下，分别进行注册以获得所述图像采集装置的成像模型参数和所述图像采集装置与所述机械臂之间的空间位置关系，注册结束后，取下所述注册装置；
S3，根据选定的手术模式在所述机械臂前端安装相应的手术器械；
S4，通过所述图像采集装置采集所述预设的两个角度下的透视图像，并发送至远程工作站，通过所述远程工作站在采集的透视图像上规划钻孔打钉路径；
S5，根据规划的钻孔打钉路径、所述图像采集装置的成像模型参数和所述图像采集装置与所述机械臂之间的空间位置关系，所述远程工作站基于空间位置的方法计算所述机械臂的运动量，并控制所述机械臂进行相应运动移动到指定位置；
S6，根据手术需要在所述预设的两个透视角度各重新采集透视图像，通过图像处理算法提取所述机械臂前端的手术器械在新采集的透视图像中的位置和方向，根据所述图像处理算法提取的位置和方向及步骤S4中规划的钻孔打钉路径计算当前定位误差，根据当前定位误差对所述机械臂进行调整；
S7，所述机械臂根据选定的手术模式进行钻孔打钉操作。


6.根据权利要求5所述的打钉机器人系统的打钉控制方法，其特征在于，所述S1进一步包括：
S11，在所述图像采集装置上安装所述畸变校正装置，移动所述图像采集装置至手术需要的第一预设透视角度，采集一张第一透视图像；
S12，提取所述畸变校正装置中的金属球阵列在所述第一预设透视图像中...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝世杰，陈煜，郑钢铁，赵喆，潘勇卫，邓玖征，朱剑津，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11