本发明专利技术公开了一种基于动态平面的路径规划装置及方法，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。本发明专利技术采用动态平面方法，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。本发明专利技术使用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。便于在各中小型医院推广。便于在各中小型医院推广。
【技术实现步骤摘要】
一种基于动态平面的路径规划装置及方法
[0001]本专利技术涉及医疗设备领域，特别涉及一种基于动态平面的路径规划装置及方法。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
技术实现思路
[0004]本专利技术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。
[0005]为了实现上述目的本专利技术采取的技术方案是：
[0006]一种基于动态平面的路径规划装置，包括：
[0007]末端连接法兰，一端连接机械臂；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]X光机，用于拍摄特征点在正位和侧位的影像。
[0011]所述特征点分布连接臂包括第一支撑臂和第二支撑臂；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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。
[0015]所述第一支撑臂和第二支撑臂之间的夹角为0
‑
180
°
。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]所述特征点为不锈钢圆片，所述特征杆为不锈钢杆。
[0020]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。
[0021]本专利技术还提供一种基于动态平面的路径规划方法，包括以下步骤：
[0022]第一步，将X光机接收端调整至手术区域正上方，拖动机械臂使路径规划装置的特征点位于X光机与手术区域中间位置，并使特征点分布平面垂直于X光机接收端；
[0023]第二步，通过X光机拍摄一张X光影像，识别出X光影像上第一特征点、第二特征点、第三特征点及第四特征点的显影位置；在出X光影像上选取手术规划通道上的两点，两点之间的连线为手术路径规划线；
[0024]第三步，计算正位时特征点分布平面与手术规划通道重合时机械臂末端坐标系Tcp相对于基座坐标系Base的相对位置
[0025]第四步，将X光机的接收端调整至侧位，保持机械臂基座位置固定，计算侧位时特征点分布平面与手术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
[0026]第五步，通过记录的以及已知的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
[0027][0028][0029]可得第一平面的点法式方程：
[0030]a
12
*(x
‑
a
14
)+a
22
*(x
‑
a
24
)+a
32
*(x
‑
a
34
)＝0
[0031]得第二平面的点法式方程：
[0032]b
12
*(x
‑
b
14
)+b
22
*(x
‑
b
24
)+b
32
*(x
‑
b
34
)＝0
[0033]联立方程组，第一平面和第二平面的交线即为规划的目标手术通道，设其方向向量为v1，通过点p1；
[0034]第六步，控制机械臂运动使原手术通道与目标手术通道重合。
[0035]进一步地，所述第三步包括：
[0036]a.建立坐标系；在第一特征点处建立坐标系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；安装完毕之后机械臂末端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Tool坐标系位置关系确定且已知，记为
[0037]b.计算真实尺度空间与像素空间的比例系数；测量第一特征点至第二特征点的像素距离p
12
，以及第三特征点至第四特征点的长度p
34
，令比例系数ref：
[0038][0039]其中，l
12
是第一特征点的圆心至第二特征点的圆心的真实距离；l
34
是第三特征点的圆心至第四特征点的圆心的真实距离，为已知参数；
[0040]c.计算使第一特征点、第二特征点、第三特征点及第四特征点共线的旋转角度α；计算第一直线和第二直线之间在图像上的像素距离s，根据第b步计算的比例系数，可得：
[0041][0042]其中，第一直线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；
[0043]d.计算手术路径规划线与第一直线的夹角θ，通过向量夹角公式可得；
[0044]e.计算第一直线至手术路径规划线的像素距离，通过真实尺度空间与像素空间的比例系数ref，获得第一特征点至手术路径规划线的实际距离d；
[0045]f.汇总第c、d、e步数本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
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。9.一种基于动态平面的路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，将X光机接收端调整至手术区域正上方，拖动机械臂使路径规划装置的特征点位于X光机与手术区域中间位置，并使特征点分布平面垂直于X光机接收端；第二步，通过X光机拍摄一张X光影像，识别出X光影像上第一特征点、第二特征点、第三特征点及第四特征点的显影位置；在出X光影像上选取手术规划通道上的两点，两点之间的连线为手术路径规划线；第三步，计算正位时特征点分布平面与手术规划通道重合时机械臂末端坐标系Tcp相对于基座坐标系Base的相对位置第四步，将X光机的接收端调整至侧位，保持机械臂基座位置固定，计算侧位时特征点分布平面与手术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
第五步，通过记录的以及已知的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Pannel坐标系相对于基座坐标系Base坐标系的姿态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的点法式方程：a
【专利技术属性】
技术研发人员：赵文，张立海，胡磊，王尧，谢子豪，
申请(专利权)人：赵文，
类型：发明
国别省市：
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