本发明专利技术属于手术机器人技术领域，公开了一种手术机器人的复合引导前端装置及定位方法，安装在手术机器人的机械臂的前端,包括电动夹爪引导机构和激光引导机构，电动夹爪引导机构包括夹持器，夹持器用于提供穿刺针引导通道并夹持穿刺针，激光引导机构设置在所述夹持器之间的空隙处，用于提供激光路径，穿刺针与激光路径重合从而定位。本发明专利技术将机械通道引导和激光引导两种引导方式复合集成在机械臂前端，可分别使用，两种引导结构互不干扰，同时在电动夹爪引导机构中设置了手动控制装置，紧急情况下能够手动松开穿刺针，提高了安全性能。同时本发明专利技术采用跟踪系统跟踪定位，逐渐调整机械臂位姿直到逼近目标值，提高了手术机器人穿刺精度。度。度。
【技术实现步骤摘要】
一种手术机器人的复合引导前端装置及定位方法
[0001]本专利技术属于手术机器人
，尤其涉及一种手术机器人的复合引导前端装置及定位方法。
技术介绍
[0002]随着医疗水平的发展，手术机器人开始代替人工进行一些简单的穿刺操作，将穿刺针固定在手术机器人机械臂前端，通过控制机械臂进行穿刺手术。目前手术机器人机械臂前端穿刺通道引导常见的主要有通道夹持和激光导引两种形式：通道夹持因为有了物理夹持通道因此对操作者把持穿刺器械稳定性要求大大降低，具体又分成如下三种夹持方式：1、固定孔通道夹持：机械臂前端具有安装穿刺针的固定孔，穿刺针穿过固定孔从而固定安装在机械臂前端，然而固定孔通道夹持在穿刺过程中若遇到紧急情况，穿刺针无法脱离，安全性最差。
[0003]2、电动夹爪通道开合夹持：机械臂前端具有电动夹爪，用于夹持穿刺针，电动夹爪通道在穿刺过程中若遇到紧急情况，可通过控制器控制夹爪打开，使用方便，但电动夹爪通道脱离需要外部指令脱开，不能直接徒手打开；一旦机械控制失灵或断电，将无法打开夹爪，安全性较差。
[0004]3、手动夹爪通道开合夹持：机械臂前端具有手动夹爪，通过手动调节控制夹爪张开或闭合，这种存机械的控制方式不依赖于电子设备，紧急情况可以直接徒手脱离；安全性较好。但手动控制使用较不方便。
[0005]采用激光通道导引的方式是利用激光束来导引，使用时操作者手持穿刺针，通过穿刺针的针尖、针尾与激光束重合的方法来实现穿刺通道导引，使用方便，不存在紧急情况脱离问题，安全性最好。但是对于操作者把持穿刺器械的稳定性要求提高。
[0006]手术机器人实际使用中，往往存在有的医生喜欢通道夹持的方式，有的医生喜欢激光导引的方式，而机械臂前端空间比较小，市面上尚没有激光导引和通道夹持结合在机械臂前端的方案。
技术实现思路
[0007]本专利技术目的在于提供一种手术机器人的复合引导前端装置及定位方法，以解决上述的技术问题。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术的一种手术机器人的复合引导前端装置及定位方法的具体技术方案如下：一种手术机器人的复合引导前端装置，安装在手术机器人的机械臂的前端,包括电动夹爪引导机构和激光引导机构，所述电动夹爪引导机构包括夹持器，所述夹持器用于提供穿刺针引导通道并夹持穿刺针，所述激光引导机构设置在所述夹持器之间的空隙处，用于提供激光路径，所述穿刺针与激光路径重合从而定位。
[0009]进一步的，所述电动夹爪引导机构包括电机、传动机构、夹爪和手动控制装置，所述电机输出轴与传动机构连接，传动机构与夹爪连接，电机通过传动机构控制夹爪夹紧或松开，所述手动控制装置与传动机构固定连接，用于手动控制传动机构，从而手动控制夹爪夹紧或松开。
[0010]进一步的，所述电动夹爪引导机构包括丝杆，所述丝杆为正反牙双头丝杆，所述丝杆杆身左半部分为正牙，右半部分为反牙，所述夹爪包括第一夹爪和第二夹爪，所述第一夹爪中间具有贯穿的第一螺纹孔，所述第二夹爪中间具有贯穿的第二螺纹孔，第一夹爪的第一螺纹孔套入丝杆的正牙，第二夹爪的第二螺纹孔入丝杆的反牙，所述电机输出轴与传动机构连接，所述传动机构与丝杆一端连接。
[0011]进一步的，所述传动机构包括主动同步带轮、同步带和从动同步带轮，所述主动同步带轮与电机输出轴同轴固定连接，所述从动同步带轮与丝杆一端同轴固定连接，所述同步带连接在主动同步带轮和从动同步带轮上，所述手动控制装置固定连接在从动同步带轮外侧，用于手动旋转从动同步带轮。
[0012]进一步的，所述第一夹爪下端具有用于安装夹持器的第一夹爪输出端，所述第二夹爪下端具有用于安装夹持器的第二夹爪输出端，所述第一夹爪和第二夹爪的夹爪输出端相对设置，所述第一夹爪输出端上固定安装有第一夹持器，所述第二夹爪输出端上固定安装有第二夹持器，所述第一夹持器和第二夹持器用于夹持穿刺针，所述第一夹持器和第二夹持器之间夹持形成引导通道，用于穿过穿刺针。
[0013]进一步的，所述电动夹爪引导机构包括固定机架和导向装置，所述电机固定在固定机架上，所述导向装置固定连接在固定机架上，并与第一夹爪和第二夹爪直线滑动连接，用于提供夹爪的直线运动路径。
[0014]进一步的，所述电动夹爪引导机构包括夹爪传感器，所述夹爪传感器固定设置在固定机架内壁上，用于检测夹爪是张开还是闭合。
[0015]进一步的，所述电动夹爪引导机构包括参考标记，所述参考标记用于引导通道的定位。
[0016]进一步的，所述激光引导机构包括激光发射器，所述激光发射器设置在第一夹持器和第二夹持器之间的空隙处，所述激光发射器上具有激光发射口，用于发射激光。
[0017]本专利技术还公开了一种手术机器人的复合引导前端装置的定位方法，包括如下步骤：步骤1：定义坐标系：已知任意坐标系X到坐标系Y的齐次坐标转移矩阵定义为 M_xy，定义跟踪系统坐标系为C，参考标记坐标系为T，机器人坐标系为R，机器人前端法兰坐标系为F，病人坐标系为P；步骤2：术前标定：步骤2.1：标定好跟踪系统坐标系C与病人坐标系P的关系，即已知M_pc；步骤2.2：标定好夹爪引导通道在参考标记坐标系T里面的线段坐标L_t1或激光线在参考标记坐标系T里面的线段坐标L_t2；步骤2.3：通过手眼标定，获得跟踪系统坐标系C与机器人坐标系R的初始关系 M_cr0，机器人前端法兰坐标系F与参考标记坐标系T的初始关系 M_ft0，这里机器人前端法兰坐标系F是手，跟踪系统坐标系C是眼，用的是eye to hand的方法；
步骤3：术中跟踪：步骤3.1：通过手术规划获得病人坐标系下目标针道L_p1，通过已知矩阵M_pc获得跟踪系统下的夹爪引导通道线段坐标L_c1或激光线线段坐标L_c2，由步骤2.2已知的夹爪引导通道在参考标记坐标系T里面的线段坐标L_t1或激光线在参考标记坐标系T里面的线段坐标L_t2，可以获得目标参考坐标系M_tc0，即获得参考标记在跟踪系统下的姿态；步骤3.2：获得机器人前端法兰初始姿态矩阵：M_fr0=M_cr0*M_tc0*M_ft0；步骤3.3：控制机器人前端法兰走到初始目标位置M_fr0附近；步骤3.4：通过跟踪系统，获得当前参考标记坐标系T与跟踪系统坐标系C的关系M_tc，控制机械臂法兰移动，使得M_tc逼近M_tc
目标
，M_tc
目标
为目标矩阵，当两者的误差小于设定阈值时，定位完成。
[0018]本专利技术的一种手术机器人的复合引导前端装置及定位方法具有以下优点：本专利技术将机械通道引导和激光引导两种引导方式复合集成在机械臂前端，激光发射器设置在夹持器之间的空隙处，合理利用了空间，使用时只要翻转前端装置即可分别使用，使得两种引导结构互不干扰，同时在电动夹爪引导机构中设置了手动控制装置，紧急情况下能够手动松开穿刺针，提高了安全性能。同时本专利技术针对现有技术机械定位精度低的缺陷，采用跟踪系统跟踪定位，逐渐调整机械臂位姿直到逼近目标值，提高了手术机器人穿刺精度。
附图说明
[0019]图1为本专利技术的手术本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种手术机器人的复合引导前端装置，安装在手术机器人的机械臂（3）的前端,其特征在于，包括电动夹爪引导机构（1）和激光引导机构（2），所述电动夹爪引导机构（1）包括夹持器，所述夹持器用于提供穿刺针引导通道并夹持穿刺针（4），所述激光引导机构（2）设置在所述夹持器之间的空隙处，用于提供激光路径，所述穿刺针（4）与激光路径重合从而定位。2.根据权利要求1所述的手术机器人的复合引导前端装置，其特征在于，所述电动夹爪引导机构（1）包括电机（11）、传动机构（12）、夹爪（14）和手动控制装置（15），所述电机（11）输出轴与传动机构（12）连接，传动机构（12）与夹爪（14）连接，电机（11）通过传动机构（12）控制夹爪（14）夹紧或松开，所述手动控制装置（15）与传动机构（12）固定连接，用于手动控制传动机构（12），从而手动控制夹爪（14）夹紧或松开。3.根据权利要求2所述的手术机器人的复合引导前端装置，其特征在于，所述电动夹爪引导机构（1）包括丝杆（13），所述丝杆（13）为正反牙双头丝杆，所述丝杆杆身左半部分为正牙（131），右半部分为反牙（132），所述夹爪（14）包括第一夹爪（141）和第二夹爪（142），所述第一夹爪（141）中间具有贯穿的第一螺纹孔（1411），所述第二夹爪（142）中间具有贯穿的第二螺纹孔（1421），第一夹爪（141）的第一螺纹孔（1411）套入丝杆（13）的正牙（131），第二夹爪（142）的第二螺纹孔（1421）入丝杆（13）的反牙（132），所述电机（11）输出轴与传动机构（12）连接，所述传动机构（12）与丝杆（13）一端连接。4.根据权利要求3所述的手术机器人的复合引导前端装置，其特征在于，所述传动机构（12）包括主动同步带轮（121）、同步带（122）和从动同步带轮（123），所述主动同步带轮（121）与电机（11）输出轴同轴固定连接，所述从动同步带轮（123）与丝杆（13）一端同轴固定连接，所述同步带（122）连接在主动同步带轮（121）和从动同步带轮（123）上，所述手动控制装置（15）固定连接在从动同步带轮（123）外侧，用于手动旋转从动同步带轮（123）。5.根据权利要求3所述的手术机器人的复合引导前端装置，其特征在于，所述第一夹爪（141）下端具有用于安装夹持器的第一夹爪输出端（1412），所述第二夹爪（142）下端具有用于安装夹持器的第二夹爪输出端（1422），所述第一夹爪（141）和第二夹爪（142）的夹爪输出端相对设置，所述第一夹爪输出端（1412）上固定安装有第一夹持器（143），所述第二夹爪输出端（1422）上固定安装有第二夹持器（144），所述第一夹持器（143）和第二夹持器（144）用于夹持穿刺针（4），所述第一夹持器（143）和第二夹持器（144）之间夹持形成引导通道（145），用于穿过穿刺针（4）。6.根据权利要求3所述的手术机器人的复合引导前...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴明浩，陈枭，斯辉健，孙斌，徐燕静，
申请(专利权)人：浙江伽奈维医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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