【技术实现步骤摘要】
手术机器人运动控制系统和方法、手术机器人和手术系统
[0001]本专利技术涉及医疗设备
，尤其涉及一种手术机器人系统，更具体地涉及手术机器人的运动控制系统和方法、示踪器和包括其的手术系统。
技术介绍
[0002]手术机器人在外科手术中的应用正在日益增加，以协助医生或全自动地对于患者的待治疗部位操作手术器械或进行手术操作。
[0003]手术机器人系统通常在机器人的机械臂上设置示踪器，并根据需要在手术器械和/或患者待治疗部位设置示踪器。该系统还设置能够感测这些示踪器的传感装置，以跟踪机械臂、手术器械和患者待治疗部位的位姿信息，以对手术过程进行跟踪和导航，并控制机械臂进行期望的运动或执行术前或术中规划的运动路径。
[0004]常用的一种示踪方式是由光学传感装置实时追踪包括有容易识别的光学标记的示踪器。对于手术机械臂的追踪定位目前有被动和主动两种模式，即所采用的示踪器为主动示踪器或被动示踪器。被动示踪器的光学标记例如为被动反光球，其结构简单可靠，但存在由于机械臂的运动而容易被遮挡因此不能处于光学传感装置的视野中的风险。因此为了不遮挡被动示踪器会造成机械臂的可活动范围受到限制。主动示踪器的光学标记为主动发光的LED发光元件，这些元件由于没有被动示踪器的突出于机械臂外轮廓的机械结构，在一定程度上避免了这些机械结构造成的对机械臂运动的限制，然而由于其所需配置的电路板和LED发光元件，存在体积与重量较大等缺点，一定程度上压缩了机械臂所能承载的末端手术工具的许用重量，并且其较大的体积影响了医生的可视范围。>
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面以及其它技术问题。
[0006]本专利技术一方面提供了一种手术机器人的运动控制系统，该系统包括机械臂、安装到机械臂上并包括光学标记的示踪器、用于获取示踪器的光学标记的位姿信息的光学传感装置以及控制装置，该控制装置与机械臂、示踪器和光学传感装置电气连接，并且被配置成：根据机械臂的目标位姿(即机械臂的目标位置和姿态)来输出控制指令，以调整示踪器的光学标记的位姿，使光学标记位于光学传感装置的视野中。
[0007]在上述运动控制系统中，控制装置根据机械臂的目标位姿来自动调整示踪器的光学标记的位姿，保证其位于光学传感装置的视野中。因此避免了由于机械臂的运动导致示踪器的光学标记被遮挡而不能被光学传感装置捕获的风险，消除了对机械臂的运动范围的限制。而且由于示踪器的位姿可以根据需要调整到最佳位姿，提高了对其识别的精度。进一步地，由于示踪器实时调整，保障其始终被有效的追踪，从而保证机械臂的运动始终是可控的，使机械臂定位和手术导航更加精准，使得手术更加安全。该方案也增大了光学传感装置的识别范围。并且对于示踪器的调整自动进行，不需要人员操作，优化了手术流程，提高了
手术效率，减轻了医护人员的负担。
[0008]在上述运动控制系统中，调整光学标记的位姿使得其优选地正对光学传感装置。本领域技术人员可以理解的是，该处的“正对”是指在该位姿下，光学传感装置捕获到光学标记的最佳的或较优的图像，以便于图像的处理且使得获取的位姿信息更为准确。
[0009]根据一种示例性的示踪器的构造，示踪器包括壳体、容纳在壳体内的电机、能够相对于壳体转动并且其上设置所述光学标记的转动件以及设置在壳体中的控制器。转动件联接到电机的输出轴以与输出轴同轴地转动，控制器被配置成根据从控制装置接收到的控制指令来驱动电机动作，以调整光学标记的位姿。
[0010]在该示例性的构造中，通过设置与电机输出轴同轴地转动并带动光学标记转动的转动件，能够360度调整光学标记的位姿，使光学标记根据需要面向光学传感装置，优选地正对光学传感装置，以实现对于机械臂的更好的追踪效果和运动控制精度。
[0011]根据一种示例性的构造，壳体包括外壳体和内壳体，其中电机固定在内壳体中，并且转动件被构造成筒状件，该筒状件的外周部与外壳体的外周部在径向方向上对齐。该构造便于电机等结构的安装并且使得示踪器结构紧凑。
[0012]根据一种示例性的构造，示踪器还包括连接件，连接件一方面连接到电机的输出轴，另一方面连接到筒状件，并通过轴承可旋转地支承在内壳体上。该构造实现示踪器和电机的刚性连接，以可靠的连接结构实现电机对筒状件及其上的光学标记的旋转驱动，使机械臂的定位更加准确。
[0013]根据一种示例性的构造，筒状件还包括横向于外周部设置的底部以及从底部朝向连接件突出的凸缘，其中连接件连接到底部，并且凸缘的内周面与连接件的外周面相配合。通过该结构将筒状件可靠地连接到连接件上。
[0014]根据一种示例性的构造，示踪器还包括连接到电机的编码器，编码器电连接到控制装置，以反馈电机的位置信息。
[0015]在该构造中，通过设置电机的编码器来反馈电机的实际运动位置，可以实现示踪器的旋转运动的闭环控制，能够实现对示踪器的精确的调整控制。进一步地，由于从编码器能精确地获知示踪器旋转后相对于机械臂的实际位置和姿态。这可以与光学传感装置所获得的示踪器旋转后的位姿信息相结合，来更精确地确定机械臂运动后的实际位姿，便于确定是否需要对机械臂做进一步的位置调整，更精确地实现机械臂运动的闭环控制，提高机械臂的运动精度。
[0016]根据一种示例性的构造，示踪器还包括将编码器固定在其内的套筒，套筒与所述电机同轴地固定在电机的一端。该编码器固定套筒的设置有利于保证编码器与电机旋转轴的同轴度，最终保证编码器读取电机参数的精度。
[0017]根据一种示例性的构造，壳体包括适于抓握的柄部，并且柄部上设置有适于连接执行工具的第一机械接口。
[0018]该结构在示踪器上集成了对于机械臂的拖动功能，便于医护人员拖动机械臂。例如将其快速地移动到手术区域中和/或光学传感装置能够识别的视野范围内。该柄部为操作者提供了稳定且可靠的支撑点，降低了操作机械臂的难度，提高了手术效率。而且在该结构上还集成了执行工具例如手术器械的安装接口即第一机械接口，简化了机械臂的结构，并且便于追踪手术器械的位置。
[0019]根据一种示例性构造，示踪器还包括设置在壳体上以指示机器人的工作状态的指示灯。该结构将指示灯集成到示踪器上，方便医护人员关注到机器人的工作状态，例如机械臂的运动状态、机械臂工作是否正常、机器人台车与主机之间的通讯状况等，并且这种集成化的设计简化了整个机械臂的结构。
[0020]根据一种示例性构造，指示灯被构造成环形的，该指示灯设置在外壳体与筒状件之间，并在径向方向上与筒状件的外周部与外壳体的外周部对齐。
[0021]在该结构中，将指示灯设计成环形，并且其设置位置使得示踪器的结构紧凑，指示灯不突出设置，避免与外物的干涉。
[0022]根据一种示例性构造，内壳体包括具有开口的主体部，电机容纳在开口中。该构造便于安装固定电机，并且使得示踪器的结构小型化。
[0023]根据一种示例性构造，内壳体还包括横向于主体部延伸的连接部，连接部被构造成连接到外壳体的一本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种手术机器人的运动控制系统，其特征在于，所述系统包括：机械臂(1)；安装到所述机械臂(1)上的示踪器(2)，所述示踪器(2)包括光学标记(21)；光学传感装置(3)，用于获取所述示踪器(2)的光学标记的位姿信息；以及控制装置，分别与所述机械臂(1)、所述示踪器(2)和所述光学传感装置(3)电气地连接，其中所述控制装置被配置成：根据所述机械臂的运动的目标位姿来控制调整所述示踪器(2)的光学标记的位姿，以使所述光学标记位于所述光学传感装置(3)的视野中。2.根据权利要求1所述的运动控制系统，其特征在于，所述示踪器(2)包括：壳体(25)；容纳在所述壳体(25)内的电机(22)；能够相对于所述壳体转动的转动件，其中所述光学标记(21)设置在所述转动件上，并且所述转动件联接到所述电机(22)的输出轴以与所述输出轴同轴地转动；以及设置在所述壳体(25)中的控制器(29)，所述控制器被配置成根据从所述控制装置接收到的控制指令来驱动电机(22)动作，以调整所述光学标记(21)的位姿。3.根据权利要求2所述的运动控制系统，其特征在于，所述壳体(25)包括外壳体(251)和内壳体(252)，其中所述电机(22)固定在所述内壳体(252)中，并且所述转动件被构造成筒状件(24)，所述筒状件(24)的外周部(241)与所述外壳体(251)的外周部在径向方向上对齐。4.根据权利要求3所述的运动控制系统，其特征在于，所述示踪器(2)还包括连接件(26)，所述连接件(26)一方面连接到所述电机(22)的输出轴，另一方面连接到所述筒状件(24)，并通过轴承可旋转地支承在所述内壳体(252)上。5.根据权利要求4所述的运动控制系统，其特征在于，所述筒状件(24)还包括横向于所述外周部(241)设置的底部(242)以及从所述底部(242)朝向所述连接件(26)突出的凸缘(243)，其中所述连接件(26)连接到所述底部(242)，并且所述凸缘(243)的内周面与所述连接件(26)的外周面相配合。6.根据权利要求2
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5中任一项所述的运动控制系统，其特征在于，所述示踪器(2)还包括连接到所述电机(22)的编码器(23)，所述编码器(23)电连接到所述控制装置，以反馈所述电机相对于所述机械臂的位置信息。7.根据权利要求6所述的运动控制系统，其特征在于，其中所述控制装置被配置成结合由所述光学传感装置(3)获取的所述光学标记的当前位姿信息以及由所述编码器(23)反馈的位置信息来确定所述机械臂(1)的当前位姿。8.根据权利要求6所述的运动控制系统，其特征在于，所述示踪器还包括用于将所述编码器(23)固定在其内的套筒(27)，所述套筒(27)与所述电机(22)同轴地固定在所述电机(22)的一端。9.根据权利要求2
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5、7和8中任一项所述的运动控制系统，其特征在于，所述壳体(25)包括适于抓握的柄部(253)，并且所述柄部(253)上设置有适于连接执行工具的第一机械接口(254)。10.根据权利要求3
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5中任一项所述的运动控制系统，其特征在于，所述示踪器还包括设置在所述外壳体(251)上以指示机器人的工作状态的指示灯(28)。
11.根据权利要求10所述的运动控制系统，其特征在于，所述指示灯(28)被构造成环形并设置在所述外壳体(251)与所述筒状件(24)之间，且在径向方向上与所述筒状件(24)的外周部(241)和所述外壳体(251)的外周部对齐。12.根据权利要求3
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5中任一项所述的运动控制系统，其特征在于，所述内壳体(252)包括具有开口(2521)的主体部，所述电机容纳在所述开口(2521)中。13.根据权利要求12所述的运动控制系统，其特征在于，所述内壳体(252)还包括横向于所述主体部延伸的连接部(2522)，所述连接部(2522)被构造成连接到所述外壳...
【专利技术属性】
技术研发人员：傅绍林，杨明皓，杨文强，韩盈舟，张江峰，陈琳琦，裴志刚，
申请(专利权)人：常州市康辉医疗器械有限公司，
类型：发明
国别省市：
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