车臂一体化穿刺机器人系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了车臂一体化穿刺机器人系统及方法，属于穿刺微创医疗设备领域。其特征在于：包括操控台、机器臂、上位机、下位机、粒子植入模组、光学定位仪、承载车和视觉模组。所述机械臂、粒子植入模组、承载车和视觉模块构成车臂一体化穿刺机器人。该车臂一体化穿刺机器人的操控台可以实现医生对整个穿刺机器人的运动控制和粒子植入内外针的前进和后退，所述光学定位仪位导航系统，可以识别穿刺机器人的位姿信息，该车臂一体化穿刺机器人的控制系统，可以通过控制承载车和机械臂的协调运动，使得粒子植入模组可以到达最优穿刺位姿，从而达到精准穿刺，保障了穿刺手术的安全性和准确性。保障了穿刺手术的安全性和准确性。保障了穿刺手术的安全性和准确性。

【技术实现步骤摘要】
车臂一体化穿刺机器人系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种穿刺微创医疗设备领域，具体设计车臂一体化穿刺机器人系统及方法。

技术介绍

[0002]经皮穿刺手术是诊断和治疗肝脏肿瘤的重要手段之一。在临床实践中，医生通过图像引导手持穿刺针进行穿刺，该过程需要多次调整穿刺路径，操作繁琐费时且精度低。整个手术还需要多名医护人员协同完成，其中由于植入部位和患者体位的限制，医生在手术过程中操作空间狭小，手术过程中难以保持舒适的体态，体力消耗严重，大大增加了手术负担，也从侧面影响了手术效率和手术效果。同时，医生频繁的手部操作也增加了患者病灶处感染的风险。
[0003]针对以上问题，现有技术中通过采用车臂一体化穿刺机器人，进而辅助医生完成粒子植入穿刺手术。但是，现阶段的粒子植入手术机器人并不适用远程医疗的要求，也有可能不能满足穿刺机器人手术空间的要求，并不适合用于多体位的医疗穿刺手术。此外，通用型粒子植入穿刺手术机器人的造价昂贵，投入资金巨大。

技术实现思路

[0004]为了克服上述所指的现有技术中的不足之处，本专利技术提供车臂一体化穿刺机器人系统及方法，不仅可以自主移动到手术的指定位置，还可以自己调整至最佳穿刺位态，极大提高了医生使用的便利性和灵活性，减轻医生劳动强度，进而提高手术的效率。此外车臂一体化穿刺机器人系统在危险和紧急情况给下可以调整至安全位置，同时可以降低手术过程中医生对患者手术部位频繁操作而导致感染的风险，进一步提高了患者手术的安全性。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的。
[0006]车臂一体化穿刺机器人系统，由操控台、机器臂、上位机、下位机、粒子植入模组、承载车、视觉模组和光学定位仪组成，其特征在于包括：
[0007]所述操控台用于实现医生对穿刺机器人的控制；
[0008]所述机械臂是用于实现调整粒子植入模组进针姿态；
[0009]所述承载车用于实现机器人移动以及机械臂升降；
[0010]所述上位机用于接收、发送、处理和存储控制指令；
[0011]所述下位机通过控制总线，根据控制指令驱动各执行端的电机；
[0012]所述光学定位仪用来识别穿刺机器人各个位置的姿态；
[0013]所述视觉模组用于获取病人手术部位实时图像；
[0014]优选的，所述操控台，包括：
[0015]所诉操控台可以进行转换手动和自动模式，并在手动模式下由医生控制穿刺机器人进行穿刺手术，调整机器人的位姿，并通过视觉模组观察粒子植入模组的实时状态。
[0016]所述操控台可以控制粒子植入外针的前进和后退，粒子植入内针的前进和后退，
粒子植入内外针更换和弹夹更换。
[0017]优选的，所诉上位机，包括：
[0018]所述上位机用于对穿刺机器人进行控制和指令下达，实现对穿刺机器人的运动控制和运动规划，并将结果传送给下位机；
[0019]所述上位机由中央处理器、上位机存储模块、上位机I/O模块和上位机电源模块组成；
[0020]所述上位机存储模块必须在术前就存储好以下信息：穿刺机器人初始化位置以及所到达目标点，关节角度信息、按键控制指令的功能特征模型和安全保护响应程序。
[0021]优选的，所述下位机，包括：
[0022]所述下位机由下位机中央处理器、下位机I/O模块、下位机电源模块；
[0023]所述下位机I/O模块与上位机I/O模块之间的连接方式可以是有线连接、局域网连接；
[0024]所述中央处理器分别用于驱动控制粒子植入模组、机械臂、视觉模组和承载车。
[0025]所述粒子植入模组安装在机械臂末端，由植入机构控制模块、粒子植入针和弹夹组成。所述粒子植入针包括粒子植入外针和粒子植入内针。
[0026]优选的，所述穿刺机器人，包括：
[0027]所述穿刺机器人用于搭载穿刺执行机构并将其摆放至指定位姿状态，辅助植入针保持在准确的入针角度和位置，共有六个旋转关节和三个移动关节，分别由十四个伺服电机和一个电推杆驱动，其中机械臂为六个伺服电机，移动车轮有八个伺服电机。
[0028]所述伺服电机驱动器用于驱动穿刺机器人每个旋转关节和移动关节以及电推杆处电机；
[0029]优选的，所述光学定位仪，包括：
[0030]所述光学定位仪需要于定位球配合使用；
[0031]所述定位球需要安装标定板上，在通过标定板安装在粒子植入模组和承载车以及穿刺点处；
[0032]所述光学定位仪用于识别定位球的位置信息，确定其所处坐标系，进而确定穿刺机器人位姿信息以及和病灶点之间的距离信息。
[0033]优选的，所述粒子植入模组，包括：
[0034]所述粒子植入模组安装在从手机器人末端，由植入机构控制模块、粒子植入针和弹夹组成；
[0035]所述粒子植入针包括粒子植入外针和粒子植入内针；
[0036]所述植入机构控制模块可以控制粒子植入模组的外针前进和后退，粒子植入模组的内针前进和后退，粒子植入内外针更换和弹夹更换。
[0037]本专利技术还公开了车臂一体化穿刺机器人系统粒子植入方法，其特征在于，包括：
[0038]S1，穿刺机器人移动到指定手术位置；
[0039]S2，穿刺机器人系统确定其初始位置；
[0040]S3，穿刺机器人位姿调节；
[0041]S4，医生判断粒子植入模组是否有弹夹，若否则跳转到S5，若是则跳转到S6；
[0042]S5，安装弹夹，然后跳转到S6；
[0043]S6，医生判断是否有外针，若否则跳转到S7，若是则跳转到S8；
[0044]S7，安装外针，然后跳转到S7；
[0045]S8，医生操作穿刺机器人系统植入粒子；
[0046]S9，医生判断是否完成手术，若否则跳转到S8，若是则手术结束；
[0047]S10，穿刺机器人移动到初始位置。
[0048]优选的，所述位姿调节，包括：
[0049]所述位姿调节，在医生发出“位姿调节”的控制指令后，所述车臂一体化穿刺机器人系统中的穿刺机器人完成确定初始位置后(预先设置好初始化位置信息)，机器臂与承载车协调运动调整姿态，由光学定位仪确定穿刺机器人的姿态信息并进行姿态配准，其中承载车保证大范围的移动，机械臂进行补偿，确定最佳穿刺路径以及进针姿态，直至与预先设置好的初始化信息一致，完成姿态匹配。
[0050]本专利技术提供车臂一体化穿刺机器人系统及方法，其系统包括用于实现医生对穿刺机器人控制的的操控台，用于接收、发送、处理和储存控制指令的上位机，用于调整粒子植入模组的机械臂和承载车，用于提供术前识别姿态，术中导航的光学定位仪，以及术前移动检测障碍物的传感器模组，用于完成术中具体的植入粒子操作的粒子植入模组。因此，在粒子植入手术中使用车臂一体化穿刺机器人系统，提高了医生操作的灵活性，减轻了医生了劳动强度，由于其较强的通用性，可以设配不同粒子植入手术，还本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.车臂一体化穿刺机器人系统，由操控台、机器臂、上位机、下位机、粒子植入模组、光学定位仪、承载车和视觉模组组成，其特征在于包括：所述操控台用于实现医生对穿刺机器人的控制；所述机械臂是用于实现调整粒子植入模组进针姿态；所述承载车用于实现机器人移动以及机械臂升降；所述上位机用于接收、发送、处理和存储控制指令；所述下位机通过控制总线，根据控制指令驱动各执行端的电机；所述光学定位仪用来识别穿刺机器人各个位置的姿态；所述视觉模块是医生在进行手动操作时判断机器人实时位姿。2.根据权利要求1所述的车臂一体化穿刺机器人系统，其特征在于，所述操控台，包括：所诉操控台可以进行转换手动和自动模式，并在手动模式下由医生控制穿刺机器人进行穿刺手术，调整机器人的位姿，并通过视觉模块观察末端执行器的实时状态；所述操控台可以控制粒子植入外针的前进和后退，粒子植入内针的前进和后退，粒子植入外针更换和弹夹更换。3.根据权利要求1所述的车臂一体化穿刺机器人系统，其特征在于，所诉上位机，包括：所述上位机用于对穿刺机器人进行控制和指令下达，实现对穿刺机器人的运动控制和运动规划，并将结果传送给下位机；所述上位机由中央处理器、上位机存储模块、上位机I/O模块和上位机电源模块组成；所述上位机存储模块必须在术前就存储好以下信息：穿刺机器人初始化位置以及所到达目标点，关节角度信息、按键控制指令的功能特征模型和安全保护响应程序。4.根据权利要求1所述的车臂一体化穿刺机器人系统，其特征在于，所述下位机，包括：所述下位机由下位机中央处理器、下位机I/O模块、下位机电源模块；所述下位机I/O模块与上位机I/O模块之间的连接方式可以是有线连接、局域网连接；所述中央处理器分别用于驱动控制粒子植入模组、机械臂、视觉模块和承载车以及传感器模块；所述粒子植入模组安装在机械臂末端，由粒子植入针和弹夹组成。所述粒子植入针包括粒子植入外针和粒子植入内针。5.根据权利要求1所述的车臂一体化穿刺机器人系统，其特征在于，所述穿刺机器人，包括：所述穿刺机器人用于搭载粒子植入模组并将其摆放至指定位姿状态，辅助植入针保持在准确的入针角度和位置，共有六个旋转关节和三个移动关节，分别由十四个伺服电机和一个电推杆驱动，其中机械臂为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永德，姚鑫，李研泽，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：