CN115553888A - 集3d相机、进针装置于一体的穿刺机器人及穿刺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人及穿刺方法。穿刺机器人包括有控制台、机械臂，在所述机械臂末端安装有由所述控制台和所述机械臂控制的穿刺执行机构，所述穿刺执行机构包括有法兰、3D相机、进针装置、驱动装置及基座；所述基座经所述法兰与所述机械臂固定连接，所述法兰、3D相机、进针装置和驱动装置均固定安装在所述基座上，随机械臂的运动作同步移动。可以解决现有机器人分体设置的问题，而且可以有效、快速实现精确判断位置的目的，可以快速将CT床中患者位置信息与机器人位置信息结合一起，快速执行手术过程。

Description

集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人及穿刺方法

技术领域

本发明涉及穿刺机器人领域，具体地说，涉及一种集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人及穿刺方法。

背景技术

手术机器人在手术过程中，需要精确地找准手术位置，并将手术机器人的手术执行装置移动到手术位置，才能正确地进行手术过程，为后续的治疗打好基础。现有手术机器人用于找准手术位置的方法及装置是根据CT设备传送的位置信息来实现，但是如何判断手术机器人末端的手术执行装置是否移动至正确的手术位置，目前大多采用独立的红外双目相机，同时在手术执行装置的末端安装多个反光球，通过红外双目相机与反光球的结合来快速判断手术执行装置是否已经精确地移动到手术位置。利用这种方法、装置虽可以实现上述目的，但是在实际使用过程中存在有以下问题：

红外双目相机需要独立的一台设备，在医院CT室有限的空间内，需要增加红外双目相机设备，显得设备杂乱，且容易因为触碰而移动，无法进行精确定位。

手术执行装置的末端需要安装多个反光球，由于反光球的安装会影响手术执行装置的设计，也会影响手术执行装置对手术功能的实施，尤其是需要快速、准确完成手术过程的穿刺手术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人及穿刺方法。将3D相机与进针装置集合成一个整体，固定安装在机器人机械臂的末端，不仅可以解决分体设置的问题，而且可以有效实现上述精确判断位置的目的，还可以快速将CT床中患者位置信息与机器人位置信息结合一起，快速执行手术过程。

本发明中集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人包括有控制台、机械臂，在所述机械臂末端安装有由所述控制台和所述机械臂控制的穿刺执行机构，所述穿刺执行机构包括有法兰、3D相机、进针装置、驱动装置及基座；所述基座经所述法兰与所述机械臂固定连接，所述法兰、3D相机、进针装置和驱动装置均固定安装在所述基座上，随机械臂的运动作同步移动。

优选地，所述3D相机包括有结构光源、相机，所述结构光源、相机分别固定安装在所述进针装置的两侧，所述结构光源、相机固定安装完成后，所述结构光源的光源覆盖范围和所述相机的拍摄范围恰好呈重叠的方式位于所述进针装置的下方。

优选地，所述基座包括有长方形主安装板，固定在所述主安装板一端短侧边的结构光源安装架，固定在所述主安装板另一短侧边的相机安装架，以及固定安装在所述主安装板下表面、位于所述结构光源安装架和相机安装架之间的齿轮箱安装架和进针装置安装架；所述结构光源安装架、相机安装架、进针装置安装架中的结构光源、相机及进针装置安装固定后位于所述主安装板的同一长侧边。

优选地，所述进针装置安装架直接固定在所述齿轮箱安装架上。

优选地，所述结构光源安装架包括有第一安装板、第二安装板和连接支架，所述第二安装板与所述第一安装板之间由调节螺栓、紧固螺栓连接，经由调节螺栓调节所述第一安装板、第二安装板之间的距离后由所述紧固螺栓连接固定，所述第二安装板经由连接支架固定安装在所述主安装板的短侧边，所述第一安装板固定连接所述结构光源。

优选地，所述相机安装架为一L形连接支架，包括有与相机固定连接的安装平板，与所述安装平板一体成形的能与所述主安装板侧边贴合固定的连接架。

优选地，所述相机与所述主安装板垂直安装，所述结构光源与所述主安装板呈30-60度角度安装。

优选地，所述主安装板为一长方形金属板，厚度在0.8-1.5厘米之间。

优选地，所述齿轮箱安装架在最底部内表面设置有滑道，在所述滑道内滑动设置有用于手动阻止穿刺针下移的安全挡板。

本发明中集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人的穿刺方法，包括以下步骤：

1)通过3D相机、CT设备分别对标定装置进行拍摄和扫描，确定出机械臂位置和CT设备中患者位置的转换关系；

2)通过CT设备对患者身体上的定位件进行扫描，将穿刺手术的准确位置传送给机器人，依据步骤1)中确定的转换关系由机器人控制机械臂，将进针装置的穿刺针移动至穿刺手术准确位置的正上方；

3)通过3D相机对患者身体上的定位件进行拍摄，判断机器人机械臂末端进针装置中的穿刺针是否对准穿刺手术的准确位置，如果是，则执行穿刺手术，如果不是，则停止手术或重复步骤2)、3)。

优选地，在步骤3)中，在判断出进针装置中的穿刺针已对准穿刺手术的准确位置后，进一步增加提示手动开启安全挡板的步骤。

优选地，步骤2)中，CT设备将穿刺手术的准确位置信息传送给机器人的过程中，传送的信息包括有准确的位置信息、穿刺针的进针角度信息以及进针距离的信息。

本发明通过将3D相机与进针装置结合在一起，可以减少整个机器人的设备设施，解决现有机器人分体设置的问题，而且可以有效、快速实现精确判断位置的目的，可以快速将CT床中患者位置信息与手术机器人位置信息结合一起，快速执行手术过程。

附图说明

图1是本发明中穿刺机器人的立体结构示意图。

图2是本发明中穿刺执行机构在工作状态时的立体结构放大示意图。

图3是本发明中穿刺执行机构的立体结构示意图。

图4是本发明中穿刺执行机构去除3D相机后的立体结构示意图。

图5是图4中所示穿刺执行机构另一方向的立体结构示意图。

图6是本发明中基座与进针装置的安装结构示意图。

图7是本发明中基座与进针装置另一方向的结构示意图。

图8是本发明中夹紧装置的立体结构示意图。

图9是本发明中相机安装架的立体结构示意图。

图10是本发明中手术机器人的工作原理图。

图号说明:

1、控制台，10、移动装置、11箱体

2、机械臂，3、穿刺执行机构，30、法兰，31、进针装置，32、基座，33、主安装板，34、结构光源安装架，35、相机安装架，36进针装置安装架，37、齿轮箱安装架，38、驱动装置，39、齿轮箱，310、夹紧装置，311、驱动轮，312、从动轮，313、输出轴，314、摆臂，340、第一安装板，341、第二安装板，342连接支架，343、调节螺栓、344、紧固螺栓，350安装平板，351、连接架，370、滑道，371、安全挡板

4、结构光源，40、相机，41、光源覆盖范围，42、拍摄范围，43、结构光源底座，

5、伺服电机，50、传感器，51电动推杆

6、穿刺针，7、定位件，8、标定装置，9、CT设备

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1和图10所示，本发明中集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人包括有控制台1、机械臂2，穿刺执行机构3。与医院内的CT设备9配合，对患者实施穿刺手术，穿刺手术完成后再由医生对患者进行治疗。控制台1的底部安装有移动装置10，可以根据手术需求移动至便于手术的位置，机械臂2固定安装在控制台1的顶面，受控制台1的控制可以将穿刺执行机构3移动至对患者实施穿刺手术的位置。本实施例中的移动装置10优先采用万向轮装置，具体结构不再详细描述。控制台1主要包括有箱体11及内部的控制装置，控制装置对于计算机领域来说是容易实现的，机械臂2则采用市售成熟产品，因此对于控制台1、机械臂2的结构与工作原理不再详细说明。

如图2所示，穿刺执行机构3包括有与机械臂2固定连接的法兰30，3D相机，进针装置31，驱动装置38，用于固定安装法兰30、3D相机、进针装置31及驱动装置38的基座32。具体结构如下：

如图2、图3、图4和图5所示，基座32包括有主安装板33、结构光源安装架34、相机安装架35、进针装置安装架36、齿轮箱安装架37。

3D相机包括有结构光源4、相机40，本实施例优选一个结构光源4和相机40组合使用，可以准备无误地测量出定位件7、标定装置8的具***置，如图10所示，当然也可以使用两个结构光源4，可以更大程度上消除单向投影的阴影带来的无效数据，能更真实、准确的测量出定位件7、标定装置8的实际位置。定位件7、标定装置8再通过CT设备9的扫描，可以获得定位件7和标定装置8在CT设备9(床)中具***置(即穿刺手术位置及患者所在位置)，再通过位置信息的传送以及转换可以准确无误的实施手术过程，其中定位件7、标定装置8是在穿刺手术过程中使用的辅助用具，可以采用市售成熟产品，位置信息的传送以及转换过程，对于机算计领域的技术人员是容易县实现的，在此不再详细描述。

如图3、图4和图5所示，主安装板33为一长方形金属板，厚度在0.8-1.5厘米之间，能够承担3D相机、进针装置31及驱动装置38的重量。长方形金属板的两端侧(短边方向)分别固定安装有结构光源安装架34、相机安装架35，且结构光源安装架34、相机安装架35和进针装置安装架36在安装完成后使得结构光源4、相机40、进针装置31位于主安装板33的同一长侧边的方向，在主安装板33的下表面可以有足够的空间用于安装进针装置31的驱动装置38。具体是进针装置31位于结构光源4、相机40之间，其中相机40垂直于主安装板33安装，可以在扫描测量中获得原生的图像信息，获得最佳的布置效果，从而测量的尺寸信息更为准确。结构光源4与主安装板33呈一定角度安装，安装角度为30-60度，最佳角度为45度。如图2所示，结构光源4、相机40固定安装完成后，结构光源4的光源覆盖范围41和相机40的拍摄范围42可以恰好呈重叠的方式位于进针装置31的下方，完全覆盖进针装置31的穿刺范围。通过结构光源4提供相移条纹光源，相机40可以在静止不动的情况下完成扫描，完成扫描的范围位于进针装置31的正下方，可以准确地计算出扫描范围内的每一点的准确坐标，使进针装置31能够准确无误的执行穿刺动作。

另，本发明将结构光源4、相机40与进针装置31固定安装在主安装板上33，形成一个完整的整体，无论机械臂怎么运动，都能使结构光源4、相机40、进针装置31一起作同步移动，结构光源4的光源覆盖范围41和相机40的拍摄范围42始终位于进针装置31的正下方，不会因为机械臂2的移动而发生变化，可以实现患者身体不同方位(多个方位)的穿刺手术。

如图4、图5和图6所示，主安装板33的顶面靠近结构光源安装架34的一端固定连接法兰30，另一端固定安装伺服电机5。主安装板33位于伺服电机5的下方位置固定安装有齿轮箱安装架37，进针装置安装架36与齿轮箱安装架37固定安装连接，使进针装置安装架36中的进针装置31与结构光源4、相机40位于主安装板33的同一长侧边。

如图5、图6和图7所示，驱动装置38包括有安装在主安装板33顶部的伺服电机5、安装在齿轮箱安装架37内部的齿轮箱39、以及直接安装在主安装板33下表面的传感器50和电动推杆51。伺服电机5、齿轮箱39、传感器50及电动推杆51等元器件均采用市售成熟产品，不再详细描述。

如图7和图8所示，进针装置31包括有能开启与闭合的夹紧装置310，驱动轮311和从动轮312。夹紧装置310用于对于穿刺针6的限位，由传感器50和电动推杆51驱动与控制。齿轮箱39与伺服电机5连接，同时齿轮箱39的输出轴313连接驱动轮311，从动轮312固定安装在夹紧装置310的一个摆臂314上，在驱动轮311和从动轮312的作用下可以推动位于驱动轮311和从动轮312之间的穿刺针6下移，执行穿刺动作。电动推杆51连接夹紧装置310，在传感器50的控制下可以作开启与闭合动作，执行穿刺动作之前，夹紧装置310呈闭合状态，穿刺针6位于驱动轮311与从动轮312之间，由伺服电机5通过齿轮箱39联接驱动轮311，在驱动轮311和从动轮312的作用下，穿刺针6执行穿刺动作，当穿刺动作完成后，夹紧装置310带动从动轮312开启，释放对穿刺针6的限制。

如图3和图4所示，结构光源安装架34包括有第一安装板340，第二安装板341和连接支架342，第二安装板340与第一安装板341之间由调节螺栓343、紧固螺栓344连接，经调节螺栓343调整第一安装板340、第二安装板341之间的距离后由紧固螺栓344连接固定。通过结构光源安装架34的结构设计可以调整结构光源4、相机40、进针装置31之间的相对位置，确保结构光源4的光源覆盖范围41和相机40的拍摄范围42恰好呈重叠的方式位于进针装置31的下方。第二安装板341经由连接支架342固定安装在主安装板33的一端的短侧边，第一安装板340直接固定结构光源4，结构光源4的安装角度经由结构光源底座43与第一安装板340进行调整固定，可以通过弧形滑道固定，角度调整后锁定固定，这对本领域的技术人来说是容易实现的，在此不再详细说明。

如图9所示，优选地，相机安装架35为一L形连接支架，包括有与相机40固定连接的安装平板350，与安装平板350一体成形的能与主安装板33一端侧边贴合固定的连接架351。利用L型连接支架可以将相机40垂直稳固的固定在主安装板33的侧边，确保相机扫描工作时的稳定。

如图6所示，齿轮箱安装架37在最底部的内表面设置有滑道370，在两相对的滑道370内滑动设置有一安全挡板371，在手动控制下，安全挡板371可以在滑道370内移动，在穿刺动作执行前可以手动移动安全挡板371，抵住穿刺针6下移，确保穿刺机器人在最后穿刺动作之前穿刺针6均不会由于误操作而执行穿刺动作，只有在确保全部安全的前提下，才能移动安全挡板371，执行最后的穿刺动作。

本发明中集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人的穿刺方法，按以下步骤执行：

1)通过3D相机、CT设备9分别对标定装置8进行拍摄和扫描，确定出机械臂位置和CT设备中患者位置的转换关系；

2)通过CT设备对患者身体上的定位件7进行扫描，将穿刺手术的准确位置传送给机器人，传送的信息包括有准确的位置信息、穿刺针的进针角度信息以及进针距离的信息，再依据步骤1)中确定的转换关系由机器人控制机械臂，将进针装置的穿刺针移动至穿刺手术准确位置，并调整好进针位置及角度；此步骤中，CT设备也可以直接CT图像及数据传送给穿刺机器人，由机器人读取CT图像中的信息再依据步骤1)中确定的转换关系，确定出准确的位置信息、穿刺针的进针角度信息以及进针距离的信息，再控制机械臂实施穿刺动作。

3)通过3D相机对患者身体上的定位件7进行拍摄，判断机器人机械臂末端进针装置中的穿刺针是否对准穿刺手术的准确位置。具体是通过3D相机获取定位件7的位置，判断3D相机获取的定位件7的位置信息与步骤2)中CT设备传送的穿刺手术准确位置信息是否一致，如果是，则执行穿刺手术，如果不是，则停止手术或重复步骤2)、3)。

由于在齿轮箱安装架37的底部安装有手动安全挡板371，在步骤3)中，在判断出进针装置中的穿刺针已对准穿刺手术的准确位置后，需要进一步增加提示手动开启安全挡板371的步骤，可以有效防止由于误操作穿刺针6执行穿刺的动作，避免对患者造成不必在伤害。

Claims (12)

1.一种集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人，包括有控制台、机械臂，其特征在于，在所述机械臂末端安装有由所述控制台和所述机械臂控制的穿刺执行机构，所述穿刺执行机构包括有法兰、3D相机、进针装置、驱动装置及基座；所述基座经所述法兰与所述机械臂固定连接，所述法兰、3D相机、进针装置和驱动装置均固定安装在所述基座上，随机械臂的运动作同步移动。

2.根据权利要求1所述的集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人，其特征在于，所述3D相机包括有结构光源、相机，所述结构光源、相机分别固定安装在所述进针装置的两侧，所述结构光源、相机固定安装完成后，所述结构光源的光源覆盖范围和所述相机的拍摄范围恰好呈重叠的方式位于所述进针装置的下方。

3.根据权利要求2所述的集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人，其特征在于，所述基座包括有长方形主安装板，固定在所述主安装板一端短侧边的结构光源安装架，固定在所述主安装板另一短侧边的相机安装架，以及固定安装在所述主安装板下表面、位于所述结构光源安装架和相机安装架之间的齿轮箱安装架和进针装置安装架；所述结构光源安装架、相机安装架、进针装置安装架中的结构光源、相机及进针装置安装固定后位于所述主安装板的同一长侧边。

4.根据权利要求3所述的集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人，其特征在于，所述进针装置安装架直接固定在所述齿轮箱安装架上。

5.根据权利要求3所述的集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人，其特征在于，所述结构光源安装架包括有第一安装板、第二安装板和连接支架，所述第二安装板与所述第一安装板之间由调节螺栓、紧固螺栓连接，经由调节螺栓调节所述第一安装板、第二安装板之间的距离后由所述紧固螺栓连接固定，所述第二安装板经由连接支架固定安装在所述主安装板的短侧边，所述第一安装板固定连接所述结构光源。

6.根据权利要求3-5任意一项所述的集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人，其特征在于，所述相机安装架为一L形连接支架，包括有与相机固定连接的安装平板，与所述安装平板一体成形的能与所述主安装板侧边贴合固定的连接架。

7.根据权利要求3-5任意一项所述的集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人，其特征在于，所述相机与所述主安装板垂直安装，所述结构光源与所述主安装板呈30-60度角度安装。

8.根据权利要求3-5任意一项所述的集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人，其特征在于，所述主安装板为一长方形金属板，厚度在0.8-1.5厘米之间。

9.根据权利要求3-5任意一项所述的集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人，其特征在于，所述齿轮箱安装架在最底部内表面设置有滑道，在所述滑道内滑动设置有用于手动阻止穿刺针下移的安全挡板。

10.一种集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人的穿刺方法，其特征在于，采用上述权利要求1-9中任意一项所述的集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人，包括以下步骤：

1)通过3D相机、CT设备分别对标定装置进行拍摄和扫描，确定出机械臂位置和CT设备中患者位置的转换关系；

2)通过CT设备对患者身体上的定位件进行扫描，将穿刺手术的准确位置传送给机器人，依据步骤1)中确定的转换关系由机器人控制机械臂，将进针装置的穿刺针移动至穿刺手术的准确位置；

3)通过3D相机对患者身体上的定位件进行拍摄，判断机器人机械臂末端进针装置中的穿刺针是否对准穿刺手术的准确位置，如果是，则执行穿刺手术，如果不是，则停止手术或重复步骤2)、3)。

11.根据权利要求10所述的集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人的穿刺方法，其特征在于，在步骤3)中，在判断出进针装置中的穿刺针已对准穿刺手术的准确位置后，进一步增加提示手动开启安全挡板的步骤。

12.根据权利要求10所述的集3D相机、进针装置于一体的穿刺机器人的穿刺方法，其特征在于，步骤2)中，CT设备将穿刺手术的准确位置信息传送给机器人的过程中，传送的信息包括有准确的位置信息、穿刺针的进针角度信息以及进针距离信息。

Images