[发明专利]基于定位板的机器人辅助穿刺系统及穿刺轨迹获取方法

权利要求书

1.一种基于定位板的机器人辅助穿刺系统，其特征在于，包括CT扫描仪(3)、机器人(5)、机器人控制器(6)以及定位板(1)；CT扫描仪(3)用于获取穿刺过程中目标区域的扫描图像；机器人控制器(6)与机器人(5)通过I/O接口连接，机器人控制器(6)用于控制机器人(5)的输出端沿着预设路径移动至目标区域；

定位板(1)设置在CT扫描仪(3)上，CT扫描仪(3)能扫描得到垂直于定位板(1)的影像；CT扫描仪(3)的扫描面垂直于定位板(1)的长度方向，沿定位板(1)的中心线开设凹槽，所述凹槽中设置有钢丝(2)，定位板(1)上设置有标记物(12)；定位板(1)设置在CT扫描仪机床(4)上；定位板(1)用于辅助CT扫描仪(3)的扫描面用于建立定位板和扫描影像坐标系；

机器人(5)机械臂的自由端设置机器人末端执行器(7)，机器人末端执行器(7)连接穿刺针(8)，机器人末端执行器(7)带动穿刺针(8)向目标区域执行穿刺动作；标记物(12)采用金属材质；标记物(12)设置在定位板的边缘靠近机器人的一角，标记物(12)的设置深度与钢丝(2)在定位板(1)上的深度相同；机器人(5)的自由端设置有机器人末端执行器(7)，末端执行器(7)包括法兰盘和连接杆，法兰盘与机器人机械臂自由端连接，法兰盘中心开设有连接螺纹孔，连接杆与法兰盘螺纹连接，连接杆的端部开设穿刺针孔，穿刺针孔垂直穿过连接杆的中心轴线，穿刺针孔处设置紧固螺钉，穿刺针(8)装入穿刺针孔用紧固螺钉压紧；

通过以下步骤获取穿刺针的运行轨迹：步骤1，将定位板(1)安装在CT扫描仪(3)上；

步骤2，将CT扫描仪(3)发射的示踪信号与定位板(1)上的标记物(12)重合；定位板(1)的长边与CT扫描仪(3)的纵轴平行，并标记物(12)视为定位板的原点；

步骤3，建立以步骤2所述标记物(12)为原点的穿刺针运动轨迹的坐标系，获取目标穿刺针运动轨迹的空间坐标，根据标记物(12)的所在切面和穿刺目标点切面，分别得出标记物(12)与穿刺目标点在Y轴方向的距离y，穿刺针目标点包括穿刺针起点和终点；

根据CT扫描仪(3)的扫描影像确定穿刺针的起点和终点；

步骤4，转换定位板与扫描影像坐标系与机器人基坐标系，根据机器人基坐标系与定位板坐标系之间的转换关系，得到穿刺针与起点与终点重合的轨迹。

2.根据权利要求1所述的基于定位板的机器人辅助穿刺系统，其特征在于，所述凹槽的深度为2mm，钢丝(2)的长度为75～85cm，直径为2mm。

3.根据权利要求1所述的基于定位板的机器人辅助穿刺系统，其特征在于，定位板(1)的材质为有机玻璃。

4.根据权利要求1所述的基于定位板的机器人辅助穿刺系统，其特征在于，机器人设置在CT扫描仪(3)的一侧，机器人底部设置有滑轨，机器人采用KR 5sixx R65、Viper 650或Vision robot VR6。

5.根据权利要求1所述的基于定位板的机器人辅助穿刺系统，其特征在于，机器人控制器(6)采用电脑。

6.根据权利要求1所述的基于定位板的机器人辅助穿刺系统，其特征在于，步骤3中，标记物(12)所在切面中，标记物(12)至钢丝(2)的距离x₁，目标点切面中，标记物(12)与目标点之间的距离x₂，得出标记物(12)与目标点X轴方向的距离为x＝x₁-x₂；同理，得到A点和B点与标记物的Z轴距离，进而得出目标点在定位板和扫描影像坐标系中的坐标为(x,y,z)；进一步得到A点与B点相对于标记物(12)的空间坐标：(x_a,y_a,z_a)和(x_b,y_b,z_b)。

7.根据权利要求1所述的基于定位板的机器人辅助穿刺系统，其特征在于，步骤4具体如下：

S1，对机器人建立笛卡尔坐标系，获取机器人杆件的几何参数、关节变量以及D-H参数；

S2，根据S1中建立的关于机器人的笛卡尔坐标系，以基座标系和机器人的第一关节坐标系：基座标系和机器人的第一关节坐标系之间的关系可以通过如下变换：先绕Z₀轴转动θ₁角度，其次沿Z₀轴平移d₁单位距离，然后沿着X₀轴平移l₁单位距离，最后绕X₀轴转动α₁角度，得到基座标系和机器人的第一关节坐标系的坐标变换关系：

式中，sθ₁＝sinθ₁，sa₁＝sinα₁，cθ₁＝cosθ₁，cα₁＝cosα₁；同理可以得到第一关节坐标系与第二关节坐标系之间的坐标变换关系¹A₂、第二关节坐标系与第三关节坐标系之间的坐标变换关系²A₃、第三关节坐标系与第四关节坐标系之间的坐标变换关系³A₄、第四关节坐标系与第五关节坐标系之间的坐标变换关系⁴A₅以及第五关节坐标系与第二关节坐标系之间的坐标变换关系⁵A₆；机器人末端执行器坐标系与基坐标系之间的转换关系为：

⁰T₆＝⁰A₁¹A₂²A₃³A₄⁴A₅⁵A₆；

S3，定位板和扫描影像坐标系之间的转换关系具体为：定位板(1)绕Z轴旋转θ角，再分别沿X,Y,Z轴平移d_x，d_y和d_z与机器人基坐标系重合，根据坐标变换可以得到基坐标系与定位板坐标系之间的关系如下：

S4，结合S3所得定位板与扫描影像坐标系之间的转换关系以及S2所得机器人末端执行器坐标系与基坐标系之间的转换关系，得到机器人末端执行器7与位板和扫描影像坐标系之间的转换关系：T＝⁰T₆*T'。