[发明专利]智能辅助定位骨科手术机器人系统及其操作方法

说明书

本发明涉及智能辅助定位骨科手术机器人系统及其操作方法，包括机器人，控制机器人运动、粗定位和精定位的控制模块，以及终端服务设备，机器人包括包括底座、升降机构、升降杆、四节式手臂、手术床、摄像头、触摸屏以及力矩传感器和定位标记组件；控制模块包括运动控制模块、粗定位模块、精定位模块；终端服务设备包括触摸屏、操作控制台、实时监测模块、结果存储与输出模块。本发明的智能辅助定位骨科手术机器人系统智能化程度高，能够在骨科手术中实现定位导航功能，系统精度高，通过粗定位加精定位的模式保证定位的准确，机器人作为智能手术工具协助医生完成手术，极大地助力于整个手术的质量。

技术领域

本发明涉及手术机器人技术领域，尤其是一种智能辅助定位骨科手术机器人系统及其操作方法。

背景技术

机器人进入医疗领域以来，随着技术水平的提高，由机器人辅助的外科手术逐渐成为生物医学及机器人学科研究的热点。由于机器人辅助的外科手术具有更小的创伤、更短的康复时间、更精确的操作等优点，因此在许多类型手术中都得到了应用。

骨科手术机器人是一种外科手术机器人。早期的骨科手术机器人为了能够实现高精度的手术操作都是以主动式机器人为主，但是随着临床试验的深入，医生发现在复杂的手术操作环境下，高度的自动化并没有给手术过程带来足够的安全保障，反而给医生心理带来很大的压力，后来逐渐发展了被动机器人、主从遥操作机器人、人机协作机器人等几种操作模式的机器人，以此希望通过医生对机器人实时的、直接的干预实现高安全性的手术过程。从实际效果看，人机协作机器人在骨科手术中的应用需求更明显，机器人保留了其高精度以及高灵巧性的特点，医生具有操作技巧以及决策能力，机器人作为智能手术工具来协助医生完成手术。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的智能辅助定位骨科手术机器人系统及其操作方法，从而通过半自主式的智能辅助定位，极大地助力于协助医生完成手术，助力于手术质量的提升。

本发明所采用的技术方案如下：

一种智能辅助定位骨科手术机器人系统，包括机器人，控制机器人运动、粗定位和精定位的控制模块，以及终端服务设备；

所述机器人的结构为：包括底座，底座上通过升降机构安装有升降杆，升降杆上转动安装有四节式手臂，四节式手臂的终端处安装有力矩传感器和定位标记组件；所述升降杆顶端安装有触摸屏，所述四节式手臂的下方放置有手术床；还包括由机器人外部的支架支承、与定位标记组件配合使用的摄像头；

所述控制模块包括运动控制模块、粗定位模块和精定位模块，所述运动控制模块控制四节式手臂的空间运动；所述粗定位模块通过采集模块采集力矩传感器的力矩信息后，传递给力控制模块，力控制模块将该力矩信息转化至机器人坐标系中并向运动控制模块输出速度命令和位置增量命令；所述精定位模块通过摄像头采集定位标记组件的空间信息并转换为坐标，反馈至运动控制模块。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述四节式手臂的结构为：包括转动安装于升降杆的大臂，大臂一端套装于升降杆并转动连接，大臂另一端的底面转动安装有J型结构的小臂；所述小臂顶端转动安装于大臂底面，小臂下端沿着轴向转动安装有回转臂，回转臂端部转动安装有旋转臂，旋转臂以其与回转臂的相接位为中心上下摆动；所述旋转臂圆周壁面上固装有定位标记组件，位于定位标记组件前方的旋转臂上固装有力矩传感器；所述旋转臂端部开有供手术器械卡装的上下贯穿的孔。

所述定位标记组件的结构为：包括与四节式手臂固装的十字形架，十字形架的同一侧面的四个端头均固装有反光球，摄像头采集四个反光球的位置信息并反馈至精定位模块，由精定位模块计算获得四节式手臂末端的位姿。

手术床上的人体上配置有相同的反光球，结合摄像头的位置采集，经视觉匹配算法，由运动控制模块控制四节式手臂的末端移动跟踪至待手术位置的上方。