[发明专利]基于增强现实的介入机器人无接触遥操系统及标定方法

说明书

本发明提供了一种基于增强现实的介入机器人无接触遥操系统及标定方法，该系统主要由头戴式AR设备、形状传感系统、电磁跟踪系统、连续体机器人等组成，其标定主要包括五个步骤。本发明将增强现实技术应用于柔性手术机器人，克服了以往增强现实技术只针对刚性器械显示的缺陷，为医生提供沉浸式的手术体验，进一步增加手术的安全性。在增强现实技术的辅助下对腔内解剖学结构及介入的机器人进行3D透视，采用无接触的手势识别方式对机器人进行控制，将不同的手势映射为机器人不同的运动；解决了因形状传感器基坐标系是浮动基座难以获得绝对形状信息的问题；巧妙的将AR设备和电磁跟踪系统的标定转化为AX＝XB的求解问题，更加高效的求解了二者的变换关系。

技术领域

本发明涉及腔内介入的技术领域，具体地，涉及基于增强现实的介入机器人无接触遥操系统及标定方法。

背景技术

当前遥操作机器人辅助的腔内介入手术要求外科医生操作杆在2D X射线引导下控制机器人，而这种接触式手术增加了外科医生的工作量并将他们暴露在潜在的传染环境中，且2D的图像缺少深度信息，不仅不够直观还增加了误判断的风险。

在申请号为201510802654.0的中国发明专利中公开了一种利用增强现实技术的手术机器人系统及其控制方法，其技术方案是针对刚性手术器械的增强现实，无法适用于柔性机器人的实时形变特性，且其手术的操作方式需要医生与操作手柄直接接触，增加了外科医生交叉感染的风险。

针对上述中的相关技术，发明人认为上述中的手术机器人系统及其控制方法存在无法对柔性机器人进行虚拟与现实叠加的增强显示且易导致医生交叉感染的问题，因此，需要提出一种技术方案以改善上述技术问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于增强现实的介入机器人无接触遥操系统及标定方法。

根据本发明提供的一种基于增强现实的介入机器人无接触遥操系统，包括头戴式AR设备、PC1、PC2、光栅解调仪、磁场发生器、插入管、冗余机械臂、驱动单元、连续体机器人、LED、内窥镜相机、形状传感器和电磁传感器，所述头戴式AR设备与PC1相连接，所述PC2分别与光栅解调仪、磁场发生器、冗余机械臂和驱动单元相连接。

优选地，所述形状传感器、电磁传感器、连续体机器人、插入管、冗余机械臂、驱动单元、内窥镜相机及LED组成柔性机器人。

优选地，所述头戴式AR设备将柔性机器人模型叠加到现实场景，所述柔性机器人模型叠加的对象为连续体机器人和内窥镜插入管部分导管，所述连续体机器人和内窥镜插入管部分导管总长度由形状传感器的长度所决定。

优选地，所述光栅解调仪和形状传感器构成形状传感系统；所述磁场发生器和电磁传感器构成电磁跟踪系统。

优选地，所述系统的工作流程如下：

步骤1：PC1利用术前CT扫描的二维平面图重建腔内解剖结构三维模型，设置内窥镜影像在AR设备内的最佳观测位置；

步骤2：对系统进行标定；

步骤3：PC2利用形状传感系统测量的波长对柔性机器人的形状进行重建，根据步骤2的标定信息，把重建后的形状变换到AR设备坐标系，并把变换后的数据以及内窥镜影像通过无线通信发送给PC1；

步骤4：AR设备与PC1进行实时通信，医生佩戴AR设备；

步骤5：医生通过手势识别对柔性机器人的运动进行控制。

优选地，所述步骤2包括AR设备与电磁跟踪系统的标定、AR设备与机械臂的标定、AR设备定与解剖结构的标定、形状传感器与电磁传感器的标定和AR设备与世界参考系的标定；所述步骤4在AR设备内医生可观测到柔性机器人三维形状和腔内解剖三维模型在现实场景的叠加信息，医生实时观看到内窥镜的影像。