本发明涉及医疗器械领域，具体地，涉及手术病床的跟踪测量机械臂装置。尤其涉及一种利用被动式串行机械臂上各关节的传感器来感知病床位置变化，实现病床自动实时跟踪的方法。
背景技术：
当前，血管介入领域出现了机器人手术辅助系统，其技术优势在于可以使医生避免dsa的射线损伤，以及实现更为精准的手术操作。机器人手术辅助系统一般采用主从式结构，及医生通过主手发送动作命令，从端执行医生的动作命令，实现器材的夹持、推送和旋转。在手术过程中，有必要时需移动dsa的机头以便对手术关注部位进行成像，在dsa的臂无法到达的地方，需要移动手术床配合成像。手术床移动时，如果机器人从端夹持器材则需要夹持器材，则需要从端和手术床一起运动，避免器材在人体血管内的位置不变。为了实现从端和手术床的同步运动，就需要监测手术床的运动位置并将这一位置作为输入给与从端系统，控制从端跟随手术床一起运动。
手术床的运动一般情况下为三个垂直方向上移动，而且这三个方向上互相独立，并且是随机的，一般由医生拉动或者电动配合dsa来造影。检测手术床运动可以使用导轨式的测量方法，但是三个方向上的测量需要从结构上进行解耦，实现相互独立，占地空间比较大，在手术室里面存在一定的安装困难。另外，一种常用的办法是使用双目或者三目的光学视觉跟踪系统，将光学标记固定安装在病床上，通过光学视觉跟踪系统给出手术床的空间坐标以及运动轨迹，在通过空间坐标变换将其由视觉跟踪系统坐标系变换到机器人坐标系。光学跟踪系统的缺点在于容易造成遮挡，尤其在手术床旁边医护人员的频繁无序随机运动造成的影响难以消除。
从各种资料来看，血管介入机器人辅助系统中所需要的手术床跟踪系统有必要采用新的方法来解决上述问题。需要解决的关键问题包括：(1)三个自由度上的移动量需要完全解耦；(2)具有较大的运动空间与范围，并且保证一定的精度；(3)具有安全可能，数据量是连续的，能够进行可靠有效获取；(4)适合安装在手术室里面，占用空间小，易于拆装。
专利文献cn103895023b(申请号：201410135361.7)公开了一种基于编码方位装置的机械臂末端跟踪测量系统及方法。系统包括机械臂、多面体编码点特征测量靶标、机械臂末端执行器、机械臂控制柜、测量像机和上位机。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种手术病床的跟踪测量机械臂装置。
根据本发明提供的一种手术病床的跟踪测量机械臂装置，其特征在于，包括:
病床夹持器、位置跟踪机构以及姿态跟踪机构；
所述姿态跟踪机构、位置跟踪机构和病床夹持器依次连接，病床夹持器固定在病床床尾，当病床作三维直线调节时，实时测量病床的三维轨迹，并解算到自身坐标系中。
优选地，所述病床夹持器由旋柄、导向杆、夹座及球铰组成；
所述位置跟踪机构由第一伸缩杆、第二伸缩杆、第三伸缩杆、拉线钢丝及拉线传感器组成；
所述姿态跟踪机构由第一支撑架、第一关节转角编码器、第二关节转角编码器、第一支撑杆、第三关节转角编码器、第二支撑架、第二支撑杆、第四关节转角编码器、第三支撑架以及底座组成。
优选地，所述旋柄和夹座通过螺纹连接，旋柄上设置有螺纹，旋柄旋和在夹座的螺纹里；
导向杆包括左导向杆-和右导向杆-，左导向杆-和右导向杆-插在夹座的导向孔里；
磁体-与左导向杆-、右导向杆-的末端粘接，旋柄的末端依靠磁力吸附磁体-；
当旋柄转动时，推动磁体-压向夹座的夹持面-，左导向杆-和右导向杆-起导向保持作用；
球铰由球头杆-和球腔杆-组成，为球连接副，绕球心可以实现三轴转动，球腔杆-连接至后续第一伸缩杆的端部。
优选地，所述位置跟踪机构的第一伸缩杆套在第二伸缩杆中，可自由滑动；
第二伸缩杆套在第三伸缩杆中，可自由滑动；
拉线传感器固定在第三伸缩杆的端部，拉线钢丝的端部固定在第一伸缩杆的末端；
第一伸缩杆伸出时，从拉线传感器中拉出拉线钢丝，第一伸缩杆缩回时，依靠拉线传感器中的复位力拉线钢丝缩回到拉线传感器中，拉线传感器输出移动量。
优选地，所述拉线钢丝固定在第一伸缩杆端部；
所述拉线传感器输出的移动量为拉线钢丝的移动量，所述拉线钢丝的移动量为第一伸缩杆的移动量。
优选地，所述姿态跟踪机构位置跟踪机构的第三伸缩杆安装在第一支撑架上，绕第一支撑架的支撑轴轴线b转动，由第一关节转角编码器测出转动角度；
第一支撑架安装在第一支撑杆内，绕第一支撑杆的轴线a转动，第二关节转角编码器测出转动角度；
第一支撑杆安装在第二支撑架上，绕第二支撑架的轴线c转动，第三关节转角编码器测出转动角度；
第二支撑架安装在第二支撑杆上，第二支撑杆安装在第三支撑架上，绕第三支撑架的轴线d转动，第四关节转角编码器测出转动角度。
优选地，所述实时测量病床的三维轨迹指：
通过位置跟踪机构测出的移动量以及姿态跟踪机构测出的转动角度，计算得到跟踪位置为相对于测量机械臂的位置。
优选地，所述解算的方法包括：利用d-h方法建立起机械臂的运动学方程，计算得到在三维空间内点的位置和转角量、移动量之间的对应关系。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明可以用于病床的实时跟踪，具有结构紧凑、可靠、低成本等特点。
2、本发明病床的跟踪的解算方法具有一定的冗余性，在减少不多于两个转角配置的情况下依然可以进行解算与跟踪，冗余配置的必要性在于增加安全可靠性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的结构示意图。
图2为本发明提供的病床夹持结构示意图。
图3为本发明提供的各运动轴的空间关节图。
图中示出：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种手术病床的跟踪测量机械臂装置，其特征在于，包括:
病床夹持器、位置跟踪机构以及姿态跟踪机构；
所述姿态跟踪机构、位置跟踪机构和病床夹持器依次连接，病床夹持器固定在病床床尾，当病床作三维直线调节时，实时测量病床的三维轨迹，并解算到自身坐标系中。
具体地，所述病床夹持器由旋柄1、导向杆2、夹座3及球铰4组成；
所述位置跟踪机构由第一伸缩杆5、第二伸缩杆7、第三伸缩杆8、拉线钢丝6及拉线传感器10组成；
所述姿态跟踪机构由第一支撑架9、第一关节转角编码器11、第二关节转角编码器12、第一支撑杆13、第三关节转角编码器14、第二支撑架15、第二支撑杆16、第四关节转角编码器17、第三支撑架18以及底座19组成。
具体地，所述旋柄1和夹座3通过螺纹连接，旋柄1上设置有螺纹，旋柄1旋和在夹座3的螺纹里；
导向杆2包括左导向杆2-1和右导向杆2-2，左导向杆2-1和右导向杆2-2插在夹座3的导向孔里；
磁体2-3与左导向杆2-1、右导向杆2-2的末端粘接，旋柄1的末端依靠磁力吸附磁体2-3；
当旋柄1转动时，推动磁体2-3压向夹座3的夹持面3-1，左导向杆2-1和右导向杆2-2起导向保持作用；
球铰4由球头杆4-1和球腔杆4-2组成，为球连接副，绕球心可以实现三轴转动，球腔杆4-2连接至后续第一伸缩杆5的端部。
具体地，所述位置跟踪机构的第一伸缩杆5套在第二伸缩杆7中，可自由滑动；
第二伸缩杆7套在第三伸缩杆8中，可自由滑动；
拉线传感器10固定在第三伸缩杆8的端部，拉线钢丝6的端部固定在第一伸缩杆5的末端；
第一伸缩杆5伸出时，从拉线传感器10中拉出拉线钢丝6，第一伸缩杆5缩回时，依靠拉线传感器10中的复位力拉线钢丝6缩回到拉线传感器10中，拉线传感器10输出移动量。
具体地，所述拉线钢丝6固定在第一伸缩杆端部；
所述拉线传感器10输出的移动量为拉线钢丝6的移动量，所述拉线钢丝6的移动量为第一伸缩杆5的移动量。
具体地，所述姿态跟踪机构位置跟踪机构的第三伸缩杆8安装在第一支撑架9上，绕第一支撑架9的支撑轴轴线b转动，由第一关节转角编码器11测出转动角度；
第一支撑架9安装在第一支撑杆13内，绕第一支撑杆13的轴线a转动，第二关节转角编码器12测出转动角度；
第一支撑杆13安装在第二支撑架15上，绕第二支撑架15的轴线c转动，第三关节转角编码器14测出转动角度；
第二支撑架15安装在第二支撑杆16上，第二支撑杆16安装在第三支撑架18上，绕第三支撑架18的轴线d转动，第四关节转角编码器17测出转动角度。
具体地，所述实时测量病床的三维轨迹指：
通过位置跟踪机构测出的移动量以及姿态跟踪机构测出的转动角度，计算得到跟踪位置为相对于测量机械臂的位置。
具体地，所述解算的方法包括：利用d-h方法建立起机械臂的运动学方程，计算得到在三维空间内点的位置和转角量、移动量之间的对应关系。
下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。
优选例1：
根据本发明提供的一种手术病床的被动跟踪测量机械臂系统如图1所示，整个被动测量机械臂包括旋柄1、导向杆2、夹座3、球铰4组成的病床夹持器，第一伸缩杆5、第二伸缩杆7、第三伸缩杆8、拉线钢丝6、拉线传感器10组成的位置跟踪机构，第一支撑架9、第一关节转角编码器11、第二关节转角编码器12、第一支撑杆13、第三关节转角编码器14、第二支撑架15、第二支撑杆16、第四关节转角编码器17、第三支撑架18、底座19组成的姿态跟踪机构，病床夹持器固定在病床床尾，后边依次连接姿态跟踪机构、位置跟踪机构，当病床作三维直线调节时，该系统会实时测量病床的三维轨迹，并解算到自身坐标系中。
根据本发明提供的一种手术病床的被动跟踪测量机械臂系统，其病床夹持器如图2所示，旋柄1具有螺纹，旋和在夹座3的螺纹孔里。导向杆2由左导向杆2-1、右导向杆2-2插在夹座3的导向孔里，磁体2-3与左导向杆2-1、右导向杆2-2的末端粘接，旋柄1的末端依靠磁力吸附磁体2-3，当旋柄1转动时，推动磁体2-3压向夹座3的夹持面3-1，左导向杆2-1和右导向杆2-2起导向保持作用，球铰4由球头杆4-1和球腔杆4-2组成，为球连接副，绕球心可以实现三轴转动，球腔杆4-2连接至后续第一伸缩杆5的端部。
根据本发明提供的一种手术病床的被动跟踪测量机械臂系统，其姿态跟踪机构的关节配置如图3所示。姿态跟踪机构位置跟踪机构的第三伸缩杆8的末端安装在第一支撑架9上，绕第一支撑架9的支撑轴轴线b转动，由第一关节转角编码器11测出转动角度，第一支撑架9的支撑轴安装在第一支撑杆13内，可以绕第一支撑杆13的轴线a转动，第二关节转角编码器12测出转角，第一支撑杆13安装在第二支撑架15的支撑轴上，可以绕第二支撑架15的轴线c转动，第三关节转角编码器14测出转角，第二支撑架15固定安装在第二支撑杆16上，第二支撑杆16安装在第三支撑架18的支撑轴上，可以绕第三支撑架18的轴线d转动，第四关节转角编码器17测出转角。
优选例2：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种血管介入手术中，用于手术床跟踪测量的装置，在手术室中实现可靠、实时的位置跟踪。
根据本发明提供的一种手术床的被动跟踪测量机械臂装置，包括：旋柄(1)、导向杆(2)、夹座(3)、球铰(4)组成的病床夹持器，第一伸缩杆(5)、第二伸缩杆(7)、第三伸缩杆(8)、拉线钢丝(6)、拉线传感器(10)组成的位置跟踪机构，包括第一支撑架(9)、第一关节转角编码器(11)、第二关节转角编码器(12)、第一支撑杆(13)、第三关节转角编码器(14)、第二支撑架(15)、第二支撑杆(16)、第四关节转角编码器(17)、第三支撑架(18)、底座(19)组成的姿态跟踪机构，姿态跟踪机构的底座(19)固定在手术室地面上，其末端的第一支撑架(9)联结固定位置跟踪机构的拉线传感器(10)，位置跟踪机构的第一伸缩杆(5)的末端联结病床夹持器中的球铰(4)，病床夹持器的夹座(3)使用旋柄(1)在导向杆(2)的导向作用下夹紧手术床的边缘。
当病床作三维直线调节时，病床夹持器会带动位置跟踪机构、姿态跟踪机构运动，在采集到位置跟踪机构拉线传感器(10)、第一关节转角编码器(11)、第二关节转角编码器(12)、第三关节转角编码器(14)、第四关节转角编码器(17)上的位置信息和转角信息后，系统会解算出自身坐标系中病床的三维运动轨迹。
所述病床的跟踪的解算方法中转角具有一定的冗余性(冗余性指的是当其中一个转角关节出现故障，使用时可以锁死这个关节，这个算法中对应的转角量就变为一个常数值，在这种情况下，仍然可以通过解算方法进行解算)，在减少不多于两个转角配置的情况下依然可以进行解算与跟踪，冗余配置的必要性在于增加安全可靠性，并缩小跟踪测量机械臂装置的占地空间。所述解算方法是机器人运动学通用的解算方法，不属于主要发明点，例如利用d-h方法建立起机械臂的运动学方程，可以计算得到在三维空间内点的位置和转角量、移动量之间的对应关系。
病床夹持器的旋柄(1)具有螺纹，旋和在夹座(3)的螺纹孔里。导向杆(2)由左导向杆(2-1)、右导向杆(2-2)插在夹座(3)的导向孔里，磁体(2-3)与左导向杆(2-1)、右导向杆(2-2)的末端粘接，旋柄(1)的末端依靠磁力吸附磁体(2-3)，当旋柄(1)转动时，推动磁体(2-3)压向夹座(3)的夹持面(3-1)，左导向杆(2-1)和右导向杆(2-2)起导向保持作用，球铰(4)由球头杆(4-1)和球腔杆(4-2)组成，为球连接副，绕球心可以实现三轴转动，球腔杆(4-2)连接至后续第一伸缩杆(5)的端部。
位置跟踪机构的第一伸缩杆(5)插入到第二伸缩杆(7)中，可以自由滑动，第二伸缩杆(7)插入到第三伸缩杆(8)中，可以自由滑动，拉线传感器(10)固定在第三伸缩杆(8)的端部，拉线钢丝(6)的端部固定在第一伸缩杆(5)的末端，第一伸缩杆(5)伸出时，从拉线传感器(10)中拉出拉线钢丝(6)，第一伸缩杆(5)缩回时，依靠拉线传感器(10)中的复位力拉线钢丝(6)缩回到拉线传感器(10)中，拉线传感器(10)输出移动量。
姿态跟踪机构位置跟踪机构的第三伸缩杆(8)的末端安装在第一支撑架(9)上，绕第一支撑架(9)的支撑轴轴线b转动，由第一关节转角编码器(11)测出转动角度，第一支撑架(9)的支撑轴安装在第一支撑杆(13)内，可以绕第一支撑杆(13)的轴线a转动，第二关节转角编码器(12)测出转角，第一支撑杆(13)安装在第二支撑架(15)的支撑轴上，可以绕第二支撑架(15)的轴线c转动，第三关节转角编码器(14)测出转角，第二支撑架(15)固定安装在第二支撑杆(16)上，第二支撑杆(16)安装在第三支撑架(18)的支撑轴上，可以绕第三支撑架(18)的轴线d转动，第四关节转角编码器(17)测出转角。
优选的，姿态跟踪使用了四个转角测量，多个转角量的测量优点在于使用机械臂的折叠作用，可以减少被动测量机械臂的占地空间，避免侵占手术室紧凑狭小的室内面积。
优选的，病床的跟踪通过位置跟踪机构通过移动量以及四个转角测量通过计算后的得到，多个变量的使用，具有一定的冗余性，在减少不多于两个转角配置的情况下依然可以进行解算与跟踪，冗余配置的必要性在于增加安全可靠性。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
1.一种手术病床的跟踪测量机械臂装置，其特征在于，包括:
病床夹持器、位置跟踪机构以及姿态跟踪机构；
所述姿态跟踪机构、位置跟踪机构和病床夹持器依次连接，病床夹持器固定在病床床尾，当病床作三维直线调节时，实时测量病床的三维轨迹，并解算到自身坐标系中。
2.根据权利要求1所述的一种手术病床的跟踪测量机械臂装置，其特征在于，所述病床夹持器由旋柄(1)、导向杆(2)、夹座(3)及球铰(4)组成；
所述位置跟踪机构由第一伸缩杆(5)、第二伸缩杆(7)、第三伸缩杆(8)、拉线钢丝(6)及拉线传感器(10)组成；
所述姿态跟踪机构由第一支撑架(9)、第一关节转角编码器(11)、第二关节转角编码器(12)、第一支撑杆(13)、第三关节转角编码器(14)、第二支撑架(15)、第二支撑杆(16)、第四关节转角编码器(17)、第三支撑架(18)以及底座(19)组成。
3.根据权利要求2所述的一种手术病床的跟踪测量机械臂装置，其特征在于，所述旋柄(1)和夹座(3)通过螺纹连接，旋柄(1)上设置有螺纹，旋柄(1)旋和在夹座(3)的螺纹里；
导向杆(2)包括左导向杆(2-1)和右导向杆(2-2)，左导向杆(2-1)和右导向杆(2-2插在夹座(3)的导向孔里；
磁体(2-3)与左导向杆(2-1)、右导向杆(2-2)的末端粘接，旋柄(1)的末端依靠磁力吸附磁体(2-3)；
当旋柄(1)转动时，推动磁体(2-3)压向夹座(3)的夹持面(3-1)，左导向杆(2-1)和右导向杆(2-2)起导向保持作用；
球铰(4)由球头杆(4-1)和球腔杆(4-2)组成，为球连接副，绕球心可以实现三轴转动，球腔杆(4-2)连接至后续第一伸缩杆(5)的端部。
4.根据权利要求2所述的一种手术病床的跟踪测量机械臂装置，其特征在于，所述位置跟踪机构的第一伸缩杆(5)套在第二伸缩杆(7)中，可自由滑动；
第二伸缩杆(7)套在第三伸缩杆(8)中，可自由滑动；
拉线传感器(10)固定在第三伸缩杆(8)的端部，拉线钢丝(6)的端部固定在第一伸缩杆(5)的末端；
第一伸缩杆(5)伸出时，从拉线传感器(10)中拉出拉线钢丝(6)，第一伸缩杆(5)缩回时，依靠拉线传感器(10)中的复位力拉线钢丝(6)缩回到拉线传感器(10)中，拉线传感器(10)输出移动量。
5.根据权利要求4所述的一种手术病床的跟踪测量机械臂装置，其特征在于，所述拉线钢丝(6)固定在第一伸缩杆端部；
所述拉线传感器(10)输出的移动量为拉线钢丝(6)的移动量，所述拉线钢丝(6)的移动量为第一伸缩杆(5)的移动量。
6.根据权利要求2所述的一种手术病床的跟踪测量机械臂装置，其特征在于，所述姿态跟踪机构位置跟踪机构的第三伸缩杆(8)安装在第一支撑架(9)上，绕第一支撑架(9)的支撑轴轴线b转动，由第一关节转角编码器(11)测出转动角度；
第一支撑架(9)安装在第一支撑杆(13)内，绕第一支撑杆(13)的轴线a转动，第二关节转角编码器(12)测出转动角度；
第一支撑杆(13)安装在第二支撑架(15)上，绕第二支撑架(15)的轴线c转动，第三关节转角编码器(14)测出转动角度；
第二支撑架(15)安装在第二支撑杆(16)上，第二支撑杆(16)安装在第三支撑架(18)上，绕第三支撑架(18)的轴线d转动，第四关节转角编码器(17)测出转动角度。
7.根据权利要求1所述的一种手术病床的跟踪测量机械臂装置，其特征在于，所述实时测量病床的三维轨迹指：
通过位置跟踪机构测出的移动量以及姿态跟踪机构测出的转动角度，计算得到跟踪位置为相对于测量机械臂的位置。
8.根据权利要求1所述的一种手术病床的跟踪测量机械臂装置，其特征在于，所述解算的方法包括：利用d-h方法建立起机械臂的运动学方程，计算得到在三维空间内点的位置和转角量、移动量之间的对应关系。
技术总结