本发明涉及手术机器人领域，具体而言，涉及一种手术机器人导航定位系统。
背景技术：
骨科手术前通常需要进行透视扫描来对患肢的情况进行查看，为医生制定手术方案提供支持。术中需要对患肢再次进行透视扫描来确定手术进行情况与手术方案是否一致。术后还需要对患肢进行透视扫描以确定植入物是否达到预期效果。而人眼视觉没有透视功能，在术中需要进行多次透视扫描直到置管位置与术前方案一致才可以，这使得无论患者还是医务人员都将多次暴露在射线下。
手术机器人可以通过术前的透视扫描建立患肢的三维模型，使医生通过机器人的人机交互系统制定手术方案。手术开始时，将患肢固定在手术台上，图像定位系统通过手术台上和患肢上的合作目标对患肢的位置和姿态进行定位，随后医生可以操作串联机械臂按照手术方案向患肢特定位置移动。由于辅助机器人具有患肢的三维模型，可以准确定位手术部位，并根据患肢的微小移动做出偏移量修正。在术中仅需一次透视扫描确定实际操作与手术方案一致即可，大大减少了患者和医务人员的辐射量，同时也缩短了手术时间，减少手术对患者的附加伤害。
现有技术的缺点在于空间定位装置独立于串联机械臂，使得将串联机械臂和患肢转换到统一坐标系时需要同时观测到串联机械臂示踪器和患肢示踪器，保证两个示踪器同时以合适的角度面向定位装置并且在串联机械臂的移动过程中不能有医生或其他医疗设备的遮挡，这使得医生在操作设备时需更多地考虑串联机械臂、患肢以及空间测位装置之间的位置关系。同时由于需要对两个目标进行光学的空间定位，这使得定位时的随机误差也随之增大。
专利申请公开号cn104083217a中提出一种手术定位装置和方法以及机器人手术系统，提供一种手术定位装置，该装置通过串联机械臂与特定结构的定位标尺配合，实现任意角度的透视定位，并能消除计算手术路径时引起的系统误差，增大工作空间，提高手术定位精度。专利申请公开号cn107468350a中提出一种三维图像专用标定器、手术定位系统及定位方法，该定位方法能够实现三维图像注册并且不依赖于三维成像设备自身的参数。该手术定位系统包括手术机器人、上位机、空间坐标测位仪、机器人示踪器、患者示踪器、三维成像设备以及三维图像专用标定器。
专利申请公开号cn104083217a中的光学导航系统和专利申请公开号cn107468350a中的空间测位仪需要通过光学系统同时观测到串联机械臂示踪器和病人示踪器，而由于每次患者需要做手术的位置、手术环境以及串联机械臂规划的路径都有很大的不同，导致光学系统经在串联机械臂示踪器旋转一定角度时无法识别示踪器或在有其他医疗器械遮挡时无法对串联机械臂的位置进行定位。
技术实现要素：
本发明实施例提供了一种手术机器人导航定位系统，以至少解决现有导航定位系统定位精度低的技术问题。
根据本发明的实施例，提供了一种手术机器人导航定位系统，包括：控制主机、串联机械臂、患肢示踪器、光学导航系统；
患肢示踪器刚性连接在患者的患肢上，患肢示踪器上设置有标记点；串联机械臂包括若干连杆及连接在两个连杆之间的关节，每个关节都具有一个平移或者转动的自由度，串联机械臂至少有六自由度；光学导航系统设置在串联机械臂上；
光学导航系统获取患肢示踪器上标记点在光学导航坐标系下的坐标并发送给控制主机，控制主机接收串联机械臂的位置和姿态信息，计算出光学导航系统的位置和姿态信息，再结合光学导航系统获取患肢示踪器上标记点在光学导航坐标系下的坐标，使串联机械臂和患肢处于同一坐标系下。
进一步地，光学导航系统采用双目视觉方案，利用两个相机拍摄同一场景，融合两幅图像的差别得到视差图，进而通过对患肢示踪器的标记点提取确定患肢示踪器的位置和姿态，进而确定患肢的位置和姿态。
进一步地，光学导航系统与串联机械臂刚性连接。
进一步地，串联机械臂的自由度至少包括3个平移自由度和3个转动自由度。
进一步地，串联机械臂的正运动学为ξe＝κ(q)，串联机械臂上的末端执行器的位姿势ξe是基于关节坐标q的一个κ函数。
进一步地，末端执行器通过串联机械臂卡口刚性连接在串联机械臂的末端上。
进一步地，串联机械臂上的连杆为刚性材料。
进一步地，患肢示踪器上具有排布形状各向异性的多个标记点。
进一步地，患肢示踪器为刚性材料。
进一步地，光学导航系统包括激光传感器或者声波传感器。
本发明实施例中的手术机器人导航定位系统，通过光学手段实现非接触式的手术机器人导针装置和患肢的空间定位。本发明可建立世界坐标系、串联机械臂坐标系和光学导航坐标系之间的转换关系，结合串联机械臂坐标系将光学导航坐标系下的患肢位置转换为世界坐标系下的位置，使串联机械臂和患肢处于同一坐标系下，将手术机器人导针装置导航至医师指定的、与患肢相关的位置，以解决手术机器人在向患肢移动过程中定位难、定位不准的问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的手术机器人串联机械臂及光学导航系统结构示意图；
图2为本发明的手术机器人患肢示踪器结构示意图；
图3为本发明的手术机器人导航定位系统的优选工作原理示意图；
图4为本发明的手术机器人导航定位系统的优选工作流程图；
图中各标号列示如下：
1-串联机械臂；11-连杆；12-关节；13-基座；2-光学导航系统；3-执行器；4-串联机械臂卡口；5-患肢示踪器；51-标记点；6-控制主机。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本发明的实施例，提供了一种手术机器人导航定位系统，参见图1-4，包括：控制主机6、串联机械臂1、患肢示踪器5、光学导航系统2；
患肢示踪器5刚性连接在患者的患肢上，患肢示踪器5上设置有标记点51；串联机械臂1包括若干连杆11及连接在两个连杆11之间的关节12，每个关节12都具有一个平移或者转动的自由度，串联机械臂1至少有六自由度；光学导航系统2设置在串联机械臂1上；
光学导航系统2获取患肢示踪器5上标记点51在光学导航坐标系下的坐标并发送给控制主机6，控制主机6接收串联机械臂1的位置和姿态信息，计算出光学导航系统2的位置和姿态信息，再结合光学导航系统2获取患肢示踪器5上标记点51在光学导航坐标系下的坐标，使串联机械臂1和患肢处于同一坐标系下。
本发明的一种手术机器人导航定位系统，用于通过光学手段实现非接触式的手术机器人导针装置和患肢的空间定位。该系统包括控制主机6、至少六自由度的串联机械臂1、患肢示踪器5、光学导航系统2以及必要的连接装置等。本发明可建立世界坐标系、串联机械臂1坐标系和光学导航坐标系之间的转换关系，结合串联机械臂1坐标系将光学导航坐标系下的患肢位置转换为世界坐标系下的位置，使串联机械臂1和患肢处于同一坐标系下，将手术机器人导针装置导航至医师指定的、与患肢相关的位置。
本发明提出的一种手术机器人导航定位系统，主要用于将患肢和串联机械臂1转换到同一坐标系下并引导串联机械臂1末端执行器3向患肢的指定位置移动，以解决手术机器人在向患肢移动过程中定位难、定位不准的问题。
本发明使用的六自由度的串联机械臂1的整个链路是由一组被称为连杆11的刚体组成，多个连杆11由关节12(运动副)连接起来。每个关节12都有一个平移(滑动或移动副)或者转动(转动副)的自由度。关节12的运动改变了其邻接连杆11的相对角度和位置。串联机械臂1的正运动学通常表述为ξe＝κ(q)，它表明末端执行器3的位姿势ξe是基于关节12坐标q的一个κ函数。本发明使用的手术机器人的任务空间
本发明使用的光学导航系统2采用双目立体视觉技术进行空间定位，双目立体视觉是机器视觉的一种重要形式，是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差来获取物体三维几何信息。在本发明中光学导航系统2固定在串联机械臂1上，主要对患肢示踪器5在光学导航坐标系下进行定位，进而通过控制主机6转换到串联机械臂1坐标系乃至世界坐标系下。
如图1所示，本发明提出的手术机器人导航定位系统包含六自由度串联机械臂1、采用双目摄像头的光学导航系统2、手术用终端执行器3、串联机械臂卡口4，串联机械臂卡口4固定执行器3。如图2所示，本发明提出的手术机器人导航定位系统还包含患肢示踪器5。患肢示踪器5由刚性材料制成，在患肢示踪器5上具有排布形状各向异性的标记点51。患肢示踪器5需与患肢的骨头进行刚性连接并固定患肢，尽量保证患肢和患肢示踪器5不发生偏移或旋转。
本发明中使用的六自由度串联机械臂1由一组连杆11组成，连杆11为刚体，多个连杆11由关节12连接起来，每个关节12都具有转动的自由度，关节12的运动改变了其邻接的连杆11的相对角度和位置。串联机械臂1固定在基座13上，基座13可移动，但是在进入手术准备阶段至手术结束前基座13保持位置和姿态不变。
本发明中使用的光学导航系统2采用双目视觉方案，利用两个相机拍摄同一场景，融合两幅图像的差别得到视差图，进而通过对患肢示踪器5的标记点51提取确定患肢示踪器5的位置和姿态，进而确定患肢的位置和姿态。由控制主机6进行统一控制。
参见图1-4，下面结合附图和实施实例对本发明内容进行详细描述：
a、进行术前准备工作，合理安排病人及其他手术设备的位置，确保将病人置于手术机器人的有效作用范围内，确保其他手术设备不与手术机器人发生干涉。进行相关消毒操作。根据具体情况，按手术初步方案将麻醉后的病人的患肢固定于手术台上。将患肢示踪器5与患肢的骨头进行刚性连接，确保患肢示踪器5不与手术机器人发生干涉，确保患肢示踪器5与需要手术的骨头保持刚性连接。
b、术前定位工作，根据患肢的透视扫描结果，医生制定详细的手术方案，并确定患肢手术位置与患肢示踪器5的位置和姿态关系。
c、实施手术，如图3所示，启动串联机械臂1和光学导航系统2，光学导航系统2获取患肢示踪器5上标记点51在光学导航坐标系下的坐标并发送给控制主机6，控制主机6同时也接收串联机械臂1的位置和姿态信息。由于光学导航系统2采用刚性连接于串联机械臂1上，可以计算出光学导航系统2的位置和姿态信息，再结合光学导航系统2获取患肢示踪器5上标记点51在光学导航坐标系下的坐标，可使串联机械臂1和患肢处于同一坐标系下，进而引导串联机械臂1的末端执行器3向与患肢示踪器5位置相关的需要手术的部位移动。
本发明的关键点和保护点至少在于：
1、光学导航系统2采用双目视觉的方案获取患肢示踪器5的位置和姿态；
2、采用光学导航系统2与串联机械臂1刚性连接的方案，减少光学导航系统2需要同时获取患肢示踪器5的数量，在一定程度上减少了随机误差的来源，并且在部分情况下避免光学导航系统2被手术设备遮挡的情况。
本发明中光学导航系统2可采用其他传感器对患肢示踪器5进行定位定姿，如激光、声波等传感器。本发明中患肢示踪器5可被替换成能够被导航传感器识别并进行定位定姿的其他类型示踪器。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
1.一种手术机器人导航定位系统，其特征在于，包括：控制主机、串联机械臂、患肢示踪器、光学导航系统；
所述患肢示踪器刚性连接在患者的患肢上，所述患肢示踪器上设置有标记点；所述串联机械臂包括若干连杆及连接在两个所述连杆之间的关节，每个所述关节都具有一个平移或者转动的自由度，所述串联机械臂至少有六自由度；所述光学导航系统设置在所述串联机械臂上；
所述光学导航系统获取所述患肢示踪器上所述标记点在光学导航坐标系下的坐标并发送给所述控制主机，所述控制主机接收所述串联机械臂的位置和姿态信息，计算出所述光学导航系统的位置和姿态信息，再结合所述光学导航系统获取所述患肢示踪器上所述标记点在所述光学导航坐标系下的坐标，使所述串联机械臂和患肢处于同一坐标系下。
2.根据权利要求1所述的手术机器人导航定位系统，其特征在于，所述光学导航系统采用双目视觉方案，利用两个相机拍摄同一场景，融合两幅图像的差别得到视差图，进而通过对所述患肢示踪器的所述标记点提取确定所述患肢示踪器的位置和姿态，进而确定患肢的位置和姿态。
3.根据权利要求1所述的手术机器人导航定位系统，其特征在于，所述光学导航系统与所述串联机械臂刚性连接。
4.根据权利要求1所述的手术机器人导航定位系统，其特征在于，所述串联机械臂的自由度至少包括3个平移自由度和3个转动自由度。
5.根据权利要求1所述的手术机器人导航定位系统，其特征在于，所述串联机械臂的正运动学为ξe＝κ(q)，所述串联机械臂上的末端执行器的位姿势ξe是基于关节坐标q的一个κ函数。
6.根据权利要求5所述的手术机器人导航定位系统，其特征在于，所述末端执行器通过串联机械臂卡口刚性连接在所述串联机械臂的末端上。
7.根据权利要求1所述的手术机器人导航定位系统，其特征在于，所述串联机械臂上的所述连杆为刚性材料。
8.根据权利要求1所述的手术机器人导航定位系统，其特征在于，所述患肢示踪器上具有排布形状各向异性的多个所述标记点。
9.根据权利要求1所述的手术机器人导航定位系统，其特征在于，所述患肢示踪器为刚性材料。
10.根据权利要求1所述的手术机器人导航定位系统，其特征在于，所述光学导航系统包括激光传感器或者声波传感器。
技术总结