一种医疗机器人基于6D位姿自动配准的方法与流程

一种医疗机器人基于6d位姿自动配准的方法
技术领域
1.本发明涉及医疗临床技术领域，具体为一种医疗机器人基于6d位姿自动配准的方法。


背景技术：

2.医用机器人，是指用于医院、诊所的医疗或辅助医疗的机器人。是一种智能型服务机器人，它能独自编制操作计划，依据实际情况确定动作程序，然后把动作变为操作机构的运动；分为多种类型，且可识别周围情况及自身，具有机器人的意识和自我意识，从事医疗或辅助医疗等工作。
3.现有的人工示教配准需要在手术前预留大量的时间进行机器人点位示教配准，并且每台手术都需要临时编写基于固定点位的机器人配准程序；使用红外光学定位球进行配准则成本非常高，且定位的标定精度难以达到亚毫米级精度，因此，传统配准方法效率低，精度低，配准时间长，术前准备复杂，自动化程度低，同时在进行扫描识别时往往会存在部分区域无法涉及到，造成定位不完全的问题，为此，本发明提供了一种医疗机器人基于6d位姿自动配准的方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种医疗机器人基于6d位姿自动配准的方法，解决了现有的医疗机器人通常由操作人员进行示教点人工配准机器人的位置，或者由基于红外的光学定位球进行半自动的定位配准的问题。
5.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种医疗机器人基于6d位姿自动配准的方法，具体包括以下步骤：
6.步骤一、首先患者躺在医疗床上，并且将自动配准设备移动至医疗床的边缘，通过对高度位置的调节，利用3d结构光相机对标定识别物进行图像数据的采集；
7.步骤二、将采集的数据传输到三维点云的处理算法中，并对数据进行分析、整合和提取，最后进行三维重建；
8.步骤三、最后通过建立的模型，并配合上医疗机器人实现自动化的配准操作，实现自动化的微创手术；
9.其中，步骤一所述的自动配准设备中包括放置台，所述放置台的底部固定连接有底柱，其特征在于：所述放置台的顶部通过伸缩组件使得支撑台移动，所述支撑台的一侧设置有移动台，所述移动台的内部设置有相机摆动机构，所述相机摆动机构中包括驱动电机，所述驱动电机固定安装在移动台的顶部，所述驱动电机输出轴的一端通过联轴器固定连接有驱动转轴，且驱动转轴的表面通过扫描停歇机构使得副动转轴转动，所述副动转轴的表面通过转动组件在支撑台的内部进行移动，所述副动转轴的顶部通过限位组件与支撑台内腔的顶部移动，且副动转轴的底端贯穿延伸至支撑台的下方并固定连接有手术针，所述驱动转轴的表面通过啮合组件使得支撑转轴转动，且支撑转轴的两端与移动台的内壁转动连
接，所述支撑转轴的表面固定连接有支撑齿轮，所述移动台的内部转动连接有中心杆，所述中心杆的表面固定连接半圆板，且半圆板的表面通过摆动组件使得圆弧齿条移动，所述圆弧齿条的表面与支撑齿轮的表面啮合，所述半圆板的底端固定连接有摆动杆，所述摆动杆的底端固定连接有相机本体，所述摆动组件中包括凸块和圆弧条，所述凸块固定安装在半圆板边缘的两侧，所述圆弧条的一侧固定安装在半圆板的边缘，所述圆弧齿条的一侧开设有圆弧槽，所述圆弧条的外表面与圆弧槽的内表面滑动连接。
10.优选的，所述啮合组件中包括啮合齿轮和啮合环，所述啮合环固定安装在驱动转轴的表面，所述啮合齿轮固定安装在支撑转轴的表面，所述啮合齿轮和啮合环的外表面相啮合。
11.优选的，所述伸缩组件中包括气缸，所述气缸固定安装在放置台的顶部，所述气缸的顶部滑动连接有活塞杆，所述活塞杆的顶端与支撑台的底部固定连接。
12.优选的，所述扫描停歇机构中包括十字轮和缺口板，所述缺口板固定安装在驱动转轴的表面，所述十字轮固定安装在副动转轴的表面，所述十字轮的表面开设有拨动槽。
13.优选的，所述缺口板的表面与十字轮的表面接触，所述驱动转轴的表面且位于缺口板的下方固定连接有延伸杆，所述延伸杆的顶部固定连接有拨动杆，所述拨动杆的表面与拨动槽的内表面接触。
14.优选的，所述转动组件中包括传动齿轮和传动齿条，所述传动齿轮固定安装在副动转轴的外表面，所述传动齿条的一侧固定安装在支撑台的内部，所述传动齿轮和传动齿条的外表面相啮合。
15.优选的，所述限位组件中包括固定板和转动轮，所述固定板的顶部与支撑台内腔的顶部固定连接，所述固定板的底部开设有限位槽，所述转动轮转动安装在副动转轴的顶端，所述转动轮的外表面与限位槽的内表面滑动连接。
16.有益效果
17.本发明提供了一种医疗机器人基于6d位姿自动配准的方法。与现有技术相比具备以下有益效果：
18.(1)、该医疗机器人基于6d位姿自动配准的方法，通过设置有相机摆动机构，利用驱动电机带动驱动转轴的转动，驱动转轴通过啮合组件带动支撑转轴的转动，同时配合扫描停歇机构带动移动台的移动，并通过支撑齿轮与圆弧齿条的啮合，实现相机本体以中心杆为中心进行转动，以此实现驱动电机驱动的同步操作，减少能源的损耗，并且可以扩大相机本体所能够识别的范围，获得拍摄场景下所有物体的立体三维信息，并且无需在医院现场进行二次标定，医生可在医院手术室随时随地的移动该机器人且能保证精度不受影响。
19.(2)、该医疗机器人基于6d位姿自动配准的方法，通过设置有扫描停歇机构，利用驱动转轴的转动带动延伸杆上的拨动杆在十字轮的拨动槽中进行移动，并且实现了十字轮和副动转轴的间歇转动，以此可以实现每次移动的过程中，相机本体可以实现一个完整的摆动，提高拍摄的完整性，并且大大提升了医疗手术机器人在临床手术操作中的定位精度，从而保证了手术安全性和治疗效果。
20.(3)、该医疗机器人基于6d位姿自动配准的方法，通过设置有转动组件和限位组件，利用传动齿轮在传动齿条的表面转动，并且配合副动转轴顶部的转动轮在限位槽的内部移动，实现了自动配准时的横向移动，并且通过三维点云自动标定靶区，并结合患者医学
影像数据可以自动生成机器人的6d位姿，大大缩短了医生的术前准备时间，可以将更多的精力放在手术本身。
附图说明
21.图1为本发明的外部立体结构图；
22.图2为本发明支撑台的内部立体结构剖视图；
23.图3为本发明的内部立体结构图；
24.图4为本发明相机摆动机构的立体结构图；
25.图5为本发明的图4中a处局部结构放大图；
26.图6为本发明扫描停歇机构的立体结构图；
27.图7为本发明的图6中b处局部结构放大图；
28.图8为本发明啮合组件的立体结构图。
29.图中：1-放置台、2-底柱、3-伸缩组件、31-气缸、32-活塞杆、4-支撑台、5-移动台、6-相机摆动机构、61-驱动电机、62-驱动转轴、63-扫描停歇机构、63-1-十字轮、63-2-缺口板、63-3-拨动槽、63-4-延伸杆、63-5-拨动杆、64-副动转轴、65-转动组件、65-1-传动齿轮、65-2-传动齿条、66-限位组件、66-1-固定板、66-2-转动轮、66-3-限位槽、67-手术针、68-啮合组件、68-1-啮合齿轮、68-2-啮合环、69-摆动组件、69-1-凸块、69-2-圆弧条、610-支撑转轴、611-支撑齿轮、612-中心杆、613-半圆板、614-圆弧齿条、615-摆动杆、616-相机本体。
具体实施方式
30.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，都属于本发明保护的范围。
31.请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种医疗机器人基于6d位姿自动配准的方法，具体包括以下步骤：
32.步骤一、首先患者躺在医疗床上，并且将自动配准设备移动至医疗床的边缘，通过对高度位置的调节，利用3d结构光相机对标定识别物进行图像数据的采集；
33.步骤二、将采集的数据传输到三维点云的处理算法中，并对数据进行分析、整合和提取，最后进行三维重建；
34.步骤三、最后通过建立的模型，并配合上医疗机器人实现自动化的配准操作，实现自动化的微创手术；
35.其中，步骤一的自动配准设备中包括放置台1，放置台1的底部固定连接有底柱2，其特征在于：放置台1的顶部通过伸缩组件3使得支撑台4移动，伸缩组件3中包括气缸31，气缸31与外部电源电性连接，气缸31固定安装在放置台1的顶部，气缸31的顶部滑动连接有活塞杆32，活塞杆32的顶端与支撑台4的底部固定连接，支撑台4的一侧设置有移动台5，移动台5的内部设置有相机摆动机构6，相机摆动机构6中包括驱动电机61，驱动电机61为三项异步电动机，驱动电机61与外部电源电性连接，驱动电机61固定安装在移动台5的顶部，驱动电机61输出轴的一端通过联轴器固定连接有驱动转轴62，且驱动转轴62的表面通过扫描停
歇机构63使得副动转轴64转动，扫描停歇机构63中包括十字轮63-1和缺口板63-2，缺口板63-2固定安装在驱动转轴62的表面，十字轮63-1固定安装在副动转轴64的表面，十字轮63-1的表面开设有拨动槽63-3，拨动杆63-5用于在拨动槽63-3进行移动，从而带动了十字轮63-1的间歇转动，缺口板63-2的表面与十字轮63-1的表面接触，驱动转轴62的表面且位于缺口板63-2的下方固定连接有延伸杆63-4，延伸杆63-4的顶部固定连接有拨动杆63-5，拨动杆63-5的表面与拨动槽63-3的内表面接触，通过设置有扫描停歇机构63，利用驱动转轴62的转动带动延伸杆63-4上的拨动杆63-5在十字轮63-1的拨动槽63-3中进行移动，并且实现了十字轮63-1和副动转轴64的间歇转动，以此可以实现每次移动的过程中，相机本体616可以实现一个完整的摆动，提高拍摄的完整性，并且大大提升了医疗手术机器人在临床手术操作中的定位精度，从而保证了手术安全性和治疗效果，副动转轴64的表面通过转动组件65在支撑台4的内部进行移动，转动组件65中包括传动齿轮65-1和传动齿条65-2，传动齿轮65-1在转动的过程由于与传动齿条65-2啮合，从而实现了转动时的通过移动，传动齿轮65-1固定安装在副动转轴64的外表面，传动齿条65-2的一侧固定安装在支撑台4的内部，传动齿轮65-1和传动齿条65-2的外表面相啮合，副动转轴64的顶部通过限位组件66与支撑台4内腔的顶部移动，限位组件66中包括固定板66-1和转动轮66-2，转动轮66-2与限位槽66-3实现滑动卡接，用于保持在限位槽66-3的延伸方向进行移动，固定板66-1的顶部与支撑台4内腔的顶部固定连接，固定板66-1的底部开设有限位槽66-3，转动轮66-2转动安装在副动转轴64的顶端，转动轮66-2的外表面与限位槽66-3的内表面滑动连接，通过设置有转动组件65和限位组件66，利用传动齿轮65-1在传动齿条65-2的表面转动，并且配合副动转轴64顶部的转动轮66-2在限位槽66-3的内部移动，实现了自动配准时的横向移动，并且通过三维点云自动标定靶区，并结合患者医学影像数据可以自动生成机器人的6d位姿，大大缩短了医生的术前准备时间，可以将更多的精力放在手术本身，且副动转轴64的底端贯穿延伸至支撑台4的下方并固定连接有手术针67，手术针67贯穿延伸至支撑台4的底部，并且不与放置台1产生碰撞，同时支撑台4的下方开设有移动槽方便于手术针67的移动，驱动转轴62的表面通过啮合组件68使得支撑转轴610转动，啮合组件68中包括啮合齿轮68-1和啮合环68-2，啮合环68-2的转动用于带动啮合齿轮68-1的转动，啮合环68-2固定安装在驱动转轴62的表面，啮合齿轮68-1固定安装在支撑转轴610的表面，啮合齿轮68-1和啮合环68-2的外表面相啮合，且支撑转轴610的两端与移动台5的内壁转动连接，支撑转轴610的表面固定连接有支撑齿轮611，移动台5的内部转动连接有中心杆612，中心杆612的表面固定连接半圆板613，且半圆板613的表面通过摆动组件69使得圆弧齿条614移动，圆弧齿条614的表面与支撑齿轮611的表面啮合，半圆板613的底端固定连接有摆动杆615，摆动杆615的底端固定连接有相机本体616，相机本体616为使用基于mems震镜技术的3d结构光相机，医疗导航机器人与3d结构光相机之间采用eyeinhand的标定形式，即使用三维点云提取目标点自动标定相机和医疗机器人的相对位置关系，且标定精度能够达到亚毫米级别。并且无需在医院现场进行二次标定，医生可在医院手术室随时随地的移动该机器人且能保证精度不受影响，摆动组件69中包括凸块69-1和圆弧条69-2，凸块69-1固定安装在半圆板613边缘的两侧，圆弧条69-2的一侧固定安装在半圆板613的边缘，圆弧齿条614的一侧开设有圆弧槽，圆弧条69-2的外表面与圆弧槽的内表面滑动连接，通过设置有相机摆动机构6，利用驱动电机61带动驱动转轴62的转动，驱动转轴62通过啮合组件68带动支撑转轴610的转动，同时配合
扫描停歇机构63带动移动台5的移动，并通过支撑齿轮611与圆弧齿条614的啮合，实现相机本体616以中心杆612为中心进行转动，以此实现驱动电机61驱动的同步操作，减少能源的损耗，并且可以扩大相机本体616所能够识别的范围，获得拍摄场景下所有物体的立体三维信息，并且无需在医院现场进行二次标定，医生可在医院手术室随时随地的移动该机器人且能保证精度不受影响，同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
36.工作时，首先启动气缸31，利用气缸31带动活塞杆32的移动，活塞杆32带动整个支撑台4移动至合适位置，与此同时，启动驱动电机61，驱动电机61带动驱动转轴62的转动，驱动转轴62带动了啮合环68-2的转动，由于啮合齿轮68-1和啮合环68-2的表面啮合，从而带动了啮合齿轮68-1中心支撑转轴610的转动，并使得支撑转轴610上的支撑齿轮611的转动，并且支撑齿轮611带动了圆弧齿条614在半圆板613的表面移动，同时带动了半圆板613的以中心杆612为中心进行转动，从而使得相机本体616所能扫描的范围更大，通过设置有相机摆动机构6，利用驱动电机61带动驱动转轴62的转动，驱动转轴62通过啮合组件68带动支撑转轴610的转动，同时配合扫描停歇机构63带动移动台5的移动，并通过支撑齿轮611与圆弧齿条614的啮合，实现相机本体616以中心杆612为中心进行转动，以此实现驱动电机61驱动的同步操作，减少能源的损耗，并且可以扩大相机本体616所能够识别的范围，获得拍摄场景下所有物体的立体三维信息，并且无需在医院现场进行二次标定，医生可在医院手术室随时随地的移动该机器人且能保证精度不受影响，与此同时，驱动转轴62的转动同步带动了缺口板63-2和延伸杆63-4的转动，延伸杆63-4带动了拨动杆63-5的转动，拨动杆63-5在与十字轮63-1的拨动槽63-3接触时，继续转动会带动拨动杆63-5在拨动槽63-3内部进行移动，并带动了十字轮63-1以副动转轴64为中心进行转动，直至拨动杆63-5脱离拨动槽63-3后完成一次间歇转动，通过设置有扫描停歇机构63，利用驱动转轴62的转动带动延伸杆63-4上的拨动杆63-5在十字轮63-1的拨动槽63-3中进行移动，并且实现了十字轮63-1和副动转轴64的间歇转动，以此可以实现每次移动的过程中，相机本体616可以实现一个完整的摆动，提高拍摄的完整性，并且大大提升了医疗手术机器人在临床手术操作中的定位精度，从而保证了手术安全性和治疗效果，此时副动转轴64的转动带动了表面的传动齿轮65-1在传动齿条65-2的表面进行转动移动，从而带动了副动转轴64顶部的转动轮66-2在固定板66-1下方的限位槽66-3进行移动，通过设置有转动组件65和限位组件66，利用传动齿轮65-1在传动齿条65-2的表面转动，并且配合副动转轴64顶部的转动轮66-2在限位槽66-3的内部移动，实现了自动配准时的横向移动，并且通过三维点云自动标定靶区，并结合患者医学影像数据可以自动生成机器人的6d位姿，大大缩短了医生的术前准备时间，可以将更多的精力放在手术本身。
37.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
38.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以
理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。