專利名稱：基于光學(xué)跟蹤閉環(huán)控制腦外科機器人系統(tǒng)及實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于光學(xué)跟蹤閉環(huán)控制腦外科機器人系統(tǒng)及實現(xiàn)方法，具體地說是指一種可以輔助醫(yī)生進行精細腦外科微創(chuàng)手術(shù)的高精度機器人系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
腦外科微創(chuàng)手術(shù)機器人是一種可以輔助醫(yī)生施行無框架立體定向手術(shù)的機器人系統(tǒng)，一般都包括有能夠輔助進行手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)引的計算機、以及執(zhí)行立體定向輔助手術(shù)操作的機器人。其中，輔助進行手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)引的計算機，安裝配套的輔助手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)引軟件，主要完成病人腦部醫(yī)學(xué)影像信息的處理和三維重構(gòu)，輔助醫(yī)生進行虛擬手術(shù)規(guī)劃，并在手術(shù)過程中向機器人控制器發(fā)出運動指令以控制機器人運動。該軟件通常包括數(shù)字影像輸入與預(yù)處理、病灶提取與三維重構(gòu)、手術(shù)規(guī)劃、以及手術(shù)實施等功能模塊。數(shù)字影像輸入與預(yù)處理模塊的作用是接收外部輸入的病人腦部的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成計算機可以顯示的格式，在此基礎(chǔ)上對圖像進行預(yù)處理，包括圖像的強化、去燥、直方統(tǒng)計等；病灶提取與三維重構(gòu)模塊的作用是讓醫(yī)生以交互的方式在圖像上對病灶進行分割，并提取頭顱輪廓，從而生成病灶和頭顱的三維醫(yī)學(xué)模型；在手術(shù)規(guī)劃模塊中，醫(yī)生可以進行靶點與標(biāo)記點的標(biāo)識工作，并可以在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進行手術(shù)路徑規(guī)劃；在手術(shù)實施模塊中，可以按照預(yù)先規(guī)劃好的手術(shù)路徑，適時向機器人控制器發(fā)出運動指令以控制機器人運動，同時虛擬現(xiàn)實功能可以為手術(shù)提供實時的監(jiān)控。
系統(tǒng)所采用的機器人由機械臂和控制器組成，一般具有5個關(guān)節(jié)自由度，每個關(guān)節(jié)都有驅(qū)動機構(gòu)，用于驅(qū)動關(guān)節(jié)運動，能夠保證手術(shù)器械以任意姿態(tài)到達手術(shù)空間中的任意一點。機器人控制器能夠接受計算機發(fā)出的運動指令，實時控制機器人的各個關(guān)節(jié)運動到達指定位置。
現(xiàn)有腦外科機器人存在的最大問題是定位精度不能滿足精細腦外科手術(shù)的高精確性要求。外科機器人不僅要求重復(fù)精度高，對器械運動的絕對精度要求更嚴(yán)格，因為在虛擬的三維醫(yī)學(xué)模型空間進行的手術(shù)規(guī)劃，最終要由機器人的運動實現(xiàn)。由于機構(gòu)和控制誤差的因素，期望的位置命令和機器人實際達到的位置之間不可避免地存在誤差。這種誤差通常可能達到幾個毫米到一個厘米左右，遠遠超過微創(chuàng)傷外科手術(shù)的精度要求，必須設(shè)法加以克服。在工業(yè)應(yīng)用中，機器人的絕對定位誤差可以通過各種方式的標(biāo)定來克服，但外科機器人作為一種手術(shù)設(shè)備，其應(yīng)用情況差別很大，一般沒有嚴(yán)格固定的安置位置。顯然，對每一例手術(shù)都要求進行嚴(yán)格、繁瑣的現(xiàn)場標(biāo)定是不適合的，況且一些非幾何誤差因素如機構(gòu)彈性形變、關(guān)節(jié)間隙和柔性等的影響，也難以依靠標(biāo)定解決。目前，許多工作都是從機械上考慮提高精度的方法，依靠高精密度的機構(gòu)加工、裝配以及高精度的控制和補償來保證系統(tǒng)精度，很難達到理想效果，而且大大增加了機器人的設(shè)計和制造成本。現(xiàn)有的腦外科機器人從全局上是開環(huán)的，即從計算機給出位置命令到引導(dǎo)機器人運動和定位的過程，缺少機器人末端位姿的反饋和校正，各種誤差因素?zé)o法得到全局的閉環(huán)校正，絕對位姿精度很難保證。
另外，從已經(jīng)公開的報道(例如中國專利公開號CN1243690A)，確定病灶相對機器人操作空間的位置的所謂標(biāo)測定位方法過于復(fù)雜，需要用到立體定位框架、標(biāo)測釘、或雙層模板、六關(guān)節(jié)數(shù)字化機械臂、力控制人機交互技術(shù)等，既費時又費力，也給病人帶來痛苦和壓力；也有運用視覺測量技術(shù)進行注冊的方法(例如中國專利公開號CN1554315A)，但是精度和環(huán)境適應(yīng)性還需要提高，較難實用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于光學(xué)跟蹤閉環(huán)控制腦外科機器人系統(tǒng)及實現(xiàn)方法，可以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點。它是將光學(xué)跟蹤設(shè)備與腦外科機器人結(jié)合，利用光學(xué)跟蹤設(shè)備實時跟蹤機器人末端器械的當(dāng)前位置和姿態(tài)，在光學(xué)測量空間進行實時的位姿閉環(huán)控制，使得腦外科機器人末端能夠精確地按照預(yù)先規(guī)劃的理想手術(shù)路徑進行運動和定位，實現(xiàn)能夠滿足精細腦外科手術(shù)要求的高精度腦外科機器人系統(tǒng)。同時，借助于光學(xué)跟蹤技術(shù)，大大簡化標(biāo)測三維醫(yī)學(xué)模型空間與機器人基座坐標(biāo)空間的映射變換的過程和方法。使用本發(fā)明能夠使腦外科機器人達到高精度、低成本，而且省時、便捷、實用、易操作。
本發(fā)明提出的基于光學(xué)跟蹤閉環(huán)控制腦外科機器人系統(tǒng)包括五自由度機器人、計算機(選用型號PC P42.0GHz/256M)、光學(xué)跟蹤設(shè)備(選用型號NDI公司POLARIS光學(xué)跟蹤設(shè)備)、光學(xué)注冊工具(選用型號NDI公司POLARIS標(biāo)配被動工具)、被動標(biāo)識器(選用型號NDI公司POLARIS標(biāo)配球形被動標(biāo)識器)、醫(yī)學(xué)標(biāo)志器(醫(yī)學(xué)上使用的一種用鉭金屬材料制成的、對射電高度不透明的小球形標(biāo)志點，與生物體兼容，可長期植入人體)、塑形枕和手術(shù)床等設(shè)備組成的硬件部分；輔助手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)引軟件部分，即進行接收醫(yī)學(xué)影像信息、測定并確定病灶的位置、輔助進行手術(shù)規(guī)劃、并進行手術(shù)導(dǎo)引的腦外科機器人；其特征是所說的計算機、五自由度機器人、光學(xué)跟蹤設(shè)備、和被動標(biāo)識器構(gòu)成一個閉環(huán)的機器人位姿測量與實時反饋控制系統(tǒng)，被動標(biāo)識器安裝在五自由度機器人的末端，始終被光學(xué)跟蹤設(shè)備跟蹤；所說的五自由度機器人包括五自由度機械臂和機械臂控制器；所說的輔助手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)引軟件包括數(shù)字影像輸入與預(yù)處理模塊、病灶提取與三維重構(gòu)模塊、手術(shù)規(guī)劃模塊、以及手術(shù)實施模塊。
使用本發(fā)明進行手術(shù)階段的具體操作步驟是一.在進行手術(shù)前準(zhǔn)備時在病人頭顱上粘貼四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器，對腦部進行醫(yī)學(xué)影像掃描，并將掃描所得醫(yī)學(xué)影像信息輸入計算機，運用輔助手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)引軟件確定病灶，重構(gòu)病灶和頭顱的三維醫(yī)學(xué)模型，進行手術(shù)靶點與醫(yī)學(xué)標(biāo)志影像位置的標(biāo)識，并規(guī)劃手術(shù)路徑。
二.在進行注冊標(biāo)定時讓病人躺在手術(shù)床上，頭部使用塑形枕與手術(shù)床相對固定，一方面用光學(xué)注冊工具測定病人頭顱上的四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器的坐標(biāo)，測量值由光學(xué)跟蹤設(shè)備給出，并送入計算機，由計算機計算三維醫(yī)學(xué)模型空間與光學(xué)測量空間之間的映射變換；另一方面用本發(fā)明設(shè)計的標(biāo)測方法，由五自由度機器人、光學(xué)跟蹤設(shè)備、被動標(biāo)識器、和計算機配合，自動測定五自由度機器人基座坐標(biāo)空間與光學(xué)測量空間之間的映射變換。
三.在進行手術(shù)實施時首先，由計算機將在三維醫(yī)學(xué)模型空間預(yù)先規(guī)劃的手術(shù)路徑變換到光學(xué)測量空間，并計算出在當(dāng)前路徑點五自由度機器人末端需要達到的理想位姿；然后，由計算機根據(jù)當(dāng)前路徑點的理想位姿，進行由光學(xué)測量空間到五自由度機器人基座坐標(biāo)空間的坐標(biāo)變換，并通過求解五自由度機器人逆運動學(xué)，得到五自由度機器人各個關(guān)節(jié)的理想位置；然后，由計算機向五自由度機器人輸入各個關(guān)節(jié)的理想位置，控制五自由度機器人運動；同時，由光學(xué)跟蹤設(shè)備和安裝在五自由度機器人末端的被動標(biāo)識器配合，實時測定五自由度機器人的末端位姿并送入計算機，用本發(fā)明設(shè)計的控制方法對五自由度機器人的末端位姿進行實時控制，實現(xiàn)精確的軌跡跟蹤和定位；最后，五自由度機器人鎖定，醫(yī)生在五自由度機器人的輔助下進行手術(shù)操作。
五自由度機械臂由手臂和手腕組成，具有五個關(guān)節(jié)，采取兩個滑動關(guān)節(jié)和三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的PPRRR構(gòu)型；手臂部分具有三個關(guān)節(jié)，分別為I、II和III關(guān)節(jié)，第I關(guān)節(jié)采用滑動關(guān)節(jié)，運動方向垂直于水平面；第II關(guān)節(jié)采用滑動關(guān)節(jié)，與第I關(guān)節(jié)成“T”形垂直；第III關(guān)節(jié)采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，軸線與第I關(guān)節(jié)運動方向平行；手腕部分具有兩個關(guān)節(jié)，分別為IV和V關(guān)節(jié)，第IV關(guān)節(jié)采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，軸線與第III關(guān)節(jié)軸線平行；第V關(guān)節(jié)采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，軸線與第IV關(guān)節(jié)軸線垂直；在機械臂的第V關(guān)節(jié)安裝末端器械，安裝軸線與第IV關(guān)節(jié)軸線平行。每個關(guān)節(jié)都有獨立的驅(qū)動機構(gòu)，由步進電機、減速器組成，滑動關(guān)節(jié)的驅(qū)動機構(gòu)還包括有滾珠絲桿。
機械臂控制器由可編程邏輯控制器PLC和步進電機驅(qū)動器組成，采用三個PLC和五個步進電機驅(qū)動器組合，對應(yīng)控制五自由度機械臂的五個關(guān)節(jié)，機械臂控制器通過RS232C串口通信組件與外部計算機進行通信，可接受外部計算機輸入的關(guān)節(jié)位置命令，控制機械臂運動到達指定位置。
NDI公司的POLARIS光學(xué)跟蹤設(shè)備，是目前醫(yī)療行業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種空間測量定位儀器。被動式的POLARIS設(shè)備包括一個能發(fā)射并接收紅外照明光的位置傳感器，配套提供若干被動標(biāo)識器或安裝有被動標(biāo)識器的被動工具；POLARIS設(shè)備通過測量工具上被動標(biāo)識器的空間位置，就可以實時地確定工具的位置和方向，3D均方誤差范圍通常在0.35mm范圍內(nèi)；POLARIS設(shè)備與計算機之間通過RS-232/RS-422通訊，連續(xù)跟蹤的數(shù)據(jù)更新頻率達到60HZ。
閉環(huán)的機器人位姿測量和實時反饋控制系統(tǒng)的方法是由光學(xué)跟蹤設(shè)備測定五自由度機器人的末端位姿，由計算機根據(jù)測量得到的位姿和期望五自由度機器人達到的位姿計算控制量，控制五自由度機器人進一步運動以修正偏差。
光學(xué)跟蹤設(shè)備通過跟蹤安裝在五自由度機器人末端的被動標(biāo)識器來測量五自由度機器人的末端位姿。
被動標(biāo)識器安裝在五自由度機器人的末端，數(shù)量至少為3個。
被動標(biāo)識器在五自由度機器人末端安裝的幾何位置關(guān)系滿足任意兩個被動標(biāo)識器之間的距離不能小于50mm，任意兩條由被動標(biāo)識器連線構(gòu)成的線段之間的最小空間間隔不能小于5mm，任意兩條線段不平行，而且任意兩條線段之間的夾角不能低于0.5度。
基于光學(xué)跟蹤閉環(huán)控制的腦外科機器人系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于，借助于光學(xué)跟蹤技術(shù)進行位姿測量，包括三維醫(yī)學(xué)模型空間與光學(xué)測量空間映射變換的簡便標(biāo)測方法、五自由度機器人基座坐標(biāo)空間與光學(xué)測量空間映射變換的自動標(biāo)測方法及五自由度機器人末端位姿的閉環(huán)控制方法。
所述三種方法涉及五個坐標(biāo)系，如圖2在三維醫(yī)學(xué)模型空間中建立一個三維醫(yī)學(xué)模型坐標(biāo)系{V}；在真實的病人頭顱上建立一個患者坐標(biāo)系{P}；在光學(xué)測量空間中建立一個光學(xué)測量坐標(biāo)系{M}；在五自由度機器人的基座上建立一個機器人基座坐標(biāo)系{R}；在五自由度機器人的末端建立一個末端工具坐標(biāo)系{T}；整個系統(tǒng)以光學(xué)測量坐標(biāo)系{M}為基準(zhǔn)參考系；其中，患者坐標(biāo)系是基于粘貼在病人頭顱上的四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器所在的點來描述的，該坐標(biāo)系在四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器中選取任意一個標(biāo)志器所在的點M0作為坐標(biāo)系原點，同時以M0與其他三個標(biāo)志器所在的點M1、M2、M3的連線作為三個坐標(biāo)軸向。
下面給出所述三種方法的詳細步驟和數(shù)學(xué)描述。
一.三維醫(yī)學(xué)模型空間與光學(xué)測量空間的映射變換借助于光學(xué)跟蹤技術(shù)進行位姿測量，三維醫(yī)學(xué)模型空間與光學(xué)測量空間映射變換的簡便標(biāo)測方法是由醫(yī)生在病人頭部粘貼四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器，這四個標(biāo)志器不在同一平面，且任意三個標(biāo)志器不在同一條直線上；對病人頭部進行CT或MRI醫(yī)學(xué)影像掃描，所得掃描影像輸入計算機；讓病人躺在手術(shù)床上，頭部使用塑形枕與手術(shù)床相對固定，用光學(xué)注冊工具測定病人頭部的四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器在光學(xué)測量空間的坐標(biāo)，測量值由光學(xué)跟蹤設(shè)備輸入計算機；由計算機計算三維醫(yī)學(xué)模型空間與光學(xué)測量空間的映射變換。
該映射變換由兩組坐標(biāo)轉(zhuǎn)換組成，即從三維醫(yī)學(xué)模型坐標(biāo)系{V}到患者坐標(biāo)系{P}的轉(zhuǎn)換、和從患者坐標(biāo)系{P}到光學(xué)測量坐標(biāo)系{M}的轉(zhuǎn)換，兩組轉(zhuǎn)換都是基于在病人頭顱上粘貼的四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器來確定。
顯然，根據(jù)患者坐標(biāo)系{P}的定義，四個標(biāo)志器在{P}中的坐標(biāo)分別為M0(0，0，0)，M1(1，0，0)，M2(0，1，0)，M3(0，0，1)。
另外，由于四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器在醫(yī)學(xué)掃描影像中是可以識別的，它們在三維醫(yī)學(xué)模型坐標(biāo)系{V}中的坐標(biāo)也可以獲得，假設(shè)記為M′0(xv0，yv0，zv0)，M′1(xv1，yv1，zv1)，M′2(xv2,yv2，zv2)，M′3(xv3,yv3,zv3)。
由于病人腦部的三維醫(yī)學(xué)模型是通過病人的腦部掃描數(shù)據(jù)重構(gòu)的，因此可以認為三維醫(yī)學(xué)模型坐標(biāo)系{V}與患者坐標(biāo)系{P}的映射是剛性變換(包括平移、旋轉(zhuǎn)和拉伸)，可以用一個齊次變換矩陣VTP完成兩個坐標(biāo)系中的位置映射。由{P}向{V}的齊次變換矩陣為TPV=xv1-xv0xv2-xv0xv3-zv0xv0yv1-xv0yv2-yv0yv3-zv0yv0zv1-xv0zv2-yv0zv3-zv0zv00001---(1)]]>同理，可以確定患者坐標(biāo)系{P}向光學(xué)測量坐標(biāo)系{M}的轉(zhuǎn)換矩陣MTP。四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器在光學(xué)測量坐標(biāo)系{M}中的位置，可以通過用光學(xué)注冊工具分別點到四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器來獲得，設(shè)為M0(xm0，ym0，zm0)，M1(xm1，ym1，zm1)，M2(xm2，ym2，zm2)，M3(xm3，ym3，zm3)。則由{P}向{M}的齊次變換矩陣為TPM=xm1-xm0xm2-xm0xm3-xm0xm0ym1-ym0ym2-ym0ym3-ym0ym0zm1-zm0zm2-zm0zm3-zm0zm00001---(2)]]>
最后，由三維虛擬模型坐標(biāo)系{V}到光學(xué)測量坐標(biāo)系{M}的齊次變換為MTV即為MTV＝MTPPTV＝MTP(VTP)-1(3)二.五自由度機器人基座坐標(biāo)空間與光學(xué)測量空間的映射變換借助于光學(xué)跟蹤技術(shù)進行位姿測量，五自由度機器人基座坐標(biāo)空間與光學(xué)測量空間映射變換的自動標(biāo)測方法是首先，選定五自由度機器人工作空間內(nèi)的四個點，這四個點同時應(yīng)該處于光學(xué)跟蹤設(shè)備的測量范圍內(nèi)，并且四個點不共面，任意三個點不共線；由計算機按照預(yù)設(shè)的程序，向五自由度機器人發(fā)出到達上述四個點的關(guān)節(jié)位置命令，控制五自由度機器人末端依次運動到上述四個點，計算機記錄下上述四個點在五自由度機器人基座坐標(biāo)空間中的坐標(biāo)；同時，由光學(xué)跟蹤設(shè)備和安裝在五自由度機器人末端的被動標(biāo)識器配合，依次測定五自由度機器人運動到上述四個點時其末端在光學(xué)測量空間中的坐標(biāo)，并送入計算機；最后，由計算機根據(jù)上述四個點在五自由度機器人基座坐標(biāo)空間和光學(xué)測量空間的坐標(biāo)值，計算出五自由度機器人基座坐標(biāo)空間與光學(xué)測量空間的映射變換，從而完成自動標(biāo)測。
假設(shè)所述四個點在機器人基座坐標(biāo)系{R}中的坐標(biāo)為RPi(ri，si，ti)，(i＝1，2，3，4)，同時，所述四個點在光學(xué)測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為MPi(ui，vi，wi)，(i＝1，2，3，4)，則由機器人基座坐標(biāo)系{R}到光學(xué)測量坐標(biāo)系{M}的齊次變換矩陣為TRM=u1u2u3u4v1v2v3v4w1w2w3w41111r1r2r3r4s1s2s3s4t1t2t3t41111-1---(4)]]>三.五自由度機器人末端位姿的閉環(huán)控制方法借助于光學(xué)跟蹤技術(shù)進行位姿測量，五自由度機器人末端位姿的閉環(huán)控制方法是以光學(xué)測量空間為基準(zhǔn)參考空間，首先，由計算機將在三維醫(yī)學(xué)模型空間預(yù)先規(guī)劃的手術(shù)路徑變換到光學(xué)測量空間，并計算出在當(dāng)前路徑點五自由度機器人末端需要達到的理想位姿；然后，由計算機根據(jù)當(dāng)前路徑點的理想位姿，進行由光學(xué)測量空間到五自由度機器人基座坐標(biāo)空間的坐標(biāo)變換，并通過求解五自由度機器人逆運動學(xué)，得到五自由度機器人各個關(guān)節(jié)的理想位置；然后，由計算機向五自由度機器人輸入各個關(guān)節(jié)的理想位置，控制五自由度機器人運動；同時，由光學(xué)跟蹤設(shè)備和安裝在五自由度機器人末端的被動標(biāo)識器配合，實時測定五自由度機器人末端的位姿，并送入計算機；然后，由計算機將實時測定的位姿信息與預(yù)先規(guī)劃的當(dāng)前路徑點的理想位姿進行比較，得到兩者的位姿偏差；最后，由計算機根據(jù)位姿偏差按照預(yù)先確定的控制規(guī)律計算校正控制量，修正當(dāng)前路徑點的理想位姿，并開始新一輪的運動控制，從而實現(xiàn)精確的軌跡跟蹤和定位。
由計算機根據(jù)位姿偏差計算校正控制量時所采用的控制規(guī)律是位置控制采用比例-積分-微分調(diào)節(jié)；姿態(tài)控制采用比例調(diào)節(jié)。
五自由度機器人的末端位姿是在光學(xué)測量空間中進行閉環(huán)控制。
如圖5，設(shè)末端工具坐標(biāo)系{T}在光學(xué)測量坐標(biāo)系{M}中的位姿用X＝[PTφT]T表示。其中P＝[xyz]T表示{T}的位置；φ＝[αβγ]T表示{T}的姿態(tài)，由一組Z-Y-X歐拉角組成，記Xd＝[PdTφdT]T表示理想位姿，Pd＝[xdydzd]T，φd＝[αdβdγd]T；Xr＝[PrTφrT]T表示實際測量得到的位姿，Pr＝[xryrzr]T，φr＝[αrβrγr]T；ΔX＝[ΔPTΔφT]T表示Xd和Xr的偏差，ΔP＝[ΔxΔyΔz]T，Δφ＝[ΔαΔβΔγ]T，位置偏差可以直接計算，即ΔP＝Pd-Pr(5)姿態(tài)偏差的計算涉及旋轉(zhuǎn)變換，用Rd表示{T}相對于{M}的理想旋轉(zhuǎn)變換矩陣；Rr表示根據(jù)測量值得到的實際變換矩陣；ΔR表示由Rr向Rd的變換，則Rd=RZ(αd)RY(βd)RX(γd)]]>=cosαdcosβdcosαdsinβdsinγd-sinαdcosγdcosαdsinβdcosγd+sinαdsinγdsinαdcosβdsinαdsinβdsinγd+cosαdcosγdsinαdsinβdcosγd-cosαdsinγd-sinβdcosβdsinγdcosβdcosγd---(6)]]>Rr=RZ(αr)RY(βr)RX(γr)]]>=cosαrcosβrcosαrsinβrsinγr-sinαrcosγrcosαrsinβrcosγr+sinαrsinγrsinαrcosβrsinαrsinβrsinγr+cosαrcosγrsinαrsinβrcosγr-cosαrsinγr-sinβrcosβrsinγrcosβrcosγr---(7)]]>記ΔR=RdRr-1=r11r12r13r21r22r23r31r32r33---(8)]]>又有ΔR=RZ(Δα)RY(Δβ)RX(Δγ)]]>=cosΔαcosΔβcosΔαsinΔβsinΔγ-sinΔαcosΔγcosΔαsinΔβcosΔγ+sinΔαsinΔγsinΔαcosΔβsinΔαsinΔβsinΔγ+cosΔαcosΔγsinΔαsinΔβcosΔγ-cosΔαsinΔγ-sinΔβcosΔβsinΔγcosΔβcosΔγ]]>
(9)由(6)、(7)、(8)、(9)式聯(lián)合可以解得姿態(tài)偏差Δφ＝[ΔαΔβΔγ]T，其中a.當(dāng)sinΔβ≠0時，Δβ=Atan2(r312+r322,r33),]]>Δα＝Atan2(r23/sinΔβ，r13/sinΔβ)，Δγ＝Atan2(r32/sinΔβ，-r31/sinΔβ)(10)b.當(dāng)sinΔβ＝0時，若Δβ＝0.0，則Δα＝0.0，Δγ＝Atan2(-r12，r11)(11)若Δβ＝180.0°，則Δα＝0.0，Δγ＝Atan2(r12，-r11)(12)下面分別討論位置校正和姿態(tài)校正問題，采用離散形式列寫公式，括號中的下標(biāo)k表示控制循環(huán)的第k步。
位置校正采用比例-積分-微分(PID)控制，校正控制量記為UP＝[uxuyuz]T，則UP(k)=KPPΔP(k)+KPITΣj=0kΔP(j)+KPDΔP(k)-ΔP(k-1)T---(13)]]>其中T是系統(tǒng)的采樣控制周期，比如按POLARIS設(shè)定的最高測量數(shù)據(jù)更新率60HZ，T可取為16.7ms；KPP是由三個比例控制系數(shù)組成的對角矩陣；KPI是由三個積分控制系數(shù)組成的對角矩陣；KPD是由三個微分控制系數(shù)組成的對角矩陣。將上式改寫成增量形式UP(k)=UP(k-1)+(KPP+TKPI+KPDT)ΔP(k)]]>-(KPP+2KPDT)ΔP(k-1)+KPDTΔP(k-2)---(14)]]>記A=KPP+TKPI+KPDT,]]>B=KPP+2KPDT,]]>C=KPDT,]]>則進一步將算法寫成計算機實現(xiàn)的形式
UP(k)=AΔP(k)+F(k-1)F(k)=UP(k)-BΔP(k)+CΔP(k-1)---(15)]]>初值可取F(k-1)＝0，ΔP(k-1)＝0，算法的每一步都要計算ΔP(k)、UP(k)、F(k)，其中F(k)用于下一步計算UP(k)。
姿態(tài)校正采用比例(P)控制，校正控制量記為Uφ＝[Uαuβuγ]T，對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣為 則Uφ(k)＝KφPΔφ(k)(16)其中KφP是由三個比例控制系數(shù)組成的對角矩陣，ΔR^=RZ(uα)RY(uβ)RX(uγ)---(17)]]>記修正后的位姿指令為X^d=[P^dTφ^dT]T,]]>P^d=[x^dy^dz^d]T,]]>φ^d=[α^dβ^dγ^d]T,]]> 對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣為 則P^d(k)=Pd(k)+Up(k)---(18)]]>R^d(k)=Rz(α^d(k))RY(β^d(k))RX(γ^d(k))=Rd(k)ΔR^(k)---(18)]]>由(6)、(17)、(19)式聯(lián)合求解φ^d(k)=[α^d(k)β^d(k)γ^d(k)]T,]]>其過程可參照上述由(6)、(7)、(8)、(9)式聯(lián)合求解Δφ＝[ΔαΔβΔγ]T，不再贅述。
最后， 代替Xd作為位姿指令送出，用于引導(dǎo)機器人運動。
本發(fā)明具有的優(yōu)點是通過對機器人末端位姿進行實時的閉環(huán)控制，使影響機器人運動和定位的主要誤差因素，如機器人本體的機構(gòu)和控制誤差，以及手術(shù)過程中的各種測量和計算誤差等因素都能得到校正，從而確效地保證了手術(shù)機器人系統(tǒng)全局的運動和定位精度，解決了現(xiàn)有外科手術(shù)機器人存在的軌跡跟蹤和定位精度不能滿足臨床精細手術(shù)運用要求的問題。另一方面，采用了全局的位姿控制以后，對機器人本體的機構(gòu)設(shè)計、制造及控制精度的要求等都可以放寬，從而降低機器人本體的設(shè)計和制造成本，并有條件更多地關(guān)注機器人的手術(shù)靈活性和可操作性，設(shè)計出人機更加協(xié)調(diào)的手術(shù)機器人機構(gòu)系統(tǒng)。本發(fā)明提出的方法同樣適合于某些對絕對精度要求嚴(yán)格的工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域。
本發(fā)明還可以自動標(biāo)定機器人基座坐標(biāo)空間與光學(xué)測量空間的映射變換，免去了繁瑣的機器人基座坐標(biāo)系的人工標(biāo)定過程，而且通過在病人頭部粘貼醫(yī)學(xué)標(biāo)志器、采用光學(xué)注冊工具測定醫(yī)學(xué)標(biāo)志器的坐標(biāo)，就可以很簡捷地獲得由三維醫(yī)學(xué)模型空間與光學(xué)測量空間的映射變換。
總之，本發(fā)明一方面可以明顯提高機器人系統(tǒng)的軌跡跟蹤和定位精度，不僅解決了限制外科手術(shù)機器人推廣使用的關(guān)鍵性的絕對精度問題，而且有利于降低機器人本體的設(shè)計和制造成本；另一方面大大簡化了注冊標(biāo)定過程，不僅減輕了醫(yī)生的工作量、心理負擔(dān)和出現(xiàn)差錯的概率，而且減輕了病人的痛苦和壓力。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的工作原理框圖和所涉及坐標(biāo)系定義的示意圖。
圖3是本發(fā)明的三維醫(yī)學(xué)模型空間與光學(xué)測量空間映射變換的標(biāo)測方法的流程框圖。
圖4是本發(fā)明的五自由度機器人基座坐標(biāo)空間與光學(xué)測量空間映射變換的自動標(biāo)測方法的流程框圖。
圖5是本發(fā)明的五自由度機器人末端位姿的閉環(huán)控制方法的流程和原理框圖。
圖6是本發(fā)明的五自由度機器人機械臂結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
參照附圖對本發(fā)明作詳細說明如圖所示，設(shè)備組成和圖中個標(biāo)號的含義是，它是由計算機1、五自由度機器人2、光學(xué)跟蹤設(shè)備3、光學(xué)注冊工具4、被動標(biāo)識器5、醫(yī)學(xué)標(biāo)志器6、塑形枕7、手術(shù)床8硬件部分，和輔助手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)引軟件9部分組成的，以及五自由度機械臂11和機械臂控制器10。
由所說的計算機1、五自由度機器人2、光學(xué)跟蹤設(shè)備3、和被動標(biāo)識器5構(gòu)成一個閉環(huán)的機器人位姿測量與實時反饋控制系統(tǒng)，被動標(biāo)識器5安裝在五自由度機器人2的末端，始終被光學(xué)跟蹤設(shè)備3跟蹤；所說的五自由度機器人2包括五自由度機械臂11和機械臂控制器10；所說的輔助手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)引軟件9包括數(shù)字影像輸入與預(yù)處理模塊、病灶提取與三維重構(gòu)模塊、手術(shù)規(guī)劃模塊、以及手術(shù)實施模塊。被動標(biāo)識器5的數(shù)量至少為3個。
具體操作步驟是一.在進行手術(shù)前準(zhǔn)備時在病人頭顱上粘貼四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器6，對腦部進行醫(yī)學(xué)影像掃描，并將掃描所得醫(yī)學(xué)影像信息輸入計算機1，運用輔助手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)引軟件9確定病灶，重構(gòu)病灶和頭顱的三維醫(yī)學(xué)模型，進行手術(shù)靶點與醫(yī)學(xué)標(biāo)志影像位置的標(biāo)識，并規(guī)劃手術(shù)路徑；
二.在進行注冊標(biāo)定時讓病人躺在手術(shù)床8上，頭部使用塑形枕7與手術(shù)床8相對固定，一方面用光學(xué)注冊工具4測定病人頭顱上的四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器6的坐標(biāo)，測量值由光學(xué)跟蹤設(shè)備3給出，并送入計算機1，由計算機1計算三維醫(yī)學(xué)模型空間與光學(xué)測量空間之間的映射變換；另一方面用本發(fā)明設(shè)計的標(biāo)測方法，由五自由度機器人2、光學(xué)跟蹤設(shè)備3和計算機1配合，自動測定五自由度機器人基座坐標(biāo)空間與光學(xué)測量空間之間的映射變換；三.在進行手術(shù)實施時首先，由計算機1將在三維醫(yī)學(xué)模型空間預(yù)先規(guī)劃的手術(shù)路徑變換到光學(xué)測量空間，并計算出在當(dāng)前路徑點五自由度機器人末端需要達到的理想位姿；然后，由計算機1根據(jù)當(dāng)前路徑點的理想位姿，進行由光學(xué)測量空間到五自由度機器人基座坐標(biāo)空間的坐標(biāo)變換，并通過求解五自由度機器人逆運動學(xué)，得到五自由度機器人2各個關(guān)節(jié)的理想位置；然后，由計算機1向五自由度機器人2輸入各個關(guān)節(jié)的理想位置，控制五自由度機器人2運動；同時，由光學(xué)跟蹤設(shè)備3和安裝在五自由度機器人末端的被動標(biāo)識器5配合，實時測定五自由度機器人的末端位姿并送入計算機1，用本發(fā)明設(shè)計的控制方法對五自由度機器人的末端位姿進行實時控制，實現(xiàn)精確的軌跡跟蹤和定位；最后，五自由度機器人2鎖定，醫(yī)生在五自由度機器人2的輔助下進行手術(shù)操作。
五自由度機械臂由手臂和手腕組成，具有五個關(guān)節(jié)，采取兩個滑動關(guān)節(jié)和三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的PPRRR構(gòu)型；手臂部分具有三個關(guān)節(jié)，分別為I、II和III關(guān)節(jié)，第I關(guān)節(jié)11-1采用滑動關(guān)節(jié)，運動方向垂直于水平面；第II關(guān)節(jié)11-2采用滑動關(guān)節(jié)，與第I關(guān)節(jié)成“T”形垂直；第III關(guān)節(jié)11-3采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，軸線與第I關(guān)節(jié)運動方向平行；手腕部分具有兩個關(guān)節(jié)，分別為IV和V關(guān)節(jié)，第IV關(guān)節(jié)11-4采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，軸線與第III關(guān)節(jié)軸線平行；第V關(guān)節(jié)11-5采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，軸線與第IV關(guān)節(jié)軸線垂直；在機械臂的第V關(guān)節(jié)安裝末端器械，安裝軸線與第IV關(guān)節(jié)軸線平行。每個關(guān)節(jié)都有獨立的驅(qū)動機構(gòu)，由步進電機、減速器組成，滑動關(guān)節(jié)的驅(qū)動機構(gòu)還包括有滾珠絲桿。
機械臂控制器10包括編程邏輯控制器PLC和步進電機驅(qū)動器，采用三個PLC和五個步進電機驅(qū)動器組合，對應(yīng)控制五自由度機械臂11的五個關(guān)節(jié)，機械臂控制器10通過RS232C串口通信組件與計算機1進行通信，接受計算機1輸入的關(guān)節(jié)位置命令，控制五自由度機械臂11運動到達指定位置。
閉環(huán)的機器人位姿測量與實時反饋控制系統(tǒng)的方法是由光學(xué)跟蹤設(shè)備3通過跟蹤安裝在五自由度機器人末端的被動標(biāo)識器5來測定五自由度機器人2的末端位姿，由計算機1根據(jù)測量得到的位姿和期望五自由度機器人2達到的位姿計算控制量，控制五自由度機器人2進一步運動以修正偏差；光學(xué)跟蹤設(shè)備3與計算機1之間通過RS232/RS422串口進行通信；五自由度機器人2與計算機1之間通過RS232C串口進行通信。
所述的腦外科機器人系統(tǒng)，被動標(biāo)識器5在五自由度機器人2末端安裝的幾何位置關(guān)系滿足任意兩個被動標(biāo)識器5之間的距離不能小于50mm，任意兩條由被動標(biāo)識器5連線構(gòu)成的線段之間的最小空間間隔不能小于5mm，任意兩條線段不平行，而且任意兩條線段之間的夾角不能低于0.5度。
基于光學(xué)跟蹤閉環(huán)控制的腦外科機器人系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，借助于光學(xué)跟蹤技術(shù)進行位姿測量，包括三維醫(yī)學(xué)模型空間與光學(xué)測量空間映射變換的簡便標(biāo)測方法、五自由度機器人基座坐標(biāo)空間與光學(xué)測量空間映射變換的自動標(biāo)測方法、五自由度機器人末端位姿的閉環(huán)控制方法。
三維醫(yī)學(xué)模型空間與光學(xué)測量空間映射變換的簡便標(biāo)測方法是a.由醫(yī)生在病人頭部粘貼四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器6，要求這四個標(biāo)志器不在同一平面，且任意三個標(biāo)志器不在同一條直線上；b.對病人頭部進行CT或MRI醫(yī)學(xué)影像掃描，所得掃描影像輸入計算機1；c.確定四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器的掃描成像點在三維醫(yī)學(xué)模型空間的坐標(biāo)；d.讓病人躺在手術(shù)床8上，頭部使用塑形枕7與手術(shù)床8相對固定，用光學(xué)注冊工具4測定病人頭部的四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器6在光學(xué)測量空間的坐標(biāo)，測量值由光學(xué)跟蹤設(shè)備3輸入計算機1；e.由計算機1計算三維醫(yī)學(xué)模型空間與光學(xué)測量空間的映射變換。
五自由度機器人基座坐標(biāo)空間與光學(xué)測量空間映射變換的自動標(biāo)測方法是a.預(yù)先選定五自由度機器人2工作空間內(nèi)的四個點，要求這四個點應(yīng)該處于光學(xué)跟蹤設(shè)備3的測量范圍內(nèi)，并且四個點不共面，任意三個點不共線；b.由計算機1向五自由度機器人2發(fā)出到達上述四個點的關(guān)節(jié)位置命令，控制五自由度機器人2依次運動到上述四個點；c.由計算機1記錄下上述四個點在五自由度機器人基座坐標(biāo)空間中的坐標(biāo)；同時，由光學(xué)跟蹤設(shè)備3和安裝在五自由度機器人末端的被動標(biāo)識器5配合，依次測定五自由度機器人2運動到上述四個點時其末端在光學(xué)測量空間中的坐標(biāo)，并送入計算機1；d.由計算機1根據(jù)上述四個點在五自由度機器人基座坐標(biāo)空間和光學(xué)測量空間的坐標(biāo)值，計算出五自由度機器人2基座坐標(biāo)空間與光學(xué)測量空間的映射變換，從而完成自動標(biāo)測。
五自由度機器人末端位姿的閉環(huán)控制方法是a.由計算機1將在三維醫(yī)學(xué)模型空間預(yù)先規(guī)劃的手術(shù)路徑變換到光學(xué)測量空間，并計算1出在當(dāng)前路徑點五自由度機器人末端需要達到的理想位姿；b.由計算機1根據(jù)當(dāng)前路徑點的理想位姿，進行由光學(xué)測量空間到五自由度機器人基座坐標(biāo)空間的坐標(biāo)變換，并通過求解五自由度機器人逆運動學(xué)，得到五自由度機器人各個關(guān)節(jié)的理想位置；c.由計算機1向五自由度機器人2輸入各個關(guān)節(jié)的理想位置，控制五自由度機器人2運動；d.由光學(xué)跟蹤設(shè)備3和安裝在五自由度機器人末端的被動標(biāo)識器5配合，實時測定五自由度機器人末端的位姿，并送入計算機1；e.由計算機1將實時測定的位姿信息與預(yù)先規(guī)劃的當(dāng)前路徑點的理想位姿進行比較，得到兩者的位姿偏差；f.由計算機1根據(jù)位姿偏差按照預(yù)先確定的控制規(guī)律，位置控制采用比例-積分-微分調(diào)節(jié)；姿態(tài)控制采用比例調(diào)節(jié)，計算校正控制量，修正當(dāng)前路徑點的理想位姿，并開始新一輪的運動控制，從而實現(xiàn)精確的軌跡跟蹤和定位。
權(quán)利要求
1.一種基于光學(xué)跟蹤閉環(huán)控制腦外科機器人系統(tǒng)，包括計算機(1)、五自由度機器人(2)、光學(xué)跟蹤設(shè)備(3)、光學(xué)注冊工具(4)、被動標(biāo)識器(5)、醫(yī)學(xué)標(biāo)志器(6)、塑形枕(7)、和手術(shù)床(8)等設(shè)備組成的硬件部分，和輔助手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)引軟件(9)部分，是進行接收醫(yī)學(xué)影像信息、測定并確定病灶的位置、輔助進行手術(shù)規(guī)劃、并進行手術(shù)導(dǎo)引的腦外科機器人；其特征是，由所說的計算機(1)、五自由度機器人(2)、光學(xué)跟蹤設(shè)備(3)、和被動標(biāo)識器(5)構(gòu)成一個閉環(huán)的機器人位姿測量與實時反饋控制系統(tǒng)，被動標(biāo)識器(5)安裝在五自由度機器人(2)的末端，始終被光學(xué)跟蹤設(shè)備(3)跟蹤；所說的五自由度機器人(2)包括五自由度機械臂(11)和機械臂控制器(10)；所說的輔助手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)引軟件(9)包括數(shù)字影像輸入與預(yù)處理模塊、病灶提取與三維重構(gòu)模塊、手術(shù)規(guī)劃模塊、以及手術(shù)實施模塊；使用本發(fā)明進行手術(shù)階段的具體操作步驟是一.在進行手術(shù)前準(zhǔn)備時在病人頭顱上粘貼四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器(6)，對腦部進行醫(yī)學(xué)影像掃描，并將掃描所得醫(yī)學(xué)影像信息輸入計算機(1)，運用輔助手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)引軟件(9)確定病灶，重構(gòu)病灶和頭顱的三維醫(yī)學(xué)模型，進行手術(shù)靶點與醫(yī)學(xué)標(biāo)志影像位置的標(biāo)識，并規(guī)劃手術(shù)路徑；二.在進行注冊標(biāo)定時讓病人躺在手術(shù)床(8)上，頭部使用塑形枕(7)與手術(shù)床(8)相對固定，一方面用光學(xué)注冊工具(4)測定病人頭顱上的四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器(6)的坐標(biāo)，測量值由光學(xué)跟蹤設(shè)備(3)給出，并送入計算機(1)，由計算機(1)計算三維醫(yī)學(xué)模型空間與光學(xué)測量空間之間的映射變換；另一方面用本發(fā)明設(shè)計的標(biāo)測方法，由五自由度機器人(2)、光學(xué)跟蹤設(shè)備(3)和計算機(1)配合，自動測定五自由度機器人基座坐標(biāo)空間與光學(xué)測量空間之間的映射變換；三.在進行手術(shù)實施時首先，由計算機(1)將在三維醫(yī)學(xué)模型空間預(yù)先規(guī)劃的手術(shù)路徑變換到光學(xué)測量空間，并計算出在當(dāng)前路徑點五自由度機器人末端需要達到的理想位姿；然后，由計算機(1)根據(jù)當(dāng)前路徑點的理想位姿，進行由光學(xué)測量空間到五自由度機器人基座坐標(biāo)空間的坐標(biāo)變換，并通過求解五自由度機器人逆運動學(xué)，得到五自由度機器人(2)各個關(guān)節(jié)的理想位置；然后，由計算機(1)向五自由度機器人(2)輸入各個關(guān)節(jié)的理想位置，控制五自由度機器人(2)運動；同時，由光學(xué)跟蹤設(shè)備(3)和安裝在五自由度機器人末端的被動標(biāo)識器(5)配合，實時測定五自由度機器人的末端位姿并送入計算機(1)，用本發(fā)明設(shè)計的控制方法對五自由度機器人的末端位姿進行實時控制，實現(xiàn)精確的軌跡跟蹤和定位；最后，五自由度機器人(2)鎖定，醫(yī)生在五自由度機器人(2)的輔助下進行手術(shù)操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦外科機器人系統(tǒng)，其特征是，五自由度機械臂(11)由手臂和手腕組成，具有五個關(guān)節(jié)，采取兩個滑動關(guān)節(jié)和三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的PPRRR構(gòu)型；手臂部分具有三個關(guān)節(jié)，分別為I、II和III關(guān)節(jié)，第I關(guān)節(jié)11-1采用滑動關(guān)節(jié)，運動方向垂直于水平面；第II關(guān)節(jié)11-2采用滑動關(guān)節(jié)，與第I關(guān)節(jié)成“T”形垂直；第III關(guān)節(jié)11-3采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，軸線與第I關(guān)節(jié)運動方向平行；手腕部分具有兩個關(guān)節(jié)，分別為IV和V關(guān)節(jié)，第IV關(guān)節(jié)11-4采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，軸線與第III關(guān)節(jié)軸線平行；第V關(guān)節(jié)11-5采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，軸線與第IV關(guān)節(jié)軸線垂直；在機械臂的第V關(guān)節(jié)安裝末端器械，安裝軸線與第IV關(guān)節(jié)軸線平行；每個關(guān)節(jié)都有獨立的驅(qū)動機構(gòu)，由步進電機、減速器組成，滑動關(guān)節(jié)的驅(qū)動機構(gòu)還包括有滾珠絲桿。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦外科機器人系統(tǒng)，其特征是，機械臂控制器(10)包括編程邏輯控制器(PLC)和步進電機驅(qū)動器，采用三個PLC和五個步進電機驅(qū)動器組合，對應(yīng)控制五自由度機械臂(11)的五個關(guān)節(jié)，機械臂控制器(10)通過RS232C串口通信組件與計算機(1)進行通信，接受計算機(1)輸入的關(guān)節(jié)位置命令，控制五自由度機械臂(11)運動到達指定位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦外科機器人系統(tǒng)，其特征是，閉環(huán)的機器人位姿測量與實時反饋控制系統(tǒng)的方法是由光學(xué)跟蹤設(shè)備(3)通過跟蹤安裝在五自由度機器人木端的被動標(biāo)識器(5)來測定五自由度機器人(2)的末端位姿，由計算機(1)根據(jù)測量得到的位姿和期望五自由度機器人(2)達到的位姿計算控制量，控制五自由度機器人(2)進一步運動以修正偏差；光學(xué)跟蹤設(shè)備(3)與計算機(1)之間通過RS232/RS422串口進行通信；五自由度機器人(2)與計算機(1)之間通過RS232C串口進行通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦外科機器人系統(tǒng)，其特征是，被動標(biāo)識器(5)的數(shù)量至少為3個。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦外科機器人系統(tǒng)，其特征是，被動標(biāo)識器(5)在五自由度機器人(2)末端安裝的幾何位置關(guān)系滿足任意兩個被動標(biāo)識器(5)之間的距離不能小于50mm，任意兩條由被動標(biāo)識器(5)連線構(gòu)成的線段之間的最小空間間隔不能小于5mm，任意兩條線段不平行，而且任意兩條線段之間的夾角不能低于0.5度。
7.一種基于光學(xué)跟蹤閉環(huán)控制的腦外科機器人系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于，借助于光學(xué)跟蹤技術(shù)進行位姿測量，包括三維醫(yī)學(xué)模型空間與光學(xué)測量空間映射變換的簡便標(biāo)測方法、五自由度機器人基座坐標(biāo)空間與光學(xué)測量空間映射變換的自動標(biāo)測方法、五自由度機器人末端位姿的閉環(huán)控制方法。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所說的實現(xiàn)方法，其特征是，三維醫(yī)學(xué)模型空間與光學(xué)測量空間映射變換的簡便標(biāo)測方法是a.由醫(yī)生在病人頭部粘貼四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器(6)，要求這四個標(biāo)志器不在同一平面，且任意三個標(biāo)志器不在同一條直線上；b.對病人頭部進行CT或MRI醫(yī)學(xué)影像掃描，所得掃描影像輸入計算機(1)；c.確定四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器的掃描成像點在三維醫(yī)學(xué)模型空間的坐標(biāo)；d.讓病人躺在手術(shù)床(8)上，頭部使用塑形枕(7)與手術(shù)床(8)相對固定，用光學(xué)注冊工具(4)測定病人頭部的四個醫(yī)學(xué)標(biāo)志器(6)在光學(xué)測量空間的坐標(biāo)，測量值由光學(xué)跟蹤設(shè)備(3)輸入計算機(1)；e.由計算機(1)計算三維醫(yī)學(xué)模型空間與光學(xué)測量空間的映射變換。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所說的方法，其特征是，五自由度機器人基座坐標(biāo)空間與光學(xué)測量空間映射變換的自動標(biāo)測方法是a.預(yù)先選定五自由度機器人(2)工作空間內(nèi)的四個點，要求這四個點應(yīng)該處于光學(xué)跟蹤設(shè)備(3)的測量范圍內(nèi)，并且四個點不共面，任意三個點不共線；b.由計算機(1)向五自由度機器人(2)發(fā)出到達上述四個點的關(guān)節(jié)位置命令，控制五自由度機器人(2)依次運動到上述四個點；c.由計算機(1)記錄下上述四個點在五自由度機器人基座坐標(biāo)空間中的坐標(biāo)；同時，由光學(xué)跟蹤設(shè)備(3)和安裝在五自由度機器人末端的被動標(biāo)識器(5)配合，依次測定五自由度機器人(2)運動到上述四個點時其末端在光學(xué)測量空間中的坐標(biāo)，并送入計算機(1)；d.由計算機(1)根據(jù)上述四個點在五自由度機器人基座坐標(biāo)空間和光學(xué)測量空間的坐標(biāo)值，計算出五自由度機器人(2)基座坐標(biāo)空間與光學(xué)測量空間的映射變換，從而完成自動標(biāo)測。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所說的實現(xiàn)方法，其特征是，五自由度機器人術(shù)端位姿的閉環(huán)控制方法是a.由計算機(1)將在三維醫(yī)學(xué)模型空間預(yù)先規(guī)劃的手術(shù)路徑變換到光學(xué)測量空間，并計算(1)出在當(dāng)前路徑點五自由度機器人末端需要達到的理想位姿；b.由計算機(1)根據(jù)當(dāng)前路徑點的理想位姿，進行由光學(xué)測量空間到五自由度機器人基座坐標(biāo)空間的坐標(biāo)變換，并通過求解五自由度機器人逆運動學(xué)，得到五自由度機器人各個關(guān)節(jié)的理想位置；c.由計算機(1)向五自由度機器人(2)輸入各個關(guān)節(jié)的理想位置，控制五自由度機器人(2)運動d.由光學(xué)跟蹤設(shè)備(3)和安裝在五自由度機器人末端的被動標(biāo)識器(5)配合，實時測定五自由度機器人末端的位姿，并送入計算機(1)；e.由計算機(1)將實時測定的位姿信息與預(yù)先規(guī)劃的當(dāng)前路徑點的理想位姿進行比較，得到兩者的位姿偏差；f.由計算機(1)根據(jù)位姿偏差按照預(yù)先確定的控制規(guī)律，位置控制采用比例-積分-微分調(diào)節(jié)；姿態(tài)控制采用比例調(diào)節(jié)，計算校正控制量，修正當(dāng)前路徑點的理想位姿，并開始新一輪的運動控制，從而實現(xiàn)精確的軌跡跟蹤和定位。
全文摘要
一種基于光學(xué)跟蹤閉環(huán)控制腦外科機器人系統(tǒng)，是進行接收醫(yī)學(xué)影像信息、測定并確定病灶位置、輔助進行手術(shù)規(guī)劃、進行手術(shù)導(dǎo)引的腦外科機器人；由計算機、五自由度機器人、光學(xué)跟蹤設(shè)備和被動標(biāo)識器構(gòu)成一個閉環(huán)的機器人位姿測量與實時反饋控制系統(tǒng)，被動標(biāo)識器安裝在五自由度機器人末端；五自由度機器人包括機械臂和機械臂控制器；輔助手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)引軟件包括數(shù)字影像輸入與預(yù)處理模塊、病灶提取與三維重構(gòu)模塊、手術(shù)規(guī)劃模塊、以及手術(shù)實施模塊；其優(yōu)點是提高機器人系統(tǒng)的軌跡跟蹤和定位精度，解決限制外科手術(shù)機器人推廣使用的絕對精度問題，降低機器人設(shè)計和制造成本；簡化注冊標(biāo)定過程，減輕醫(yī)生工作量和出錯概率，減輕病人的痛苦。
文檔編號B25J13/00GK1985773SQ20051012258
公開日2007年6月27日 申請日期2005年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月22日
發(fā)明者陳國棟, 賈培發(fā), 關(guān)偉, 王榮軍 申請人:天津市華志計算機應(yīng)用技術(shù)有限公司, 清華大學(xué)