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一种用于穿刺机器人的磁场驱动力反馈操纵设备 (中国发明专利CN113081275A) 发明内容 基于现有的力反馈装置无法满足穿刺手术的操纵自由度要求。同时由于结构复杂和自由度冗余，成本相对来说会比较高，不利于广泛推广应用的问题，本申请提供了一种力反馈装置及其应用。 2. 技术方案 为了达到上述的目的，本申请提供了一种力反馈装置，包括相互垂直设置的第一线圈组和第二线圈组，所述第一线圈组与所述第二线圈组形成的空间内设置有永磁体，所述永磁体设置于操纵杆内，所述永磁体与所述操纵杆固定连接。 本申请提供的另一种实施方式为：所述永磁体包括长轴，所述第一线圈组包括第一轴心线，所述第二线圈组包括第二轴心线，所述第一轴心线与所述第二轴心线形成轴心面，所述长轴初始位置与所述轴心面垂直，所述永磁体可绕所述第一轴心线旋转摆动，所述永磁体可绕所述第二轴心线旋转摆动，所述摆动通过万向节组件实现。 本申请提供的另一种实施方式为：所述万向节组件包括第一万向节部件，所述第一万向节部件通过第一轴承与骨架连接，所述第一万向节部件与第一编码器固定连接，第二万向节部件通过所述第二轴承固定于所述第一万向节部件上，所述第二万向节部件可在所述第一万向节部件上自由旋转，所述第二万向节部件上设置有传动带，所述传动带与第二编码器连接，所述第二编码器固定于所述第一万向节部件上。 本申请提供的另一种实施方式为：所述操纵杆包括第一管道，所述第一管道内设置有导向柱，所述导向柱与指板/指板副固定连接，所述导向柱与传动绳连接，所述传动绳穿过所述永磁体与力加载组件连接。 本申请提供的另一种实施方式为：所述力加载组件包括依次连接的卷簧、第一联轴器、磁滞制动器和卷线筒，所述卷线筒通过第二联轴器与第三编码器连接，所述传动绳通过第一引线组件和第二引线组件与所述卷线筒连接。 本申请提供的另一种实施方式为：所述第一线圈组设置于所述骨架上，所述第二线圈组设置于所述骨架上，所述骨架设置于基座内，所述操纵杆穿过所述基座，所述卷簧设置于所述基座上。 本申请提供的另一种实施方式为：所述操纵杆包括穿刺连接管道，所述穿刺连接管道设置于所述第一管道外部，所述第一管道为特氟龙管道。 本申请提供的另一种实施方式为：所述永磁体为空心圆柱型。 本申请还提供一种力反馈装置的应用，将所述的力反馈装置应用于穿刺机器人。 本申请提供的另一种实施方式为：所述力反馈装置与机器人通信连接，所述机器人与主手端通信连接。 3. 有益效果 与现有技术相比，本申请提供的力反馈装置及其应用的有益效果在于： 本申请提供的力反馈装置，为基于亥姆霍兹线圈磁场的力反馈设备。 本申请提供的力反馈装置，使用两组亥姆霍兹线圈和一个永磁体来对操纵杆施加两个方向的扭矩。永磁体在两组线圈的内径中，当给线圈施加激励电流时可以让线圈产生磁场，这样的均匀单向磁场可以让永磁体产生相应方向的扭矩。若控制电流的大小则可以控制磁场强度，从而改变扭矩的大小。当两组线圈同时产生磁场并作用在永磁体上时，根据磁场分别的大小可以合成出不同方向的扭矩。由于永磁体和操纵杆相互固定，在永磁体上施加的扭矩会直接转移给操纵杆，从而反馈到操作者的手上。 本申请提供的力反馈装置，采用的是长操纵杆的结构设计。该操纵杆初始位置垂直向上，符合穿刺手术中的一般情况，能让操作者更容易上手该装置的操作流程。 本申请提供的力反馈装置，其操纵杆的长度使得指板/指板副拥有较长的运动行程（大于15厘米）。在操纵者执行穿刺动作的时候，可以在该力反馈装置的单次行程中完成一个完整的穿刺动作，而无需短行程多次重复操作。 本申请提供的力反馈装置的应用，能够在完成手术所需基本自由度要求下为操作附加力反馈的功能，同时降低了制造该类设备的成本，也有利于降低整个穿刺手术机器人系统解决方案的成本。这间接促进了相关行业的从业者推出更加物美价廉的机器人方案，普及此类机器人辅助手术的手术模式。 附图 图1是本申请的力反馈装置结构示意图； 图2是本申请的力反馈装置内部结构示意图； 图3是本申请的力反馈装置半剖结构示意图； 图4是本申请的操纵杆结构示意图； 图5是本申请的操纵杆结构第二示意图； 图6是本申请的穿刺主手端系统示意图； 图7是本申请的力反馈原理示意图； 图8是本申请的力反馈控制原理示意图； 图中：1-第一线圈组、2-第二线圈组、3-永磁体、4-操纵杆、5-第一万向节部件、6-第一轴承、7-骨架、8-第一编码器、9-第二万向节部件、10-第二轴承、11-传动带、12-第二编码器、13-第一管道、14-导向柱、15-指板/指板副、16-传动绳、17-卷簧、18-第一联轴器、19-磁滞制动器、20-卷线筒、21-第二联轴器、22-第三编码器、23-第一引线组件、24-第二引线组件、25-基座、26-穿刺连接管道。

一种基于光学跟踪的串并联骨盆骨折复位机器人系统 技术领域   本装置涉及一种适用于骨盆骨折复位手术的基于光学跟踪的手术机器人系统 专利对比   在该领域的骨盆骨折复位手术中已经存在多项类似的专利，比如专利号CN202110569923, CN202011212195和CN201510144378。   专利号CN202110569923——一种串并混联的骨盆骨折复位机器人采用直线模组和球面并联机构组合的形式，以达到骨针操纵所需的自由度以及刚度。然而在专利文档所述方案中，该系统无法与骨盆的医学影像相互配合，使机器人知晓骨盆的位置以获得位置反馈，即该系统在整个手术操作过程中均为开环操作。在完成复位操作之后无法自行根据复位后的医学影像中显示出来的误差进一步进行操作。另外，该设计中采用了三个直线模组来构成其串联部分，虽然使机器人具备了较大的工作空间和承载能力，但是在使用中难以保证其无菌性，因为该结构的运动特点使其难以作为一次性用品也难以用无菌薄膜将其覆盖，安全性上的考虑有所欠缺。   专利号CN202011212195——一种空间混联骨盆骨折复位机器人是一种可移动式的骨盆骨折复位机器人。其设计原理与上述专利类似，均为串并联混合设计的机器人结构。同样地，在专利文档中也未涉及医学影像与机器人坐标系之间的关系。问题与上述专利一样，控制是开环的，难以纠正复位误差和确保机器人实际的复位精度。   专利号CN201510144378——一种六自由度串并联骨盆骨折复位机器人描述了一种和CN202110569923类似的设计。该设计与后者不同可以使用无菌膜包裹来确保术中无菌性，以保证手术安全。同样地存在上述机器人中的精度反馈和医学影像的配合问题。 背景技术   随着社会上汽车保有量的增加，车祸事故发生的概率和因车祸受伤的人数也在逐年增加。骨盆骨折作为一种严重的创伤，常见于车祸、地震等会给人造成剧烈外部打击伤害的灾难中。传统的人工骨盆复位术中，一般在术前和术中的X光影像的参考下，术者使用骨针等工具来调整骨盆患处的位置并固定来复位。然而在实际应用中，复位状况通常需要拍摄多个X光影像来持续确认，另外影像与实际骨盆的位置之间的映射不够直观，需要医生通过经验来判断，因此间接延长了手术时间、不可避免地给医生和患者带来了较多的辐射量。   本文中所述机器人设计针对的步骤是植入骨针后调整患处并复位的过程。在完成骨针的植入后，机器人末端执行器操作骨针来完成骨盆患处的复位任务。前面所述的几个专利虽然都能完成这一任务，但是由于其方案未能表现出系统与医学影像之间的配准关系，因此难以保证机器人复位操作是否符合实际的骨折错位距离和复位后的精度。 方案内容   本方案针对现有技术存在的上述不足，在能够满足临床操作的基础上设计了一种面向骨盆骨折复位手术的串并联机器人系统。该系统将光学定位系统集成入该类机器人中，并描述了一种基于该系统、在医学影像配准下机器人辅助手术流程。在完成各坐标系配准后，机器人系统和术前、术中医学影像都被统一到光学定位坐标系下，从而使机器人能把握患侧骨盆的位置并精确复位。该手术机器人的设计包含手术床、机械臂移动台、串联机械臂、六自由度平台和固定架，其中串并联操作臂提供十二个自由度，满足复位操作的运动所需。该机械臂末端执行器部分为带有反光球标志物的骨针固定盒，可以被光学定位探头捕捉到并反馈该盒所在位置。固定架可以在手术床上滑动以固定非患侧的骨盆位置。 附图说明 图1是该系统各设备的工作示意图； 图2是固定架的组成示意图； 图3是串并联机械臂的结构示意图； 图4是系统的各坐标系之间关系示意图； 图5是该系统的工作流程图； 发明内容   附图1展示了该系统各设备的组成和工作示意图。在执行复位任务前，医生在植入骨钉之后需要将骨钉固定在31带有反光球的骨钉固定盒上，同时也需要将非患侧的骨钉固定在42骨钉固定盒上。在完成第二次CT扫描之后，分别将两个固定盒安装3六自由度平台和4固定架上。此时医生使用光学探针完成病人骨盆关键点的获取后，计算机将通过算法完成病人实际骨盆解剖结构到医学影像直接的坐标系配准。   复位过程中，4固定架与植入非患侧骨盆的骨针相连，固定不动；3六自由度平台固定在2串联机械臂的末端，而31带有反光球标志物的骨针固定盒与32骨针一起被固定在3六自由度平台的另一端，3六自由度平台通过精巧的运动来操作骨针，完成术前计划的路径。随后医生取下31和42固定盒，对患者进行第三次CT扫描以确定复位后误差。如误差临床不可接受，则重新复位；若临床可接受，则完成复位操作。   图3中展示的串并联机械臂为一类结构通用的机械臂组合，在本专利中以商用的UR10协作机械臂（优傲，美国）和H-820六自由度平台（PI，美国）为例来介绍系统的组成及工作原理。   图4展示了在光学追踪下各个子坐标系之间的配准关系，配准方法在论文《肝肿瘤超声引导穿刺机器人的系统设计与控制》（林晓锋. 肝肿瘤超声引导穿刺机器人的系统设计与控制[D].中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院),2021.）中的2.3.2系统配准方法介绍中有详细介绍。   本专利所述系统共涉及四个主要坐标系，分别是光学定位坐标系{O}、CT术前影像坐标系{C}、机器人的末端执行器坐标系{E}和病人术中CT影像坐标系{S}。光学定位系统是一类位置测量系统。首先在需要跟踪的目标上附着一个无线的光学标记物。该标记物的形状和表面经过特殊处理，使得光学定位的激光发生器可以通过发射近红外光，来捕捉该类特殊标志物在自身定义坐标系下的位置。若同时附着数个标志物，形成一个标志物支架，则该定位系统可以同时 反馈该支架的位置和姿态信息。   本系统中使用到的标志物支架为三个被动反光球组成的局部坐标系，安装在31骨钉固定盒上。这意味着NDI光学跟踪器可以直接获取末端执行器{E}的位置和姿态。另外通过论文中所述基于迭代最近点的配准方法，可以利用骨盆上选定的几个标志点来开展骨盆术中CT影像{S}和术前CT影像{C}之间的配准。配准后可获得在光学定位坐标系{O}下表示的术中CT影像{S}，和术前CT影像{C}之间的坐标转换关系，此时将可以用光学定位坐标系{O}来表示术前规划的路径等基于术前影像坐标系{C}定义的各个坐标。   另外，由于串并联机械臂的几何关系固定，则机器人坐标系本身可通过末端执行器坐标系{E}由安装的反光球局部坐标系被映射到光学定位坐标系{O}中。如此所有的坐标系将可以通过统一的坐标系{O}来进行表达，则可以让机器人执行手术计划中规划的运动了，同时也可以让机器人系统在术中及时把握复位误差而进行调整。 说明书附图