激光手术机器人辅助规划定位装置和扫描路径规划方法

本发明属于激光手术机器人领域，涉及一种激光手术机器人的辅助规划定位装置和扫描路径规划方法。

背景技术：

1、激光手术过程中，为得到较好的骨骼或软组织切割效果，常需要将工作激光利用透镜进行聚焦，以此获得较小的光斑尺寸与较大的能量密度。在激光手术过程前需要进行对焦与扫描路径规划，使得在切割过程中工作表面与激光透镜之间的距离保持为焦距，否则会使激光失焦，使得光斑尺寸较大，降低能量密度，从而降低切割效率。

2、现有激光手术机器人主要是由机器人、工作激光、导航装置等部分组成，其中工作激光安装在机器人手臂前端。术前规划时，机器人根据工作激光上面装配的激光测距传感器与导航装置的实时检测数据计算激光器聚焦透镜与待切割骨骼或软组织的距离，调整机器臂，从而获得对焦与扫描路径规划结果。这种方法的问题有：(1)算法复杂，待切割表面通常不是规则的平面而是高低起伏的曲面，计算时需要考虑激光测距的结果与导航装置的实时数据，并将两者结合，算法比较复杂；(2)成本较高，导航装置通常配备高精度测距与显示传感器，结构复杂，制造成本很高；(3)不直观，工作激光常规工作距离一般不超过120mm，工作激光器会遮住手术视野，医生通常需要在机器人旁边的显示器中观察对焦与扫描路径规划结果，不能直接观察。

技术实现思路

1、为了改善上述技术问题，本发明提供一种激光手术机器人辅助规划定位装置，包括：

2、类l型的操作手柄，纵杆为手持部，横杆设置连接部，用于与激光手术机器人机械臂可拆卸连接；

3、设置在纵杆上的红外漫反射传感器，用于检测用户是否握住操作手柄；

4、设置在所述横杆上的激光测距设定单元，包含激光测距开关、激光测距传感器和数值设定模块；

5、所述激光测距开关用于控制所述激光测距设定单元的开启与关闭；

6、所述激光测距传感器设置在横杆的最外端，用于进行实时距离检测；

7、所述数值设定模块用于用户设置所需的工作距离，优选为激光透镜的焦距；

8、所述激光测距传感器能够对比激光测距传感器获取的实时距离与数值设定模块的设定工作距离，所述激光测距传感器与激光手术机器人的中央处理器连接；当所述实时距离等于设定工作距离时，激光测距传感器向中央处理器传递信号，由中央处理器发出机械臂在运动方向的锁止命令；

9、设置在纵杆上的定位开关，当机械臂锁止后，用户按下定位开关，向激光手术机器人中央处理器传递获取切割定位点的空间位置坐标的信号。

10、上述“工作距离”指激光手术机器人作业过程中工作表面与激光透镜之间的距离，优选等于激光透镜的焦距。

11、根据本发明的实施方案，所述操作手柄为一体成型。

12、根据本发明的实施方案，所述连接部为法兰，与快拆装置的下部连接(例如通过螺栓或螺钉连接)，快拆装置的下部与和机械臂组装的快拆装置的上部装配，从而实现辅助规划定位装置与机器人手臂的组装。

13、根据本发明的实施方案，所述数值设定模块包含数值设定按键，或者进一步包含显示设置数值的窗口。在一种实施方式中，所述数值设定模块设置在横杆的侧面。

14、根据本发明的实施方案，所述辅助规划定位装置还包括蜂鸣器，设置在所述横杆上。

15、根据本发明的实施方案，所述蜂鸣器与定位开关连接，当用户按下定位开关，蜂鸣器给出声音反馈。

16、根据本发明的实施方案，所述定位开关为触摸感应式开关。

17、根据本发明的实施方案，所述红外漫反射传感器与激光手术机器人的中央处理器连接。当红外漫反射传感器检测到用户握住操作手柄后，由红外漫反射传感器向激光手术机器人的中央处理器传递信号，中央处理器将机器人设定为自由移动模式；当红外漫反射传感器未检测到用户握住操作手柄，则红外漫反射传感器无法向激光手术机器人的中央处理器传递信号，机器人为锁止模式。

18、根据本发明的实施方案，当激光手术机器人获取切割定位点的空间位置坐标后，激光手术机器人中央处理器向机械臂发出解除锁止命令，机械臂恢复自由运动，操作手柄带动机械臂寻找下一位置点。

19、根据本发明的一种实施方案，所述定位开关和红外漫反射传感器设置在纵杆的不同侧面。

20、根据本发明的实施方案，所述纵杆和横杆的夹角大于90°，例如为95°、100°、105°、110°、120°。

21、本技术中激光测距传感器与数值设定模块的连接，激光测距传感器与激光手术机器人的中央处理器连接，红外漫反射传感器与激光手术机器人的中央处理器连接，定位开关与激光手术机器人的中央处理器连接等，可以为电连接、通信连接或信号连接。

22、本发明还提供一种激光手术机器人系统，包括上述辅助规划定位装置。

23、本发明还提供一种扫描路径规划的方法，包括如下步骤：

24、步骤一、拆下与激光手术机器人连接的工作激光器，将上述辅助规划定位装置装配在激光手术机器人的机械臂上；

25、步骤二、打开激光测距开关，启动激光测距单元，通过数值设定模块设定用户设置所需的工作距离，优选为激光透镜的焦距；

26、步骤三、用户手持操作手柄的纵杆，当红外漫反射传感器检测到用户握住纵杆后，由红外漫反射传感器向激光手术机器人的中央处理器传递信号，中央处理器将激光手术机器人设定为自由移动模式；

27、步骤四、用户通过操作手柄移动机器人手臂至预想的切割位置附近，将手柄尽可能往骨骼或软组织表面的方向推，当激光测距传感器获取的实时距离等于数值设定模块的设定工作距离时，激光测距传感器向中央处理器传递信号，由中央处理器发出机械臂在运动方向的锁止命令，使得操作手柄不能进一步靠近骨骼或软组织；

28、步骤五、当机械臂锁止后，用户按下定位开关，向激光手术机器人中央处理器传递获取切割定位点的空间位置坐标的信号；

29、步骤六、当激光手术机器人获取、存储切割定位点的空间位置坐标后，激光手术机器人中央处理器向机械臂发出解除锁止命令，机械臂恢复自由运动，操作手柄带动机械臂寻找下一位置点；

30、步骤七、重复步骤三至步骤六，获取、存储更多个切割定位点的空间位置坐标；

31、步骤八、对获取的所有切割定位点的空间位置坐标进行曲线拟合，得到扫描路径规划曲线。

32、根据本发明的实施方案，所述方法还包括：

33、步骤九、用户关闭激光测距单元，将辅助规划定位装置从机械臂上拆除下来，而后将工作激光器装配在机械臂上。

34、有益效果

35、本发明的辅助规划定位装置结构简单、能快速拆卸、可以快速对焦与扫描路径规划。在术前规划时，先将其装配到机器人手臂上，用户根据需要，单手握住操作手柄，直视地进行对焦与扫描路径规划，确定结果后，拆掉辅助规划定位装置，装配上工作激光器，从而完成术前规划。

36、具体优点如下：

37、(1)对焦操作方便，扫描路径规划仅需要获取若干定位点并通过简单曲线拟合即可实现，算法比较简单。

38、(2)成本较低，该辅助定位装置不需要配合结构复杂的导航装置。

39、(3)操作直观，操作过程中用户能直接目视手术区域，可以根据实际需要实时调整对焦与扫描路径规划。