[发明专利]一种机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统及方法

权利要求书

1.一种机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统，其特征在于，光纤力传感器通过光纤连接数据采集卡，数据采集卡连接计算机的输入接口；C型臂设置于穿刺现场，与计算机的输入接口连接；三维电磁定位传感器设置于柔性针针尖的凹槽中，与计算机的输入接口连接，计算机的输出接口通过信号线连接控制器的输入端，控制器的输出端连接穿刺平台。

2.根据权利要求1所述的机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统，其特征在于：所述光纤力传感器包括激光器、光频隔离器、分光镜、力-光强转换元件和光强测量模块，激光器通过光纤依次连接光频隔离器和分光镜，分光镜分别连接光强测量模块和力-光强转换元件；

所述光强测量模块由光电二极管、电流电压转换器顺次连接组成；

所述力-光强转换元件包括嵌入柔性针针尖外壁凹槽中的光纤上，相隔断面上的两个反光镜。

3.根据权利要求1所述的机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统，其特征在于：所述穿刺平台包括定位机构和穿刺机构，其中定位机构为六自由度机械臂，末端固定连接穿刺机构，穿刺机构包括直线电机、旋转电机和柔性针。

4.根据权利要求1所述的机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统，其特征在于：所述控制器包括机械臂控制器、直线电机控制器和旋转电机控制器；

所述机械臂控制器连接六自由度机械臂，用于控制柔性针针尖的定位，

所述直线电机控制器连接直线电机，用于控制柔性针针尖的直线进给；

所述旋转电机控制器连接旋转电机，用于控制柔性针针尖的旋转方向。

5.一种机器人辅助斜尖柔性针穿刺方法，其特征在于，包括如下步骤：

获得通过术前规划后穿刺平台的位置和穿刺路径；

移动定位机构到指定位置，定位锁死，控制穿刺机构使柔性针到达穿刺刺入点，并根据规划的穿刺路径进行穿刺；

根据光纤力传感器反馈的柔性针针尖与组织接触力信息对柔性针模型进行参数修正，并将修正后的柔性针模型进行路径规划；

根据三维电磁定位传感器和C型臂在穿刺过程中反馈的柔性针针尖位置信息和姿态信息进行实时路径规划；

控制器按照路径规划后的实时在线优化策略对柔性针针尖进行实时矫正，直至达到目标位置，结束穿刺过程。

6.根据权利要求5所述的机器人辅助斜尖柔性针穿刺方法，其特征在于：所述光纤力传感器反馈柔性针针尖与组织接触力信息的步骤为：

激光器发射的激光通过光频隔离器后，经分光镜分成两路激光；

一路激光依次经光电二极管和电流电压转换器完成从光强到电压的转换，并经数据采集卡将模拟电压值转化为数字电压值，作为入射光的参考值；

另一路激光通过光纤传输到力-光强转换元件，在力-光强转换元件内，激光经过两个反光镜完成两次反射，反射光在光纤内发生干涉，相干光在分光镜处分为两路，一路相干光传至光频隔离器停止，另一路相干光经光电二极管和电流电压转换器完成反射光强测量；

通过反射光强与相干光相位差的关系计算光纤力传感器内部两次反射光的相位差，进而得到两个反光镜之间的距离，根据反光镜之间距离变化与光纤力传感器顶端受力关系得出顶端受力大小，完成柔性针针尖与组织的接触力的测量。

7.根据权利要求5所述的机器人辅助斜尖柔性针穿刺方法，其特征在于：所述柔性针模型为自适应独轮车模型。