[发明专利]一种光学导航的牙种植机器人系统及其标定方法

说明书

本发明公开了一种光学导航的牙种植机器人系统及其标定方法，包括光学位置示踪器、六自由度机械臂、机械臂法兰盘末端夹持定位工具、牙种植手机、叉形工具、近红外光学定位系统和手术导航控制系统；光学位置示踪器由牙槽骨固定槽、第一连接杆、五点标记球固定板和光学标记球组成，六自由度机械臂末端安装有机械臂法兰盘末端夹持定位工具，由法兰连接片、第二连接杆、四点标记球固定板、光学标记球和牙种植手机夹持工具组成，夹持有牙种植手机，叉形工具提供车针的精确位置，近红外光学定位系统获取各光学标记球位置信息，手术导航控制系统用以信息数据处理。本发明通过设计光学位置示踪器等结构，提出标定方法，提高了精度和系统稳定性。

技术领域

本发明涉及牙种植的技术领域，尤其是指一种光学导航的牙种植机器人系 统及其标定方法。

背景技术

牙种植手术是常见的牙齿修复方式之一，其成败由牙槽骨上窝洞制备的精 度决定。如果种植体的实际植入位置与术前方案的偏差较大，就有可能会引起 种植体松动或发生机械断裂，从而引起一系列并发症；对于颌骨区域较薄的部 分患者来说，如果窝洞制备出现严重误差，不仅会导致手术失败，还会造成不 可逆的邻近牙根和下颌神经管损伤，增加手术的风险。

目前的牙种植手术高度依赖于医生的临床经验。一方面，培养一个合格的 牙科医生周期漫长、费用高昂；另一方面，长时间的手术操作会导致医生的腕 部疲劳，从而引起人为误差。因此，我们需要一种牙种植手术机器人系统，使 手术更智能化和自动化。

当前，牙种植机器人面临的主要问题在于缺乏精准的定位技术，导致牙种 植手术机器人无法适用于狭小、复杂的口腔内部环境。一方面，缺乏精准的定 位工具和夹持工具，不能为系统提供精确的空间位置信息；另一方面，缺乏鲁 棒性较高的可移动手眼标定算法，一旦机器人和导航系统的相对空间位置发生 改变，则不能实现两者间坐标的精确转换。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足与缺点，为牙种植手术提供了一种光 学导航的牙种植机器人系统及其标定方法，实质是一种自动化、高精度的机器 人辅助手术实现方案，设计了光学位置示踪器，实现影像空间和手术空间的精 确配准，提高手术注册的精度和导航系统的精度；其标定方法能够保证机械臂 与导航系统之间协同的稳定性和鲁棒性，在两者相对位置发生改变下仍能精确 配准。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种光学导航的牙种植机 器人系统，包括光学位置示踪器、六自由度机械臂、机械臂法兰盘末端夹持定 位工具、牙种植手机、叉形工具、近红外光学定位系统和手术导航控制系统； 所述光学位置示踪器由牙槽骨固定槽、第一连接杆、五点标记球固定板和光学 标记球组成，所述第一连接杆的一端连接牙槽骨固定槽，另一端连接五点标记 球固定板的中心处，所述五点标记球固定板由其中心沿五个不同的方向延伸有 五个悬臂，每个悬臂末端均安装一个光学标记球，相邻两个光学标记球之间的 距离大于预设值，用来建立患者CT影像空间与实际手术空间的配准关系；所述 六自由度机械臂的末端通过机械臂法兰盘末端夹持定位工具夹持牙种植手机， 通过六自由度机械臂驱动牙种植手机；所述机械臂法兰盘末端夹持定位工具由 法兰连接片、第二连接杆、四点标记球固定板、光学标记球和牙种植手机夹持 工具组成，所述法兰连接片通过螺丝固定在六自由度机械臂末端的法兰盘上并 与第二连接杆的一端相连，所述第二连接杆的另一端与牙种植手机夹持工具相 连，所述四点标记球固定板安装在第二连接杆的中部并设有四个悬臂，每个悬 臂末端均安装一个光学标记球，相邻两个光学标记球之间的距离大于预设值； 所述牙种植手机用来执行窝洞制备，由牙种植手机夹持工具所夹持；所述叉形 工具由其中心沿四个不同的方向延伸有四个悬臂，每个悬臂末端均安装一个光 学标记球，相邻两个光学标记球之间的距离大于预设值；所述近红外光学定位 系统用来实时获取各光学标记球的位置信息，确定患者口腔、六自由度机械臂 末端和牙种植手机的车针针尖的位置；所述手术导航控制系统用来实时接收近 红外光学定位系统发送的位置信息，进行口腔图像分割和三维重建及可视化的 路径规划和运动控制，实现术中的手术导航。