[发明专利]一种髓内钉的自主入钉装置及方法

权利要求书

1.一种髓内钉的自主入钉装置，其特征在于，包括：手术操作控制平台、手术可视化模块、深度相机、磁定位模块、计算单元、驱动单元和机械臂模块；定义若干手术关键位置，根据关键位置得出相应参数送至手术操作控制平台，深度相机获取机械臂及手术台相关位置数据送至手术操作控制平台，手术操作控制平台处理数据后下发相应控制信号计算单元，计算单元分析并处理数据提供运动轨迹给驱动单元，经驱动单元部署后，机械臂模块协同运动实现具体手术操作，磁定位模块将实时采集到的医疗器械位姿信息送至手术可视化模块，手术可视化模块处理实时信息后实现手术过程的可视化。

2.如权利要求1所述的髓内钉的自主入钉装置，其特征在于，磁定位模块包括电磁发生器和电磁定位附件，电磁发生器持续生成电磁感应磁场，电磁定位附件嵌入医疗器械中，电磁定位附件接触到该静态电磁感应磁场后实时返回其位置信息和姿态信息。

3.如权利要求1所述的髓内钉的自主入钉装置，其特征在于，机械臂模块包括机械联动模块和末端指定模块；机械联动模块为六自由度，由三个空间移动单元和一个旋转单元组成，每个空间移动单元包括一个机械关节，分别实现在空间x,y,z轴三个方向的平移操作，旋转单元由三个耦合在一起的机械关节组成，实现在空间x,y,z轴三个方向的旋转操作；末端指定模块由可拆卸的医疗器械组成，根据手术需求更换手术器械，满足不同手术阶段的器械需求。

4.一种如权利要求1所述的髓内钉的自主入钉装置的入钉方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、执行主钉的预入钉过程，实现期望入钉位姿的自主匹配；

步骤2、主钉位置确定后，进行头钉的入钉过程，实现髓内钉的自主插入和调整。

5.如权利要求4所述的髓内钉的自主入钉方法，其特征在于，步骤1中，执行主钉的预入钉过程具体包括如下步骤：

步骤11、将经过配准后的骨模型和医疗器械模型导入手术操作控制平台，求出虚拟环境中模型{V}和实际部位{G}的转换矩阵然后在虚拟环境中定义主钉/头钉主轴的入钉位姿，手术操作控制平台将其转化为矢量^VP＝{x_fin,y_fin,z_fin}_V，经转换后得出实际操作中医疗器械期望入钉位点矢量，此时末态^TP＝^GP；

步骤12、深度相机采集空间任意一点，返回其在腕部坐标系{W}、基部坐标系{B}、工具端坐标系{T}以及工作台坐标系{S}各坐标系下的坐标{x_p,y_p,z_p}至手术操作控制平台，得出在各坐标系下的矢量^BP,^WP,^TP,^SP；

步骤13、计算单元获取原矢量后，通过计算得出相应转换矩阵并进一步求解初态位姿

步骤14、工作台坐标系{S}基于基部坐标系{B}定义，工具端坐标系{T}基于腕部坐标系{T}定义，鉴于其转换矩阵具有不变性，利用其不变性，通过期望矢量和各坐标系间的位姿关系求解末态位姿

步骤15、以初态位姿和末态位姿作为输入，计算单元通过逆运动学即可得出初态和末态时各机械关节角度{θ_init1-θ_init6}与{θ_fin1-θ_fin6}；

步骤16、以各机械关节初态和末态角度为输入，为了使各机械关节的运动尽量平滑，分别对关节角施加四个限制条件：①0时刻关节角为初态角度；②t_fin时刻关节角为末态角度；③0时刻关节角速度为0；④t_fin时刻关节角速度为0，计算单元在限制条件下生成每个机械关节角的三次多项式即轨迹曲线，经驱动单元部署后，工具端即医疗器械端自动调整其位姿至目标位置。

6.如权利要求4所述的髓内钉的自主入钉方法，其特征在于，步骤2中，主钉位置确定后，进行头钉的入钉过程具体包括如下步骤：

步骤21、由配准后的骨模型导出主钉期望入钉深度d_m-exp和入钉期望矢量^GQ_m，计算单元将期望矢量^GQ_m和预入钉末态矢量^GP_m作为输入联合求解其位姿：预入钉末态位姿已知，利用矢量间转换关系获取初始入钉位姿，然后计算单元将两位姿作为输入即可求解机械臂运动轨迹，最后完成初始入钉；

步骤22、初始入钉结束后，由磁定位模块导出实际入钉深度d_m-r，按照实际入钉深度d_m-r和期望入钉深度d_m-exp的差值Δd_m进行主钉入钉深度上的微调；

步骤23、由配准后的骨模型导出主钉实际位置的角度α_m-r与理想位置的角度α_m-exp，根据其角度差Δα_m，进行角度上的微调；

步骤24、由配准后的骨模型导出头钉期望入钉深度d_h-exp和入钉期望矢量^GQ_h，计算单元根据期望矢量^GQ_h和预入钉末态矢量^GP_h联合求解机械臂运动轨迹，完成初始入钉，此时头钉角度已经确定，头钉和主钉在近端交锁；

步骤25、由磁定位模块导出实际入钉深度d_h-r，按照实际入钉深度d_h-r和期望入钉深度d_h-exp的差异Δd_h进行头钉入钉深度上的微调，完成此操作后即完成实入钉操作。