一种骨科手术机器人示踪装置及自补偿跟踪方法与流程

1.本发明涉及一种机器人示踪装置及跟踪方法，特别是一种骨科手术机器人示踪装置及自补偿跟踪方法。


背景技术：

2.近些年，导航定位系统技术成为医疗领域创新的主流，特别机器人技术的创新应用，更是提高了骨科手术的安全性和有效性。骨科手术机器人系统的基本功能是利用计算机对医学影像设备提供的图像进行处理、显示、结合光学跟踪器，最终控制机器人安全、有效地进行手术定位。
3.在实际临床过程中，由于操作空间有限，系统中机器人或光学跟踪器因为临床需求需要不断地发生位姿变换，改变了之前系统之间的相对转换关系，进而造成机器人最终运动位置偏差。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种骨科手术机器人示踪装置及自补偿跟踪方法。
5.为了解决上述技术问题，本发明公开了一种骨科手术机器人示踪装置及自补偿跟踪方法。
6.其中，一种骨科手术机器人示踪装置，包括刚体支撑体，在刚体支撑体上设有示踪器。
7.所述刚体支撑体包括活动关节以及连接杆，示踪器的位置和姿态通过关节进行调节并固定。
8.所述示踪器包括注册点支撑架和注册点；注册点支撑架四周以共面不共线的方式设置注册点。
9.所述注册点不少于三个。
10.所述示踪装置，还包括用于与外部连接的连接组件。
11.所述刚体支撑体包括：第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节、第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆以及第五连接杆；
12.其中，第一关节连接第一连接杆与连接组件，且第一关节为360
°
旋转关节；
13.第二关节连接第一连接杆与第二连接杆，且第二关节为翻转关节；
14.第三关节连接第二连接杆与第三连接杆，且第三关节为翻转关节；
15.第四关节连接第三连接杆与第四连接杆，且第四关节为360
°
旋转关节；
16.第五关节连接第四连接杆与第五连接杆，且第五关节为翻转关节；
17.第五连接杆与安装接口连接，用于安装示踪器。
18.一种骨科手术机器人，包括主机和骨科手术机械臂，骨科手术机械臂上设有示踪器，所述主机或者骨科手术机械臂上设有刚体支撑体，在刚体支撑体上设有示踪器。
19.一种骨科手术机器人自补偿跟踪方法，包括以下步骤：
20.步骤1，启动光学跟踪器；
21.步骤2，将示踪装置放置于光学跟踪器的视野范围内，获取并保存示踪装置在光学跟踪器中对应的基础位姿信息t_p_old，同时获取骨科手术机器人基准点云r_pionts和光学跟踪器基准点云n_points；
22.步骤3，获取3d成像设备采集的满足骨科手术机器人导航系统精度的3d导航图像数据和相关位置信息；
23.步骤4，计算光学跟踪器坐标系与3d导航图像数据的坐标系之间的转换关系m_n；
24.步骤5，计算骨科手术机器人基准点云r_pionts和光学跟踪器基准点云n_points获取时刻，光学跟踪器坐标系与骨科手术机器人坐标系间的位姿转换关系m_old；实时跟踪当前示踪装置在光学跟踪器中对应的位姿信息t_p_new，并计算与基础位姿信息t_p_old之间的转换关系m_t_p，再结合位姿转换关系m_old，计算并更新当前光学跟踪器坐标系与骨科手术机器人坐标系间的位姿转换关系m_new；
25.步骤6，根据步骤5中得到的位姿转换关系m_new，结合步骤4得到的位姿转换关系m_n，将3d导航图像数据的坐标系下的位姿转换到机器人坐标系下的位姿，发送给骨科手术机机器人指定的位姿信息，进而控制骨科手术机机器人运动到相应的位置；
26.步骤7，计算当前骨科手术机器人的位姿在3d导航图像中的实时显示与实际规划点的误差δ，验证当前骨科手术机器人运动位姿是否符合精度要求。
27.其中，步骤7包括：
28.步骤7-1，通过光学跟踪器获取骨科手术机器人当前位姿；
29.步骤7-2，根据光学跟踪器坐标系与3d导航图像坐标系之间的转换关系m_n，将骨科手术机器人当前位姿转换到3d导航图像坐标系中并显示；
30.步骤7-3，计算当前骨科手术机器人的运动位姿在3d导航图像中的坐标与预规划时目标运动位姿在3d导航图像中的坐标差。
31.步骤5中计算骨科手术机器人基准点云r_pionts和光学跟踪器基准点云n_points获取时刻，光学跟踪器坐标系与骨科手术机器人坐标系间的位姿转换关系m_old的方法为迭代最近点算法即icp算法或矩阵奇异值分解算法。
32.有益效果：
33.本发明实时检测机器人坐标系或光学跟踪器坐标系的位姿变化，及时进行优化，避免了临床中机器人坐标系或光学跟踪器位姿变换对骨科手术机器人系统执行精度的影响，保证了系统精度的稳定可靠，在骨科手术机器人系统的应用中具有极高的应用价值。
附图说明
34.下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
35.图1是本发明的骨科手术机器人示踪装置结构示意图。
36.图2是本发明的骨科手术机器人示踪装置安装图。
37.图3是本发明的系统结构图。
38.图4是本发明的方法流程图。
具体实施方式
39.下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
40.本发明提供了一种骨科手术机器人示踪装置，如图1所示，为本发明中骨科手术机器人示踪装置示意图，骨科手术机器人示踪装置包括刚体支撑体：第一关节302、第二关节304、第三关节306、第四关节308、第五关节310、第一连接杆303、第二连接杆305、第三连接杆307、第四连接杆309及第五连接杆314；示踪器：注册点支撑架311、至少三个共面不共线的注册点312及安装接口313；连接组件301。
41.如图2所示，骨科手术机器人示踪装置安装示意图，安装的位置不影响临床手术为前提。安装设计巧妙地通过连接组件301与机器人6基座融为一体，简易，稳固,保证了无相对位姿变化，保证了系统的精度。可根据当前系统的摆位或手术空间，适当的拉伸或旋转关节，使得示踪器位于合适的位置，不影响骨科手术机器人6的运动，为骨科手术机器人6的任何动作留有足够的空间。
42.本发明提供了一种骨科手术机器人示踪装置系统，如图3所示，包括三维c臂4、光学跟踪器5、骨科手术机器人6、工作站7，一体化配准装置2，示踪装置3。
43.示踪装置：包括刚体支撑体；示踪器；连接组件，便捷拆装。
44.所述的刚体支撑体，有五个自平衡的关节及连接杆。考虑结构的稳定性和功能可用性，关节1需能360
°
无限旋转，进行支撑体的整体旋转达到调节方向的目的；关节4需能360
°
无限旋转，可对关节5及示踪器进行整体旋转达到调节方向的目的；关节5可单独对示踪器进行翻转位姿调节；其它关节小于360
°
翻转，可根据需要当前系统的摆位需要，进行合适拉伸及旋转，以达到调节示踪器位姿的目的；末端连接杆留有与示踪器固定连接的安装接口。
45.所述的示踪器，示踪器包含注册点支撑架、至少三个共面不共线的注册点及安装接口，注册点的几何结构必须满足骨科手术机器人中光学跟踪器的识别要求；示踪器的材质选择必须与骨科手术机器人中光学跟踪器的一致，光学跟踪器是光学原理，则必须用被动式发光示踪器，光学跟踪器是电磁识别原理，则必须用主动式发光示踪器。示踪器安装在刚体支撑体末端连接杆，固定要求必须牢固，不可发生松动或旋转，否则会影响骨科手术机器人系统的导航精度。
46.本发明提供了一种骨科手术机器人的自补偿跟踪方法，如图4所示，包括如下步骤：
47.(1)在骨科手术机器人6基座安装示踪装置3，安装位置与机器人6有固定的结构，满足安装要求，如图2所示；
48.(2)根据骨科手术机器人6操作原理和相应的几何结构，记录骨科手术机器人6末端带有示踪器的特定尖端在不同平面的位姿信息，即为机器人6基准点云r_p，至少五个及以上；
49.(3)启动光学跟踪器5与骨科手术机器人6，保证示踪装置3和骨科手术机器人6末端带有示踪器的特定尖端在光学跟踪器5的视野范围内，保证精确获取光学跟踪器5基准点云n_p，同时保存示踪装置3在光学跟踪器5中对应的基础位姿信息t_p_；
50.(4)启动三维c臂4，采集并发送3d图像数据，工作站7接收并显示3d图像
51.数据和相关配置信息；由骨科手术机器人系统原理，利用一体化配准装置2的位姿
信息,计算光学跟踪器5坐标系与图像坐标系之间转换关系m_n；
52.(5)结合步骤(3)，应用icp算法及svd算法，工作站7计算基准点云获取时
53.光学跟踪器5坐标系与骨科手术机器人6坐标系间的位姿转换关系m_old；光学跟踪器5实时检测示踪装置3的位姿信息，实时更新当前系统下光学跟踪器5坐标系与骨科手术机器人6坐标系间的位姿转换关系m_new。
54.(6)工作站7通过图像进行预规划，指定的骨科手术机器人6运动最终位姿信息。结合步骤(4)和步骤(5)，计算得到图像坐标系与骨科手术机器人6坐标系转换关系，进而控制骨科手术机器人6运动到目标位置。
55.(7)工作站7实时计算当前骨科手术机器人6位姿与实际规划点的误差δ，保证骨科手术机器人6运动位姿实时符合系统精度要求。
56.icp算法：按照一定的约束条件，计算出最优匹配参数r和t使得如下误差函数最小。
[0057][0058]
其中，n为最邻近点对的个数，p2i为目标点云p2中的一点，p1i为源点云p1中与p2i对应的最近点，r为旋转矩阵，t为平移向量。
[0059]
算法实现步骤：
[0060]
(1)在目标点云p2中取点集p2i∈p2；
[0061]
(2)找出源点云p1中的对应点集p1i∈p1，使得||p1
i-p2i||＝min；
[0062]
(3)计算旋转矩阵r和平移矩阵t，使得误差函数最小；
[0063]
(4)对p1i使用上一步求得的旋转矩阵r和平移矩阵t进行旋转和平移变换，得到新的对应点集p
′
＝{p
′i＝rp1i+t,p1i∈p1}
[0064]
(5)计算p
′
与对应点集p1的平均距离；
[0065][0066]
(6)如果d小于某一给定的阈值或者大于预设的最大迭代次数，则停止迭代计算。
[0067]
否则返回第2步，直到满足收敛条件为止。
[0068]
本发明提供了一种骨科手术机器人示踪装置及自补偿跟踪方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。