CN108030551B - 手术机械臂行程校正系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种手术机械臂行程校正系统及方法，该系统包括：手术机械臂，透视设备，处理装置，控制装置及目标标记结构；目标标记结构包括至少四个C标定体，其中四个C标定体不在同一平面上；控制装置依理论行程控制手术机械臂运动，以带动其上的手术工具往目标标记结构的规划路径处运动；透视设备从不同角度拍摄处于依理论行程控制运动后的手术工具及目标标记结构，将所拍摄的图像传输至处理装置；处理装置根据所拍摄的图像中手术工具与目标标记结构的位置关系，确定手术工具的实际位置与规划路径的偏移量，偏移量用于校正理论行程。本发明的手术机械臂行程校正系统及方法，可对手术机械臂的行程进行校正，以减小定位误差。

Description

手术机械臂行程校正系统及方法

技术领域

本发明涉及医疗装置技术领域，尤其涉及的是一种手术机械臂行程校正系统及方法。

背景技术

在外科手术中，通常采用手术机械臂持手术工具来操作，例如手术机械臂末端安装手术刀进行开刀或安装电钻、克氏针等进行钻骨，尤其是在骨科钻骨手术中，手术工具与骨之间会产生较大的力而不稳定，因而需要借助手术机械臂。无论是手术前，手术机械臂需移动至患者的病患部位，还是在手术中，手术机械臂根据需要的进刀或进钻轨迹进行移动，都需要手术机械臂的进行定位。

手术机械臂需要根据控制器的控制行程来运动到所需定位的位置，然而，无论是控制行程的确定过程，还是设备本身，都会使得手术机械臂的实际运动与理想位置存在一些偏差，或者随着使用时间的增加，产生偏差或者偏差变大等，而手术机械臂的运动偏差会导致手术工具的手术位置发生偏差，如果不对这个偏差进行校正，对手术效果影响很大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种手术机械臂行程校正系统及方法，可对手术机械臂的行程进行校正，以减小定位误差。

为解决上述问题，本发明提出一种手术机械臂行程校正系统，包括：手术机械臂，透视设备，处理装置，控制装置及目标标记结构；

所述目标标记结构包括至少四个C标定体，其中四个C标定体不在同一平面上；所述控制装置依理论行程控制所述手术机械臂运动，以带动其上的手术工具往所述目标标记结构的规划路径处运动；所述透视设备从不同角度拍摄处于依理论行程控制运动后的手术工具及所述目标标记结构，将所拍摄的图像传输至所述处理装置；所述处理装置根据所拍摄的图像中手术工具与所述目标标记结构的位置关系，确定所述手术工具的实际位置与规划路径的偏移量，所述偏移量用于校正所述理论行程。

根据本发明的一个实施例，所述控制装置收到反馈的偏移量，根据所述偏移量调整手术机械臂的理论行程，并重新控制所述手术机械臂运动，所述透视设备重新拍摄，从而所述处理装置重新确定偏移量并反馈至所述控制装置重新进行调整，直至偏移量达到设定值。

根据本发明的一个实施例，所述目标标记结构包括四个C标定体，所述四个C标定体的连线构成一直角三棱柱形状。

根据本发明的一个实施例，所述理论行程包括三个理论行程，每个理论行程下，控制装置控制手术工具往对应的两个C标定体连线确定的规划路径运动，该两个C标定体为连线不在同一平面的四个C标定体中的任意两个，每个理论行程对应的两个C标定体不同；

针对每个理论行程下的手术机械臂运动，所述透视设备均至少从两个不同角度拍摄处于依理论行程控制运动后的手术工具及所述目标标记结构，将所拍摄的图像传输至所述处理装置；所述处理装置根据所拍摄图像中的手术工具与对应的两个C标定体的位置关系，确定在对应理论行程下的所述手术工具的实际位置与规划路径的偏移量。

根据本发明的一个实施例，还包括A组标定体、B组标定体、空间立体定位装置；所述A组标定体与所述手术机械臂相对固定；所述B组标定体与所述透视设备相对固定；

所述透视设备从至少两个角度针对所述目标标记结构进行拍摄形成两个图像；

所述处理装置接收所述透视设备的至少两个图像，根据外部输入指令在每个图像中分别选定第一目标投影点和第二目标投影点，每个图像中的第一目标投影点均为对应拍摄方向下的光源将目标标记结构上的第一C标定体投影至对应图像接收平面上的点，每个图像中的第二目标投影点均为对应拍摄方向下的光源将目标标记结构上的第二C标定体投影至对应图像接收平面上的点，根据至少两个第一目标投影点与光源的位置关系、及所述至少两个第一目标投影点的图像接收平面之间的位置关系，确定所述第一C标定体相对于B组标定体的空间位置，生成第一C标定体空间位置数据，根据至少两个第二目标投影点与光源的位置关系、及所述至少两个第二目标投影点的图像接收平面之间的位置关系，确定所述第二C标定体相对于B组标定体的空间位置，生成第二C标定体空间位置数据；

所述空间立体定位装置捕获所述A组标定体与所述B组标定体的空间位置，形成A组标定体与B组标定体的三维相对位置关系；

所述控制装置接收所述处理装置的第一C标定体空间位置数据、第二C标定体空间位置数据和所述空间立体定位装置的三维相对位置关系，根据所述三维相对位置关系和目标实际点空间位置数据确定所述第一C标定体或第二C标定体的空间位置作为规划路径的入口点，并根据所述第一C标定体空间位置数据、第二C标定体空间位置数据确定规划路径的方向及深度；

所述控制装置根据所述规划路径的入口点、方向及深度确定所述理论行程。

根据本发明的一个实施例，所述处理装置包括：

图像采集处理模块，用以接收所述透视设备的两个图像，接收外部输入指令，根据外部输入指令在每个图像中选定目标投影点，所述目标投影点包括第一目标投影点、第二目标投影点；

关系映射模块，用以根据透视设备两个拍摄角度的空间变化关系确定两个图像接收平面之间的位置关系，通过此位置关系将其中一图像接收平面上的目标投影点与其对应拍摄角度下的光源之间的位置关系映射为相对于另一图像接收平面的位置关系，以确定两个图像中的目标投影点与各自光源之间的投影线相交处的目标实际点相对于所述另一图像接收平面的空间位置，所述目标实际点包括第一C标定体、第二C标定体；

空间位置数据生成模块，用以根据所述另一图像接收平面与其对应拍摄角度下的所述B组标定体之间的空间关系，分别确定所述第一C标定体、第二C标定体相对于该B组标定体的空间位置，生成第一C标定体空间位置数据、第二C标定体空间位置数据。

根据本发明的一个实施例，所述空间立体定位设备还用以捕获在两个不同拍摄角度下的B组标定体的空间位置，以确定所述B组标定体在两个拍摄角度下的相对位置关系，并将该相对位置关系传输至所述处理装置中，作为所述透视设备两个拍摄角度的空间变化关系。

根据本发明的一个实施例，

所述图像采集处理模块，在两个图像中分别选定目标投影点，确定两个图像的目标投影点在各自图像接收平面的第一位置点(x₁,y₁)、第二位置点(x₂,y₂)；

所述关系映射模块，根据B组标定体在两个拍摄角度下的相对位置关系确定两个图像接收平面之间的空间变化矩阵S：其中，

为第一拍摄角度下的B组标定体确定的坐标系，

为第二拍摄角度下的B组标定体确定的坐标系，两个坐标系的建立方式相同；通过空间变化矩阵S将第二图像接收平面的第二位置点(x₂,y₂)与其对应拍摄角度下的光源(x_b,y_b,z_b)之间的位置关系映射为相对于第一图像接收平面的位置关系：(x'₂,y'₂,z'₂)＝S·(x₂,y₂,0)……(1)，(x'_b,y'_b,z'_b)＝S·(x_b,y_b,z_b)……(2)，根据(1)和(2)确定空间变化后的第二位置点(x'₂,y'₂,z'₂)和光源(x'_b,y'_b,z'_b)之间的直线方程(3)，

在所述第一图像接收平面确定第一位置点(x₁,y₁)和其对应拍摄角度下的光源(x_a,y_a,z_a)之间的直线方程(4)，联立计算(3)和(4)得到直线方程的交点(x,y,z)，作为所述目标实际点相对于第一图像接收平面的空间位置；

所述空间位置数据生成模块，根据所述接收板与B组标定体之间的位置关系将所述目标实际点相对于第一图像接收平面的空间位置转换为所述目标实际点相对于B组标定体之间的空间位置，第一C标定体空间位置数据、第二C标定体空间位置数据。

根据本发明的一个实施例，所述A组标定体和B组标定体均具有至少三个标定体，每组中的至少三个标定体之间共面而不共线。

根据本发明的一个实施例，所述处理装置、空间立体定位设备或控制装置，根据空间立体定位设备测得的每组三个标定体的空间位置

建立该组标定体局部O-XYZ坐标系，坐标中心

X轴方向定义为

方向,Y轴方向定义为

方向，Z轴方向定义为

方向。

根据本发明的一个实施例，所述控制装置包括：

数据获取模块，用以接收所述处理装置的目标实际点空间位置数据和所述空间立体定位设备的A组标定体与至少一拍摄角度下的所述B组标定体的三维相对位置关系；

位置数据处理模块，用以根据所述A组标定体的至少三个标定体的位置数据建立A三维坐标系，根据所述A组标定体与手术工具的位置关系确定所述手术工具在所述A三维坐标系中的位置；根据所述B组标定体的至少三个标定体的位置数据建立B三维坐标系，根据A组标定体与B组标定体的相对位置关系将所述手术工具在所述A三维坐标系中的位置映射到B三维坐标系中，得到所述手术工具在所述B三维坐标系中的坐标值；根据所述第一C标定体、第二C标定体相对于B组标定体的空间位置确定所述第一C标定体、第二C标定体在所述B三维坐标系中的坐标值；根据手术工具的坐标值和所述目标实际点的坐标值确定所述手术工具的理论行程，生成行程控制指令；

行程控制模块，用以接收所述行程控制指令，根据所述行程控制指令控制所述手术机械臂动作以使其手术工具移动。

本发明还提供一种使用如前述实施例中任意一项所述的手术机械臂行程校正系统的手术机械臂行程校正方法，该方法包括以下步骤：

S1：所述控制装置依理论行程控制所述手术机械臂运动，以带动其上的手术工具往所述目标标记结构的规划路径处运动；

S2：所述透视设备从不同角度拍摄处于依理论行程控制运动后的手术工具及所述目标标记结构，将所拍摄的图像传输至所述处理装置；

S3：所述处理装置根据所拍摄的图像中手术工具与所述目标标记结构的位置关系，确定所述手术工具的实际位置与规划路径的偏移量，所述偏移量用于校正所述理论行程。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：

通过设置能够表征至少三个线性独立的向量的目标标记结构，控制装置按理论上能够使手术工具到达目标标记结构上的规划路径的理论行程来控制手术机械臂移动，通过拍摄不同角度上的图像来判断不同方向上的偏移量，从而可以从不同方向上对手术机械臂的运动行程进行校正，使得手术工具的运动、定位等更准确；

由于一次校正未必能使误差被补偿，因而在理论行程更新之后，再去根据更新后的理论行程来控制手术机械臂运动，同样的方式再去判断是否还有偏移量，若还有则继续进行调整，也即采用多次反馈调整的闭环回路方式，可以使得误差最终被调整到可以接受的范围内，进一步保证定位的精准性；

通过对目标标记结构中的每个线性独立向量对应两个C标定体对应的理论行程，均进行偏移量的校正，从而实现了手术机械臂三维空间各个方向上的偏移校正，使得手术机械臂在各个方向上的运动更精准。

附图说明

图1为本发明一实施例的手术机械臂行程校正系统的结构框图；

图2为本发明一实施例的目标标记结构的结构示意图；

图3为本发明一实施例的一个目标实际点确定关系的示意图；

图4为本发明一实施例的手术机械臂行程校正方法的流程示意图。

图中标记说明：

1-手术机械臂，2-透视设备，21-光源，22-接收板，3-处理装置，4-空间立体定位设备，5-控制装置，6-手术工具，7-目标标记结构，71、72、73、74-C标定体，100-A组标定体，200-B组标定体。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

参看图1，在一个实施例中，手术机械臂行程校正系统，包括：手术机械臂1，透视设备2，处理装置3，控制装置5及目标标记结构7。可以理解，透视设备2、处理装置3、控制装置5可以是三个集成在一起或其中任意两个集成在一起或者是三者独立设置，均不作为限制。

参看图2，所述目标标记结构7包括至少四个C标定体71-74，其中四个C标定体71-74不在同一平面上。在本实施例中，为了对手术机械臂1的运动进行各个方向上的矫正，至少保证有四个C标定体71-74，而且四个C标定体71-74不在同一平面上，当然也可以更多个，具体是不限的。

目标标记结构7设置为四个C标定体71-74不在同一平面上，是为了计算手术机械臂1在三个不同方向的偏移量。三个不同方向指的是三个向量线性不相关或叫线性独立(linearly independent)的方向。三个线性独立的向量，就是指三个中的任意一个向量无法用另外两个向量表示出来。所以如果只有三个点的话，那么组成的三个向量其中的任意一个向量都可以由另外两个之间相加或相减而得到，而四个C标定体71-74不在同一平面上，便可以得到三个线性独立的向量，以检测手术机械臂1各个方向上的偏移情况，从而保证手术机械臂1在各个方向上均得到校正。

最简单的三个线性独立的向量就是直角坐标系的xyz三个互相正交的方向向量，因而优选的，目标标记结构包括四个C标定体71-74，所述四个C标定体71-74的连线构成一直角三棱柱形状。但并不限于此，其实只要四个C标定体71-74不在同一平面内，那么都能通过两两组合的方式找到三个线性独立的向量。

继续参看图1，由于是校正过程，控制手术机械臂1运动的理论行程在本实施例中可以认为是已经确定的，因而先不考虑理论行程是如何获得的。在进行校正时，将手术工具6如手术时一样装载在手术机械臂上，该手术工具6可以是任意需要的手术工具，例如是克氏针、电钻、导向筒等等不限。

理论行程可以预先存储在控制装置5，控制装置5依当前的理论行程控制所述手术机械臂1运动，以带动手术机械臂1上的手术工具6往所述目标标记结构7的规划路径处运动。规划路径即假设理论行程无偏差的情况下，实际手术工具6能进入的通道，由于是通道，因而手术工具6进入规划路径时有进入点、深度及方向的约束，本实施例可以实现手术工具6从进入规划路径直到到达目标深度位置的行程进行校正。规划路径可以是两个端点连接确定的线段路径。

透视设备2从不同角度拍摄处于依理论行程控制运动后的手术工具及所述目标标记结构7，将所拍摄的图像传输至所述处理装置3。可以理解，图2中的目标标记结构7中需要显影的是四个C标定件71-74，因而其他用来支撑这四个C标定件71-74的结构并显影。透视设备可以是C臂机或X光机等，拍摄时目标标记结构7及手术工具6位于透视设备的光源和接收板面之间。不同角度的图像可以体现不同方向上手术工具6与C标定件之间的位置偏差。

处理装置3根据所拍摄的图像中手术工具6与所述目标标记结构7的位置关系，确定所述手术工具6的实际位置与规划路径的偏移量，所述偏移量用于校正所述理论行程。由于图像是可视的及可处理的，因而在图像上测量出手术工具6的实际位置与规划路径的方向、位置偏差数据，便可计算出偏移量。控制装置5可以接收该偏移量，进而更新理论行程，将更新的理论行程作为下次控制手术机械臂1运动的参数。

为了提高准确性，可以在手术工具6达到理论行程中的规划路径的入口点时进行图像的拍摄，然后进入到理论行程中的规划路径的最深度位置点时再进行图像的拍摄，从而可以通过这些图像来检测理论与实际的入口点、方向、深度这些数据误差情况。当然，也可以是手术机械臂1在理论行程的控制下运动到位后来拍摄图像，进而判断手术工具6与目标标记结构7之间的距离方向误差情况。

通过设置能够表征至少三个线性独立的向量的目标标记结构7，控制装置5按理论上能够使手术工具6到达目标标记结构7上的规划路径的理论行程来控制手术机械臂1移动，通过拍摄不同角度上的图像来判断不同方向上的偏移量，从而可以从不同方向上对手术机械臂1的运动行程进行校正，使得手术工具6的运动、定位等更准确。

进一步的，控制装置5收到处理装置3反馈的偏移量，根据偏移量调整手术机械臂1的理论行程，并依此更新的理论行程重新控制所述手术机械臂1运动，所述透视设备2重新拍摄，从而所述处理装置3重新确定偏移量并反馈至所述控制装置5重新进行调整，直至偏移量达到设定值。

由于一次校正未必能使误差被补偿，因而在理论行程更新之后，再去根据更新后的理论行程来控制手术机械臂1运动，同样的方式再去判断是否还有偏移量，若还有则继续进行调整，也即采用多次反馈调整的闭环回路方式，可以使得误差最终被调整到可以接受的范围内，进一步保证定位的精准性。

在一个实施例中，理论行程可以包括三个理论行程，对应上述实施例中所指的三个线性独立的向量，在四个C标定体71-74的连线构成一直角三棱柱形状的情况下，确定每个理论行程的C标定体为直角三棱柱的各个直角边对应的两个C标定体，共三对C标定体。每个理论行程下，控制装置5控制手术工具6往对应的两个C标定体连线确定的规划路径运动，该两个C标定体为连线不在同一平面的四个C标定体71-74中的任意两个，每个理论行程对应的两个C标定体不同。

针对每个理论行程下的手术机械臂1运动，所述透视设备2均至少从两个不同角度拍摄处于在理论行程控制下运动后的手术工具6及所述目标标记结构7，将所拍摄的图像传输至所述处理装置3；所述处理装置3根据所拍摄图像中的手术工具6与对应的两个C标定体的位置关系，确定在对应理论行程下的所述手术工具6的实际位置与规划路径的偏移量。

换言之，每两个C标定体确定一个规划路径及对应的手术机械臂1的理论行程，在对应理论行程控制下，手术机械臂1带动手术工具6往该规划路径运动，针对该次运动，从两个角度拍摄两幅图像(当然可以更多角度拍摄)，若图像中显示手术工具6与规划路径吻合，说明理论行程的偏移量已经消除，否则说明还存在一定的偏移量，根据图像中的偏移距离及方向来确定该图像中对应的偏移量，结合两幅图像的偏移量确定其三维空间的偏移量，从而调整相应两个C标定体确定的理论行程。

通过对目标标记结构7中的每个线性独立向量对应两个C标定体对应的理论行程，均进行偏移量的校正，从而实现了手术机械臂1三维空间各个方向上的偏移校正，使得手术机械臂1在各个方向上的运动更精准。

由于不同角度下拍摄的图像接收平面与C标定体或手术工具6的位置关系是确定的，因而根据两个角度下的图像可以建立一三维空间坐标系，从而根据图像中的平面偏移量可以转换到空间坐标系中的空间偏移量。

最终确定的空间偏移量可以保存在控制装置5中，在后续的实际操作过程中，对相应的运动控制均将空间偏移量考虑在内，对计算或检测得到的理论行程进行偏移量的调整。

由于理论行程的计算或检测过程也是影响偏移的因素，下面说明一下确定初始的理论行程的过程。

在一个实施例中，手术机械臂1上相对固定有A组标定体100，手术机械臂1可以是现有的手术机械臂或者在结构上做合适的改动，例如设置A组标定体100的固定部位，其中A组标定体100的位置与手术机械臂1上安装手术工具6的位置在工作过程中可以始终保持不变，例如可以将A组标定体100固定在手术机械臂1的末端或末端靠近部位，如果改变则根据变化后的相对位置计算定位所需移动的行程。手术机械臂1优选是三维六自由度可动的机械臂，动作由关节处的驱动机构驱动，具体如何动作并不作为限制，只要能够最终将待定位点移动到定位的位置即可，例如也可以仅仅是一个可使安装的手术工具6运动的支架。

透视设备2上相对固定有B组标定体200。优选的，透视设备2可以是X光透视扫描设备。采用X光透视扫描设备，可以实现标定体、骨头等的显影，进而使得整个系统可以实现钻骨点位置等的定位。透视设备2工作时，X光源21发射X光将目标对象(图1中为目标标记结构和手术工具，在计算理论行程时，目标对象可以仅为目标标记结构)投射到接收板22上形成图像，接收板22的板面即为该图像的图像接收平面。

透视设备2从至少两个角度针对目标标记结构拍摄形成至少两个图像。其中，B组标定体200与透视设备2的光源21和接收板22的相对位置不变，为了与图像接收平面上的目标投影点位置关系计算更方便些，可以将B组标定体200固定在接收板22附近，当然不影响透视设备2的拍摄。如果从两个角度拍摄，该两个角度下的光源21位置错开、不相对，都是朝着目标对象。

透视设备2至少从两个角度拍摄到了两个图像，由于光源21与接收板22两者之间的位置关系没有发生过变化，因而目标标记结构和手术工具位于图像接收平面的对应投影点与对应光源位置的连线上，从两个不同角度拍摄后，可以得到三维空间中针对同一部位点的两条光源到图像接收平面投影点的连线，连线交点便是该同一部位点的三维位置点，当然拍摄更多角度下的图像来确定同一部位点的三维位置点同样适用。

优选的，透视设备2在各个角度针对目标对象拍摄中，光源21与接收器22的图像接收平面之间的相对位置和相对方向始终保持不变，避免还需要图像尺寸变化或者位置转化等。当然退一步来说，也可以发生位置关系变化，只需在处理时对位置关系数据进行相应的调整即可。

处理装置3接收透视设备2的至少两个图像，根据外部输入指令在这些图像中分别选定目标投影点，在每个图像中均选定一个第一目标投影点和一个第二目标投影点。不同图像中的第一目标投影点对应同一个目标实际点(目标标记结构上的第一C标定体)，不同图像中的第二目标投影点对应同一个目标实际点(目标标记结构上的第二C标定体)。每个图像中的第一目标投影点均为对应拍摄方向下的光源将目标标记结构上的第一C标定体投影至对应图像接收平面上的点，每个图像中的第二目标投影点均为对应拍摄方向下的光源将目标标记结构上的第二C标定体投影至对应图像接收平面上的点。如图2，本实施例中的第一C标定体和第二C标定体的配对可以是C标定体71和C标定体72，或，C标定体72和C标定体73，或，C标定体73和C标定体74，或，C标定体74和C标定体71。

也就是说，处理装置3接收到图像后，根据外部输入指令在两个图像上选择出显示的目标标记结构上同一点的两个目标投影点，每个图像中选择的部位点是相同的，从而根据投影点和光源连线得到该钻骨点的至少两条投影线，计算投影线交点便可得到该一点的位置，同理可以得到两个点的位置。外部输入指令可以是操作者在显示的图像上点选相同部位点形成的，例如可以通过鼠标点击选中，触摸屏触摸选中，手写板写入等方式生成外部输入指令。

处理装置3根据至少两个第一目标投影点与光源的位置关系、及所述至少两个第一目标投影点的图像接收平面之间的位置关系，确定所述第一C标定体相对于B组标定体的空间位置，生成第一C标定体空间位置数据。已知至少两个图像的目标投影点的图像接收平面之间的位置关系便可将全部图像的目标投影点与光源映射到同一坐标系下，那么各目标投影点与光源的位置关系便可在同一坐标系下计算交点，从而可以确定第一C标定体在该坐标系中的位置，由于B组标定体200与图像接收平面(接收板22)的相对位置已知，那么经过位置换算便可确定第一C标定体相对于B组标定体200的空间位置，生成相应的第一C标定体空间位置数据。

同理的，处理装置3根据至少两个第二目标投影点与光源的位置关系、及所述至少两个第二目标投影点的图像接收平面之间的位置关系，确定所述第二C标定体相对于B组标定体的空间位置，生成第二C标定体空间位置数据。如此可以确定第一C标定体和第二C标定体的空间位置(同理可以应用在确定空间偏移量的确定上，通过图像点选手术工具和标定体来计算两者的偏移情况)。

空间立体定位设备4用以捕获A组标定体100与B组标定体200的空间位置，得到A组标定体100与B组标定体200的空间位置后，便可计算得到A组标定体100与B组标定体200的三维相对位置关系。捕获得到标定体空间位置可以根据现有的立体视觉定位技术实现，具体不再赘述。空间立体定位设备4可以通过双目立体视觉系统实现，B组标定体200、A组标定体100为能够被双目立体视觉系统感测到的标定体，具体不做限制。

控制装置5连接处理装置3和空间立体定位设备4，三者可以集成在同一设备中或分设在不同设备中或者各自一台独立设备。控制装置5接收处理装置3的第一C标定体空间位置数据、第二C标定体空间位置数据和空间立体定位设备4的A组标定体100与B组标定体200之间的三维相对位置关系，由于，两个C标定体与B组标定体200的空间位置关系已知，A组标定体100与B组标定体200之间的空间位置关系已知，A组标定体100与手术机械臂1的空间位置关系已知，从而根据三维相对位置关系和第一C标定体空间位置数据可以确定第一C标定体的空间位置、根据三维相对位置关系和第一C标定体空间位置数据可以确定第一C标定体的空间位置，也就确定了规划路径上的入口点和出口点便可确定规划路径的方向及深度。可以选择第一C标定体或第二C标定体的空间位置作为规划路径的入口点，根据所述第一C标定体空间位置数据、第二C标定体空间位置数据确定规划路径的方向及深度。所述控制装置根据所述规划路径的入口点、方向及深度确定所述理论行程。

通过在手术机械臂1上固定A组标定体100，得到手术机械臂1与A组标定体100之间的空间位置关系；通过在透视设备2上固定B组标定体200，得到接收板22与B组标定体200之间的位置关系；通过A组标定体100和B组标定体200之间的空间位置关系得到手术机械臂1与透视设备2之间的位置关系；通过透视设备2拍摄的至少图像，操作者只需在每个图像上都点选针对相同的两个点的投影点，根据光源21与接收板22之间的空间位置关系，便可得到该两个点的目标实际点三维位置，从而便确定两个目标实际点与手术机械臂1之间的空间位置关系，由此可以确定规划路径的入口点及规划路径的方向及深度，进而可确定理论形成，控制手术机械臂带动手术工具按照定位的规划路径进行移动。

在一个实施例中，处理装置3可以包括：图像采集处理模块，关系映射模块和空间位置数据生成模块。在本实施例中，以两个图像为例，可以理解，三个以上图像在本实施例中同样适用。

图像采集处理模块接收透视设备2的两个图像，当然这两个图像是针对患者部位从不同角度拍摄获得的，透视设备2的光源和接收器根据需要的角度摆放。图像采集处理模块还接收外部输入指令，外部输入指令例如是鼠标输入、屏幕输入、键盘输入等方式输入产生。图像采集处理模块根据外部输入指令在每个图像中选定目标投影点，目标投影点包括第一目标投影点、第二目标投影点。由于图像与图像接收平面是对应的，两者之间可以有尺寸的缩放，但不影响位置对应，因而在图像上点选相当于在图像接收平面对应位置点选。图3示出两个图像中相对应的两个目标投影点及其对应的一个目标实际点(目标标记结构上的C标定体)的对应关系，在图像接收平面G1上点选目标投影点Q1，在图像接收平面G2上点选目标投影点Q2，目标投影点Q1、Q2是目标实际点Q在不同角度下拍摄形成的，因而可以通过点选两个图像中的目标投影点Q1和Q2，并分别确定两者与光源之间的位置关系后，便可以确定两条投影线的交点，即为该目标实际点。两个目标实际点的确定也是同理，在此不再赘述。

关系映射模块用以根据透视设备2两个拍摄角度的空间变化关系确定两个图像接收平面(成像平面)之间的位置关系，也就是确定图3中图像接收平面G1和G2之间的关系。由于光源L2和目标投影点Q2的位置是相对于图像接收平面G2而言的，由于光源L1和目标投影点Q1的位置是相对于图像接收平面G1而言的，为了计算目标实际点Q的位置，需要知道两个图像接收平面G1和G2之间的相对关系。关系映射模块通过图像接收平面G1和G2之间的位置关系，将其中一图像接收平面G2上的目标投影点Q2与其对应拍摄角度下的光源L2之间的位置关系(Q2、L2)，映射为相对于另一图像接收平面G1的位置关系，以确定两个图像中的目标投影点Q1、Q2与各自光源L1、L2之间的投影线相交处的同一目标实际点Q相对于另一图像接收平面G1的空间位置，目标实际点包括第一C标定体、第二C标定体，也即，关系映射模块中对目标实际点的处理对第一C标定体、第二C标定体均适用。

较佳的，处理装置3还连接空间立体定位设备4，空间立体定位设备4还用以捕获在两个不同拍摄角度下的B组标定体200的空间位置，以确定B组标定体200在两个拍摄角度下的相对位置关系，并将该相对位置关系传输至处理装置3中，作为透视设备2两个拍摄角度的空间变化关系。也就是图像接收平面G1对应的B组标定体200位置、与图像接收平面G2对应的B组标定体200位置，两者之间的关系，可以得到两个角度下B组标定体200的空间变化情况，从而由于接收板22与B组标定体200之间有固定位置关系，可以获得图像接收平面G1和G2之间的转换关系。通过感测B组标定体200的空间变化情况来确定拍摄角度的变化，可以使得透视设备2可以任意变换姿态进行拍摄，操作起来更方便，而且无论怎样动作均可保证精度，避免动作超出预期而产生误差的问题。

或者，可选的，透视设备2两个拍摄角度的空间变化关系，可以预先设定，也就是在指定的拍摄角度下拍摄得到两个图像，从而图像之间的相对关系为已知，优选的，两个拍摄角度是垂直的，便于计算。

空间位置数据生成模块用以根据该另一图像接收平面G1与其对应拍摄角度下的B组标定体之间的空间关系，结合关系映射模块计算得到的目标实际点Q相对于另一图像接收平面G1的空间位置，确定同一目标实际点Q相对于该B组标定体的空间位置，如此分别确定所述第一C标定体、第二C标定体相对于该B组标定体的空间位置，生成第一C标定体空间位置数据、第二C标定体空间位置数据。

将两个拍摄角度下的光源和目标投影点之间的位置关系转换为了相对于同一图像接收平面而言，计算两个光源和目标投影点之间的投影线相交处交点位置确定目标实际点的位置，通过点选的两个二维位置得到了目标实际点的三维位置，可以通过在图像上点选而将手术机械臂定位到任意希望定位的位置，十分有利于手术进行。

更具体来说，继续参看图3，图像采集处理模块在两个图像中分别选定目标投影点Q1、Q2，确定两个图像的目标投影点Q1、Q2在各自图像接收平面G1、G2的第一位置点(x₁,y₁)、第二位置点(x₂,y₂)。第一位置点(x₁,y₁)、第二位置点(x₂,y₂)是分别以图像接收平面G1、G2为XY平面的局部二维坐标系确定的二维位置点，将二维转为以图像接收平面G1、G2为XY平面的三维坐标系的三维位置点，第一位置点(x₁,y₁)转为(x₁,y₁,0)、第二位置点(x₂,y₂)转为(x₂,y₂,0)，转换可以在关系映射模块中进行。

关系映射模块根据B组标定体200在两个拍摄角度下的相对位置关系确定两个图像接收平面之间的空间变化矩阵S：

其中，

为第一拍摄角度下的B组标定体200确定的坐标系，

为第二拍摄角度下的B组标定体200确定的坐标系，两个坐标系的建立方式相同，具体建立方式将在下面给出一具体实施例，但不作为限制。

关系映射模块通过空间变化矩阵S将第二图像接收平面G2的第二位置点(x₂,y₂)(转为三维点(x₂,y₂,0))与其对应拍摄角度下的光源(x_b,y_b,z_b)之间的位置关系映射为相对于第一图像接收平面G1的位置关系：

(x'₂,y'₂,z'₂)＝S·(x₂,y₂,0)……(1)，(x'_b,y'_b,z'_b)＝S·(x_b,y_b,z_b)……(2)，

根据(1)和(2)确定空间变化后的第二位置点(x'₂,y'₂,z'₂)和光源(x'_b,y'_b,z'_b)之间的直线方程(3)，

关系映射模块在第一图像接收平面G1确定第一位置点(x₁,y₁)(转为三维点(x₁,y₁,0))和其对应拍摄角度下的光源(x_a,y_a,z_a)之间的直线方程(4)，

关系映射模块联立计算上述公式(3)和(4)得到便可得到两个直线方程的交点(x,y,z)，即目标实际点Q相对于第一图像接收平面G1的空间位置，如此可以确定第一C标定体和第二C标定体相对于第一图像接收平面G1的空间位置。

空间位置数据生成模块根据接收板与B组标定体200之间的位置关系(相当于图像接收平面与对应角度下B组标定体200之间的关系)，将关系映射模块得到的目标实际点相对于第一图像接收平面的空间位置转换为第一C标定体和第二C标定体相对于B组标定体200之间的空间位置，生成相应的第一C标定体空间位置数据和第二C标定体空间位置数据。

在一个实施例中，A组标定体100和B组标定体200均具有至少三个标定体，每组中的至少三个标定体之间共面而不共线。三个标定体便可建立起对应的局部三维坐标系，作为一个整体来计算与其他部件之间的位置关系，计算的位置更为准确，也便于计算。

可选的，处理装置、空间立体定位设备或控制装置，均可根据空间立体定位设备测得的每组三个标定体的空间位置

建立该组标定体局部O-XYZ坐标系，坐标中心

X轴方向定义为

方向,Y轴方向定义为方向，Z轴方向定义为

方向，该坐标建立的方式适用于A组标定体100和B组标定体200，例如前述实施例中的第一拍摄角度下的B组标定体200确定的坐标系

第二拍摄角度下的B组标定体200确定的坐标系

在一个实施例中，控制装置包括：数据获取模块，位置数据处理模块和行程控制模块。

数据获取模块用以接收处理装置的目标实际点空间位置数据和空间立体定位设备的A组标定体100与至少一拍摄角度下的B组标定体200的三维相对位置关系。在处理装置已经完成图像接收平面对应的光源和目标投影点的空间变化后，便只需要变化到的空间中的图像接收平面的位置，因而获得该图像接收平面对应的B组标定体200与A组标定体100三维相对位置关系即可，当然获得两个拍摄角度下的三维相对位置关系也可以。

位置数据处理模块用以根据A组标定体100的至少三个标定体的位置数据建立A三维坐标系，根据A组标定体100与手术工具的位置关系，确定待定位点在A三维坐标系中的位置。位置数据处理模块根据B组标定体200的至少三个标定体的位置数据建立B三维坐标系，根据A组标定体100与B组标定体200的相对位置关系，将待定位点在A三维坐标系中的位置映射到B三维坐标系中，得到待定位点在B三维坐标系中的坐标值。位置数据处理模块根据第一C标定体、第二C标定体相对于B组标定体200的空间位置确定第一C标定体、第二C标定体在B三维坐标系中的坐标值。位置数据处理模块根据手术工具的坐标值和目标实际点的坐标值确定手术工具的理论行程，生成行程控制指令。

行程控制模块用以接收位置数据处理模块的行程控制指令，根据行程控制指令控制手术机械臂1动作，以使其手术工具移动，例如可以先控制移动至第一C标定体，然后顺着第一C标定体和第二C标定体的连线方向移动至第二C标定体(理论行程，在实际上可能存在偏差)。

在一个实施例中，手术机械臂1上安装有手术工具6，手术辅助工具上可装载手术工具。手术工具例如是手术刀、电钻、克氏针、套筒等。控制装置控制手术机械臂1动作，以带动手术工具的待定位点(例如末端)移动至第一C标定体或第二C标定体的空间位置，并控制手术工具按照规划路径的方向及深度进行移动。

进一步的，控制装置根据所述第一C标定体空间位置数据、第二C标定体空间位置数据确定第一C标定体和第二C标定体之间的位置关系，两个空间点一个作为规划路径的入口点，一个作为规划路径的出口点，从而可以确定入口点、规划路径方向及规划路径深度。

在本发明实施例中，理论行程可以只是手术工具从规划路径的入口点到出口点的第一行程，也可以再包括手术机械臂带动手术工具从外部到达规划路径的入口点的第二行程，当然，第二行程的轨迹如何并不做要求，只要保证到达入口点的位置准确即可，而第一行程则需要保证整个轨迹的准确性(可以通过多点拍摄多点调整等增加校正次数来实现)。

参看图4。本发明还提供一种使用如前述实施例中任意一项所述的手术机械臂行程校正系统的手术机械臂行程校正方法，该方法包括以下步骤：

S1：所述控制装置依理论行程控制所述手术机械臂运动，以带动其上的手术工具往所述目标标记结构的规划路径处运动；

S2：所述透视设备从不同角度拍摄处于依理论行程控制运动后的手术工具及所述目标标记结构，将所拍摄的图像传输至所述处理装置；

S3：所述处理装置根据所拍摄的图像中手术工具与所述目标标记结构的位置关系，确定所述手术工具的实际位置与规划路径的偏移量，所述偏移量用于校正所述理论行程。

关于本发明的手术机械臂行程校正方法的具体内容可以参看前述实施例中的手术机械臂行程校正系统部分的描述内容，在此不再赘述。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种手术机械臂行程校正系统，其特征在于，包括：手术机械臂，透视设备，处理装置，控制装置及目标标记结构；

所述目标标记结构包括至少四个C标定体，其中至少四个C标定体不在同一平面上；

所述控制装置依理论行程控制所述手术机械臂运动，以带动其上的手术工具往所述目标标记结构的规划路径处运动；所述透视设备从不同角度拍摄处于依理论行程控制运动后的手术工具及所述目标标记结构，将所拍摄的图像传输至所述处理装置；所述处理装置根据所拍摄的图像中手术工具与所述目标标记结构的位置关系，确定所述手术工具的实际位置与规划路径的偏移量，所述偏移量用于校正所述理论行程；

还包括A组标定体、B组标定体、空间立体定位装置；所述A组标定体与所述手术机械臂相对固定；所述B组标定体与所述透视设备相对固定；

所述透视设备从至少两个角度针对所述目标标记结构进行拍摄形成至少两个图像；

所述处理装置接收所述透视设备的至少两个图像，根据外部输入指令在每个图像中分别选定第一目标投影点和第二目标投影点，每个图像中的第一目标投影点均为对应拍摄方向下的光源将目标标记结构上的第一C标定体投影至对应图像接收平面上的点，每个图像中的第二目标投影点均为对应拍摄方向下的光源将目标标记结构上的第二C标定体投影至对应图像接收平面上的点，根据至少两个第一目标投影点与光源的位置关系、及所述至少两个第一目标投影点的图像接收平面之间的位置关系，确定所述第一C标定体相对于B组标定体的空间位置，生成第一C标定体空间位置数据，根据至少两个第二目标投影点与光源的位置关系、及所述至少两个第二目标投影点的图像接收平面之间的位置关系，确定所述第二C标定体相对于B组标定体的空间位置，生成第二C标定体空间位置数据；

所述空间立体定位装置捕获所述A组标定体与所述B组标定体的空间位置，形成A组标定体与B组标定体的三维相对位置关系；

所述控制装置接收所述处理装置的第一C标定体空间位置数据、第二C标定体空间位置数据和所述空间立体定位装置的三维相对位置关系，根据所述三维相对位置关系和实际点空间位置数据确定所述第一C标定体或第二C标定体的空间位置作为规划路径的入口点，并根据所述第一C标定体空间位置数据、第二C标定体空间位置数据确定规划路径的方向及深度；

所述控制装置根据所述规划路径的入口点、方向及深度确定所述理论行程。

2.如权利要求1所述的手术机械臂行程校正系统，其特征在于，所述控制装置收到反馈的偏移量，根据所述偏移量调整手术机械臂的理论行程，并重新控制所述手术机械臂运动，所述透视设备重新拍摄，从而所述处理装置重新确定偏移量并反馈至所述控制装置重新进行调整，直至偏移量达到设定值。

3.如权利要求1所述的手术机械臂行程校正系统，其特征在于，所述目标标记结构包括四个C标定体，所述四个C标定体的连线构成一直角三棱柱形状。

4.如权利要求1所述的手术机械臂行程校正系统，其特征在于，所述理论行程包括三个理论行程，所述目标标记结构包括四个C标定体，所述四个C标定体不在同一平面上；每个理论行程下，控制装置控制手术工具往对应的两个C标定体连线确定的规划路径运动，该两个C标定体为连线不在同一平面的四个C标定体中的任意两个，每个理论行程对应的两个C标定体不同；

针对每个理论行程下的手术机械臂运动，所述透视设备均至少从两个不同角度拍摄处于依理论行程控制运动后的手术工具及所述目标标记结构，将所拍摄的图像传输至所述处理装置；所述处理装置根据所拍摄图像中的手术工具与对应的两个C标定体的位置关系，确定在对应理论行程下的所述手术工具的实际位置与规划路径的偏移量。

5.如权利要求1所述的手术机械臂行程校正系统，其特征在于，所述处理装置包括：

图像采集处理模块，用以接收所述透视设备的两个不同拍摄角度下的两个图像，接收外部输入指令，根据外部输入指令在每个图像中选定目标投影点，所述目标投影点包括第一目标投影点、第二目标投影点；

关系映射模块，用以根据透视设备两个拍摄角度的空间变化关系确定两个图像接收平面之间的位置关系，通过此位置关系将其中一图像接收平面上的目标投影点与其对应拍摄角度下的光源之间的位置关系映射为相对于另一图像接收平面的位置关系，以确定两个图像中的目标投影点与各自光源之间的投影线相交处的目标实际点相对于所述另一图像接收平面的空间位置，所述目标实际点包括第一C标定体、第二C标定体；

空间位置数据生成模块，用以根据所述另一图像接收平面与其对应拍摄角度下的所述B组标定体之间的空间关系，分别确定所述第一C标定体、第二C标定体相对于该B组标定体的空间位置，生成第一C标定体空间位置数据、第二C标定体空间位置数据。

6.如权利要求5所述的手术机械臂行程校正系统，其特征在于，所述空间立体定位设备还用以捕获在两个不同拍摄角度下的B组标定体的空间位置，以确定所述B组标定体在两个拍摄角度下的相对位置关系，并将该相对位置关系传输至所述处理装置中，作为所述透视设备两个拍摄角度的空间变化关系。

7.如权利要求6所述的手术机械臂行程校正系统，其特征在于，

所述图像采集处理模块，在两个图像中分别选定目标投影点，确定两个图像的目标投影点在各自图像接收平面的第一位置点(x₁,y₁)、第二位置点(x₂,y₂)；

所述关系映射模块，根据B组标定体在两个拍摄角度下的相对位置关系确定两个图像接收平面之间的空间变化矩阵S：

其中，

为第一拍摄角度下的B组标定体确定的坐标系，

为第二拍摄角度下的B组标定体确定的坐标系，两个坐标系的建立方式相同；通过空间变化矩阵S将第二图像接收平面的第二位置点(x₂,y₂)与其对应拍摄角度下的光源(x_b,y_b,z_b)之间的位置关系映射为相对于第一图像接收平面的位置关系：(x'₂,y'₂,z'₂)＝S·(x₂,y₂,0)……(1)，(x'_b,y'_b,z'_b)＝S·(x_b,y_b,z_b)……(2)，根据(1)和(2)确定空间变化后的第二位置点(x'₂,y'₂,z'₂)和光源(x'_b,y'_b,z'_b)之间的直线方程(3)，

在所述第一图像接收平面确定第一位置点(x₁,y₁)和其对应拍摄角度下的光源(x_a,y_a,z_a)之间的直线方程(4)，

联立计算(3)和(4)得到直线方程的交点(x,y,z)，作为所述目标实际点相对于第一图像接收平面的空间位置；

所述空间位置数据生成模块，根据所述接收板与B组标定体之间的位置关系将所述目标实际点相对于第一图像接收平面的空间位置转换为所述目标实际点相对于B组标定体之间的空间位置，第一C标定体空间位置数据、第二C标定体空间位置数据。

8.如权利要求5-7中任意一项所述的手术机械臂行程校正系统，其特征在于，所述A组标定体和B组标定体均具有至少三个标定体，每组中的至少三个标定体之间共面而不共线。

9.如权利要求8所述的手术机械臂行程校正系统，其特征在于，所述处理装置、空间立体定位设备或控制装置，根据空间立体定位设备测得的共线不共面的每组三个标定体的空间位置

建立该组标定体局部O-XYZ坐标系，坐标中心X轴方向定义为

方向,Y轴方向定义为方向，Z轴方向定义为

方向。

10.如权利要求8所述的手术机械臂行程校正系统，其特征在于，所述控制装置包括：

数据获取模块，用以接收所述处理装置的实际点空间位置数据和所述空间立体定位设备的A组标定体与至少一拍摄角度下的所述B组标定体的三维相对位置关系；

位置数据处理模块，用以根据所述A组标定体的至少三个标定体的位置数据建立A三维坐标系，根据所述A组标定体与手术工具的位置关系确定所述手术工具在所述A三维坐标系中的位置；根据所述B组标定体的至少三个标定体的位置数据建立B三维坐标系，根据A组标定体与B组标定体的相对位置关系将所述手术工具在所述A三维坐标系中的位置映射到B三维坐标系中，得到所述手术工具在所述B三维坐标系中的坐标值；根据所述第一C标定体、第二C标定体相对于B组标定体的空间位置确定所述第一C标定体、第二C标定体在所述B三维坐标系中的坐标值；根据手术工具的坐标值和所述目标实际点的坐标值确定所述手术工具的理论行程，生成行程控制指令；

行程控制模块，用以接收所述行程控制指令，根据所述行程控制指令控制所述手术机械臂动作以使其手术工具移动。

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