CN109528274A - 一种配准方法和装置 - Google Patents

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CN109528274A CN201710868904.XA CN201710868904A CN109528274A CN 109528274 A CN109528274 A CN 109528274A CN 201710868904 A CN201710868904 A CN 201710868904A CN 109528274 A CN109528274 A CN 109528274A
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李卓
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Tsinghua University
Shenzhen Graduate School Tsinghua University
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Abstract

本发明实施例公开了一种配准方法和装置，所述配准方法包括：获取持针装置上的标记物对应的标记物坐标系与机械臂上的法兰环对应的法兰环坐标系之间的平移关系，以实现对机械臂和标记物的配准；获取标记物坐标系与手术针的针尖坐标系之间的位置关系，以实现对标记物和手术针的配准。通过本发明实施例，实现了对机械臂和标记物、以及标记物和手术针的自动化配准，而不需要人工干预，且提高了配准精度。

Description

一种配准方法和装置
技术领域
本发明涉及手术导航技术，尤指一种配准方法和装置。
背景技术
为降低重大疾病的发病率及死亡率，一个关键的工作环节是疾病的早期诊断与治疗。其中，对发病部位进行扎针活检以及治疗是一个重要的环节。为了提高活检手术针下针的成功率，机械臂辅助下针技术现在已经广泛应用于很多经皮刺穿手术。在执行这些手术时，手术针要刺穿皮肤直达病变区域，那么建立一条理想刺穿路径的关键就是将针以理想的姿态放置在目标位置。然而，由于手术操作中存在很大的不确定性，使得手术针会偏离期望的位置和方向。这就推动了使用其他外部测量设备，比如光学定位设备和光学标记物(统称光学设备)的引入，来准确测量针的位置和姿态。由于光学定位设备的引入，那么就要解决多系统(包括机械臂，光学设备，手术针)之间的配准问题。
由于机械臂内参数的影响，目前大多数的配准方法存在下针精度低等问题，或者无法做到自动化，需要人工的干预，或者需要再引入其他外部工具进行配准等问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种配准方法和装置，能够实现自动化配准，且提高配准精度。
本发明实施例提供了一种配准方法，包括：
获取持针装置上的标记物对应的标记物坐标系与机械臂上的法兰环对应的法兰环坐标系之间的平移关系，以实现对机械臂和标记物的配准；
获取标记物坐标系与手术针的针尖坐标系之间的位置关系，以实现对标记物和手术针的配准。
可选的，所述获取标持针装置上的标记物对应的标记物坐标系与机械臂上的法兰环对应的法兰环坐标系之间的平移关系包括：
获取光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵；
根据所述机械臂以不同的姿态使所述标记物到达同一预设目标位置时所述机械臂坐标系和法兰环坐标系之间的位置关系获取所述标记物坐标系与所述法兰环坐标系之间的平移关系；
其中，光学定位设备根据所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制所述机械臂以不同的姿态使所述标记物到达同一预设目标位置。
可选的，所述获取光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵包括：
根据所述标记物在所述光学定位设备坐标系下的N个向量，以及所述机械臂坐标系下的N个向量计算所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵；其中，N为大于3的整数；所述标记物在所述光学定位设备坐标系下的N个向量，以及所述标记物在机械臂坐标系下的N个向量由光学定位设备获得。
可选的，所述光学定位设备获取标记物在光学定位设备坐标系下的N个向量，以及标记物在机械臂坐标系下的N个向量包括：
所述光学定位设备获取所述标记物在所述光学定位设备坐标系下的初始位置，以及法兰环中心点在所述机械臂坐标系下的初始位置；
所述光学定位设备将所述标记物在机械臂坐标系下的期望目标位置发送给所述机械臂，以控制所述机械臂使所述持针装置做平移运动将所述标记物平移到所述期望目标位置，并在所述持针装置执行平移运动后获取所述标记物在所述光学定位设备坐标系下的实际目标位置，以及所述法兰环中心点在所述机械臂坐标系下的目标位置；
所述光学定位设备根据所述标记物在光学定位设备坐标系下的初始位置和实际目标位置计算所述标记物在所述光学定位设备坐标系下的向量；根据法兰环中心点在所述机械臂坐标系下的初始位置和目标位置计算所述法兰环中心点在所述机械臂坐标系下的向量，将所述法兰环中心点在所述机械臂坐标系下的向量作为所述标记物在所述机械臂坐标系下的向量；
所述光学定位设备继续执行所述获取持针装置上的标记物在光学定位设备坐标系下的初始位置的步骤，直到循环N次。
可选的，所述根据标记物在光学定位设备坐标系下的N个向量，以及机械臂坐标系下的N个向量计算光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵包括：
按照公式计算所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵；
其中，为所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵，ΔPR(i)为所述标记物在所述光学定位设备坐标系下的第i个向量，ΔPR(i)为所述标记物在所述机械臂坐标系下的第i个向量。
可选的，所述根据光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制机械臂以不同的姿态使标记物到达同一预设目标位置包括：
所述光学定位设备根据所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制机械臂以第一姿态控制标记物到达预设目标位置，记录标记物到达预设目标位置时机械臂坐标系和法兰环坐标系的位置关系；
继续执行所述光学定位设备根据所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制机械臂以第二姿态控制标记物到达预设目标位置，记录标记物到达预设目标位置时机械臂坐标系和法兰环坐标系的位置关系的步骤；
直到所述光学定位设备根据所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制机械臂以第M姿态控制标记物到达目标位置，记录标记物到达预设目标位置时机械臂坐标系和法兰环坐标系的位置关系；其中，M为大于或等于2的整数。
可选的，所述光学定位设备根据光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制机械臂以第i姿态控制标记物到达预设目标位置包括：
所述光学定位设备根据所述标记物在光学定位设备坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移和所述光学定位设备坐标系与所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵，计算所述标记物在所述机械臂坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移；
将所述标记物在所述机械臂坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移发送给所述机械臂，以控制所述机械臂以第i姿态控制所述标记物移动所述标记物在所述机械臂坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移；其中，i为大于或等于1，且小于或等于M的整数；
所述光学定位设备在所述标记物移动所述标记物在所述机械臂坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移后重新获取所述标记物在所述光学定位设备坐标系下的当前位置，并继续执行所述根据标记物在光学定位设备坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移和光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵，计算标记物在机械臂坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移的步骤，直到所述标记物在所述光学定位设备坐标系下的当前位置与预设目标位置之间的位移的绝对值小于或等于预设阈值。
可选的，所述根据机械臂以不同的姿态使标记物到达同一预设目标位置时机械臂坐标系和法兰环坐标系的位置关系获取标记物坐标系与法兰环坐标系之间的平移关系包括：
按照公式计算所述法兰环坐标系与所述标记物坐标系之间的平移关系；
其中，为所述法兰环坐标系与所述标记物坐标系之间的平移关系，为所述机械臂以第i姿态控制所述标记物移动时所述机械臂坐标系与所述法兰环坐标系之间的位置关系，为机械臂以第j姿态控制标记物移动时所述机械臂坐标系与所述法兰环坐标系之间的位置关系，Tx为法兰环中心点在机械臂坐标系下的x分量，Ty为法兰环中心点在机械臂坐标系下的y分量，Tz为法兰环中心点在机械臂坐标系下的z分量。
可选的，所述标记物坐标系与所述针尖坐标系之间的位置关系包括所述标记物坐标系与所述针尖坐标系之间的旋转矩阵和所述标记物坐标系与所述针尖坐标系之间的平移关系；
所述获取标记物坐标系与手术针的针尖坐标系之间的位置关系包括：
根据持针装置上的下针轨道的入口和出口在光学定位设备坐标系下的坐标计算所述针尖坐标系与标记物坐标系之间的旋转矩阵；其中，所述下针轨道的入口和出口在光学定位设备坐标系下的坐标由光学定位设备获得；
获取所述针尖坐标系与所述标记物坐标系之间的平移关系。
可选的，所述根据下针轨道的入口和出口在光学定位设备坐标系下的坐标计算手术针的针尖坐标系和标记物坐标系的旋转矩阵包括：
根据下针轨道的入口和出口在所述光学定位设备坐标系下的坐标计算所述针尖坐标系与所述光学定位设备坐标系之间的旋转矩阵，根据所述针尖坐标系与所述光学定位设备坐标系之间的旋转矩阵计算所述针尖坐标系与所述标记物坐标系之间的旋转矩阵。
可选的，所述获取所述针尖坐标系与所述标记物坐标系之间的平移关系包括：
在所述手术针处于不同的姿态时获取所述光学定位设备坐标系与所述标记物坐标系之间的位置关系，根据在所述手术针处于不同的姿态时获得的所述光学定位设备坐标系与所述标记物坐标系之间的位置关系计算所述标记物坐标系与所述针尖坐标系之间的平移关系。
可选的，所述根据在所述手术针处于不同的姿态时获得的所述光学定位设备坐标系与所述标记物坐标系之间的位置关系计算所述标记物坐标系与所述针尖坐标系之间的平移关系包括：
按照公式计算所述针尖坐标系与所述标记物坐标系之间的平移关系；
其中，为所述标记物坐标系与所述针尖坐标系之间的平移关系，为所述手术针处于第i姿态时所述光学定位设备坐标系与所述标记物坐标系之间的位置关系，为所述手术针处于第j姿态时所述光学定位设备坐标系与所述标记物坐标系之间的位置关系。
本发明实施例提出了一种配准装置，包括：
第一配准模块，用于获取持针装置上的标记物对应的标记物坐标系与机械臂上的法兰环对应的法兰环坐标系之间的平移关系，以实现对机械臂和标记物的配准；
第二配准模块，用于获取标记物坐标系与手术针的针尖坐标系之间的位置关系，以实现对标记物和手术针的配准。
可选的，所述第一配准模块具体用于：
获取光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵；
根据所述机械臂以不同的姿态使所述标记物到达同一预设目标位置时所述机械臂坐标系和法兰环坐标系之间的位置关系获取所述标记物坐标系与所述法兰环坐标系之间的平移关系；
其中，光学定位设备根据所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制所述机械臂以不同的姿态使所述标记物到达同一预设目标位置。
可选的，所述第二配准模块具体用于：
根据持针装置上的下针轨道的入口和出口在光学定位设备坐标系下的坐标计算所述针尖坐标系与标记物坐标系之间的旋转矩阵；其中，所述下针轨道的入口和出口在光学定位设备坐标系下的坐标由光学定位设备获得；
获取所述针尖坐标系与所述标记物坐标系之间的平移关系。
本发明实施例提出了一种配准装置，包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述指令被所述处理器执行时，实现上述任意一种配准方法。
本发明实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意一种配准方法的步骤。
与相关技术相比，本发明实施例包括：获取持针装置上的标记物对应的标记物坐标系与机械臂对应的机械臂坐标系之间的平移关系，以实现对机械臂和标记物的配准；获取标记物坐标系与手术针的针尖坐标系之间的位置关系，以实现对标记物和手术针的配准。通过本发明实施例，实现了对机械臂和标记物、以及标记物和手术针的自动化配准，而不需要人工干预，且提高了配准精度。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例配准方法所涉及的系统结构图；
图2为本发明实施例配准方法的流程图；
图3为本发明实施例配准装置的结构组成示意图；
图4为本发明实施例另一配准装置的结构组成示意图；
图1中，1为光学定位设备，2为标记物，3为机械臂，4为法兰环，5为持针装置，6为手术针。
具体实施方式
下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
如图1所示，由于光学定位设备1无法直接定位手术针的位置，因此，引入标记物2，将标记物2固定到持针装置5上的任意一点，这样，光学定位设备1对机械臂3和标记物2，以及标记物2和手术针6进行配准，就能够准确获取手术针6的位置，以准确控制机械臂3使持针装置5将手术针6移动到目标位置。
其中，标记物2可以是被光学定位设备1直接捕捉的物质，例如，可以是直接反射红外光的球状标记物，如在球上涂上一层红外反射颜料作为标记物，也可以是自身发射红外光的发光二极管(LED，Light-Emitting Diode)。
其中，机械臂2和持针装置5之间通过法兰环4连接。
参见图2，本发明实施例提出了一种配准方法，包括：
步骤200、获取持针装置上的标记物对应的标记物坐标系与机械臂上的法兰环对应的法兰环坐标系之间的平移关系，以实现对机械臂和标记物的配准。
本实施例中，光学定位设备获取持针装置上的标记物对应的标记物坐标系与机械臂上的法兰环对应的法兰环坐标系之间的平移关系包括：
获取光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵；根据机械臂以不同的姿态使标记物到达同一预设目标位置时机械臂坐标系和法兰环坐标系之间的位置关系获取标记物坐标系与法兰环坐标系之间的平移关系；
其中，光学定位设备根据所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制所述机械臂以不同的姿态使所述标记物到达同一预设目标位置。
其中，获取光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵包括：
根据标记物在光学定位设备坐标系下的N个向量，以及机械臂坐标系下的N个向量计算光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵；其中，N为大于3的整数；所述标记物在所述光学定位设备坐标系下的N个向量，以及所述标记物在机械臂坐标系下的N个向量由光学定位设备获得。
其中，光学定位设备可以采用以下方法获取持针装置上的标记物在光学定位设备坐标系下的N个向量，以及持针装置上的标记物在机械臂坐标系下的N个向量：
光学定位设备获取持针装置上的标记物在光学定位设备坐标系下的初始位置，以及法兰环中心点在机械臂坐标系下的初始位置；
光学定位设备将标记物在机械臂坐标系下的期望目标位置发送给机械臂，以控制机械臂使持针装置做平移运动将标记物平移到期望目标位置，并在持针装置执行平移运动后获取标记物在光学定位设备坐标系下的实际目标位置，以及法兰环中心点在机械臂坐标系下的目标位置；
光学定位设备根据标记物在光学定位设备坐标系下的初始位置和实际目标位置计算标记物在光学定位设备坐标系下的向量；根据法兰环中心点在机械臂坐标系下的初始位置和目标位置计算法兰环中心点在机械臂坐标系下的向量，将法兰环中心点在机械臂坐标系下的向量作为标记物在机械臂坐标系下的向量；
光学定位设备继续执行获取持针装置上的标记物在光学定位设备坐标系下的初始位置的步骤，直到循环N次。
其中，标记物在光学定位设备坐标系下的向量为标记物在光学定位设备坐标系下的实际目标位置与初始位置之差。
其中，法兰环中心点在机械臂坐标系下的向量为法兰环中心点在机械臂坐标系下的目标位置和初始位置之差。
其中，按照公式计算光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵；
其中，为光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵，ΔPR(i)为标记物在光学定位设备坐标系下的第i个向量，ΔPR(i)为标记物在机械臂坐标系下的第i个向量。
其中，机械臂以不同的姿态使标记物到达同一预设目标位置指的是标记物到达同一预设目标位置时机械臂中各个轴的位置和/或夹角不同。
其中，根据所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制机械臂以不同的姿态使标记物到达同一预设目标位置包括：
光学定位设备根据光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制机械臂以第一姿态控制标记物到达预设目标位置，记录标记物到达预设目标位置时机械臂坐标系和法兰环坐标系的位置关系，继续执行光学定位设备根据光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制机械臂以第二姿态控制标记物到达预设目标位置，记录标记物到达预设目标位置时机械臂坐标系和法兰环坐标系的位置关系的步骤，直到光学定位设备根据光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制机械臂以第M姿态控制标记物到达目标位置，记录标记物到达预设目标位置时机械臂坐标系和法兰环坐标系的位置关系；其中，M为大于或等于2的整数。
其中，光学定位设备根据光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制机械臂以第i姿态控制标记物到达预设目标位置包括：
光学定位设备根据标记物在光学定位设备坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移和光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵，计算标记物在机械臂坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移，将标记物在机械臂坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移发送给机械臂，以控制机械臂以第i姿态控制标记物移动标记物在机械臂坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移；其中，i为大于或等于1，且小于或等于M的整数；
光学定位设备在标记物移动标记物在机械臂坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移后重新获取标记物在光学定位设备坐标系下的当前位置，并继续执行根据标记物在光学定位设备坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移和光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵，计算标记物在机械臂坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移的步骤，直到标记物在光学定位设备坐标系下的当前位置与预设目标位置之间的位移的绝对值小于或等于预设阈值。
其中，按照公式计算标记物在机械臂坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移；
其中，ΔPR为标记物在机械臂坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移，ΔPT为标记物在光学定位设备坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移，为标记物在光学定位设备坐标系下的预设目标位置，为标记物在光学定位设备坐标系下的当前位置。
上述方法中，由于的不精确性，控制机械臂使标记物移动一次后，标记物通常无法准确到达光学定位坐标系下的目标位置因此，还需要让标记物继续从新的当前位置移动到目标位置，根据新的当前位置和目标位置计算新的标记物在光学定位设备坐标系下的当前位置到目标位置的位移ΔPT，继续控制机械臂控制标记物移动新的标记物在机械臂坐标系下的当前位置到目标位置的位移，直到标记物的当前位置和目标位置的位移的绝对值小于或等于预设阈值。
其中，根据机械臂以不同的姿态使标记物到达同一预设目标位置时机械臂坐标系和法兰环坐标系的位置关系获取标记物坐标系与法兰环坐标系之间的平移关系包括：
按照公式计算法兰环坐标系与标记物坐标系之间的平移关系；
其中，为法兰环坐标系与标记物坐标系之间的平移关系，为机械臂以第i姿态控制标记物移动时机械臂坐标系与法兰环坐标系之间的位置关系，为机械臂以第j姿态控制标记物移动时机械臂坐标系与法兰环坐标系之间的位置关系，Tx为法兰环中心点在机械臂坐标系下的x分量，Ty为法兰环中心点在机械臂坐标系下的y分量，Tz为法兰环中心点在机械臂坐标系下的z分量。
步骤201、获取标记物坐标系与手术针的针尖坐标系之间的位置关系，以实现对标记物和手术针的配准。
本实施例中，标记物坐标系与针尖坐标系之间的位置关系包括：标记物坐标系与针尖坐标系之间的旋转矩阵、标记物坐标系与针尖坐标系之间的平移关系。
本实施例中，获取标记物坐标系与手术针的针尖坐标系之间的平移关系包括：
根据持针装置上的下针轨道的入口和出口在光学定位设备坐标系下的坐标计算手术针的针尖坐标系与标记物坐标系之间的旋转矩阵；其中，所述下针轨道的入口和出口在光学定位设备坐标系下的坐标由光学定位设备获得；获取针尖坐标系与标记物坐标系之间的平移关系。
如图1所示，在持针装置5上带有一个圆柱形的下针轨道，下针时手术针6会沿着下针轨道扎入目标体内，假设A点为下针轨道的入口，B点为下针轨道的出口，理想情况下，手术针6的方向就是下针轨道的方向，所以一旦获得下针轨道在光学定位设备坐标系下的方向向量手术针的针姿态的配准也就完成了。
为了确定下针轨道所在直线上的两个点，引入一个测量探针，这个测量探针的尖端是一个圆球，圆球的直径恰好比下针轨道的入口A点和出口B点的直径稍大一些，能够使圆球恰好卡在出口和入口处，尖端的另一端有标记物，能够被光学定位设备1追踪。
该测量探针可以是与光学定位设备配套的测量探针，将测量探针的尖端(即圆球)卡在入口A处，即可从光学定位设备1上获得入口A在光学定位设备坐标系的坐标将测量探针的尖端卡在出口B处，即可从光学定位设备1上获得入口B在光学定位设备坐标系的坐标
其中，根据下针轨道的入口和出口在光学定位设备坐标系下的坐标计算手术针的针尖坐标系和标记物坐标系的旋转矩阵包括：
根据下针轨道的入口和出口在光学定位设备坐标系下的坐标计算针尖坐标系与光学定位设备坐标系之间的旋转矩阵，根据针尖坐标系与光学定位设备坐标系之间的旋转矩阵计算针尖坐标系与标记物坐标系之间的旋转矩阵。
其中，假设手术针的针尖坐标系与光学定位设备坐标系之间的旋转矩阵为平移关系为那么，
其中，ΔPNeedle为手术针的针尖坐标系下点A到点B的向量。
当手术针坐标系的x轴为点A到点B的向量的方向时，ΔPNeedle＝[Δx 0 0T]，其中，则
由于y轴和z轴构成的平面与x轴垂直，也就是与下针方向垂直，因此y轴和z轴的方向可以任意指定，那么中的另外两列数据，R2和R3能够任意指定，满足坐标系关系即可。
其中，按照公式计算标记物坐标系和手术针的针尖坐标系的旋转矩阵；
其中，为标记物坐标系和手术针的针尖坐标系的旋转矩阵，为光学定位设备坐标系和标记物坐标系的旋转矩阵，可以由光学定位设备直接获得。
其中，光学定位设备可以采用以下方法类获取针尖坐标系与标记物坐标系之间的平移关系：
在手术针处于不同的姿态时获取光学定位设备坐标系与标记物坐标系之间的位置关系，根据在手术针处于不同的姿态时获得的光学定位设备坐标系与标记物坐标系之间的位置关系计算标记物坐标系与针尖坐标系之间的平移关系。
其中，可以通过将针尖固定在一个硬物体上保持针尖位置不动，手持持针装置绕这一固定点进行旋转来使手术针处于不同的姿态。
其中，按照公式计算针尖坐标系与标记物坐标系之间的平移关系；
其中，为标记物坐标系与针尖坐标系之间的平移关系，为手术针处于第i姿态时光学定位设备坐标系与标记物坐标系之间的位置关系，可以由光学定位设备直接获得，为手术针处于第j姿态时光学定位设备坐标系与标记物坐标系之间的位置关系。
上述方法中所提及的位置关系均包括旋转矩阵和平移关系。
参见图3，本发明实施例提出了一种配准装置，包括：
第一配准模块，用于获取持针装置上的标记物对应的标记物坐标系与机械臂上的法兰环对应的法兰环坐标系之间的平移关系，以实现对机械臂和标记物的配准；
第二配准模块，用于获取标记物坐标系与手术针的针尖坐标系之间的位置关系，以实现对标记物和手术针的配准。
可选的，所述第一配准模块具体用于：
获取光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵；
根据所述机械臂以不同的姿态使所述标记物到达同一预设目标位置时所述机械臂坐标系和法兰环坐标系之间的位置关系获取所述标记物坐标系与所述法兰环坐标系之间的平移关系；
其中，光学定位设备根据所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制所述机械臂以不同的姿态使所述标记物到达同一预设目标位置。
可选的，所述第二配准模块具体用于：
根据持针装置上的下针轨道的入口和出口在光学定位设备坐标系下的坐标计算所述针尖坐标系与标记物坐标系之间的旋转矩阵；其中，所述下针轨道的入口和出口在光学定位设备坐标系下的坐标由光学定位设备获得；
获取所述针尖坐标系与所述标记物坐标系之间的平移关系。
上述第一配准模块和第二配准模块具体的实现过程可以参考上述配准方法的具体实现过程，这里不再赘述。
参见图4，本发明实施例还提出了一种配准装置，包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述指令被所述处理器执行时，实现上述任意一种配准方法。
本发明实施例还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意一种配准方法的步骤。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (17)

1.一种配准方法，其特征在于，包括：
获取持针装置上的标记物对应的标记物坐标系与机械臂上的法兰环对应的法兰环坐标系之间的平移关系，以实现对机械臂和标记物的配准；
获取标记物坐标系与手术针的针尖坐标系之间的位置关系，以实现对标记物和手术针的配准。
2.根据权利要求1所述的配准方法，其特征在于，所述获取标持针装置上的标记物对应的标记物坐标系与机械臂上的法兰环对应的法兰环坐标系之间的平移关系包括：
获取光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵；
根据所述机械臂以不同的姿态使所述标记物到达同一预设目标位置时所述机械臂坐标系和法兰环坐标系之间的位置关系获取所述标记物坐标系与所述法兰环坐标系之间的平移关系；
其中，光学定位设备根据所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制所述机械臂以不同的姿态使所述标记物到达同一预设目标位置。
3.根据权利要求2所述的配准方法，其特征在于，所述获取光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵包括：
根据所述标记物在所述光学定位设备坐标系下的N个向量，以及所述机械臂坐标系下的N个向量计算所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵；其中，N为大于3的整数；所述标记物在所述光学定位设备坐标系下的N个向量，以及所述标记物在机械臂坐标系下的N个向量由光学定位设备获得。
4.根据权利要求3所述的配准方法，其特征在于，所述光学定位设备获取标记物在光学定位设备坐标系下的N个向量，以及标记物在机械臂坐标系下的N个向量包括：
所述光学定位设备获取所述标记物在所述光学定位设备坐标系下的初始位置，以及法兰环中心点在所述机械臂坐标系下的初始位置；
所述光学定位设备将所述标记物在机械臂坐标系下的期望目标位置发送给所述机械臂，以控制所述机械臂使所述持针装置做平移运动将所述标记物平移到所述期望目标位置，并在所述持针装置执行平移运动后获取所述标记物在所述光学定位设备坐标系下的实际目标位置，以及所述法兰环中心点在所述机械臂坐标系下的目标位置；
所述光学定位设备根据所述标记物在光学定位设备坐标系下的初始位置和实际目标位置计算所述标记物在所述光学定位设备坐标系下的向量；根据法兰环中心点在所述机械臂坐标系下的初始位置和目标位置计算所述法兰环中心点在所述机械臂坐标系下的向量，将所述法兰环中心点在所述机械臂坐标系下的向量作为所述标记物在所述机械臂坐标系下的向量；
所述光学定位设备继续执行所述获取持针装置上的标记物在光学定位设备坐标系下的初始位置的步骤，直到循环N次。
5.根据权利要求3所述的配准方法，其特征在于，所述根据标记物在光学定位设备坐标系下的N个向量，以及机械臂坐标系下的N个向量计算光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵包括：
按照公式计算所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵；
其中，为所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵，ΔPR(i)为所述标记物在所述光学定位设备坐标系下的第i个向量，ΔPR(i)为所述标记物在所述机械臂坐标系下的第i个向量。
6.根据权利要求2所述的配准方法，其特征在于，所述根据光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制机械臂以不同的姿态使标记物到达同一预设目标位置包括：
所述光学定位设备根据所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制机械臂以第一姿态控制标记物到达预设目标位置，记录标记物到达预设目标位置时机械臂坐标系和法兰环坐标系的位置关系；
继续执行所述光学定位设备根据所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制机械臂以第二姿态控制标记物到达预设目标位置，记录标记物到达预设目标位置时机械臂坐标系和法兰环坐标系的位置关系的步骤；
直到所述光学定位设备根据所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制机械臂以第M姿态控制标记物到达目标位置，记录标记物到达预设目标位置时机械臂坐标系和法兰环坐标系的位置关系；其中，M为大于或等于2的整数。
7.根据权利要求6所述的配准方法，其特征在于，所述光学定位设备根据光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制机械臂以第i姿态控制标记物到达预设目标位置包括：
所述光学定位设备根据所述标记物在光学定位设备坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移和所述光学定位设备坐标系与所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵，计算所述标记物在所述机械臂坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移；
将所述标记物在所述机械臂坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移发送给所述机械臂，以控制所述机械臂以第i姿态控制所述标记物移动所述标记物在所述机械臂坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移；其中，i为大于或等于1，且小于或等于M的整数；
所述光学定位设备在所述标记物移动所述标记物在所述机械臂坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移后重新获取所述标记物在所述光学定位设备坐标系下的当前位置，并继续执行所述根据标记物在光学定位设备坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移和光学定位设备坐标系与机械臂坐标系之间的旋转矩阵，计算标记物在机械臂坐标系下的当前位置到预设目标位置的位移的步骤，直到所述标记物在所述光学定位设备坐标系下的当前位置与预设目标位置之间的位移的绝对值小于或等于预设阈值。
8.根据权利要求2所述的配准方法，其特征在于，所述根据机械臂以不同的姿态使标记物到达同一预设目标位置时机械臂坐标系和法兰环坐标系的位置关系获取标记物坐标系与法兰环坐标系之间的平移关系包括：
按照公式计算所述法兰环坐标系与所述标记物坐标系之间的平移关系；
其中，为所述法兰环坐标系与所述标记物坐标系之间的平移关系，为所述机械臂以第i姿态控制所述标记物移动时所述机械臂坐标系与所述法兰环坐标系之间的位置关系，为机械臂以第j姿态控制标记物移动时所述机械臂坐标系与所述法兰环坐标系之间的位置关系，Tx为法兰环中心点在机械臂坐标系下的x分量，Ty为法兰环中心点在机械臂坐标系下的y分量，Tz为法兰环中心点在机械臂坐标系下的z分量。
9.根据权利要求1所述的配准方法，其特征在于，所述标记物坐标系与所述针尖坐标系之间的位置关系包括所述标记物坐标系与所述针尖坐标系之间的旋转矩阵和所述标记物坐标系与所述针尖坐标系之间的平移关系；
所述获取标记物坐标系与手术针的针尖坐标系之间的位置关系包括：
根据持针装置上的下针轨道的入口和出口在光学定位设备坐标系下的坐标计算所述针尖坐标系与标记物坐标系之间的旋转矩阵；其中，所述下针轨道的入口和出口在光学定位设备坐标系下的坐标由光学定位设备获得；
获取所述针尖坐标系与所述标记物坐标系之间的平移关系。
10.根据权利要求9所述的配准方法，其特征在于，所述根据下针轨道的入口和出口在光学定位设备坐标系下的坐标计算手术针的针尖坐标系和标记物坐标系的旋转矩阵包括：
根据下针轨道的入口和出口在所述光学定位设备坐标系下的坐标计算所述针尖坐标系与所述光学定位设备坐标系之间的旋转矩阵，根据所述针尖坐标系与所述光学定位设备坐标系之间的旋转矩阵计算所述针尖坐标系与所述标记物坐标系之间的旋转矩阵。
11.根据权利要求9所述的配准方法，其特征在于，所述获取所述针尖坐标系与所述标记物坐标系之间的平移关系包括：
在所述手术针处于不同的姿态时获取所述光学定位设备坐标系与所述标记物坐标系之间的位置关系，根据在所述手术针处于不同的姿态时获得的所述光学定位设备坐标系与所述标记物坐标系之间的位置关系计算所述标记物坐标系与所述针尖坐标系之间的平移关系。
12.根据权利要求11所述的配准方法，其特征在于，所述根据在所述手术针处于不同的姿态时获得的所述光学定位设备坐标系与所述标记物坐标系之间的位置关系计算所述标记物坐标系与所述针尖坐标系之间的平移关系包括：
按照公式计算所述针尖坐标系与所述标记物坐标系之间的平移关系；
其中，为所述标记物坐标系与所述针尖坐标系之间的平移关系，为所述手术针处于第i姿态时所述光学定位设备坐标系与所述标记物坐标系之间的位置关系，为所述手术针处于第j姿态时所述光学定位设备坐标系与所述标记物坐标系之间的位置关系。
13.一种配准装置，其特征在于，包括：
第一配准模块，用于获取持针装置上的标记物对应的标记物坐标系与机械臂上的法兰环对应的法兰环坐标系之间的平移关系，以实现对机械臂和标记物的配准；
第二配准模块，用于获取标记物坐标系与手术针的针尖坐标系之间的位置关系，以实现对标记物和手术针的配准。
14.根据权利要求13所述的配准装置，其特征在于，所述第一配准模块具体用于：
获取光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵；
根据所述机械臂以不同的姿态使所述标记物到达同一预设目标位置时所述机械臂坐标系和法兰环坐标系之间的位置关系获取所述标记物坐标系与所述法兰环坐标系之间的平移关系；
其中，光学定位设备根据所述光学定位设备坐标系和所述机械臂坐标系之间的旋转矩阵控制所述机械臂以不同的姿态使所述标记物到达同一预设目标位置。
15.根据权利要求13所述的配准装置，其特征在于，所述第二配准模块具体用于：
根据持针装置上的下针轨道的入口和出口在光学定位设备坐标系下的坐标计算所述针尖坐标系与标记物坐标系之间的旋转矩阵；其中，所述下针轨道的入口和出口在光学定位设备坐标系下的坐标由光学定位设备获得；
获取所述针尖坐标系与所述标记物坐标系之间的平移关系。
16.一种配准装置，包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，其特征在于，当所述指令被所述处理器执行时，实现如权利要求1～12任意一项所述的配准方法。
17.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～12任意一项所述的配准方法的步骤。
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