CN110251209B - 一种校正方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种校正方法和装置。所述方法包括：获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系；获取在追踪设备坐标系下的手术器械的预定的目标空间位置，其中，机械臂和手术器械之间通过机械臂法兰环相互连接；根据机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系和手术器械的预定的目标空间位置，计算出当手术器械位于目标空间位置时，机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系之间的目标空间变换关系；根据机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系之间的目标空间变换关系，确定机械臂坐标系下的机械臂法兰环的位置参数，从而将手术器械移动到目标空间位置。通过本发明的技术方案可提高机械臂校正的精度。

Description

一种校正方法和装置
技术领域
本申请涉及信息处理领域，尤指一种校正方法和装置。
背景技术
当前人工穿刺手术精度低导致了手术风险高、并发症多。为了提高此类穿刺手术的成功率，机械臂辅助下针技术现在已经广泛应用。在执行这些手术时，手术器械(例如：手术针)要刺穿皮肤直达病变区域，将手术器械准确的放置在目标位置是手术成功的关键。现有技术中，使用其他外部测量设备，比如追踪设备，通过追踪设备和标记物，来准确测量手术器械的位置。由于追踪设备的引入，校正系统中包括机械臂、追踪设备和手术器械等多个设备，由于机械臂内参数等相关影响因素，目前大多数的校正方法存在精度低等问题，因此，如何提高多设备之间的校正精度是亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种校正方法和装置，能够提高多个设备之间的校正的精度。
为了达到本申请目的，本申请提供了一种校正方法，包括：
获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系；
获取在追踪设备坐标系下的手术器械的预定的目标空间位置，其中，机械臂和手术器械之间通过机械臂法兰环相互连接；
根据所述机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系和所述手术器械的预定的目标空间位置，计算出当所述手术器械位于所述目标空间位置时，所述机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系之间的目标空间变换关系；
根据所述机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系之间的目标空间变换关系，确定所述机械臂坐标系下的机械臂法兰环的位置参数，从而将所述手术器械移动到所述目标空间位置。
一种示例性的实施例中，所述获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系之前，还包括：
获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的旋转关系，计算机械臂法兰环坐标系与标记物坐标系的平移关系；其中，所述标记物在所述机械臂的带动下进行移动；
根据所述机械臂法兰环坐标系与标记物坐标系的平移关系和所述机械臂坐标系和所述机械臂法兰环坐标系的空间变换关系，计算出所述标记物在机械臂坐标系下的空间坐标。
一种示例性的实施例中，所述获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系，包括：
获取所述标记物在追踪设备坐标系下的N个空间坐标，和所述标记物在机械臂坐标系下相对应的N个空间坐标，其中，N为大于或等于3的正整数；
根据所述标记物在追踪设备坐标系下的N个空间坐标和所述标记物在机械臂坐标系下的N个空间坐标，计算出所述机械臂坐标系与所述追踪设备坐标系的空间变换关系。
一种示例性的实施例中，所述获取在追踪设备坐标系下的手术器械的预定的目标空间位置之前，还包括：根据手术器械以及标记物的设计参数计算出所述手术器械和所述标记物的空间变换关系。
一种示例性的实施例中，所述获取在追踪设备坐标系下的手术器械的预定的目标空间位置，包括：
获取所述追踪设备坐标系下的两个预定点的空间位置；
预先设置所述手术器械在目标空间位置时与所述追踪设备的旋转关系和平移关系；
通过所述追踪设备坐标系下的两个预定点的空间位置以及所述手术器械在目标空间位置时与所述追踪设备的旋转关系和平移关系确定所述手术器械在追踪设备坐标系下的目标空间位置。
一种示例性的实施例中，所述根据所述机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系和所述手术器械在追踪设备下的预定的目标空间位置，计算出当所述手术器械位于所述目标空间位置时，所述机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系之间的目标空间变换关系，包括：
根据所述手术器械在追踪设备坐标系下的目标空间位置、所述机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系、所述手术器械坐标系和标记物坐标系的空间变换关系，计算所述机械臂法兰环坐标系与所述机械臂坐标系的目标空间变换关系。
一种示例性的实施例中，所述空间变换关系包括平移关系，平移关系包括对应的坐标系下的位置参数。
一种示例性的实施例中，所述将所述手术器械移动到相应的空间位置后，还包括：
判断所述手术器械在所述机械臂法兰环坐标系下的当前空间变换关系与所述目标空间变换关系是否一致；
若两者一致，则确定所述手术器械已经移动到所述目标空间位置。
一种示例性的实施例中，所述判断所述手术器械在所述机械臂法兰环坐标系下的当前空间变换关系与所述目标空间变换关系是否一致后，还包括：
若两者不一致，则获取当前的所述机械臂法兰环坐标系和所述机械臂坐标系的空间变换关系，根据所述当前的所述机械臂法兰环坐标系与所述机械臂坐标系的空间变换关系更新所述机械臂法兰环坐标系与所述机械臂坐标系的目标空间变换关系；
根据更新后的目标空间变换关系，重新确定所述机械臂坐标系下的所述手术器械的位置参数，根据重新确定的机械臂坐标系下的所述手术器械的位置参数，执行所述将所述手术器械移动到相应的空间位置的步骤。
一种示例性的实施例中，所述判断所述手术器械在当前的所述机械臂法兰环坐标系下的空间变换关系与所述目标空间变换关系是否一致，包括：
计算所述手术器械在所述机械臂法兰环坐标系下的当前的空间变换关系与所述目标空间位置的空间变换关系的差值；
若所述差值小于预设的阈值，则确定所述手术器械已经移动到所述目标空间位置。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种校正装置，包括处理器和存储器，所述存储器存储计算机程序，所述处理器用于调用所述存储器中的计算机程序以实现如权利要求1至10任一所述的方法。
本发明提出了一种校正方法，包括：获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系；获取在追踪设备坐标系下的手术器械的预定的目标空间位置，其中，机械臂和手术器械之间通过机械臂法兰环相互连接；根据所述机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系和所述手术器械的预定的目标空间位置，计算出当所述手术器械位于所述目标空间位置时，所述机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系之间的目标空间变换关系；根据所述机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系之间的目标空间变换关系，确定所述机械臂坐标系下的机械臂法兰环的位置参数，从而将手术器械移动到所述目标空间位置。通过本发明的技术方案可提高机械臂校正的精度。
本申请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，或者通过实施本申请而了解。本申请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
附图用来提供对本申请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申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本发明实施例校正方法的示意图；
图2为本发明实施例校正方法的流程图；
图3为本发明一示例中校正方法的流程图；
图4为本发明实施例校正装置的示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请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。
图1所示校正方法的示意图中，1为追踪设备，2为标记物，3为机械臂，4为机械臂法兰环，5为末端执行器，6为手术器械。
如图1所示，在一个具体实施方案中，将机械臂3和追踪设备1摆放好，机械臂3与机械臂法兰环4连接，手术器械6与法兰环4连接；标记物2与机械臂法兰环4可以直接连接也可以间接的通过末端执行器5连接，标记物2与机械臂法兰环4的相对位置是固定，当标记物2与机械臂法兰环4通过末端执行器5连接时，标记物2与机械臂法兰环4和末端执行器5的相对位置是固定的。
在一种可实现的方式中，机械臂3与末端执行器5通过法兰环4进行连接，末端执行器5上带有手术器械6。
校正的过程是指求解出上述各设备坐标系之间的空间变换关系，校正在工程上也可以称为配准。
图2为本申请提供的校正方法的流程图。图2所示方法包括：
步骤201、获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系；
为了更清楚的说明本申请的技术方案，在本文中，图2所示角标所对应的坐标系说明如下，但实际应用时不限于此。
在本文中，角标所对应的坐标系说明如下：T表示追踪设备的坐标系，R表示机械臂的坐标系，Marker表示当前标记物的坐标系，Flange表示机械臂法兰环的坐标系，Needle表示当前手术器械的坐标系，TargetNeedle表示目标手术器械的坐标系，TargetFlange表示手术器械到达目标位置后机械臂法兰环的坐标系。
在本实施例中，机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系可以用
Figure BDA0002072308470000061
表示。
一种示例性的实施例中，空间变换关系包括旋转关系和平移关系。刻画从坐标系A到坐标系B的空间变换关系，例如：可以用一个4*4矩阵来描述从坐标系A到坐标系B的空间变换关系，如下：
Figure BDA0002072308470000062
其中，该空间变换关系包括旋转关系和平移关系，r为3*3的旋转矩阵，刻画旋转关系，t为3*1的列向量，刻画平移关系，本申请的后续的实现过程都以上述刻画关系为基础进行相关的计算。其中，刻画从坐标系A到坐标系B的空间变换关系也可以用其他的方式描述，并不局限于这一种描述方式，例如：
Figure BDA0002072308470000063
基于上述刻画关系，坐标系B到坐标系A的空间变换关系与坐标系A到坐标系B的空间变换关系的变换关系可以为：
Figure BDA0002072308470000064
假设，已知A与B之间的空间变换关系、B与C之间的空间变换关系，可求解出A与C之间的空间变换关系为：
Figure BDA0002072308470000065
一种示例性的实施例中，获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系之前，获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的旋转关系，计算机械臂法兰环坐标系与标记物坐标系的平移关系；其中，所述标记物在所述机械臂的带动下进行移动；
根据所述机械臂法兰环坐标系与标记物坐标系的平移关系和所述机械臂坐标系和所述机械臂法兰环坐标系的空间变换关系，计算出所述标记物在机械臂坐标系下的空间坐标。
其中，标记物可以是被追踪设备直接捕捉。标记物和追踪设备可以是光学标记物和光学追踪设备，也可以是电磁标记物和追踪设备等。
第一步，获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的旋转关系
Figure BDA0002072308470000079
具体的实现过程如下：
获取标记物在追踪设备坐标系下的N个向量，根据所获取的标记物在追踪设备坐标系下的N个向量以及机械臂坐标系下的N个向量计算追踪设备坐标系和机械臂坐标系之间的旋转关系，包括：
按照公式
Figure BDA0002072308470000071
计算追踪设备坐标系和机械臂坐标系之间的旋转关系；
其中，
Figure BDA0002072308470000072
为追踪设备坐标系和机械臂坐标系之间的旋转关系，ΔPT(i)为标记物在追踪设备坐标系下的第i个向量，ΔPR(i)为标记物在机械臂坐标系下的第i个向量；
Figure BDA0002072308470000073
为机械臂坐标系和追踪设备坐标系之间的旋转关系
Figure BDA0002072308470000074
根据从坐标系B到坐标系A的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000075
可以根据追踪设备坐标系和机械臂坐标系之间的旋转关系
Figure BDA0002072308470000076
求解出机械臂坐标系和追踪设备坐标系之间的旋转关系
Figure BDA0002072308470000077
第二步，获取标记物坐标系与机械臂法兰环坐标系之间的平移关系包括：
按照公式
Figure BDA0002072308470000078
计算机械臂法兰环坐标系与标记物坐标系之间的平移关系；其中，机械臂法兰环与标记物的平移变换关系可以用
Figure BDA0002072308470000081
表示，平移关系包括对应的坐标系下的空间位置坐标。
其中，
Figure BDA0002072308470000082
为机械臂法兰环坐标系与标记物坐标系之间的平移关系，
Figure BDA0002072308470000083
为机械臂以第i空间变换关系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，
Figure BDA0002072308470000084
为机械臂以第j空间变换关系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为机械臂法兰环中心点在机械臂坐标系下的x分量，Ty为机械臂法兰环中心点在机械臂坐标系下的y分量，Tz为机械臂法兰环中心点在机械臂坐标系下的z分量。
第三步，机械臂通过自身每个轴的角度传感器可以实时获取机械臂法兰环坐标系的空间信息，该空间信息也就是机械臂坐标系和机械臂法兰环坐标系的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000085
坐标系是由一个原点和三个方向XYZ组成的，而机械臂是一个整体，那么坐标系原点就要选择在机械臂上面的某一个点上，而对于机械臂来说，一个相对不动的点就是机械臂基座上的原点。
根据机械臂法兰环坐标系与标记物坐标系的平移关系
Figure BDA0002072308470000086
和机械臂坐标系和机械臂法兰环坐标系的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000087
计算出标记物在机械臂坐标系下的空间位置坐标：
Figure BDA0002072308470000088
其中，
Figure BDA0002072308470000089
表示标记物在机械臂坐标系下的空间位置坐标，
Figure BDA00020723084700000810
表示机械臂坐标系和机械臂法兰环坐标系的空间变换关系。
一种示例性的实施例中，获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系，包括：
获取标记物在追踪设备坐标系下的N个空间坐标，和标记物在机械臂坐标系下相对应的N个空间位置坐标，其中，N为大于或等于3的正整数；
根据标记物在追踪设备坐标系下的N个空间坐标和标记物在机械臂坐标系下的N个空间位置坐标，计算出机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系。
本实施例的具体实现过程可以为：
第一步，通过上述步骤计算出标记物在机械臂坐标系下的空间位置坐标
Figure BDA0002072308470000091
后，可通过追踪设备实时得到标记物在追踪设备下的空间位置坐标
Figure BDA0002072308470000092
第二步，在确定了标记物在追踪设备坐标系下的空间位置坐标
Figure BDA0002072308470000093
和机械臂坐标系下的空间位置坐标
Figure BDA0002072308470000094
后，令机械臂带动标记物分别移动到N个不同位置，其中，N为大于或等于3的正整数，可以获取所述标记物在追踪设备坐标系下的N个空间坐标，和所述标记物在机械臂坐标系下相对应的N个空间坐标，第i次移动后标记物在机械臂和追踪设备下的空间位置坐标分别为：
Figure BDA0002072308470000095
和
Figure BDA0002072308470000096
令：
Figure BDA0002072308470000097
Figure BDA0002072308470000098
其中，
Figure BDA0002072308470000099
代表的是标记物在追踪设备坐标系下的平移关系组成的矩阵，
Figure BDA00020723084700000910
代表的是标记物在机械臂坐标系下的平移关系组成的矩阵；
根据上述关系，可以计算出机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系
Figure BDA00020723084700000911
Figure BDA00020723084700000912
步骤102、获取在追踪设备坐标系下的手术器械的预定的目标空间位置。
在本实施例中，机械臂和手术器械之间通过机械臂法兰环相互连接。手术器械以手术针为例，放到机械臂上时有一个初始位置，但是最终手术针需要摆放到准备进入人体的位置，这个位置就是预定的目标空间位置，在追踪设备的坐标系下确定手术器械的预定的目标空间位置可以用
Figure BDA00020723084700000913
表示。
一种示例性的实施例中，获取在追踪设备坐标系下的手术器械的预定的目标空间位置之前，根据手术器械以及标记物的设计参数计算出所述手术器械和所述标记物的空间变换关系。
例如：在进行手术器械以及标记物的CAD设计时，可以将手术器械以及标记物的位置固定好，从而可在CAD图纸上直接计算出手术器械和标记物的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000101
一种示例性的实施例中，获取在追踪设备坐标系下的手术器械的预定的目标空间位置，包括：获取追踪设备坐标系下的两个预定点的空间位置；预先设置手术器械在目标空间位置时与追踪设备的旋转关系和平移关系；通过追踪设备坐标系下的两个预定点的空间位置以及手术器械在目标空间位置时与追踪设备的旋转关系和平移关系确定手术器械在追踪设备坐标系下的目标空间位置。
可以通过以下步骤确定在追踪设备坐标系下的手术器械的预定的目标空间位置：
通过医生指定追踪设备坐标系下的两个点，两个点的位置坐标为
Figure BDA0002072308470000102
和
Figure BDA0002072308470000103
通过这两个点就可以确定手术器械在追踪设备下的坐标系
Figure BDA0002072308470000104
另外，预先设置手术器械在目标空间位置时与所述追踪设备的旋转关系和平移关系，旋转关系为：
Figure BDA0002072308470000105
平移关系为：
Figure BDA0002072308470000106
采用以下公式：
Figure BDA0002072308470000107
当手术器械坐标系的x轴为点B到点A的向量的方向时，其中，
Figure BDA0002072308470000108
其中，ΔtTargetNeedle代表的是手术器械坐标系下，点B到点A的向量坐标；
则有
Figure BDA0002072308470000111
实际应用中，医生指定的两个点就是手术器械的x轴，由于y轴和z轴构成的平面与x轴垂直，也就是与手术器械下针的方向垂直，因此，y轴和z轴的方向可以任意指定，那么存在
Figure BDA0002072308470000112
Figure BDA0002072308470000113
中的另外两列数据r2和r3可以任意指定，满足坐标系关系即可。
对于
Figure BDA0002072308470000114
根据医生的需求，可以指定为
Figure BDA0002072308470000115
通过计算确定所述手术器械在追踪设备坐标系下的目标空间位置
Figure BDA0002072308470000116
步骤103、根据机械臂坐标系与设备坐标系的空间变换关系和手术器械在追踪设备坐标系下预定的目标空间位置，计算出当手术器械位于目标空间位置时，机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系之间的目标空间变换关系。
在本实施例中，机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系之间的目标空间变换关系可以用
Figure BDA0002072308470000117
表示。
一种示例性的实施例中，根据手术器械在追踪设备坐标系下的目标空间位置
Figure BDA0002072308470000118
机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000119
手术器械坐标系和标记物坐标系的空间变换关系
Figure BDA00020723084700001110
计算机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系的目标空间变换关系：
Figure BDA00020723084700001111
其中，
Figure BDA00020723084700001112
描述的是在机械臂移动到目标位置时，机械臂法兰环与手术器械之间的空间变换关系，由于机械臂法兰环与手术器械是同一个刚体连接，机械臂法兰环与手术器械之间的空间变换关系不会随着机械臂的位置不同而改变，从而有：
Figure BDA00020723084700001113
那么有
Figure BDA0002072308470000121
机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系的目标空间变换关系为：
Figure BDA0002072308470000122
其中，
Figure BDA0002072308470000123
基于计算出
Figure BDA0002072308470000124
可以得到
Figure BDA0002072308470000125
另外，追踪设备可以实时获得标记物与追踪设备之间的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000126
机械臂可以通过自身每个轴的角度传感器可以实时获取机械臂和机械臂法兰环之间的空间变换关系，即
Figure BDA0002072308470000127
步骤104、根据机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系之间的目标空间变换关系，确定所述机械臂坐标系下的机械臂法兰环的位置参数，从而将所述手术器械移动到所述目标空间位置。
在本实施例中，基于步骤103计算出机械臂和机械臂法兰环之间的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000128
Figure BDA0002072308470000129
是一个4*4的矩阵，从这个矩阵中包含了机械臂坐标系下的位置参数和旋转参数，那么将这个参数传递给机械臂，那么机械臂可以根据位置参数将手术器械移动到目标空间位置。
机械臂和机械臂法兰环之间的空间变换关系
Figure BDA00020723084700001210
的公式：
Figure BDA00020723084700001211
上述公式构建了从
Figure BDA00020723084700001212
到
Figure BDA00020723084700001213
的反馈控制系统，在一次计算出
Figure BDA0002072308470000131
并让机械臂移动到预定的目标空间位置后，由于误差的存在，手术器械并不会准确到达目标空间位置，此时标记物的位置已经改变，会产生一个新的机械臂法兰环和机械臂的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000132
需要按照新的机械臂法兰环和机械臂的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000133
再次计算
Figure BDA0002072308470000134
形成一个反馈的控制系统，直到将手术器械移动到目标位置。
一种示例性的实施例中，所述空间变换关系包括旋转关系和平移关系，平移关系包括对应的坐标系下的位置参数。
一种示例性的实施例中，所述手术器械移动到相应的空间位置后，将所述手术器械移动到在机械臂法兰环坐标系下的目标空间变换关系，得到所述手术器械在所述机械臂法兰环坐标系下的当前空间变换关系。
一种示例性的实施例中，所述手术器械移动到相应的空间位置同时，将所述手术器械转变到在机械臂法兰环坐标系下的目标空间变换关系，得到所述手术器械在所述机械臂法兰环坐标系下的当前空间变换关系。
在具体实现方式中，手术器械移动到在机械臂法兰环坐标系下的目标空间变换关系不限于在手术器械移动到相应的空间位置后，两者可以是并行完成。
一种示例性的实施例中，将所述手术器械移动到相应的空间位置后，执行以下步骤：
步骤0.1，判断所述手术器械在所述机械臂法兰环坐标系下的当前空间变换关系与所述目标空间变换关系是否一致；
步骤0.2，若两者一致，则确定所述手术器械已经移动到所述目标空间位置。
步骤0.3，若两者不一致，则获取当前的所述机械臂法兰环坐标系和所述机械臂坐标系的空间变换关系，根据所述当前的所述机械臂法兰环坐标系与所述机械臂坐标系的空间变换关系更新所述机械臂法兰环坐标系与所述机械臂坐标系的目标空间变换关系；
根据更新后的目标空间变换关系，重新确定所述机械臂坐标系下的所述手术器械的位置参数，根据重新确定的机械臂坐标系下的所述手术器械的位置参数，执行所述将所述手术器械移动到相应的空间位置的步骤0.1～0.3。
一种示例性的实施例中，所述判断所述手术器械在当前的所述机械臂法兰环坐标系下的空间变换关系与所述目标空间变换关系是否一致，包括：
计算所述手术器械在所述机械臂法兰环坐标系下的当前的空间变换关系与所述目标空间位置的空间变换关系的差值；若所述差值小于预设的阈值，则确定所述手术器械已经移动到所述目标空间位置，
该计算所述手术器械在所述机械臂法兰环坐标系下的当前的空间变换关系与所述目标空间位置的空间变换关系的差值的实现方式可以为：
Figure BDA0002072308470000141
其中，
Figure BDA0002072308470000142
描述的是当前手术器械的空间变换关系与预定的目标位置的空间变换关系即
Figure BDA0002072308470000143
之间的差距，随着每一次的迭代，
Figure BDA0002072308470000144
都会减小，那么当
Figure BDA0002072308470000145
也就是
Figure BDA0002072308470000146
的行列式，小于一个阈值ξ时，则认为手术器械已经达到了预定的目标位置。
如图3所示，本发明的一种示例性的实施例的实施过程如下：
步骤300、获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的旋转关系，计算机械臂法兰环坐标系与标记物坐标系的平移关系。
在本实施例中，所述标记物在所述机械臂的带动下进行移动。步骤300的实现过程可以包括：
第一步，获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的旋转关系
Figure BDA0002072308470000147
首先，获取标记物在追踪设备坐标系下的N个向量，根据所获取的标记物在追踪设备坐标系下的N个向量以及机械臂坐标系下的N个向量计算追踪设备坐标系和机械臂坐标系之间的旋转关系，包括：
按照公式
Figure BDA0002072308470000151
计算追踪设备坐标系和机械臂坐标系之间的旋转关系；
其中，
Figure BDA0002072308470000152
为追踪设备坐标系和机械臂坐标系之间的旋转关系，ΔPT(i)为标记物在追踪设备坐标系下的第i个向量，ΔPR(i)为标记物在机械臂坐标系下的第i个向量；
Figure BDA0002072308470000153
为机械臂坐标系和追踪设备坐标系之间的旋转关系
Figure BDA0002072308470000154
根据从坐标系B到坐标系A的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000155
可以根据追踪设备坐标系和机械臂坐标系之间的旋转关系rRT，求解出机械臂坐标系和追踪设备坐标系之间的旋转关系
Figure BDA00020723084700001511
第二步，获取标记物坐标系与机械臂法兰环坐标系之间的平移关系包括：
按照公式
Figure BDA0002072308470000156
计算机械臂法兰环坐标系与标记物坐标系之间的平移关系；其中，机械臂法兰环与标记物的平移变换关系可以用
Figure BDA0002072308470000157
表示，平移关系包括对应的坐标系下的空间位置坐标。
其中，
Figure BDA0002072308470000158
为机械臂法兰环坐标系与标记物坐标系之间的平移关系，
Figure BDA0002072308470000159
为机械臂以第i空间变换关系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，
Figure BDA00020723084700001510
为机械臂以第j空间变换关系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为机械臂法兰环中心点在机械臂坐标系下的x分量，Ty为机械臂法兰环中心点在机械臂坐标系下的y分量，Tz为机械臂法兰环中心点在机械臂坐标系下的z分量。
步骤301、根据所述机械臂法兰环坐标系与标记物坐标系的平移关系和所述机械臂坐标系和所述机械臂法兰环坐标系的空间变换关系，计算出所述标记物在机械臂坐标系下的空间位置坐标。
在本实施例中，机械臂通过自身每个轴的角度传感器可以实时获取机械臂法兰环坐标系的空间信息，该空间信息也就是机械臂坐标系和机械臂法兰环坐标系的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000161
根据机械臂法兰环坐标系与标记物坐标系的平移关系
Figure BDA0002072308470000162
和机械臂坐标系和机械臂法兰环坐标系的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000163
计算出标记物在机械臂坐标系下的空间位置坐标：
Figure BDA0002072308470000164
其中，
Figure BDA0002072308470000165
表示标记物在机械臂坐标系下的空间位置坐标，
Figure BDA0002072308470000166
表示机械臂坐标系和机械臂法兰环坐标系的空间变换关系。
步骤302、获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系。
在本实施例中，获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系的实现过程，包括：
获取标记物在追踪设备坐标系下的N个空间位置坐标，和标记物在机械臂坐标系下相对应的N个空间位置坐标，其中，N为大于或等于3的正整数；
根据标记物在追踪设备坐标系下的N个空间位置坐标和标记物在机械臂坐标系下的N个空间位置坐标，计算出机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系。
本实施例的具体实现过程可以为：
第一步，通过上述步骤计算出标记物在机械臂坐标系下的空间位置
Figure BDA0002072308470000167
后，可通过追踪设备实时得到标记物在追踪设备下的空间位置
Figure BDA0002072308470000168
第二步，在确定了标记物在追踪设备坐标系下的空间位置
Figure BDA0002072308470000169
和机械臂坐标系下的空间位置
Figure BDA00020723084700001610
后，令机械臂带动标记物分别移动到N个不同位置，其中，N为大于或等于3的正整数，可以获取所述标记物在追踪设备坐标系下的N个空间位置坐标，和所述标记物在机械臂坐标系下相对应的N个空间位置坐标，第i次移动后标记物在机械臂和追踪设备下的空间位置分别为：
Figure BDA0002072308470000171
和
Figure BDA0002072308470000172
令：
Figure BDA0002072308470000173
Figure BDA0002072308470000174
其中，
Figure BDA0002072308470000175
代表的是标记物在追踪设备坐标系下的平移关系组成的矩阵，
Figure BDA0002072308470000176
代表的是标记物在机械臂坐标系下的平移关系组成的矩阵；
根据上述关系，可以计算出机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000177
Figure BDA0002072308470000178
步骤303、根据手术器械以及标记物的设计参数计算出所述手术器械和所述标记物的空间变换关系。
在本实施例中，根据手术器械以及标记物的设计参数计算出所述手术器械和所述标记物的空间变换关系，实现的具体方式例如：在进行手术器械以及标记物的CAD设计时，可以将手术器械以及标记物的位置固定好，从而可在CAD图纸上直接计算出手术器械和标记物的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000179
步骤304、获取在追踪设备坐标系下的手术器械的预定的目标空间位置。
在本实施例中，获取在追踪设备坐标系下的手术器械的预定的目标空间位置，包括：获取追踪设备坐标系下的两个预定点的空间位置；预先设置手术器械在目标空间位置时与追踪设备的旋转关系和平移关系；通过追踪设备坐标系下的两个预定点的空间位置以及手术器械在目标空间位置时与追踪设备的旋转关系和平移关系确定手术器械在追踪设备坐标系下的目标空间位置。
可以通过以下步骤确定在追踪设备坐标系下的手术器械的预定的目标空间位置：
通过医生指定追踪设备坐标系下的两个点，两个点的位置坐标为
Figure BDA0002072308470000181
和
Figure BDA0002072308470000182
通过这两个点就可以确定手术器械在追踪设备下的坐标系
Figure BDA0002072308470000183
另外，预先设置手术器械在目标空间位置时与所述追踪设备的旋转关系和平移关系，旋转关系为：
Figure BDA0002072308470000184
平移关系为：
Figure BDA0002072308470000185
采用以下公式：
Figure BDA0002072308470000186
当手术器械坐标系的x轴为点B到点A的向量的方向时，其中，
Figure BDA0002072308470000187
其中，ΔtTargetNeedle代表的是手术器械坐标系下，点B到点A的向量坐标；
则有
Figure BDA0002072308470000188
实际应用中，医生指定的两个点就是手术器械的X轴，由于y轴和z轴构成的平面与x轴垂直，也就是与手术器械下针的方向垂直，因此，y轴和z轴的方向可以任意指定，那么存在
Figure BDA0002072308470000189
Figure BDA00020723084700001810
中的另外两列数据r2和r3可以任意指定，满足坐标系关系即可。
对于
Figure BDA00020723084700001811
根据医生的需求，可以指定为
Figure BDA00020723084700001812
通过计算确定所述手术器械在追踪设备坐标系下的目标空间位置
Figure BDA00020723084700001813
步骤305、根据所述机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系和所述手术器械的预定的目标空间位置，计算出当所述手术器械在追踪设备下位于所述目标空间位置时，所述机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系之间的目标空间变换关系。
在本实施例中，当手术器械移动到目标空间位置时，机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系之间的目标空间变换关系可以用
Figure BDA0002072308470000191
表示。
根据手术器械在追踪设备坐标系下的目标空间位置
Figure BDA0002072308470000192
机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000193
手术器械坐标系和标记物坐标系的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000194
计算机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系的目标空间变换关系：
Figure BDA0002072308470000195
其中，
Figure BDA0002072308470000196
描述的是在机械臂移动到目标空间位置时，机械臂法兰环与手术器械之间的关系，由于机械臂法兰环与手术器械是同一个刚体连接，机械臂法兰环与手术器械之间的空间变换关系不会随着机械臂的位置不同而改变，从而有：
Figure BDA0002072308470000197
那么有
Figure BDA0002072308470000198
机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系的目标空间变换关系为：
Figure BDA0002072308470000199
其中，
Figure BDA00020723084700001910
基于已计算出的
Figure BDA00020723084700001911
可以得到
Figure BDA00020723084700001912
另外，追踪设备可以实时获得标记物与追踪设备之间的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000201
机械臂可以通过自身每个轴的角度传感器可以实时机械臂和机械臂法兰环之间的空间变换关系，即
Figure BDA0002072308470000202
步骤306、根据所述机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系之间的目标空间变换关系，确定所述机械臂坐标系下的机械臂法兰环的位置参数，从而将所述手术器械移动到所述目标空间位置。
在本实施例中，基于步骤305计算出，当手术器械移动到目标空间位置时，机械臂和机械臂法兰环之间的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000203
Figure BDA0002072308470000204
是一个4*4的矩阵，从这个矩阵中包含了机械臂坐标系下的位置参数和旋转参数，那么将这个参数传递给机械臂，那么机械臂可以根据位置参数将手术器械移动到目标空间位置。
机械臂和机械臂法兰环之间的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000205
的公式：
Figure BDA0002072308470000206
上述公式构建了从
Figure BDA0002072308470000207
到
Figure BDA0002072308470000208
的反馈控制系统，在一次计算出
Figure BDA0002072308470000209
并让机械臂移动到预定的目标空间位置后，由于误差的存在，手术器械并不会准确到达目标空间位置，此时标记物的位置已经改变，会产生一个新的机械臂法兰环和机械臂的空间变换关系
Figure BDA00020723084700002010
需要按照新的机械臂法兰环和机械臂的空间变换关系
Figure BDA00020723084700002011
再次计算
Figure BDA00020723084700002012
形成一个反馈的控制系统，直到将手术器械移动到目标空间位置。
步骤307、将手术器械移动到所述目标空间位置后，得到手术器械在所述机械臂法兰环坐标系下的当前空间变换关系。
一种示例性的实施例中，所述空间变换关系包括旋转关系和平移关系，平移关系包括对应的坐标系下的位置参数。
在本实施例中，将手术器械移动到所述目标空间位置后，将所述手术器械移动到所述机械臂法兰环坐标系下的相应的旋转关系，得到手术器械在所述机械臂法兰环坐标系下的当前空间变换关系。
一种示例性的实施例中，将所述手术器械移动到所述机械臂法兰环坐标系下的相应的旋转关系的实现步骤，可以与手术器械移动到所述目标空间位置并行发生。对于得到实现手术器械在所述机械臂法兰环坐标系下的当前空间变换关系的具体实现步骤并不进行限制。
一种示例性的实施例中，将所述手术器械移动到相应的空间位置后，执行以下步骤：
步骤0.1，判断所述手术器械在所述机械臂法兰环坐标系下的当前空间变换关系与所述目标空间变换关系是否一致；
步骤0.2，若两者一致，则确定所述手术器械已经移动到所述目标空间位置。
步骤0.3，若两者不一致，则获取当前的所述机械臂法兰环坐标系和所述机械臂坐标系的空间变换关系，根据所述当前的所述机械臂法兰环坐标系与所述机械臂坐标系的空间变换关系更新所述机械臂法兰环坐标系与所述机械臂坐标系的目标空间变换关系；
根据更新后的目标空间变换关系，重新确定所述机械臂坐标系下的所述手术器械的位置参数，根据重新确定的机械臂坐标系下的所述手术器械的位置参数，执行所述将所述手术器械移动到相应的空间位置的步骤0.1～0.3。
一种示例性的实施例中，所述判断所述手术器械在当前的所述机械臂法兰环坐标系下的空间变换关系与所述目标空间变换关系是否一致，包括：
计算所述手术器械在所述机械臂法兰环坐标系下的当前的空间变换关系与所述目标空间位置的空间变换关系的差值；若所述差值小于预设的阈值，则确定所述手术器械已经移动到所述目标空间位置，
该计算所述手术器械在所述机械臂法兰环坐标系下的当前的空间变换关系与所述目标空间位置的空间变换关系的差值的实现方式可以为：
Figure BDA0002072308470000221
其中，
Figure BDA0002072308470000222
描述的是当前手术器械的空间变换关系与预定的目标位置的空间变换关系即
Figure BDA0002072308470000223
之间的差距，随着每一次的迭代，
Figure BDA0002072308470000224
都会减小，那么当
Figure BDA0002072308470000225
也就是
Figure BDA0002072308470000226
的行列式，小于一个阈值ξ时，则认为手术器械已经达到了预定的目标位置。
另外，本发明实施例提供了一种校正装置的一个实施例，该装置实施例与图1所示的方法实施例对应，该装置具体可以设置于各种电子设备中。
如图4所示，上述校正装置，其特征在于，包括处理器和存储器，其中所述存储器存储有计算机程序，所述处理器用于调用所述存储器中的计算机程序以实现图1所示的方法，或上述任一实施例所描述的方法。
一种示例性的实施例中，所述处理器读取执行所述用于校正获取的程序，还执行如下操作：
获取在追踪设备坐标系下的手术器械的预定的目标空间位置。根据所述机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系和所述手术器械在追踪设备坐标系下预定的目标空间位置，计算出当所述手术器械位于所述目标空间位置时，所述机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系之间的目标空间变换关系。
在本实施例中，当手术器械移动到目标空间位置时，机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系之间的目标空间变换关系可以用
Figure BDA0002072308470000227
表示。
一种示例性的实施例中，根据所述手术器械在追踪设备坐标系下的目标空间位置
Figure BDA0002072308470000228
所述机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000229
所述手术器械坐标系和标记物坐标系的空间变换关系
Figure BDA00020723084700002210
计算所述机械臂法兰环坐标系与所述机械臂坐标系的目标空间变换关系：
Figure BDA00020723084700002211
其中，
Figure BDA0002072308470000231
描述的是在机械臂移动到目标位置时，机械臂法兰环与手术器械之间的关系，由于机械臂法兰环与手术器械是同一个刚体连接，机械臂法兰环与手术器械之间的空间变换关系不会随着机械臂的位置不同而改变，从而有：
Figure BDA0002072308470000232
那么有
Figure BDA0002072308470000233
所述机械臂法兰环坐标系与所述机械臂坐标系的目标空间变换关系为：
Figure BDA0002072308470000234
其中，
Figure BDA0002072308470000235
基于计算出
Figure BDA0002072308470000236
可以得到
Figure BDA0002072308470000237
另外，追踪设备可以实时获得标记物与追踪设备之间的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000238
机械臂可以通过自身每个轴的角度传感器可以实时获取机械臂和机械臂法兰环之间的空间变换关系，即
Figure BDA0002072308470000239
根据机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系之间的目标空间变换关系，当手术器械移动到目标空间位置时，确定所述机械臂坐标系下的机械臂法兰环的位置参数，从而将所述手术器械移动到所述目标空间位置。
在本实施例中，当手术器械移动到目标空间位置时，基于机械臂和机械臂法兰环之间的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000241
Figure BDA0002072308470000242
是一个4*4的矩阵，从这个矩阵中包含了机械臂坐标系下的位置参数和旋转参数，那么将这个参数传递给机械臂，那么机械臂可以根据位置参数将手术器械移动到目标空间位置。
机械臂和机械臂法兰环之间的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000243
的公式：
Figure BDA0002072308470000244
上述公式是构建了一个从
Figure BDA0002072308470000245
到
Figure BDA0002072308470000246
的反馈控制系统，也就说在一次计算出
Figure BDA0002072308470000247
并让机械臂移动到预定的目标空间位置后，由于误差的存在，手术器械并不会准确到达目标空间位置，此时标记物的位置已经改变，会产生一个新的机械臂法兰环和机械臂的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000248
需要按照新的机械臂法兰环和机械臂的空间变换关系
Figure BDA0002072308470000249
再次计算
Figure BDA00020723084700002410
形成一个反馈的控制系统，直到将手术器械移动到目标位置。
其它实现细节可参见方法实施例。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims (10)

1.一种校正方法，其特征在于，包括：
获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系；
获取在追踪设备坐标系下的手术器械的预定的目标空间位置，其中，机械臂和手术器械之间通过机械臂法兰环相互连接；
根据所述机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系和所述手术器械的预定的目标空间位置，计算出当所述手术器械位于所述目标空间位置时，所述机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系之间的目标空间变换关系；
根据所述机械臂法兰环坐标系与所述机械臂坐标系之间的目标空间变换关系，确定所述机械臂坐标系下的机械臂法兰环的位置参数，从而将所述手术器械移动到所述目标空间位置；
其中，所述获取在追踪设备坐标系下的手术器械的预定的目标空间位置，包括：
获取所述追踪设备坐标系下的两个预定点的空间位置；
预先设置所述手术器械在目标空间位置时与所述追踪设备的旋转关系和平移关系；
通过所述追踪设备坐标系下的两个预定点的空间位置以及所述手术器械在目标空间位置时与所述追踪设备的旋转关系和平移关系确定所述手术器械在追踪设备坐标系下的目标空间位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系之前，还包括：
获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的旋转关系，计算机械臂法兰环坐标系与标记物坐标系的平移关系；其中，所述标记物在所述机械臂的带动下进行移动；
根据所述机械臂法兰环坐标系与标记物坐标系的平移关系和所述机械臂坐标系和所述机械臂法兰环坐标系的空间变换关系，计算出所述标记物在机械臂坐标系下的空间坐标。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系，包括：
获取所述标记物在追踪设备坐标系下的N个空间坐标，和所述标记物在机械臂坐标系下相对应的N个空间坐标，其中，N为大于或等于3的正整数；
根据所述标记物在追踪设备坐标系下的N个空间坐标和所述标记物在机械臂坐标系下的N个空间坐标，计算出所述机械臂坐标系与所述追踪设备坐标系的空间变换关系。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取在追踪设备坐标系下的手术器械的预定的目标空间位置之前，还包括：根据手术器械以及标记物的设计参数计算出所述手术器械和所述标记物的空间变换关系。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系和所述手术器械在追踪设备下的预定的目标空间位置，计算出当所述手术器械位于所述目标空间位置时，所述机械臂法兰环坐标系与机械臂坐标系之间的目标空间变换关系，包括：
根据所述手术器械在追踪设备坐标系下的目标空间位置、所述机械臂坐标系与追踪设备坐标系的空间变换关系、所述手术器械和标记物的空间变换关系，计算所述机械臂法兰环坐标系与所述机械臂坐标系的目标空间变换关系。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述空间变换关系包括平移关系，平移关系包括对应的坐标系下的位置参数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述将所述手术器械移动到相应的空间位置后，还包括：
判断所述手术器械在所述机械臂法兰环坐标系下的当前空间变换关系与所述目标空间变换关系是否一致；
若两者一致，则确定所述手术器械已经移动到所述目标空间位置。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述判断所述手术器械在所述机械臂法兰环坐标系下的当前空间变换关系与所述目标空间变换关系是否一致后，还包括：
若两者不一致，则获取当前的所述机械臂法兰环坐标系和所述机械臂坐标系的空间变换关系，根据所述当前的所述机械臂法兰环坐标系与所述机械臂坐标系的空间变换关系更新所述机械臂法兰环坐标系与所述机械臂坐标系的目标空间变换关系；
根据更新后的目标空间变换关系，重新确定所述机械臂坐标系下的所述手术器械的位置参数，根据重新确定的机械臂坐标系下的所述手术器械的位置参数，执行所述将所述手术器械移动到相应的空间位置的步骤。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述判断所述手术器械在当前的所述机械臂法兰环坐标系下的空间变换关系与所述目标空间变换关系是否一致，包括：
计算所述手术器械在所述机械臂法兰环坐标系下的当前的空间变换关系与所述目标空间位置的空间变换关系的差值；
若所述差值小于预设的阈值，则确定所述手术器械已经移动到所述目标空间位置。
10.一种校正装置，其特征在于，包括处理器和存储器，其中所述存储器存储有计算机程序，所述处理器用以实现如权利要求1至9任一所述的方法。
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