CN110327117A - 一种机械臂、机械臂环境下的临床系统及定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种机械臂、机械臂环境下的临床系统和定位方法，其中，机械臂包括安装体和空间定位装置；空间定位装置通过任意一个安装位可拆卸安装于安装体，空间定位装置用于识别、转换并标定工具的空间运动与机械臂本身的空间运动。与现有空间定位装置与机械臂的固定关系相比，空间定位装置与机械臂末端之间可通过多维度运动实现两者关系的迭代更新，因此，可根据实际需要随时将空间定位装置拆卸下来，也可根据实际需要选择空间定位装置的安装方向。将空间定位装置与机械臂末端之间的标定关系形成的转换矩阵进行存储，再结合光学追踪仪对空间定位装置和目标物体定位的光学标记器的追踪，以此形成将机械臂引入临床应用的临床系统。
Description
技术领域
本发明涉及机械臂手术定位技术领域，具体涉及一种机械臂、机械臂环境下的临床系统及定位方法。
背景技术
在外科手术中，采用手术机械臂持手术工具等先进技术来实现操作，例如手术机械臂末端安装手术刀进行开刀，一般采用标定件和视觉设备对手术机械臂和手术部位进行定位，如，将标定件分别安装到手术机械臂末端和手术部位上，将视觉设备的坐标空间与机械臂末端的坐标空间进行对齐，消除两者间的偏差，或者说将机械臂的末端执行器的位姿换算到视觉设备的坐标系中，从而使得抓取或操纵的目标物体与末端执行器的相对位姿是准确的，进而保证抓取、操纵任务的有效完成。
为了提高手术机械臂末端的定位精度，现有的做法是：严格限定标定件与手术机械臂末端的安装方式，及严格限制标定件的规格尺寸设计，使标定件与手术机械臂之间的安装偏差，这种定位方式，不仅对标定件的机械加工具有严格要求(如，标定件要设计成固定的几何尺寸)，还对工作人员的安装方式提出了严格要求(如，标定件要按照规定的方向安装于机械臂末端)，同时，标定件一旦安装到手术机械臂末端上，因标定件与手术机械臂是固定安装，因此，一般情况不会将标定件拆卸下来，从而导致标定件长时间使用时不能清洁。
发明内容
本申请提供一种机械臂、机械臂环境下的临床系统及定位方法，可以解决现有机械臂与标定件配合安装要求高的问题。
根据第一方面，一种实施例中提供一种机械臂，包括用于对机械臂末端工具的空间位置进行定位的空间定位装置和用于安装所述空间定位装置的安装体；
所述安装体包括内腔、外腔和用于安装工具的安装部，所述内腔位于所述外腔内，所述安装部位于所述外腔底部，所述内腔、外腔和安装部同轴；
所述内腔的开口大小与机械臂末端相匹配，所述安装体通过所述内腔套接于机械臂末端；
所述外腔的腔体沿圆周方向开设有多个安装位；
所述空间定位装置通过任意一个所述安装位可拆卸安装于所述外腔的外侧。
一种实施例中，所述空间定位装置包括至少三个标记点和承载所述标记点的载体，所述载体通过任意一个所述安装位卡接于所述外腔的外侧。
一种实施例中，所述外腔的腔体外表面开设有导向槽，所述外腔的腔体内表面对应所述导向槽的位置设置有卡槽，所述载体的一表面配合所述导向槽设有导轨，且于所述导轨之间设有与所述卡槽配合的卡接键。
一种实施例中，所述载体呈与所述外腔腔体配合的弧状，所述载体的另一表面的四周分别设有凸棱，至少三个标记点分别安装于所述凸棱上，且至少三个标记点不在一条直线上。
一种实施例中，所述载体设置有所述导轨的表面呈与所述外腔腔体配合的弧状，所述载体的另一表面呈平面状，至少三个标记点安装于平面状的表面上，且至少三个标记点不在一条直线上。
一种实施例中，所述外腔的腔体高度高于所述内腔的腔体高度，且所述外腔的腔体内表面设置的卡槽位于所述内腔上方。
一种实施例中，所述载体沿所述导轨方向的边缘设有手握部。
一种实施例中，所述外腔的腔体沿圆周方向均匀开设有四个安装位，且各个安装位分别设有相应的标识位。
根据第二方面，一种实施例中提供一种机械臂环境下的临床系统，包括：机械臂、光学标记器、光学追踪仪和控制装置；
所述光学标记器用于对目标物进行空间位置标定；
所述光学追踪仪根据目标物的实际空间位置进行安装，以使所述光学标记器位于所述光学追踪仪的检测范围内；
所述机械臂为上述的机械臂，所述机械臂包括用于对机械臂末端工具的空间位置进行定位的空间定位装置和用于安装所述空间定位装置的安装体，所述安装体安装于所述机械臂的末端，所述空间定位装置参照所述光学追踪仪的安装位置安装于所述安装体上相对应的安装位，以使所述空间定位装置位于所述光学追踪仪的检测范围内；
所述光学追踪仪用于捕获所述空间定位装置与所述光学标记器的空间位置；
所述控制装置与所述光学追踪仪和机械臂连接，用于根据以下操作控制所述机械臂运动：
根据所述空间定位装置当前所在的安装位更新空间定位装置与所述机械臂末端之间的转换矩阵；
获取空间定位装置和光学标记器在所述光学追踪仪坐标系下的位姿信息，并形成空间定位装置和光学标记器在所述光学追踪仪坐标系下的相对位置关系；
基于空间定位装置与光学标记器的相对位置关系，及空间定位装置与机械臂末端之间的转换矩阵获得机械臂末端与光学标记器的相对位置关系，通过所述机械臂末端与光学标记器的相对位置关系控制所述机械臂运动。
一种实施例中，所述安装体的外腔腔体沿圆周方向均匀开设有四个安装位，所述控制装置预先配置有各个安装位所对应的所述空间定位装置与所述机械臂末端之间的转换矩阵，以使所述控制装置根据所述空间定位装置的安装位的更换而自动更新所述空间定位装置与所述机械臂末端之间的转换矩阵。
根据第三方向，一种实施例中提供一种上述的临床系统的定位方法，所述临床定位系统包括机械臂、光学标记器、光学追踪仪和控制装置；
所述光学标记器用于对目标物进行空间位置标定；
所述光学追踪仪根据目标物的实际空间位置进行安装，以使所述光学标记器位于所述光学追踪仪的检测范围内；
所述机械臂为上述的机械臂，所述机械臂包括用于对机械臂末端工具的空间位置进行定位的空间定位装置和用于安装所述空间定位装置的安装体，所述安装体安装于所述机械臂的末端，所述空间定位装置参照所述光学追踪仪的安装位置安装于所述安装体上相对应的安装位，以使所述空间定位装置位于所述光学追踪仪的检测范围内；
所述光学追踪仪用于捕获所述空间定位装置与所述光学标记器的空间位置；
所述控制装置与所述光学追踪仪和机械臂连接，所述控制装置执行所述定位方法，包括步骤：
获得空间定位装置当前所在的安装位，并根据所述安装位更新空间定位装置与机械臂末端之间的转换矩阵；
获取空间定位装置和光学标记器在所述光学追踪仪坐标系下的位姿信息，并形成空间定位装置和光学标记器在所述光学追踪仪坐标系下的相对位置关系；
基于空间定位装置与光学标记器的相对位置关系，及空间定位装置与机械臂末端之间的转换矩阵获得机械臂末端与光学标记器的相对位置关系，通过所述机械臂末端与光学标记器的相对位置关系控制所述机械臂运动。
一种实施例中，所述安装体的外腔腔体沿圆周方向均匀开设有四个安装位，所述定位方法还包括对各个安装位所对应的所述空间定位装置与所述机械臂末端之间的转换矩阵进行标定并存储，还包括根据所述空间定位装置的安装位的更换而自动更新所述空间定位装置与所述机械臂末端之间的转换矩阵。
一种实施例中，所述对各个安装位所对应的所述空间定位装置与所述机械臂末端之间的转换矩阵进行标定，具体为：
控制机械臂依次沿机械臂基座坐标系定义的X、Y、Z轴平移，之后绕X、Y、Z轴进行旋转；
在机械臂运动过程中同步获取机械臂的位姿信息和空间定位装置在光学追踪仪坐标系下的位姿信息；
通过机械臂末端与机械臂基座之间的转换矩阵、机械臂末端与空间定位装置之间的转换矩阵、光学追踪仪与空间定位装置之间的转换矩阵，并基于机械臂在不同的位姿下，机械臂基座与光学追踪仪之间的转换矩阵保持不变建立方程组，通过最小二乘法求解方程组获得机械臂末端与空间定位装置之间的转换矩阵。
一种实施例中，所述对各个安装位所对应的所述空间定位装置与所述机械臂末端之间的转换矩阵进行标定，具体为：
控制机械臂依次沿机械臂末端坐标系定义的X、Y、Z平移；
在机械臂运动过程中采集空间定位装置在光学追踪仪坐标系下的位姿信息，并计算机械臂此姿态下在光学追踪仪坐标系下的旋转矩阵保持此姿态，读取空间定位装置在光学追踪仪坐标系下的转换矩阵
控制机械臂绕机械臂末端坐标系的X轴旋转，且运动过程中采集n组空间定位装置在光学追踪仪坐标系下的位姿信息Tx；
控制机械臂绕机械臂末端坐标系的Y轴旋转，且运动过程中采集n组空间定位装置在光学追踪仪坐标系下的位姿信息Ty；
旋转过程中，基于机械臂末端的坐标系原点保持不变建立转换矩阵与机械臂末端坐标系原点在空间定位装置坐标系的齐次坐标Prigid之间的姿态方程，通过该姿态方程计算出Prigid；
计算机械臂末端原点在空间定位装置坐标系中的齐次坐标
根据Pcamera和得到机械臂末端与光学追踪仪之间的转换矩阵进而得到所述空间定位装置与所述机械臂末端之间的转换矩阵：
依据上述实施例的机械臂，与现有的机械臂固定且单一方向安装空间定位装置相比，由于本申请的机械臂在安装体上设置了多个安装位，空间定位装置可根据实际需求安装于任意一个安装位，且空间定位装置与安装位之间采用可拆卸安装，因此，可根据实际需要随时将空间定位装置拆卸下来，也可根据实际需要选择空间定位装置的安装方向。
当本申请的机械臂在临床中应用时，因提前已标定了各个安装位对应的机械臂末端与空间定位装置之间的转换矩阵，因此，临床应用中，不需要空间定位装置与机械臂末端通过几何尺寸精确安装，降低了空间定位装置与机械臂末端的安装要求，同时，可根据实际情况变换空间定位装置的安装方向，只需空间定位装置位于光学追踪仪的检测范围内即可。
同时，对空间定位装置与机械臂末端之间的转换矩阵进行标定的过程中还引入了动态多自由度的运动标定方法，该标定方法可通过多维度运动实现两者关系的迭代更新，以标定空间定位装置与机械臂末端之间的转换矩阵并存储。
附图说明
图1为机械臂结构示意图；
图2为安装体结构示意图；
图3为图2的另一方向示意图；
图4为空间定位装置与安装体配合安装示意图；
图5为空间定位装置结构示意图；
图6为图5的另一方向示意图；
图7为机械臂环境下的临床系统示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一：
本例提供一种机械臂，其结构图如图1所示，包括用于对机械臂末端工具的空间位置进行定位的空间定位装置2和用于安装空间定位装置2的安装体1，其中，安装体1设置有多个安装位，空间定位装置2可通过任意一安装位可拆卸安装于安装体1。
与现有的机械臂仅具有一个空间定位装置的安装位，且空间定位装置采用固定安装相比，本例的安装体1设置了多个安装位，空间定位装置2可根据实际需求安装于任意一个安装位，且空间定位装置2与安装位之间采用可拆卸安装，因此，可根据实际需要随时将空间定位装置2拆卸下来，也可根据实际需要选择空间定位装置2的安装方向，因此，本例的安装体1与空间定位装置2之间更具有灵活性。
如图2和图3所示，安装体1包括内腔11、外腔12和用于安装工具的安装部13，内腔11位于外腔12内，安装部13位于外腔11底部，且内腔11、外腔12和安装部13为同轴结构。
内腔11的开口大小与机械臂末端相匹配，以使安装体1通过内腔11固定套接于机械臂末端。
外腔12的腔体沿圆周方向开设有多个安装位14，优先的，外腔12的腔体沿圆周方向开设有四个安装位14，且各个安装位分别设有相应的标识位，如标识位为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，其中，标识位为Ⅰ的安装位14为基础位，另外三个安装位参考该基础位设计，且安装体1与机械臂末端安装时也要参考该基础位进行安装。这样的限定是为了方便机械臂在实际应用中的定位。在其他实施例中，也可以将标识位为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的安装位作为基础位。
当安装体1参照基础位安装于机械臂末端后，空间定位装置2可根据实际需求通过任意一个安装位14可拆卸安装于外腔12的外侧，以用于对机械臂末端的空间位置进行定位，空间定位装置2与外腔12配合安装示意图如图4所示。
如图5和图6所示，空间定位装置2包括至少三个标记点21和承载标记点21的载体22，载体22通过任意一个安装位14卡接于外腔12的外侧，也即是，空间定位装置2与安装体1采用卡接。
为了使空间定位装置2与安装体1之间顺利卡接，外腔12的腔体外表面开设有导向槽141，外腔12的腔体内表面对应导向槽141的位置设置有卡槽142，该导向槽141和卡槽142构成了安装位14。
相应的，载体22的一表面配合导向槽141设有导轨221，且于导轨221之间设有与卡槽142配合的卡接键222；具体安装时，只需要将载体22的导轨221卡入导向槽141内，及卡接键222卡入卡槽142内，再将载体22沿导向槽141朝向另一侧滑动，直至将卡接键222完全卡入卡槽142内，以此实现载体22卡接于外腔12的外侧；当需要拆卸时，直接将载体22朝向安装的反方向滑动，使卡接键222滑出卡槽142。
在本例中，外腔12的腔体高度高于内腔11的腔体高度，为了避免卡接键222完全卡入卡槽142的过程中，卡接键222与内腔11产生干涉，优选的，外腔12的腔体内表面设置的卡槽142位于内腔11上方。
进一步，因内腔11和外腔12均呈一端开口的圆柱形腔体结构，为了使载体22与外腔12的接触面形状匹配，本例的载体22呈与外腔12腔体配合的弧状，载体22的另一表面的四周分别设有凸棱223，至少三个标记点21分别安装于凸棱223上，且至少三个标记点21不在一条直线上。
在其他实施例中，也可以是：载体22设置有导轨221的表面呈与外腔12腔体配合的弧状，载体22的另一表面呈平面状，至少三个标记点21安装于平面状的表面上，且至少三个标记点21不在一条直线上。
进一步，为了方便拿取载体22与外腔12卡接，载体22沿导轨221方向的边缘设有手握部224，工作人员通过手握部224可以方便拿取载体22。
本例提供的机械臂具有多个安装位，空间定位装置可根据实际需求安装于任意一个安装位，且空间定位装置与安装位之间采用可拆卸安装，因此，可根据实际需要随时将空间定位装置拆卸下来，也可根据实际需要选择空间定位装置的安装方向。
实施例二：
机械臂在临床中应用的场景是：医生从医学角度对临床上的患者进行无创标定，如标定患者的头部、患者的脚部等，光学追踪仪安装在患者附近，且患者的无创标定点位于光学追踪仪的检测范围内，因光学追踪仪位置固定，相应的，光学追踪仪的检测范围也固定，因此，机械臂按照光学追踪仪与患者之间的位置关系进行安装，且，参照光学追踪仪的安装位置将空间定位装置安装到机械臂的安装体上，以使空间定位装置也位于光学追踪仪的检测范围内，从而实现空间定位装置与机械臂安装体之间的灵活安装。基于该应用场景，本例提供一种机械臂环境下的临床系统。
如图7所示，本例的机械臂环境下的临床系统包括机械臂、光学标记器3、光学追踪仪4和控制装置5。
光学标记器3用于对临床中的目标物进行空间位置定位，光学标记器3上设有标记点，可被光学追踪仪4识别，医生可根据实际需要对临床中的目标物进行不同部位的标定，如，若目标物为患者全身，则可将光学标记器3分别设置在患者头部、脚部等位置，且该标定为无创标定。
光学追踪仪4根据目标物的实际空间位置进行安装，以使光学标记器3位于光学追踪仪4的检测范围内。
本例的机械臂具体为实施例一中的机械臂，机械臂包括安装体1和空间定位装置2，安装体1安装于机械臂的末端，空间定位装置2参照光学追踪仪4的安装位置安装于安装体1上相对应的安装位，以使空间定位装置2位于光学追踪仪4的检测范围内，本例的光学追踪仪4为NDI光学追踪系统，光学追踪仪4用于捕获空间定位装置2与光学标记器3的空间位置。关于安装体1与空间定位装置2的具体安装方式及相应的结构请参考实施例一，本例不作赘述。
控制装置5与光学追踪仪4和机械臂连接，用于根据以下操作控制机械臂运动：
根据空间定位装置2当前所在的安装位更新空间定位装置2与机械臂末端之间的转换矩阵；
具体的，安装体1的外腔腔体沿圆周方向均匀开设有四个安装位，控制装置5预先配置有各个安装位所对应的空间定位装置2与机械臂末端之间的转换矩阵，以使控制装置5根据空间定位装置2的安装位的更换而自动更新空间定位装置2与机械臂末端之间的转换矩阵。
获取空间定位装置2和光学标记器3在光学追踪仪4坐标系下的位姿信息，并形成空间定位装置2和光学标记器3在光学追踪仪坐标系下的相对位置关系；
基于空间定位装置2与光学标记器3的相对位置关系，及空间定位装置2与机械臂末端之间的转换矩阵获得机械臂末端与光学标记器的相对位置关系，通过机械臂末端与光学标记器的相对位置关系控制机械臂运动。
基于上述的临床系统，本例还提供基于该临床系统的定位方法，该定位方法应用于控制装置5，即控制装置5通过执行该定位方法实现控制机械臂运动，该定位方法包括以下步骤：
步骤1)获得空间定位装置当前所在的安装位，并根据安装位更新空间定位装置与机械臂末端之间的转换矩阵。
因安装体的外腔腔体沿圆周方向均匀开设有四个安装位，因此，在上述定位方法执行之前还包括对各个安装位所对应的空间定位装置与机械臂末端之间的转换矩阵进行标定并存储，以使定位方法执行过程中还包括根据空间定位装置的安装位的更换而自动更新空间定位装置与机械臂末端之间的转换矩阵。
其中，本例提供两种方式对各个安装位所对应的空间定位装置与机械臂末端之间的转换矩阵进行标定：
一种方式为基于AX＝XB进行手眼标定：
步骤A)控制机械臂依次沿机械臂基座坐标系定义的X、Y、Z轴平移，之后绕X、Y、Z轴进行旋转；
步骤B)在机械臂运动过程中同步获取机械臂的位姿信息和空间定位装置在光学追踪仪坐标系下的位姿信息；
步骤C)通过机械臂末端与机械臂基座之间的转换矩阵、机械臂末端与空间定位装置之间的转换矩阵、光学追踪仪与空间定位装置之间的转换矩阵，并基于机械臂在不同的位姿下，机械臂基座与光学追踪仪之间的转换矩阵保持不变建立方程组，通过最小二乘法求解方程组获得机械臂末端与空间定位装置之间的转换矩阵；本步骤C)的具体过程为：
设为机械臂末端与机械臂基座之间的转换矩阵，设为机械臂末端与空间定位装置之间的转换矩阵，设为光学追踪仪与空间定位装置之间的转换矩阵，基于机械臂在不同的位姿下，机械臂基座与光学追踪仪之间的转换矩阵保持不变，故存在等式： 为末知量，设其为X，得AX＝XB，其中，
由步骤B)采集到2n组信息，结合步骤C)的等式可以得到n组方程，使用最小二乘法计算该方程组，最终求得X，也即得到
另一种方式为使用几何方法进行手眼标定：
步骤A1)控制机械臂依次沿机械臂末端坐标系定义的X、Y、Z平移；
步骤B1)在机械臂运动过程中采集空间定位装置在光学追踪仪坐标系下的位姿信息，并计算机械臂此姿态下在光学追踪仪坐标系下的旋转矩阵保持此姿态，读取空间定位装置在光学追踪仪坐标系下的转换矩阵
步骤C1)控制机械臂绕机械臂末端坐标系的X轴旋转，且运动过程中采集n组空间定位装置在光学追踪仪坐标系下的位姿信息Tx；及，控制机械臂绕机械臂TCP坐标系的Y轴旋转，且运动过程中采集n组空间定位装置在光学追踪仪坐标系下的位姿信息Ty；
步骤D1)旋转过程中，基于机械臂末端的坐标系原点保持不变建立转换矩阵与机械臂末端坐标系原点在空间定位装置坐标系的齐次坐标Prigid之间的姿态方程，通过该姿态方程计算出Prigid；
本步骤D1)中的姿态方程具体为：通过步骤3)采集的信息及姿态方程可以得到n*4组方程，通过最小二乘法可计算出Prigid。
步骤E1)计算机械臂末端原点在空间定位装置坐标系中的齐次坐标Pcamera,其中，根据Pcamera和得到机械臂末端与光学追踪仪之间的转换矩阵进而得到空间定位装置与机械臂末端之间的转换矩阵：
由于机械臂的安装体具有四个安装位，且预先对各个安装位所对应的空间定位装置与机械臂末端之间的转换矩阵进行标定和存储，使得，机械臂的具体应用中，安装体根据基础位安装于机械臂末端，空间定位装置根据实际需要安装于相应的安装位即可。
另外，机械臂工作过程中，可根据需要将空间定位装置拆卸下来进行清洁，及当空间定位装置补遮挡或不在光学追踪仪的检测范围内时，还可实时更新空间定位装置的安装位，这时，只需根据空间定位装置的安装位的更换而自动更新空间定位装置与机械臂末端之间的转换矩阵。
步骤2)获取空间定位装置和光学标记器在光学追踪仪坐标系下的位姿信息，并形成空间定位装置和光学标记器在光学追踪仪坐标系下的相对位置关系。
步骤3)基于空间定位装置与光学标记器的相对位置关系，及空间定位装置与机械臂末端之间的转换矩阵获得机械臂末端与光学标记器的相对位置关系，通过机械臂末端与光学标记器的相对位置关系控制机械臂运动。
关于步骤2)和步骤3)中涉及的相对位置关系的获取方式及空间定位装置、光学追踪仪、光学标记器三者之间的空间位置转换均是手术机械臂导航、定位中常用的技术手段，本例不作赘述。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (14)
1.一种机械臂,其特征在于，包括用于对机械臂末端工具的空间位置进行定位的空间定位装置和用于安装所述空间定位装置的安装体；
所述安装体包括内腔、外腔和用于安装工具的安装部，所述内腔位于所述外腔内，所述安装部位于所述外腔底部，所述内腔、外腔和安装部同轴；
所述内腔的开口大小与机械臂末端相匹配，所述安装体通过所述内腔套接于机械臂末端；
所述外腔的腔体沿圆周方向开设有多个安装位；
所述空间定位装置通过任意一个所述安装位可拆卸安装于所述外腔的外侧。
2.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述空间定位装置包括至少三个标记点和承载所述标记点的载体，所述载体通过任意一个所述安装位卡接于所述外腔的外侧。
3.如权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述外腔的腔体外表面开设有导向槽，所述外腔的腔体内表面对应所述导向槽的位置设置有卡槽，所述载体的一表面配合所述导向槽设有导轨，且于所述导轨之间设有与所述卡槽配合的卡接键。
4.如权利要求3所述的机械臂，其特征在于，所述载体呈与所述外腔腔体配合的弧状，所述载体的另一表面的四周分别设有凸棱，至少三个标记点分别安装于所述凸棱上，且至少三个标记点不在一条直线上。
5.如权利要求3所述的机械臂，其特征在于，所述载体设置有所述导轨的表面呈与所述外腔腔体配合的弧状，所述载体的另一表面呈平面状，至少三个标记点安装于平面状的表面上，且至少三个标记点不在一条直线上。
6.如权利要求3所述的机械臂，其特征在于，所述外腔的腔体高度高于所述内腔的腔体高度，且所述外腔的腔体内表面设置的卡槽位于所述内腔上方。
7.如权利要求3所述的机械臂，其特征在于，所述载体沿所述导轨方向的边缘设有手握部。
8.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述外腔的腔体沿圆周方向均匀开设有四个安装位，且各个安装位分别设有相应的标识位。
9.一种机械臂环境下的临床系统，其特征在于，包括：机械臂、光学标记器、光学追踪仪和控制装置；
所述光学标记器用于对目标物进行空间位置定位；
所述光学追踪仪根据目标物的实际空间位置进行安装，以使所述光学标记器位于所述光学追踪仪的检测范围内；
所述机械臂为权利要求1-8任一项所述的机械臂，所述机械臂包括用于对机械臂末端工具的空间位置进行定位的空间定位装置和用于安装所述空间定位装置的安装体，所述安装体安装于所述机械臂的末端，所述空间定位装置参照所述光学追踪仪的安装位置安装于所述安装体上相对应的安装位，以使所述空间定位装置位于所述光学追踪仪的检测范围内；
所述光学追踪仪用于捕获所述空间定位装置与所述光学标记器的空间位置；
所述控制装置与所述光学追踪仪和机械臂连接，用于根据以下操作控制所述机械臂运动：
根据所述空间定位装置当前所在的安装位更新空间定位装置与所述机械臂末端之间的转换矩阵；
获取空间定位装置和光学标记器在所述光学追踪仪坐标系下的位姿信息，并形成空间定位装置和光学标记器在所述光学追踪仪坐标系下的相对位置关系；
基于空间定位装置与光学标记器的相对位置关系，及空间定位装置与机械臂末端之间的转换矩阵获得机械臂末端与光学标记器的相对位置关系，通过所述机械臂末端与光学标记器的相对位置关系控制所述机械臂运动。
10.如权利要求9所述的临床系统，其特征在于，所述安装体的外腔腔体沿圆周方向均匀开设有四个安装位，所述控制装置预先配置有各个安装位所对应的所述空间定位装置与所述机械臂末端之间的转换矩阵，以使所述控制装置根据所述空间定位装置的安装位的更换而自动更新所述空间定位装置与所述机械臂末端之间的转换矩阵。
11.一种如权利要求9-10任一项所述的临床系统的定位方法，其特征在于，所述临床定位系统包括机械臂、光学标记器、光学追踪仪和控制装置；
所述光学标记器用于对目标物进行空间位置定位；
所述光学追踪仪根据目标物的实际空间位置进行安装，以使所述光学标记器位于所述光学追踪仪的检测范围内；
所述机械臂为权利要求1-8任一项所述的机械臂，所述机械臂包括用于对机械臂末端工具的空间位置进行定位的空间定位装置和用于安装所述空间定位装置的安装体，所述安装体安装于所述机械臂的末端，所述空间定位装置参照所述光学追踪仪的安装位置安装于所述安装体上相对应的安装位，以使所述空间定位装置位于所述光学追踪仪的检测范围内；
所述光学追踪仪用于捕获所述空间定位装置与所述光学标记器的空间位置；
所述控制装置与所述光学追踪仪和机械臂连接，所述控制装置执行所述定位方法，所述定位方法包括步骤：
获得空间定位装置当前所在的安装位，并根据所述安装位更新空间定位装置与机械臂末端之间的转换矩阵；
获取空间定位装置和光学标记器在所述光学追踪仪坐标系下的位姿信息，并形成空间定位装置和光学标记器在所述光学追踪仪坐标系下的相对位置关系；
基于空间定位装置与光学标记器的相对位置关系，及空间定位装置与机械臂末端之间的转换矩阵获得机械臂末端与光学标记器的相对位置关系，通过所述机械臂末端与光学标记器的相对位置关系控制所述机械臂运动。
12.如权利要求11所述的定位方法，其特征在于，所述安装体的外腔腔体沿圆周方向均匀开设有四个安装位，所述定位方法执行之前还包括对各个安装位所对应的所述空间定位装置与所述机械臂末端之间的转换矩阵进行标定并存储，所述定位方法执行过程中还包括根据所述空间定位装置的安装位的更换而自动更新所述空间定位装置与所述机械臂末端之间的转换矩阵。
13.如权利要求12所述的定位方法，其特征在于，所述对各个安装位所对应的所述空间定位装置与所述机械臂末端之间的转换矩阵进行标定，具体为：
控制机械臂依次沿机械臂基座坐标系定义的X、Y、Z轴平移，之后绕X、Y、Z轴进行旋转；
在机械臂运动过程中同步获取机械臂的位姿信息和空间定位装置在光学追踪仪坐标系下的位姿信息；
通过机械臂末端与机械臂基座之间的转换矩阵、机械臂末端与空间定位装置之间的转换矩阵、光学追踪仪与空间定位装置之间的转换矩阵，并基于机械臂在不同的位姿下，机械臂基座与光学追踪仪之间的转换矩阵保持不变建立方程组，通过最小二乘法求解方程组获得机械臂末端与空间定位装置之间的转换矩阵。
14.如权利要求12所述的定位方法，其特征在于，所述对各个安装位所对应的所述空间定位装置与所述机械臂末端之间的转换矩阵进行标定，具体为：
控制机械臂依次沿机械臂末端坐标系定义的X、Y、Z平移；
在机械臂运动过程中采集空间定位装置在光学追踪仪坐标系下的位姿信息，并计算机械臂此姿态下在光学追踪仪坐标系下的旋转矩阵保持此姿态，读取空间定位装置在光学追踪仪坐标系下的转换矩阵
控制机械臂绕机械臂末端坐标系的X轴旋转，且运动过程中采集n组空间定位装置在光学追踪仪坐标系下的位姿信息Tx；
控制机械臂绕机械臂末端坐标系的Y轴旋转，且运动过程中采集n组空间定位装置在光学追踪仪坐标系下的位姿信息Ty；
旋转过程中，基于机械臂末端的坐标系原点保持不变建立转换矩阵与机械臂末端坐标系原点在空间定位装置坐标系的齐次坐标Prigid之间的姿态方程，通过该姿态方程计算出Prigid；
计算机械臂末端原点在空间定位装置坐标系中的齐次坐标
根据Pcamera和得到机械臂末端与光学追踪仪之间的转换矩阵进而得到所述空间定位装置与所述机械臂末端之间的转换矩阵：
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Citations (3)
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| CN105563477A (zh) * | 2016-01-29 | 2016-05-11 | 坚毅机械工程(高要)有限公司 | 一种旋转适配器及具有该旋转适配器的机械手 |
| CN108042202A (zh) * | 2017-12-06 | 2018-05-18 | 上海波城医疗科技有限公司 | 手术机械臂定位系统 |
| CN211834685U (zh) * | 2019-07-12 | 2020-11-03 | 上海卓昕医疗科技有限公司 | 一种机械臂及机械臂环境下的临床系统 |
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2019
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