CN111037561A - 一种空间注册方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种空间注册方法和装置。该方法应用于机器人系统，机器人系统包括机械臂、定位仪器和定位标记点，机械臂包括机械臂基座所在的基座关节和连接有末端工具的机械臂连接件所在的末端关节，末端工具上设置有至少三个非共线的定位标记点，该方法包括：控制机械臂沿着预设路径进行运动；在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，完成变换矩阵的计算以实现机器人系统的空间注册。本发明实施例的技术方案，可以实现机器人系统的自动式空间注册，这一过程无需人工辅助操作，完全自动化的实现方式可以有效减轻医务人员的负担及手术成本，并缩短手术准备时间。

Description

一种空间注册方法和装置

技术领域

本发明实施例涉及机器人技术领域，尤其涉及一种空间注册方法和装置。

背景技术

近几年来，手术机器人在医疗领域有着较为广泛的应用，比如骨科、神经外科、胸腹介入等等。一般而言，手术机器人包括多自由度结构的机械臂，该机械臂可以包括机械臂基座所在的基座关节和机械臂法兰盘所在的末端关节，其中，机械臂法兰盘固定连接有末端工具，比如电极针、穿刺针、注射器、消融针等各种手术工具。

手术机器人正常工作的重要前提是完成手术机器人的空间注册，现有的空间注册方案需要医务人员的辅助操作，比如，通过手动拖动机械臂来接触多个棋盘格定位标记点或是植入骨骼的定位标记点，并需要通过肉眼判断机械臂和定位标记点是否紧密接触，由此完成空间注册；再比如，通过手动拖动机械臂使得固定在机械臂末端的激光打在患者面部的特征点上，由此完成空间注册。

显然，现有的空间注册方案需要手动拖动机械臂、肉眼判断机械臂的末端与定位标记点的位置关系和/或接触情况等，增加了医务人员的工作负担及手术成本，延长了手术准备时间。

发明内容

本发明实施例提供了一种空间注册方法和装置，以实现机器人系统的自动式空间注册。

第一方面，本发明实施例提供了一种空间注册方法，应用于机器人系统，机器人系统包括机械臂、定位仪器和定位标记点，机械臂包括机械臂基座所在的基座关节和连接有末端工具的机械臂连接件所在的末端关节，末端工具上设置有至少三个非共线的定位标记点，该方法可以包括：

控制机械臂沿着预设路径进行运动，其中，预设路径包括散点路径和轴向路径，散点路径包括至少三个位姿互不相同的散点，轴向路径包括机械臂基座坐标系的轴向；

在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，完成变换矩阵的计算以实现机器人系统的空间注册；

其中，变换矩阵包括机械臂基座坐标系和机械臂末端坐标系间的第一旋转矩阵和第一平移矩阵，定位仪器坐标系和末端工具坐标系间的第二旋转矩阵和第二平移矩阵，机械臂基座坐标系和定位仪器坐标系间第三旋转矩阵和第三平移矩阵，和/或，机械臂末端坐标系和末端工具坐标系间的第四旋转矩阵和第四平移矩阵。

可选的，在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，完成变换矩阵的计算，可以包括：

在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，确定与各个位姿分别对应的第一旋转矩阵和第一平移矩阵；和/或，

根据定位标记点建立末端工具坐标系，并根据定位标记点在末端工具坐标系中的坐标和定位标记点在定位仪器坐标系中的坐标，确定第二旋转矩阵和第二平移矩阵。

可选的，在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，完成变换矩阵的计算，可以包括：

在控制机械臂沿着轴向路径进行运动时，根据定位标记点在定位仪器坐标系中的坐标，确定第三旋转矩阵。

可选的，在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，完成变换矩阵的计算，还可以包括：

根据第三旋转矩阵、第二旋转矩阵和第一旋转矩阵，确定第四旋转矩阵；

根据第一旋转矩阵、第二旋转矩阵、第三旋转矩阵、第四旋转矩阵、第一平移矩阵和第二平移矩阵，确定第三平移矩阵和第四平移矩阵。

可选的，根据第一旋转矩阵、第二旋转矩阵、第三旋转矩阵、第四旋转矩阵、第一平移矩阵和第二平移矩阵，确定第三平移矩阵和第四平移矩阵，包括：

获取目标散点在机械臂基座坐标系下的第一坐标、在定位仪器坐标系下的第二坐标、在末端工具坐标系下的第三坐标，以及，在机械臂末端坐标系下的第四坐标；

根据由第三旋转矩阵、第二坐标和第三平移矩阵构成的第一计算式，得到由第三旋转矩阵、第二旋转矩阵、第三坐标、第二平移矩阵和第三平移矩阵构成的第二计算式；

根据由第一旋转矩阵、第四坐标和第一平移矩阵构成的第三计算式，得到由第一旋转矩阵、第四旋转矩阵、第三坐标、第四平移矩阵和第一平移矩阵构成的第四计算式；

根据第二计算式和第四计算式，确定第三平移矩阵和第四平移矩阵。

可选的，根据第二计算式和第四计算式，确定第三平移矩阵和第四平移矩阵，可以包括：当第二计算式和第四计算式相等时，根据第二计算式和第四计算式得到等式方程，并对等式方程求解广义逆，根据求解结果确定第三平移矩阵和第四平移矩阵。

可选的，根据定位标记点在定位仪器坐标系中的坐标，确定第三旋转矩阵，可以包括：

根据定位标记点在定位仪器坐标系中的坐标，确定机械臂基座坐标系的三个轴向在定位仪器坐标系下的方向以得到第三旋转矩阵。

可选的，确定与各个位姿分别对应的第一旋转矩阵和第一平移矩阵，包括：

获取每个散点对应的机械臂的每个关节的角度值，并基于运动学正解得到每个关节的角度值对应的散点在机械臂基座坐标系中的坐标以得到第一旋转矩阵和第一平移矩阵。

可选的，在控制机械臂沿着轴向路径进行运动时，末端工具的姿态固定。

第二方面，本发明实施例还提供了一种空间注册装置，配置于机器人系统，机器人系统包括机械臂、定位仪器和定位标记点，机械臂包括机械臂基座所在的基座关节和连接有末端工具的机械臂连接件所在的末端关节，末端工具上设置有至少三个非共线的定位标记点，该装置可以包括：

机械臂控制模块，用于控制机械臂沿着预设路径进行运动，其中，预设路径包括散点路径和轴向路径，散点路径包括至少三个位姿互不相同的散点，轴向路径包括机械臂基座坐标系的轴向；

变换矩阵计算模块，用于在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，完成变换矩阵的计算以实现机器人系统的空间注册；

其中，变换矩阵包括机械臂基座坐标系和机械臂末端坐标系间的第一旋转矩阵和第一平移矩阵，定位仪器坐标系和末端工具坐标系间的第二旋转矩阵和第二平移矩阵，机械臂基座坐标系和定位仪器坐标系间第三旋转矩阵和第三平移矩阵，和/或，机械臂末端坐标系和末端工具坐标系间的第四旋转矩阵和第四平移矩阵。

第三方面，本发明实施例还提供了一种设备，该设备可以包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现本发明任意实施例所提供的空间注册方法。

第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本发明任意实施例所提供的空间注册方法。

本发明实施例的技术方案，通过控制机械臂沿着预设路径进行运动，该预设路径包括轴向路径和散点路径，且在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，基于环路计算的思想，可以完成变换矩阵的计算以实现机器人系统的空间注册。上述技术方案，可以实现机器人系统的自动式空间注册，这一过程无需人工辅助操作，完全自动化的实现方式可以有效减轻医务人员的负担及手术成本，并缩短手术准备时间。

附图说明

图1是本发明实施例一中的一种空间注册方法的流程图；

图2是本发明实施例一中的一种空间注册方法中变换矩阵的示意图；

图3是本发明实施例二中的一种空间注册方法的流程图；

图4是本发明实施例三中的一种空间注册装置的结构框图；

图5是本发明实施例四中的一种设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是本发明实施例一中提供的一种空间注册方法的流程图。本实施例可适用于机器人系统的自动式空间注册的情况，尤其适用于手术机器人系统的自动式空间注册的情况。该方法可以由本发明实施例提供的空间注册装置来执行，该装置可以由软件和/或硬件的方式实现，该装置可以集成在各种用户设备上。

在介绍本发明实施例之前，先对本发明实施例的应用场景进行说明：本发明实施例所述的空间注册方法可以应用于机器人系统，该机器人系统可以包括机械臂、定位仪器和定位标记点，该机械臂可以包括机械臂基座所在的基座关节和连接有末端工具的机械臂连接件所在的末端关节，该末端工具上设置有至少三个非共线的定位标记点。

其中，机械臂的数量可以是一个或是多个，针对单臂型的机器人系统，机械臂的控制系统可以控制机械臂自动沿着预设路径进行运动，并在运动过程中实时计算转换矩阵，或是在运动完成后再计算转换矩阵，该转换矩阵可以用于实现机器人系统的空间注册；针对多臂型的机器人系统，各个机械臂可以基于预设顺序按照上述方式依次完成空间注册。

机械臂可以包括机械臂基座和机械臂连接件，该机械臂连接件可以是机械臂法兰盘、机械臂螺丝、机械臂卯榫等等，其主要用于连接末端工具，比如，若该机器人系统是手术机器人系统，则该末端工具可以是手术工具。此时，末端工具上可以设置有至少三个非共线的定位标记点，该定位标记点可以是导航标记点、光学标记点、电子标记点等等，其主要与定位仪器配合使用。在此基础上，机械臂还可以包括基座关节和末端关节，该基座关节可以是机械臂基座所在的关节，该末端关节可以是机械臂连接件所在的关节。

若在机械臂自动沿着预设路径进行运动的情况下完成空间注册，则该机器人系统需要包括定位仪器，这是因为，如果未存在定位仪器，则机械臂就需要在预设路径中的预设标记点处自动完成姿态变化后方可实现空间注册，但是，机械臂的控制系统是无法令机械臂自动完成相应的姿态变化。上述定位仪器可以是光学定位仪器、电子定位仪器、激光定位仪器、深度相机、双目相机等等，该定位仪器相当于一个数据中转站，其通过采集被跟踪物体比如定位标记点的三维坐标数据的方式来联系各个坐标系间的数据。

本发明实施例所述的空间注册方法可能涉及到多个坐标系，比如，机械臂基座坐标系、机械臂末端坐标系、末端工具坐标系、定位仪器坐标系等等。机器人系统的自动式空间注册的关键就在于求解出各个坐标系间的变换矩阵，该变换矩阵可以表征两个坐标系间的坐标变换关系，由此，在求解出坐标系S_a和坐标系S_b间的变换矩阵后，即可根据某个散点在坐标系S_a下的坐标获知其在坐标系S_b下的坐标，该坐标可以是三维坐标；当然，反之亦然成立。

需要说明的是，一方面，各个坐标系的原点和方向轴可能互不相同，这是因为，用户很难将机器人系统中的各个部件均摆放在相同的方向和位置上。另一方面，在每次操作机器人系统前均需要完成一次空间注册，这是因为，以机器人系统中的某一部件为例，用户很难将这一部件每次都摆放在相同的方向和位置上，这就导致各个坐标系间的变换矩阵可能会发生变化。也就是说，针对某次空间注册过程，各坐标系间的变换矩阵是固定不变的，而在下一次的空间注册过程中，该变换矩阵就可能发生变化。

参见图1，本发明实施例的方法具体包括如下步骤：

S110、控制机械臂沿着预设路径进行运动，其中，预设路径包括散点路径和轴向路径，散点路径包括至少三个位姿互不相同的散点，轴向路径包括机械臂基座坐标系的轴向。

其中，在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，预设路径中的轴向路径和散点路径是串行关系，也就是说，机械臂可以先沿着轴向路径进行运动，再沿着散点路径进行运动，当然，反之依然可以。而且，散点路径和轴向路径间可以不具备任何关联性，它们可以设置于任意平面上。

具体的，该轴向路径可以是机械臂基座坐标系所在的轴向，当机械臂沿着轴向路径进行运动时，可选的，末端工具的姿态可以是固定，也就是说，末端工具的姿态固定不变，而位置变动方向与机械臂基座坐标系所在轴向的方向相同，该机械臂基座坐标系可以是直角坐标系、斜角坐标系、极坐标系等等。以机械臂基座坐标系是直角坐标系为例，该轴向路径可以是三条相互垂直的方向向量所在的路径，比如，正方体路径、长方体路径等等。

该散点路径上设置有至少三个位姿互不相同的散点，该位姿可以包括位置和姿态，其可以呈现出六维信息。针对至少三个位姿互不相同的散点，各个散点的位置和姿态可以均不相同，也可以仅是位置和姿态的一个不同。当机械臂沿着散点路径进行运动时，机械臂的末端需要运动到这至少三个位姿互不相同的散点上，或是说，末端工具需要运动到这至少三个位姿互不相同的散点上。

S120、在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，完成变换矩阵的计算以实现机器人系统的空间注册；其中，变换矩阵包括机械臂基座坐标系和机械臂末端坐标系间的第一旋转矩阵和第一平移矩阵，定位仪器坐标系和末端工具坐标系间的第二旋转矩阵和第二平移矩阵，机械臂基座坐标系和定位仪器坐标系间第三旋转矩阵和第三平移矩阵，和/或，机械臂末端坐标系和末端工具坐标系间的第四旋转矩阵和第四平移矩阵。

其中，机器人系统的自动式空间注册的关键在于求解出各个坐标系间的变换矩阵，该变换矩阵可以通过旋转矩阵和平移矩阵的形式呈现，其可以表征两个坐标系间的坐标变换关系。需要说明的是，预设路径可以是一条环路也可以不是一条环路，但是，变换矩阵的计算过程是一个环路计算。具体的，可以先通过环路完成所有的旋转矩阵的求解，再通过求解广义逆来得到未知的平移矩阵。这种计算方法多为线性变化，可以避免数据采集误差的扩大化。

实际上，变换矩阵的具体形式，即变换矩阵究竟包括哪些平移矩阵和哪些旋转矩阵，这主要取决于已完成空间注册的机器人系统的实际用途，也就是说，机器人系统的实际用途和变换矩阵的具体形式直接相关。

示例一，若R表示旋转矩阵，T表示平移矩阵，x表示坐标系S_x，y表示坐标系S_y，则R_xy可以表示坐标系S_x和坐标系S_y间的旋转矩阵，T_xy可以表示坐标系S_x和坐标系S_y间的平移矩阵。在此基础上，若根据机器人系统的实际用途确定出该机器人系统中涉及到的多个坐标系是机械臂基座坐标系S_b和机械臂末端坐标系S_f，则变换矩阵可以是机械臂基座坐标系和机械臂末端坐标系间的第一旋转矩阵R_bf和第一平移矩阵T_bf。在求解出这两个坐标系间的变换矩阵后，即可得到它们间的坐标变换关系。

示例二，如图2所示，若根据机器人系统的实际用途确定出该机器人系统中涉及到的多个坐标系分别是机械臂基座坐标系S_b、机械臂末端坐标系S_f、末端工具坐标系S_t和定位仪器坐标系S_o，则变换矩阵可以是机械臂基座坐标系和机械臂末端坐标系间的第一旋转矩阵R_bf和第一平移矩阵T_bf，定位仪器坐标系和末端工具坐标系间的第二旋转矩阵R_to和第二平移矩阵T_to，机械臂基座坐标系和定位仪器坐标系间第三旋转矩阵R_bo和第三平移矩阵T_bo，以及，机械臂末端坐标系和末端工具坐标系间的第四旋转矩阵R_ft和第四平移矩阵T_ft。在求解出这四个坐标系间的变换矩阵后，即可得到任意两坐标系间的坐标变换关系。

针对示例二，需要说明的是，第一旋转矩阵和第二旋转矩阵在预设路径中的各个位置处是存在差异的，它们需要分别计算且可以直接计算得到；第三旋转矩阵和第四旋转矩阵在预设路径中的各个位置处是相同的，这是因为，以第四旋转矩阵为例，末端工具和机械臂连接件的相对位置的固定使得各个位置处的第四旋转矩阵相同，因此，它们可以在任一位置处计算1次即可，且计算过程需要涉及到第一旋转矩阵和第二旋转矩阵的计算结果。

当上述空间注册方法应用于医疗领域时，机器人系统可以是手术机器人系统，机械臂可以是手术机械臂，末端工具可以是手术工具，此时，该空间注册的目的是得到手术工具、手术机械臂、患者、定位仪器等多空间的坐标变换关系。在手术准备阶段，该空间注册方法仅需控制手术机械臂沿着预先在计算机中设定的预设路径进行运动以得到定位仪器中的三维坐标数据，即可计算完成空间注册。这一过程无需人工辅助操作，完全自动化的空间注册方式可以有效减轻医务人员的负担及手术成本，并缩短手术准备时间。

本发明实施例的技术方案，通过控制机械臂沿着预设路径进行运动，该预设路径包括轴向路径和散点路径，且在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，基于环路计算的思想，可以完成变换矩阵的计算以实现机器人系统的空间注册。也就是说，机械臂沿着预设路径进行运动，采集定位仪器下定位标记点位置及机械臂的位姿，并基于上述位置和位姿，完成变换矩阵的计算，实现机器人系统的空间注册。上述技术方案，可以实现机器人系统的自动式空间注册，这一过程无需人工辅助操作，完全自动化的实现方式可以有效减轻医务人员的负担及手术成本，并缩短手术准备时间。

实施例二

图3是本发明实施例二中提供的一种空间注册方法的流程图。本实施例以上述各技术方案为基础进行优化。在本实施例中，可选的，在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，完成变换矩阵的计算，可包括：在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，确定与各个位姿分别对应的第一旋转矩阵和第一平移矩阵；和/或，根据定位标记点建立末端工具坐标系，并根据定位标记点在末端工具坐标系中的坐标和定位标记点在定位仪器坐标系中的坐标，确定第二旋转矩阵和第二平移矩阵。其中，与上述各实施例相同或相应的术语的解释在此不再赘述。

本实施例的方法可应用于机器人系统，机器人系统包括机械臂、定位仪器和定位标记点，机械臂包括机械臂基座所在的基座关节和连接有末端工具的机械臂连接件所在的末端关节，末端工具上设置有至少三个非共线的定位标记点，参见图3，该方法具体可以包括如下步骤：

S210、控制机械臂沿着预设路径进行运动，其中，预设路径包括散点路径和轴向路径，散点路径包括至少三个位姿互不相同的散点，轴向路径包括机械臂基座坐标系的轴向。

S220、在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，确定与各个位姿分别对应的第一旋转矩阵和第一平移矩阵；和/或，根据定位标记点建立末端工具坐标系，并根据定位标记点在末端工具坐标系中的坐标和定位标记点在定位仪器坐标系中的坐标，确定第二旋转矩阵和第二平移矩阵。

其中，针对第一旋转矩阵和第一平移矩阵，在轴向路径和散点路径上均存在多个散点，当机械臂运动到任一散点时，根据该散点的位置即可得到第一旋转矩阵和第一平移矩阵。这是因为，机械臂基座的空间位置信息和机械臂连接件的空间位置信息具有一一对应关系，即任意散点在机械臂基座坐标系下的坐标和在机械臂末端坐标系下的坐标具有一一对应关系，这就使得第一旋转矩阵和第一平移矩阵可以通过连杆旋转角度等参数直接得到。具体的，可选的，确定与各个位姿分别对应的第一旋转矩阵和第一平移矩阵的实现方式可以是：获取每个散点对应的机械臂的每个关节的角度值，并基于运动学正解得到每个关节的角度值对应的散点在机械臂基座坐标系下的坐标，尤其是末端关节的角度值对应的散点在机械臂基座坐标系下的坐标，这就可以得到机械臂连接件相对于机械臂基座的空间位置信息，也就是第一旋转矩阵和第一平移矩阵。

针对第二旋转矩阵和第二平移矩阵，在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，机械臂将会经过多个散点，针对任一散点，由于设置于末端工具上的多个定位标记点包括可以用于确定一个平面的至少三个未共线的定位标记点，则根据这些定位标记点可以建立末端工具坐标系，也就是说，机械臂经过任意的一个散点时即可建立末端工具坐标系。在机械臂经过多个散点时，采集机械臂经过每个散点时定位标记点在定位仪器坐标系下的坐标，再结合定位标记点在末端工具坐标系下的坐标，即可确定第二旋转矩阵和第二平移矩阵。

本发明实施例的技术方案，通过确定与各个位姿分别对应的第一旋转矩阵和第一平移矩阵；和/或，根据至少三个未共线的定位标记点建立末端工具坐标系，并根据这些定位标记点在末端工具坐标系下的坐标和在定位仪器坐标系下的坐标确定第二旋转矩阵和第二平移矩阵，达到了变换矩阵自动计算的效果。

一种可选的技术方案，在此基础上，在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，完成变换矩阵的计算，具体还可包括：在控制机械臂沿着轴向路径进行运动时，根据定位标记点在定位仪器坐标系中的坐标，确定第三旋转矩阵。

其中，由于末端工具是固定在机械臂连接件上，比如，末端工具固定于机械臂法兰盘上，则末端工具的空间位置信息和机械臂连接件的空间位置信息具有一一对应关系，末端工具会随着机械臂连接件的运动而运动。在此基础上，在控制机械臂沿着轴向路径进行运动时，即在控制末端工具沿着轴向路径进行运动时，根据定位标记点在定位仪器坐标系下的坐标可确定第三旋转矩阵。具体的，可选的，通过定位仪器可以获取设置于末端工具上的定位标记点的坐标，那么，通过定位标记点可以得到机械臂基座坐标系的三个轴向在定位仪器坐标系下的方向，由此可以得到第三旋转矩阵。

一种可选的技术方案，在此基础上，在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，完成变换矩阵的计算，具体还可包括：根据第三旋转矩阵、第二旋转矩阵和第一旋转矩阵，确定第四旋转矩阵；根据第一旋转矩阵、第二旋转矩阵、第三旋转矩阵、第四旋转矩阵、第一平移矩阵和第二平移矩阵，确定第三平移矩阵和第四平移矩阵。

其中，根据第三旋转矩阵、第二旋转矩阵和第一旋转矩阵，确定第四旋转矩阵的方式可以是：第四旋转矩阵＝第三旋转矩阵*第二旋转矩阵*第一旋转矩阵，比如，继续以上述示例二为例，R_ft＝R_fb*R_bo*R_ot。需要说明的是，一方面，以第二旋转矩阵为例，R_to和R_ot是不同的第二旋转矩阵，这是因为，R_ot是定位仪器坐标系S_o在末端工具坐标系S_t下的第二旋转矩阵，而R_to是末端工具坐标系S_t在定位仪器坐标系S_o下的第二旋转矩阵。另一方面，第一旋转矩阵和第二旋转矩阵是变值，第三旋转矩阵是定值，由于四个坐标系可以构成一个环路，虽然环路中的多个变量是变值，但是，基于环路思想得到的环路结果是定值，这也就是第四旋转矩阵是定值的原因。

进一步，根据第一旋转矩阵、第二旋转矩阵、第三旋转矩阵、第四旋转矩阵、第一平移矩阵和第二平移矩阵，即可确定第三平移矩阵和第四平移矩阵。在此基础上，可选的，确定第三平移矩阵和第四平移矩阵的具体实现方式可以是：获取目标散点在机械臂基座坐标系下的第一坐标、在定位仪器坐标系下的第二坐标、在末端工具坐标系下的第三坐标和在机械臂末端坐标系下的第四坐标，该目标散点可以是多个散点中的一个散点。

此时，基于第一坐标可以将上述各个步骤得到的各个变换矩阵关联起来，比如，根据由第三旋转矩阵、第二坐标和第三平移矩阵构成的第一计算式，可以得到由第三旋转矩阵、第二旋转矩阵、第三坐标、第二平移矩阵和第三平移矩阵构成的第二计算式，以及，根据由第一旋转矩阵、第四坐标和第一平移矩阵构成的第三计算式，可以得到由第一旋转矩阵、第四旋转矩阵、第三坐标、第四平移矩阵和第一平移矩阵构成的第四计算式。

继续以上述示例二为例，若已知第一坐标P_b、第二坐标P_o、第三坐标P_t和第四坐标P_f，第一旋转矩阵R_bf和第一平移矩阵T_bf，第二旋转矩阵R_to和第二平移矩阵T_to，第三旋转矩阵R_bo和第四旋转矩阵R_ft，由于基于定位仪器和末端工具换算可以得到P_b＝R_ob*P_o+T_ob＝R_ob*(R_to*P_t+T_to)+T_ob-P_b，则第一计算式可以是R_ob*P_o+T_ob，第二计算式可以是R_ob*(R_to*P_t+T_to)+T_ob-P_b；相应的，由于基于机械臂连接件和末端工具换算可以得到P_b＝R_fb*P_f+T_fb＝R_fb*(R_tf*P_t+T_tf)+T_fb-P_b，则第三计算式可以是R_fb*P_f+T_fb，第四计算式可以是R_fb*(R_tf*P_t+T_tf)+T_fb-P_b。

进一步，根据第二计算式和第四计算式，可以确定第三平移矩阵和第四平移矩阵。具体的，可选的，当第二计算式和第四计算式相等时，根据第二计算式和第四计算式得到等式方程，并对等式方程求解广义逆，根据求解结果确定第三平移矩阵和第四平移矩阵。继续以上述示例二为例，等式方程可以是R_ob*(R_to*P_t+T_to)+T_ob-P_b＝R_fb*(R_tf*P_t+T_tf)+T_fb-P_b，那么，该等式方程的变形式可以是-T_ob+R_fb*T_tf＝R_ob*R_to*P_t+R_ob*T_to-R_fb*R_tf*P_t-T_fb。在对这个变形式求解广义逆时，即可得到第三平移矩阵T_bo和第四平移矩阵T_ft。此时，所有变换矩阵计算完毕，机器人系统的空间注册完成。

实施例三

图4为本发明实施例三提供的空间注册装置的结构框图，该装置用于执行上述任意实施例所提供的空间注册方法。该装置与上述各实施例的空间注册方法属于同一个发明构思，在空间注册装置的实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述空间注册方法的实施例。参见图4，该装置具体可包括：机械臂控制模块310和变换矩阵计算模块320。

其中，机械臂控制模块310，用于控制机械臂沿着预设路径进行运动，其中，预设路径包括散点路径和轴向路径，散点路径包括至少三个位姿互不相同的散点，轴向路径包括机械臂基座坐标系的轴向；

变换矩阵计算模块320，用于在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，完成变换矩阵的计算以实现机器人系统的空间注册；

其中，变换矩阵包括机械臂基座坐标系和机械臂末端坐标系间的第一旋转矩阵和第一平移矩阵，定位仪器坐标系和末端工具坐标系间的第二旋转矩阵和第二平移矩阵，机械臂基座坐标系和定位仪器坐标系间第三旋转矩阵和第三平移矩阵，和/或，机械臂末端坐标系和末端工具坐标系间的第四旋转矩阵和第四平移矩阵。

可选的，变换矩阵计算模块320，具体可以包括：

第一计算单元，用于在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，确定与各个位姿分别对应的第一旋转矩阵和第一平移矩阵；和/或，

第二计算单元，用于根据定位标记点建立末端工具坐标系，并根据定位标记点在末端工具坐标系中的坐标和定位标记点在定位仪器坐标系中的坐标，确定第二旋转矩阵和第二平移矩阵。

可选的，变换矩阵计算模块320，具体可以包括：

第三旋转计算单元，用于在控制机械臂沿着轴向路径进行运动时，根据定位标记点在定位仪器坐标系中的坐标，确定第三旋转矩阵。

可选的，变换矩阵计算模块320，具体还可以包括：

第四旋转计算单元，用于根据第三旋转矩阵、第二旋转矩阵和第一旋转矩阵，确定第四旋转矩阵；

第四平移计算单元，用于根据第一旋转矩阵、第二旋转矩阵、第三旋转矩阵、第四旋转矩阵、第一平移矩阵和第二平移矩阵，确定第三平移矩阵和第四平移矩阵。

可选的，第四平移计算单元，具体可以包括：

坐标获取子单元，用于获取目标散点在机械臂基座坐标系下的第一坐标、在定位仪器坐标系下的第二坐标、在末端工具坐标系下的第三坐标和在机械臂末端坐标系下的第四坐标；

计算式第一构成子单元，用于根据由第三旋转矩阵、第二坐标和第三平移矩阵构成的第一计算式，得到由第三旋转矩阵、第二旋转矩阵、第三坐标、第二平移矩阵和第三平移矩阵构成的第二计算式；

计算式第二构成子单元，用于根据由第一旋转矩阵、第四坐标和第一平移矩阵构成的第三计算式，得到由第一旋转矩阵、第四旋转矩阵、第三坐标、第四平移矩阵和第一平移矩阵构成的第四计算式；

第四平移计算子单元，根据第二计算式和第四计算式，确定第三平移矩阵和第四平移矩阵。

可选的，第四平移计算子单元，具体可以用于：当第二计算式和第四计算式相等时，根据第二计算式和第四计算式得到等式方程，并对等式方程求解广义逆，根据求解结果确定第三平移矩阵和第四平移矩阵。

可选的，第三旋转计算单元，具体可以用于：

根据定位标记点在定位仪器坐标系中的坐标，确定机械臂基座坐标系的三个轴向在定位仪器坐标系下的方向以得到第三旋转矩阵。

可选的，第一计算单元，具体可以用于：

获取每个散点对应的机械臂的每个关节的角度值，并基于运动学正解得到每个关节的角度值对应的散点在机械臂基座坐标系中的坐标以得到第一旋转矩阵和第一平移矩阵。

可选的，在控制机械臂沿着轴向路径进行运动时，末端工具的姿态固定。

本发明实施例三提供的空间注册装置，通过机械臂控制模块控制机械臂沿着预设路径进行运动，该预设路径包括轴向路径和散点路径；变换矩阵计算模块在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，基于环路计算的思想，可以完成变换矩阵的计算以实现机器人系统的空间注册。上述装置，可以实现机器人系统的自动式空间注册，这一过程无需人工辅助操作，完全自动化的实现方式可以有效减轻医务人员的负担及手术成本，并缩短手术准备时间。

本发明实施例所提供的空间注册装置可执行本发明任意实施例所提供的空间注册方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

值得注意的是，上述空间注册装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

实施例四

图5为本发明实施例四提供的一种设备的结构示意图，如图5所示，该设备包括存储器410、处理器420、输入装置430和输出装置440。设备中的处理器420的数量可以是一个或多个，图5中以一个处理器420为例；设备中的存储器410、处理器420、输入装置430和输出装置440可以通过总线或其它方式连接，图5中以通过总线450连接为例。

存储器410作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的空间注册方法对应的程序指令/模块(例如，空间注册装置中的机械臂控制模块310和变换矩阵计算模块320)。处理器420通过运行存储在存储器410中的软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的空间注册方法。

存储器410可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据设备的使用所创建的数据等。此外，存储器410可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器410可进一步包括相对于处理器420远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置430可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置440可包括显示屏等显示设备。

实施例五

本发明实施例五提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行一种空间注册方法，该方法应用于机器人系统，机器人系统包括机械臂、定位仪器和定位标记点，机械臂包括机械臂基座所在的基座关节和连接有末端工具的机械臂连接件所在的末端关节，末端工具上设置有至少三个非共线的定位标记点，该方法可包括：

控制机械臂沿着预设路径进行运动，其中，预设路径包括散点路径和轴向路径，散点路径包括至少三个位姿互不相同的散点，轴向路径包括机械臂基座坐标系的轴向；

在控制机械臂沿着预设路径进行运动时，完成变换矩阵的计算以实现机器人系统的空间注册；

其中，变换矩阵包括机械臂基座坐标系和机械臂末端坐标系间的第一旋转矩阵和第一平移矩阵，定位仪器坐标系和末端工具坐标系间的第二旋转矩阵和第二平移矩阵，机械臂基座坐标系和定位仪器坐标系间第三旋转矩阵和第三平移矩阵，和/或，机械臂末端坐标系和末端工具坐标系间的第四旋转矩阵和第四平移矩阵。

当然，本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上所述的方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的空间注册方法中的相关操作。

通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。依据这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory,RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种空间注册方法，其特征在于，应用于机器人系统，所述机器人系统包括机械臂、定位仪器和定位标记点，所述机械臂包括机械臂基座所在的基座关节和连接有末端工具的机械臂连接件所在的末端关节，所述末端工具上设置有至少三个非共线的所述定位标记点，所述方法包括：

控制所述机械臂沿着预设路径进行运动，其中，所述预设路径包括散点路径和轴向路径，所述散点路径包括至少三个位姿互不相同的散点，所述轴向路径包括机械臂基座坐标系的轴向；

在控制所述机械臂沿着预设路径进行运动时，完成变换矩阵的计算以实现所述机器人系统的空间注册；

其中，所述变换矩阵包括机械臂基座坐标系和机械臂末端坐标系间的第一旋转矩阵和第一平移矩阵，定位仪器坐标系和末端工具坐标系间的第二旋转矩阵和第二平移矩阵，所述机械臂基座坐标系和所述定位仪器坐标系间第三旋转矩阵和第三平移矩阵，和/或，所述机械臂末端坐标系和所述末端工具坐标系间的第四旋转矩阵和第四平移矩阵。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在控制所述机械臂沿着预设路径进行运动时，完成变换矩阵的计算，包括：

在控制所述机械臂沿着预设路径进行运动时，确定与各个位姿分别对应的所述第一旋转矩阵和所述第一平移矩阵；和/或，

根据所述定位标记点建立所述末端工具坐标系，并根据所述定位标记点在所述末端工具坐标系中的坐标和所述定位标记点在所述定位仪器坐标系中的坐标，确定所述第二旋转矩阵和所述第二平移矩阵。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述在控制所述机械臂沿着预设路径进行运动时，完成变换矩阵的计算，包括：

在控制所述机械臂沿着所述轴向路径进行运动时，根据所述定位标记点在所述定位仪器坐标系中的坐标，确定所述第三旋转矩阵。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在控制所述机械臂沿着预设路径进行运动时，完成变换矩阵的计算，还包括：

根据所述第三旋转矩阵、所述第二旋转矩阵和所述第一旋转矩阵，确定所述第四旋转矩阵；

根据所述第一旋转矩阵、所述第二旋转矩阵、所述第三旋转矩阵、所述第四旋转矩阵、所述第一平移矩阵和所述第二平移矩阵，确定所述第三平移矩阵和所述第四平移矩阵。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一旋转矩阵、所述第二旋转矩阵、所述第三旋转矩阵、所述第四旋转矩阵、所述第一平移矩阵和所述第二平移矩阵，确定所述第三平移矩阵和所述第四平移矩阵，包括：

获取目标散点在所述机械臂基座坐标系下的第一坐标、在所述定位仪器坐标系下的第二坐标、在所述末端工具坐标系下的第三坐标和在所述机械臂末端坐标系下的第四坐标；

根据由所述第三旋转矩阵、所述第二坐标和所述第三平移矩阵构成的第一计算式，得到由所述第三旋转矩阵、所述第二旋转矩阵、所述第三坐标、所述第二平移矩阵和所述第三平移矩阵构成的第二计算式；

根据由所述第一旋转矩阵、所述第四坐标和所述第一平移矩阵构成的第三计算式，得到由所述第一旋转矩阵、所述第四旋转矩阵、所述第三坐标、所述第四平移矩阵和所述第一平移矩阵构成的第四计算式；

根据所述第二计算式和所述第四计算式，确定所述第三平移矩阵和所述第四平移矩阵。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述第二计算式和所述第四计算式，确定所述第三平移矩阵和所述第四平移矩阵，包括：

当所述第二计算式和所述第四计算式相等时，根据所述第二计算式和所述第四计算式得到等式方程，并对所述等式方程求解广义逆，根据求解结果确定所述第三平移矩阵和所述第四平移矩阵。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述定位标记点在所述定位仪器坐标系中的坐标，确定所述第三旋转矩阵，包括：

根据所述定位标记点在所述定位仪器坐标系中的坐标，确定所述机械臂基座坐标系的三个轴向在所述定位仪器坐标系下的方向以得到所述第三旋转矩阵。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定与各个位姿分别对应的所述第一旋转矩阵和所述第一平移矩阵，包括：

获取每个所述散点对应的所述机械臂的每个关节的角度值，并基于运动学正解得到所述每个关节的角度值对应的所述散点在所述机械臂基座坐标系中的坐标以得到所述第一旋转矩阵和所述第一平移矩阵。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在控制所述机械臂沿着所述轴向路径进行运动时，所述末端工具的姿态固定。

10.一种空间注册装置，其特征在于，配置于机器人系统，所述机器人系统包括机械臂、定位仪器和定位标记点，所述机械臂包括机械臂基座所在的基座关节和连接有末端工具的机械臂连接件所在的末端关节，所述末端工具上设置有至少三个非共线的所述定位标记点，所述装置包括：

机械臂控制模块，用于控制所述机械臂沿着预设路径进行运动，其中，所述预设路径包括散点路径和轴向路径，所述散点路径包括至少三个位姿互不相同的散点，所述轴向路径包括机械臂基座坐标系的轴向；

变换矩阵计算模块，用于在控制所述机械臂沿着所述预设路径进行运动时，完成变换矩阵的计算以实现所述机器人系统的空间注册；

其中，所述变换矩阵包括机械臂基座坐标系和机械臂末端坐标系间的第一旋转矩阵和第一平移矩阵，定位仪器坐标系和末端工具坐标系间的第二旋转矩阵和第二平移矩阵，所述机械臂基座坐标系和所述定位仪器坐标系间第三旋转矩阵和第三平移矩阵，和/或，所述机械臂末端坐标系和所述末端工具坐标系间的第四旋转矩阵和第四平移矩阵。

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