CN111557736B - 医疗机器人导航系统中截骨导板的标定方法 - Google Patents

医疗机器人导航系统中截骨导板的标定方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种医疗机器人导航系统中截骨导板的标定方法，所述方法应用于医疗机器人导航系统，所述医疗机器人导航系统包括：机器人、截骨导板和三维定位装置，所述三维定位装置包括：数据采集探针尖端。本申请提供的技术方案具有成本低的优点，操作简单、学习成本低、精准等特点。

Description

医疗机器人导航系统中截骨导板的标定方法
技术领域
本申请涉及医疗器械领域，具体涉及一种医疗机器人导航系统中截骨导板的标定方法。
背景技术
截骨导板是骨科手术中重要的工具，可以帮助医生提供一个稳定的切割平面，传统的截骨导板通常配合一下辅助测量工具计算获取截骨平面的位置和角度，例如全膝关节置换中，胫骨髓外定位杆前端就是一个截骨导板，通过胫骨结构来确定胫骨平台截面；大部分情况截骨平面的确定都需要医生通过经验确定截骨位置。因此现有的方法对医生的要求高，增加了(医生的学习)成本，并且截骨位置不准确。
发明内容
本发明的目的在于提供医疗机器人导航系统中截骨导板的标定方法以及装置，该技术方案具有提高机器人对截骨位置进行自动标定，无需医生来判定，降低了医生的要求，降低了(学习)成本，并且截骨的位置标定准确，标定精度稳定。
第一方面，提供一种医疗机器人导航系统中截骨导板的标定方法，所述方法应用于医疗机器人导航系统，所述医疗机器人导航系统包括：机器人、截骨导板和三维定位装置，所述三维定位装置包括：数据采集探针尖端；所述方法包括如下步骤：
步骤S301、将三维定位装置和机器人的位置相对固定，对三维定位装置和机器人坐标系之间的转换关系进行标定，获得三维定位装置和机器人坐标系之间转换关系N BTrans；
步骤S302、将截骨导板安装于机器人末端法兰，将机器人调至被动模式；使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截骨导板表面的标记点n次，得到采集数据集T＝{T1、T2、…Tn}；
步骤S303、每采集一次标记点数据时，记录每次采集时的每个位置的机器人末端位姿数据R＝{R1、R2、…Rn}；
步骤S304、将T＝{T1、T2、…Tn}通过转换矩阵N BTrans和R＝{R1、R2、…Rn}，转换到末端法兰坐标系获得新的未端法兰坐标系数据集TF＝{TF 1、TF 2…TF n}，将TF＝{TF 1、TF 2…TF n}与截骨导板n个标记点的数据集M＝{M1、M2、…Mn}进行点集匹配，就得到了导板相对于法兰的位姿数据G fTrans；
所述n为大于等于4的整数，(n由导板表面标记点数量决定)。
第二方面，提供一种计算机可读存储介质，存储用于电子数据交换的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行第一方面提供的方法。
本申请提供的技术方案具有提高机器人坐标注册精度的优点，进而具有提高医疗机器人的操作精度优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种医疗机器人导航系统的结构示意图。
图2为本发明提供的截骨导板的结构示意图。
图3为本发明提供的适用于截骨导板的标定方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
现有导板的截骨平面的确定都需要医生通过经验确定截骨位置，且需要将截骨导板固定在骨表面，反复的拆卸打孔对骨质有一定损伤，而且现有导板的定位完全依赖医生的经验，精度较差，在对精度要求较高的手术环境，现有的截骨导板难以确定其相对于骨骼的位姿。
为了解决现有截骨导板定位不准确的问题，本申请提出一种获取截骨导板相对于机器人末端法兰位姿的方法，获取截骨导板相对于法兰的位姿后，通过坐标系转换即可获取截骨导板相对于骨骼的位姿，可以对导槽面和骨骼进行可视化处理，并依靠机器人高精度的特点调整截骨导板的位姿，达到精确定位切割面的效果。
针对将截骨导板作为机器人末端工具的情况，本发明提出一种适用于截骨导板的标定方法，具体如下：将三维定位装置与机器人相对固定，三维定位装置以NDI公司的Vega三维运动捕捉系统为例，参阅图1；对三维定位装置和机器人坐标系进行标定，获得三维定位装置坐标系与机器人基坐标系的装换N BTrans；将截骨导板安装于机器人末端法兰，将机器人调整至手动模式，方便拖动采点；使用三维定位装置的数据采集探针，采集截骨导板表面的标记点，每次采集记录三维定位装置中探针的数据T＝{T1、T2、…Tn}和机器人末端位姿数据R＝{R1、R2、…Rn}；通过导板标记点的参数M＝{M1、M2、…Mn}、T＝{T1、T2、…Tn}和R＝{R1、R2、…Rn}即可计算出导板相对于法兰的位姿数据G fTrans。
参阅图1，所述医疗机器人导航系统包括：机器人1、截骨导板2和三维定位装置3，所述三维定位装置包括：数据采集探针尖端31；具体的操作步骤如图3所示，包括如下步骤：
步骤S301、将三维定位装置和机器人的位置相对固定，对三维定位装置和机器人坐标系之间的转换关系进行标定，获得三维定位装置和机器人坐标系之间转换关系N BTrans；
步骤S302、将截骨导板安装于机器人末端法兰，将机器人调至被动模式；使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截骨导板表面的标记点n次，得到采集数据集T＝{T1、T2、…Tn}，n次采集期间机器人可自由运动n次，每次运动保证数据采集探针尖端能顺利采集标记点的数据即可；
上述步骤S302的实现方法具体可以包括：
机器人自由运动一次，使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截图导板表面对应次数标记点的数据，重复n次直至所有的标记点采集完毕。
下面以一个实际的例子来说明，如图2所示，n＝4,第一次运动，使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截骨导板表面第一标记点的坐标数据，同理，第二次运动，使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截骨导板表面第二标记点的坐标数据，第三次运动，使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截骨导板表面第三标记点的坐标数据，第四次运动，使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截骨导板表面第四标记点的坐标数据。
上述n为大于等于4的整数。
步骤S303、每采集一次标记点数据时，记录每次采集时的每个位置的机器人末端位姿数据R＝{R1、R2、…Rn}；
步骤S304、将T＝{T1、T2、…Tn}通过转换矩阵N BTrans和R＝{R1、R2、…Rn}，转换到末端法兰坐标系获得新的未端法兰坐标系数据集TF＝{TF 1、TF 2…TF n}，将TF＝{TF 1、TF 2…TF n}与截骨导板n个标记点的数据集M＝{M1、M2、…Mn}进行点集匹配，就得到了导板相对于法兰的位姿数据G fTrans。
在一种可选的方案中，上述点集匹配的方式可以采用SVD分解方式进行匹配，该SVD分解可以参见百度文库的(Olga Sorkine.Least-Squares Rigid Motion Using SVD的描述。
上述n个标记点的数据集可以为n个标记点在截骨导板坐标系下的坐标数据。(n由导板表面标记点数量决定)。
本申请标定方法以图2中截骨导板为例。
参阅图2，如图2所示，该截骨导板包括：安装法兰20、导板21和导板导槽22，其中，该安装法兰20与机器人法兰11配合安装且该安装法兰20能够随机器人法兰11转动，该导板21一端与安装法兰20固定，另一端与导板导槽22固定，该导板21和导板导槽22具有n个标记点25，上述n为大于等于4的整数。
本申请提出一种适用于截骨导板的标定方法，具体如下：将三维定位装置与机器人相对固定，三维定位装置以NDI公司的Vega三维运动捕捉系统为例，参阅图1；对三维定位装置和机器人坐标系进行标定，获得三维定位装置坐标系与机器人基坐标系的装换N BTrans；将截骨导板安装于机器人末端法兰，将机器人调整至手动模式，方便拖动采点；使用三维定位装置的数据采集探针，采集截骨导板表面的标记点，每次采集记录三维定位装置中探针的数据T＝{T1、T2、…Tn}和机器人末端位姿数据R＝{R1、R2、…Rn}；通过导板标记点的参数M＝{M1、M2、…Mn}、T＝{T1、T2、…Tn}和R＝{R1、R2、…Rn}即可计算出导板相对于法兰的位姿数据G fTrans；这样即能够通过该G fTrans实现截骨导板的自动标定，无需医疗人员依据经验进行确认，降低了医疗人员的经验要求，降低了(学习)成本，提高了准确性。
以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (4)

1.一种医疗机器人导航系统中截骨导板的标定方法，其特征在于，所述方法应用于医疗机器人导航系统，所述医疗机器人导航系统包括：机器人、截骨导板和三维定位装置，所述截骨导板包括：安装法兰、导板和导板导槽，其中，该安装法兰与机器人法兰配合安装且该安装法兰能够随机器人法兰转动，该导板一端与安装法兰固定，另一端与导板导槽固定，该导板和导板导槽具有n个标记点;所述三维定位装置包括：数据采集探针尖端；所述方法包括如下步骤：
步骤S301、将三维定位装置和机器人的位置相对固定，对三维定位装置和机器人坐标系之间的转换关系进行标定，获得三维定位装置和机器人坐标系之间转换关系N BTrans；
步骤S302、将截骨导板安装于机器人末端法兰，将机器人调至被动模式；使用三维定位装置的数据采集探针尖端按顺序依次采集截骨导板表面的标记点n次，得到采集数据集T={T1、 T2、…Tn}；
步骤S303、每采集一次标记点数据时，记录每次采集时的每个位置的机器人末端位姿数据R={R1、 R2、…Rn}；
步骤S304、将T={T1、 T2、…Tn}通过转换矩阵N BTrans和R={R1、 R2、…Rn}，转换到末端法兰坐标系获得新的未端法兰坐标系数据集TF={TF 1、TF 2…TF n}，将TF={TF 1、TF 2…TF n}与截骨导板n个标记点的数据集M={M1、 M2、…Mn}进行点集匹配，就得到了导板相对于法兰的位姿数据G fTrans；
所述n为大于等于4的整数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截骨导板表面的标记点n次，得到采集数据集T={T1、 T2、…Tn}具体包括：
截骨导板随所述机器人自由运动一次，使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截图导板表面对应次数标记点的数据，重复n次直至所有的标记点采集完毕即得到采集数据集T={T1、 T2、…Tn}。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将T={T1、 T2、…Tn}通过转换矩阵N BTrans和R={R1、 R2、…Rn}，转换到末端法兰坐标系获得新的未端法兰坐标系数据集TF={TF 1、TF 2…TF n}具体包括：
将T1以及转换矩阵以及R1将T1映射到末端法兰坐标系中得到TF 1，将Tn以及转换矩阵和Rn将Tn映射到末端法兰坐标系中得到TF n。
4.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储用于电子数据交换的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行如权利要求1-3任一项所述的方法。
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Address after: 310000 rooms 305 and 306, building 8, 181 Wuchang Avenue, Wuchang Street, Yuhang District, Hangzhou City, Zhejiang Province

Applicant after: HANGZHOU JIANJIA ROBOT Co.,Ltd.

Address before: 518000 1003, building B4, nanjingxin village, Minzhi street, Longhua District, Shenzhen City, Guangdong Province

Applicant before: Du Siao

GR01 Patent grant
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CP01 Change in the name or title of a patent holder
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Address after: 310000 rooms 305 and 306, building 8, 181 Wuchang Avenue, Wuchang Street, Yuhang District, Hangzhou City, Zhejiang Province

Patentee after: Hangzhou Jianjia Medical Technology Co.,Ltd.

Address before: 310000 rooms 305 and 306, building 8, 181 Wuchang Avenue, Wuchang Street, Yuhang District, Hangzhou City, Zhejiang Province

Patentee before: HANGZHOU JIANJIA ROBOT Co.,Ltd.