CN111759463B - 一种提高手术机械臂定位精度的方法 - Google Patents

一种提高手术机械臂定位精度的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111759463B
CN111759463B CN202010755623.5A CN202010755623A CN111759463B CN 111759463 B CN111759463 B CN 111759463B CN 202010755623 A CN202010755623 A CN 202010755623A CN 111759463 B CN111759463 B CN 111759463B
Authority
CN
China
Prior art keywords
point
mechanical arm
coordinate system
positioning
coordinates
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010755623.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111759463A (zh
Inventor
李劲生
程浩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Perlove Medical Equipment Co Ltd
Original Assignee
Nanjing Perlove Medical Equipment Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Perlove Medical Equipment Co Ltd filed Critical Nanjing Perlove Medical Equipment Co Ltd
Priority to CN202010755623.5A priority Critical patent/CN111759463B/zh
Publication of CN111759463A publication Critical patent/CN111759463A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111759463B publication Critical patent/CN111759463B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A61B2034/107—Visualisation of planned trajectories or target regions
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A61B2034/108—Computer aided selection or customisation of medical implants or cutting guides
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2046—Tracking techniques
    • A61B2034/2055—Optical tracking systems
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2046—Tracking techniques
    • A61B2034/2065—Tracking using image or pattern recognition

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Endoscopes (AREA)

Abstract

本发明公开了一种提高手术机械臂定位精度的方法，包括：建立CBCT影像空间坐标系与光学定位系统坐标系的映射关系以及CBCT影像空间坐标系与机械臂坐标系的映射关系；在CBCT机得到的影像中规划两点A、B，确定机械臂器械尖端最终的定位点位姿；判断A点与P点坐标是否超过偏差阈值，若机械臂尖端最终的定位点P与目标点A具有偏差，则获取A点和P点光学定位系统坐标系下的坐标，得到补偿后的定位点的目标运动位姿，从而减小定位点和目标点的定位偏差；本发明首先经过粗定位，机械臂末端相对病灶点的位移为毫米级，其经过坐标系转换后的误差积累大大减小，保障了手术安全。

Description

一种提高手术机械臂定位精度的方法
技术领域
本发明涉及机械臂定位精度调节技术领域，特别是涉及一种提高手术机械臂定位精度的方法。
背景技术
随着科学技术水平的提高，在外科手术领域逐渐发展出手术机械臂，其主要配套设备有CBCT机和红外双目相机，在手术机械臂、CBCT机和病人病灶点附近的肢体上安装反光球，利用双目相机成像建立三者统一的空间坐标系，并以该坐标系为中介，将基于CBCT影像空间的病灶点坐标转换到基于机械臂空间坐标系的坐标，以实现机械臂定位病灶点。由于误差积累，病灶点距离机械臂越远，最终的定位误差越大，严重影响了手术安全。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种提高手术机械臂定位精度的方法，解决了机械臂定位误差大的问题。
技术方案：一种提高手术机械臂定位精度的方法，包括：
获取病灶点影像：将病人跟踪器固定在病人病灶点附近，并将CBCT机瞄准所述病人病灶点，保证CBCT机的靶罩和病人跟踪器均在光学定位系统的视野范围内，建立CBCT影像空间坐标系与光学定位系统坐标系的映射关系；
手术设备摆位：移走CBCT机，将机械臂移到病灶点附近，调整光学定位系统的监测方位，保证病人跟踪器和机械臂跟踪器均在其视野范围；
配准：预设多个非共线且非共面的点，机械臂跟踪器依次运动到各个点，并自动读取各个点在机械臂尖端处的基于机械臂坐标系的笛卡尔坐标，进而得到CBCT影像空间坐标系到机械臂坐标系的转换关系R1；
粗定位：在CBCT机得到的影像中规划两点A、B，其中，B点为病灶点，A点为病人体表上方一点，将两点在CBCT影像空间坐标系中的坐标映射到机械臂坐标系中的坐标，从而确定机械臂尖端最终的定位点位姿；
精定位：判断A点与P点坐标是否超过偏差阈值，若机械臂尖端最终的定位点P与目标点A具有偏差，则获取A点和P点光学定位系统坐标系下的坐标，进而得到补偿后的定位点的目标运动位姿，从而减小定位点和目标点的定位偏差。
进一步的，包括：
预设n个非共线且非共面的点，各个点基于机械臂坐标系的笛卡尔坐标分别表示为pr1,pr2,pr3,......,prn；
CBCT影像空间坐标系到机械臂坐标系的转换关系为：
机械臂运动到每个点后通过TCP/IP通知导航读取机械臂尖端在光学定位系统坐标系的笛卡尔坐标，分别记为pe1,pe2,pe3,......,pen，设机械臂坐标系与导航坐标系的映射关系为R2，则
Figure GDA0002652766370000021
其中，
Figure GDA0002652766370000022
为R2的共轭，因此，得到R2，进一步的，CBCT影像空间坐标系到机械臂坐标系的转换关系为R3＝R1R2。
进一步的，包括：
其中，将两点在CBCT影像空间坐标系中的坐标映射到机械臂坐标系中的坐标，分别表示为Ar＝AcR3,Br＝BcR3，机械臂尖端最终的定位点P位姿为P(Ar,V)，其中，V为旋转矢量。
进一步的，包括：
旋转矢量为V＝Lθ/|L|，其中，L为旋转轴，表示为L＝D1×D2，θ为旋转角度，表示为θ＝cos-1(D1·D2/|D1·D2|)，D1＝Ar-Br，D2＝(0,0,|D1|)。
进一步的，包括：
将A点和P点进行补偿，通过光学定位系统获取A点和P点的坐标Ae，Pe，然后计算两者的相对位置Δe＝Ae-Pe，再将该相对位置转换到机械臂坐标系Δr＝ΔeR3，则补偿后的机械臂目标位姿为Q(Ar+Δr,V)。
有益效果：本发明公开了一种提高手术机械臂定位精度的方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明首先经过粗定位，机械臂末端相对病灶点的位移为毫米级，其经过坐标系转换后的误差积累大大减小，以此实现闭环定位，最终的定位精度可提高到0.5mm以内，保障了手术安全。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中相关手术设备的结构图；
图2为本发明具体实施方式中机械臂精定位示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图，对本发明的技术方案做进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种提高手术机械臂定位精度的方法，该方法基于的手术设备包括：CBCT机1、机械臂2、光学定位系统3和病人跟踪器4，机械臂上设置有跟踪器，CBCT机上有靶罩11，靶罩是一种表面安装有反光小球的罩壳，用于光学定位器识别跟踪使用，其安装有反光小球，以便光学定位系统的识别，光学定位系统即为红外双目相机，病人跟踪器和机械臂跟踪器上也均安装有反光小球。跟踪器是一种安装有反光小球的医学定位装置，固定在病人身上就称它病人跟踪器，装在机械臂上就称它为机械臂跟踪器。机械臂跟踪器装在机械臂末端附近，尖端是机械臂最终定位的点，机械臂跟踪器只是安装在机械臂上辅助光学定位系统定位机械臂尖端。
具体的，该方法包括：
获取病灶点影像：将病人跟踪器固定在病灶点附近，并将CBCT机瞄准病人病灶点，移动光学定位系统到合适的位置，保证CBCT机的靶罩和病人跟踪器均在其视野范围，启动CBCT机扫描病灶点采集数据，并重建得到三维影像，于此同时便建立了CBCT影像空间坐标系与光学定位系统坐标系的映射关系R1。
手术设备摆位：移走CBCT机，将机械臂移到病灶点附近，根据光学定位系统捕获的影像，调整光学定位系统的监测方位，保证病人跟踪器和机械臂跟踪器均在其视野范围。
配准：预设多个非共线且非共面的点，机械臂依次运动到各个点并自动读取各个点在机械臂尖端处的基于机械臂坐标系的笛卡尔坐标，进而得到CBCT影像空间坐标系到机械臂坐标系的转换关系。
预设n个非共线且非共面的点，各个点基于机械臂坐标系的笛卡尔坐标分别表示为pr1,pr2,pr3,......,prn；
CBCT影像空间坐标系到机械臂坐标系的转换关系表示为：
机械臂运动到每个点后通过TCP/IP通知导航读取机械臂尖端在光学定位系统坐标系的笛卡尔坐标，分别记为pe1,pe2,pe3,......,pen，根据实验n＝5，定位精度最高。
设机械臂坐标系与导航坐标系的映射关系为R2，则
Figure GDA0002652766370000041
其中，
Figure GDA0002652766370000042
为R2的共轭。
根据奇异值分解法解析得到R2，因此，CBCT影像空间坐标系到机械臂坐标系的转换关系为R3＝R1R2。粗定位：在CBCT机得到的影像中规划两点A、B，其中，B点为病灶点，A点为病人体表附近一点，机械臂先运动到体表A点，再沿AB微调到体内B点，如果不进行补偿则机械臂会运动到非B点，本发明设该点为P点，对应的P点微调到C点，进而无法准确到达病灶点，将AP两点在CBCT影像空间坐标系中的坐标映射到机械臂坐标系中的坐标，从而确定机械臂跟踪器最终的定位点位姿。
其中，将两点在CBCT影像空间坐标系中的坐标映射到机械臂坐标系中的坐标，分别表示为Ar＝AcR3,Br＝BcR3，通过两点计算机械臂尖端的位姿，旋转轴为L＝D1×D2，旋转角度为θ＝cos-1(D1·D2/|D1·D2|)则旋转矢量为V＝Lθ/|L|，其中，D1＝Ar-Br，D2＝(0,0,|D1|)，故机械臂尖端最终的定位点P位姿为P(Ar,V)。
精定位：由于误差积累，机械臂末端一般只能到达A点附近的P点，AP约1～5mm，若机械臂尖端最终的定位点P与目标点A具有偏差，则获取A点和P点光学定位系统坐标系下的坐标，进而得到补偿后的定位点的目标运动位姿，从而减小定位点和目标点的定位偏差。
将A点和P点进行补偿，通过光学定位系统获取A点和P点的坐标Ae，Pe，然后计算两者的相对位置Δe＝Ae-Pe，再将该相对位置转换到机械臂坐标系Δr＝ΔeR3，则补偿后的机械臂目标点为Q，以Q点姿态实现末端准确的到达A点，对应的目标位姿为Q(Ar+Δr,V)。经过多次试验统计结果显示，补偿后的定位偏差AQ＜0.5mm，大幅提高了手术机械臂对病灶点的定位精度，本发明在补偿机械臂定位坐标的同时，还对机械臂定位姿态进行了补偿，更进一步地保证了手术的安全性。

Claims (4)

1.一种提高手术机械臂定位精度的方法，其特征在于：包括：
获取病灶点影像：将病人跟踪器固定在病人病灶点附近，并将CBCT机瞄准所述病人病灶点，保证CBCT机的靶罩和病人跟踪器均在光学定位系统的视野范围内，建立CBCT影像空间坐标系与导航坐标系的映射关系；
手术设备摆位：移走CBCT机，将机械臂移到病灶点附近，调整光学定位系统的监测方位，保证病人跟踪器和机械臂跟踪器均在其视野范围；
配准：预设多个非共线且非共面的点，机械臂跟踪器依次运动到各个点，并自动读取各个点在机械臂尖端处的基于机械臂坐标系的笛卡尔坐标，进而得到CBCT影像空间坐标系到导航坐标系的转换关系R1；粗定位：在CBCT机得到的影像中规划两点A、B，其中，B点为病灶点，A点为病人体表上方一点，将两点在CBCT影像空间坐标系中的坐标映射到机械臂坐标系中的坐标，从而确定机械臂尖端最终的定位点位姿；
精定位：判断A点与P点坐标是否超过偏差阈值，若机械臂尖端最终的定位点P与目标点A具有偏差，则获取A点和P点导航坐标系下的坐标，进而得到补偿后的定位点的目标运动位姿，从而减小定位点和目标点的定位偏差；
其中，预设n个非共线且非共面的点，各个点基于机械臂坐标系的笛卡尔坐标分别表示为pr1,pr2,pr3,......,prn；
CBCT影像空间坐标系到机械臂坐标系的转换关系为：
机械臂运动到每个点后通过TCP/IP通知导航读取机械臂尖端在导航坐标系的笛卡尔坐标，分别记为pe1,pe2,pe3,......,pen，设机械臂坐标系与导航坐标系的映射关系为R2，则
Figure FDA0003451527830000011
其中，
Figure FDA0003451527830000012
为R2的共轭，因此，得到R2，进一步的，CBCT影像空间坐标系到机械臂坐标系的转换关系为R3＝R1R2。
2.根据权利要求1所述的提高手术机械臂定位精度的方法，其特征在于：其中，将两点在CBCT影像空间坐标系中的坐标映射到机械臂坐标系中的坐标，分别表示为Ar＝AcR3,Br＝BcR3，机械臂尖端最终的定位点P位姿为P(Ar,V)，其中，V为旋转矢量。
3.根据权利要求2所述的提高手术机械臂定位精度的方法，其特征在于：旋转矢量为V＝Lθ/|L|，其中，L为旋转轴，表示为L＝D1×D2，θ为旋转角度，表示为θ＝cos-1(D1·D2/|D1·D2|)，D1＝Ar-Br，D2＝(0,0,|D1|)。
4.根据权利要求3所述的提高手术机械臂定位精度的方法，其特征在于：将A点和P点进行补偿，通过光学定位系统获取A点和P点的坐标Ae，Pe，然后计算两者的相对位置Δe＝Ae-Pe，再将该相对位置转换到机械臂坐标系Δr＝ΔeR3，则补偿后的机械臂目标位姿为Q(Ar+Δr,V)。
CN202010755623.5A 2020-07-31 2020-07-31 一种提高手术机械臂定位精度的方法 Active CN111759463B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010755623.5A CN111759463B (zh) 2020-07-31 2020-07-31 一种提高手术机械臂定位精度的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010755623.5A CN111759463B (zh) 2020-07-31 2020-07-31 一种提高手术机械臂定位精度的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111759463A CN111759463A (zh) 2020-10-13
CN111759463B true CN111759463B (zh) 2022-03-15

Family

ID=72727931

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010755623.5A Active CN111759463B (zh) 2020-07-31 2020-07-31 一种提高手术机械臂定位精度的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111759463B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023040897A1 (zh) * 2021-09-14 2023-03-23 武汉联影智融医疗科技有限公司 一种手术机器人的空间注册位姿计算方法和系统
CN113855247A (zh) * 2021-10-21 2021-12-31 南京普爱医疗设备股份有限公司 一种手术机器人一体化配准装置及操作方法
CN114343845B (zh) * 2022-01-11 2023-12-12 上海睿触科技有限公司 一种用于辅助穿刺系统的病灶位置动态跟踪方法
CN114396160B (zh) * 2022-01-21 2024-03-15 武汉博雅宏科技有限公司 一种混凝土布料机及其控制方法
CN114136682B (zh) * 2022-01-27 2022-05-17 极限人工智能有限公司 器械的运动控制精度检测方法、装置、设备及存储介质
CN114948211A (zh) * 2022-06-28 2022-08-30 南京普爱医疗设备股份有限公司 一种骨科手术机器人示踪装置及自补偿跟踪方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9188973B2 (en) * 2011-07-08 2015-11-17 Restoration Robotics, Inc. Calibration and transformation of a camera system's coordinate system
CN102999902B (zh) * 2012-11-13 2016-12-21 上海交通大学医学院附属瑞金医院 基于ct配准结果的光学导航定位导航方法
ES2886675T3 (es) * 2015-06-30 2021-12-20 Canon Usa Inc Marcadores fiduciarios, sistemas, y procedimientos de registro
CN107468351A (zh) * 2016-06-08 2017-12-15 北京天智航医疗科技股份有限公司 一种手术定位装置、定位系统及定位方法
US10152786B2 (en) * 2016-10-11 2018-12-11 Biosense Webster (Israel) Ltd. Registration of a magnetic tracking system with an imaging device
CN108175500A (zh) * 2016-12-08 2018-06-19 复旦大学 基于手持式三维扫描仪的手术导航空间配准方法
CN108030551B (zh) * 2017-12-06 2020-02-18 上海波城医疗科技有限公司 手术机械臂行程校正系统及方法
CN111297479B (zh) * 2019-10-30 2021-07-16 清华大学 一种打钉机器人系统及其打钉控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111759463A (zh) 2020-10-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111759463B (zh) 一种提高手术机械臂定位精度的方法
CN111775146B (zh) 一种工业机械臂多工位作业下的视觉对准方法
CN114041875B (zh) 一种一体式手术定位导航系统
CN110238849B (zh) 机器人手眼标定方法及装置
WO2016165391A1 (zh) 一种视觉设备作为传感器的并联平台跟踪控制装置与方法
CN108615699B (zh) 一种晶圆对准系统及方法和用于晶圆对准的光学成像装置
CN113855286B (zh) 一种种植牙机器人导航系统及方法
JP2009269110A (ja) 組立装置
CN110919658B (zh) 一种基于视觉和多坐标系闭环转换的机器人标定方法
CN107808400B (zh) 一种摄像机标定系统及其标定方法
CN110666798A (zh) 一种基于透视变换模型的机器人视觉标定方法
CN113133832B (zh) 一种双臂机器人穿刺系统标定方法及系统
CN113211431B (zh) 基于二维码修正机器人系统的位姿估计方法
CN111862220A (zh) Uvw平台标定的修正方法、装置、纠偏方法及对位系统
CN112658643B (zh) 接插件装配方法
CN112932667A (zh) 一种三维图像专用定位标尺、手术导航系统及其定位方法
CN112894209A (zh) 一种基于十字激光的管板智能焊接机器人自动平面校正方法
CN115153925A (zh) 一种口腔种植牙手术的钻头自动定位装置及方法
CN116236222A (zh) 医用远程超声扫描机器人的超声探头位姿定位系统及方法
CN116459010A (zh) 一种口腔种植牙手术的随动装置及方法
CN113040910B (zh) 一种手术导航机器人末端上示踪器的标定方法
WO2022198615A1 (zh) 一种双臂机器人穿刺系统标定方法及系统
CN115431278B (zh) 基于vtk特征点变换的机器人标定方法、系统及存储介质
JPH1080882A (ja) ロボット用座標変換パラメータ測定方法
CN116098706A (zh) 光学跟踪自动定位方法及其系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant