CN111803213B - 一种协作式机器人引导定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人定位技术领域，公开了一种协作式机器人引导定位方法，包括以下步骤：获取待定位目标的实时位姿信息，根据所述实时位姿信息建立目标坐标系，设置待定位目标上待定位的目标点以及目标方向；在所述目标坐标系内创建与所述目标点以及目标方向相关联的约束空间，所述约束空间沿目标方向设置，且指向目标点；获取机器人末端工具上特征点的实时位置信息，根据所述实时位置信息判断末端工具是否位于所述约束空间内，如果是，则基于所述约束空间对末端工具进行约束控制以及引导控制。本发明能够对待定位目标进行引导定位。

Description

一种协作式机器人引导定位方法及装置

技术领域

本发明涉及机器人定位技术领域，具体涉及一种协作式机器人引导定位方法、装置以及计算机存储介质。

背景技术

协作式机器人作为一种可以与人类进行近距离互动的机器人，已经被广泛应用到各行各业中。在医学领域，通常会借助协作式机器人进行一些手术操作，此时机器人的末端工具直接作用于人体，因此对其动作的精确度提出了较高的要求。例如，髋/膝关节置换等骨科手术对假体的安装精度要求较高，较大的假体安装误差会引起肢体长度不等、关节脱臼、关节假体磨损等一系列的术后并发症，严重时需要重新进行关节置换手术。为了提高骨科手术中的关节置换精度和速度，通过协作式机器人协作医生进行手术，引导医生将假体安装到术前规划的目标位置上。然而，目前通过协作式机器人进行辅助手术时，机器人的作用仅仅局限于对患处周边组织的保护，无法实现手术过程中的操作引导定位。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种协作式机器人引导定位方法、装置以及计算机存储介质，解决现有技术中无法进行手术操作引导定位的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种协作式机器人引导定位方法，包括以下步骤：

获取待定位目标的实时位姿信息，根据所述实时位姿信息建立目标坐标系，设置待定位目标上待定位的目标点以及目标方向；

在所述目标坐标系内创建与所述目标点以及目标方向相关联的约束空间，所述约束空间沿目标方向设置，且指向目标点；

获取机器人末端工具上特征点的实时位置信息，根据所述实时位置信息判断末端工具是否位于所述约束空间内，如果是，则基于所述约束空间对末端工具进行约束控制以及引导控制。

本发明还提供一种协作式机器人引导定位装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现所述协作式机器人引导定位方法。

本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机该程序被处理器执行时，实现所述协作式机器人引导定位方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明首先建立了约束空间，该约束空间基于目标坐标系建立，因此跟随待定位目标的实时位姿变化而变化。同时，该约束空间的设置与待定位目标上的目标点与目标方向相关联，使得该约束空间可以引导操作者定位至需要操作的目标点以及目标方向。最后，当机器人进入约束空间时，基于该约束空间进行约束控制和引导控制，实现基于机器人引导定位的定位操作。操作者根据约束空间内与目标点相关联的约束点的的指引，对目标点进行精确定位，实现高精度的引导定位。

附图说明

图1是本发明提供的协作式机器人引导定位方法一实施方式的流程图；

图2是本发明提供的协作式机器人引导定位方法一实施方式的工作原理示意图；

图3a是本发明提供的约束空间第一种实施方式的示意图；

图3b是本发明提供的约束空间第二种实施方式的示意图；

图3c是本发明提供的约束空间第三种实施方式的示意图；

附图标记：

1、机器人；2、末端工具；3、约束空间；31、约束点；10、待定位目标。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提供了协作式机器人引导定位方法，包括以下步骤：

S1、获取待定位目标的实时位姿信息，根据所述实时位姿信息建立目标坐标系，设置待定位目标上待定位的目标点以及目标方向；

S2、在所述目标坐标系内创建与所述目标点以及目标方向相关联的约束空间，所述约束空间沿目标方向设置，且指向目标点；

S3、获取机器人末端工具上特征点的实时位置信息，根据所述实时位置信息判断末端工具是否位于所述约束空间内，如果是，则基于所述约束空间对末端工具进行约束控制以及引导控制。

本实施例首先建立虚拟的约束空间，拖动机器人机械臂进入约束空间后将仅被允许在该几何空间内运动，因此通过合理地设计约束空间几何区域，即可基于约束空间有效地引导操作者进行目标点定位操作。具体的，约束空间基于目标坐标系建立，而目标坐标系基于待定位目标的实时位姿信息建立，因此约束空间跟随待定位目标的实时位姿变化而变化。实时位姿信息包括位置和姿态，姿态一般采用四元数的形式进行描述。同时，约束空间的设置与待定位目标上的目标点与目标方向相关联，使得该约束空间可以引导操作者定位至需要操作的目标点以及目标方向。约束空间沿目标方向设置，且指向目标点，当机器人进入约束空间时，基于该约束空间进行约束控制，机器人仅允许在约束空间内活动，保护待定位目标的安全；基于该约束空间进行引导控制，操作者根据约束空间的设置方向，逐步沿着约束空间的设置方向靠近目标点，实现基于机器人引导定位的定位操作。

具体的，如图2所示，本实施例应用至手术操作中，即待定位目标10为病人，目标点为病灶点。具体操作时，操作者通过施加主动力拖动机器人1末端安装的末端工具2，末端工具2可以在约束空间3外自由运动，当末端工具2进入约束空间3内，就会开启约束空间3内的约束模式，末端工具2将只能在约束空间3的范围之内运动，保护病人患处周边组织的安全；同时基于约束空间3的形状，操作者沿着约束空间3逐步靠近目标点。

末端工具可以是锉刀、假体等。在末端工具上选定一个特征点，例如锉刀的刀尖点，该特征点与末端工具的相对位置需要是固定的。选定特征点后，将定位过程中，对末端工具的位置考虑转换为对特征点位置的考虑。目标坐标系可以采用导航系统，例如NDI导航系统创建。

本实施例中约束空间的设置，一方面可以保护待定位目标，即防止末端工具穿出约束区域，另一方面，通过约束空间的设置引导末端工具逐步趋近事先规划设置的目标点。

优选的，获取待定位目标的实时位姿信息，根据所述实时位姿信息建立目标坐标系，具体为：

设置与所述待定位目标相关联的固定点作为原点，设置与所述待定位目标相关联的固定方向作为坐标方向，建立目标坐标系；

根据所述实时位姿信息，实时更新所述目标坐标系。

例如在手术定位时，相对病人创建一个局部的目标坐标系，该目标坐标系附着在病人身上，随病人的运动而运动；在该目标坐标系创建一个虚拟的约束空间3，如图2所示，由于目标坐标系附着在病人身上，跟随病人的位姿而运动，因此建立于该目标坐标系下的约束空间3同样随着病人位姿的变化而变化。

具体的，在选择目标坐标系的原点和坐标方向时，需要选择与目标点的相对位置关系固定的固定点，选择与目标方向的相对方向固定的固定方向。

优选的，设置待定位目标上的目标点以及目标方向，具体为：

以病人的病灶点作为目标点，以病人的解剖学方向作为目标方向。

目标点和目标方向的设置用于指导约束空间的建立，从而使得约束空间可以引导操作者沿目标方向逐渐靠近目标点，实现引导定位。具体的，目标点即需要操作定位的点，目标方向即靠近目标点的方向。具体的，在进行手术定位时，目标点即病灶点，目标方向可以选择病人的某些解剖学的方位，例如病人髋臼窝的前倾角方向和外展角方向，也可以是与病人的冠状面和矢状面之间相对不变的方向。

目标坐标系、目标点、目标方向确定后，即可建立约束空间。

优选的，在所述目标坐标系内创建与所述目标点以及目标方向相关联的约束空间，具体为：

设置约束空间的形状模型，在所述形状模型上设置约束点以及约束方向；

将所述形状模型的约束点与所述目标点绑定，将所述形状模型的约束方向与所述目标方向绑定，得到约束位姿；

结合所述形状模型与所述约束位姿得到所述约束空间。

约束空间的形状根据具体的应用场景进行确定，能够起到引导作用即可，约束空间沿目标方向设置，且指向目标点。本实施例中，采用锥形的约束空间。形状确定后，需要对约束空间的位姿进行实时更新，从而实现约束空间与待定位目标的关联随动。具体的，以锥形空间的锥尖点作为约束点，以锥形空间的中心轴作为约束线。将锥形空间的锥尖点与病人的病灶点绑定，将锥形空间的中心轴与由病人髋臼窝的前倾角和外展角确定的轴向绑定，得到约束空间在目标坐标系内的约束位姿，从而完成了约束空间的创建。由于创建的约束空间是在目标坐标系下关联目标点和目标方向建立的，因此约束空间的约束位姿必须随着待定位目标姿态的变化而变化，创建的约束空间的约束点、约束方向与目标点、目标方向时刻重合，且指向目标点，从而保证待定位目标姿态发生变化的情况下，机器人1还能对目标点进行追踪实现引导定位，进行后续操作。

约束空间的大小可以不变化，也可以由操作者根据待定位目标的大小进行调节。例如，在手术中医生可以针对不同病人的体态，对约束空间的大小进行调节，从而在保证对不同病人的周边软组织保护的情况下，对尽可能的快速引导定位。对于锥形的约束空间，操作者可以通过调节约束空间的锥角实现其大小的调节。

优选的，如图3a-图3c所示，所述形状模型沿靠近约束点31方向呈渐缩状。

形状模型的形状优选沿靠近约束点31方向呈渐缩状的形状，例如本实施例采用的锥形，渐缩的形状，有利于约束空间3发挥更好的引导定位作用，即越靠近约束点31(即目标点)时，约束空间3的截面范围越小，机器人1末端工具2能自由活动的空间越小，约束越大，引导效果越好。然而，应该理解的，在对目标点的定位精度要求不是很严格的情况下，约束空间3的形态还可以是圆柱形，长方体等其他不呈渐缩状的几何形状。

渐缩状的约束空间3可以实现很好的逐步引导效果。然而，如果约束空间3沿靠近约束点31方向最终缩成一点，例如锥形约束空间3最后缩成一个锥尖，如图3a所示，那么虽然从理论上，这种形状可以实现非常高的定位精度，定位到某一点，但是这种设计在机器人1的一些机械臂控制模式下，很容易引起末端工具2失稳，产生振荡行为。因此本实施例针对这一点，对渐缩状的约束空间3进行了进一步改进，具体如下。

优选的，如图3b-图3c所示，所述形状模型靠近待定位目标10一侧设置有几何形状的边界包络，所述约束点31设置于所述边界包络内。

为了引导精准定位，本实施例在约束空间3的端部做了几何设计。本实施例中，约束空间3的端部形态设置为呈一定几何形状的边界包络，而不是收缩为一点。边界包络的几何形状可以根据目标点的具体位置、目标点周围的环境进行设置，例如可以设置为图3b中示出的球形边界包络，也可以设置为如图3c中示出的立方体边界包络。端部边界包络的设置不仅可以引导精准定位，还可以有效避免潜在的动力学失稳行为的发生。

进一步的，设置了端部的边界包络后，引导定位的定位精度可以通过改变边界包络的尺寸大小来调整。例如对于球形边界包络来说，可以调节球半径，对于立方体边界包络来说，可以调节立方体边长。在设置边界包络的尺寸时，需要在动力学失稳与精准定位之间做出权衡：边界包络尺寸越小，定位越精准，但是动力学失稳的可能性也就越大；边界包络尺寸越大，定位越不精准，但是失稳的可能性越小。

约束空间定位好后，即可基于约束空间实现末端工具的约束控制和引导定位。

优选的，基于所述约束空间对末端工具进行约束控制，具体为：

判断末端工具的特征点是否位于约束空间内，如果是，则对末端工具进行位置约束以及力约束。

当末端工具的特征点位置位于约束空间内时，特征点移动的位置将被约束空间所限制：特征点将不能由约束空间内部穿过约束空间的边界移动到约束空间的外部，同时，末端工具的受力将受到约束，从而实现对待定位目标的保护。

优选的，基于所述约束空间对末端工具进行引导控制，具体为：

判断末端工具的特征点是否位于约束空间内，如果是，则进一步判断末端工具的特征点是否位于约束空间的边界上，如果是，则输出越界提醒信号。

在末端工具进入约束空间后，操作者只能在约束空间的范围内对末端工具进行操作，当操作者操作不当导致末端工具出现越界行为时，输出越界提醒信号，从而提醒操作者不要越界，向越界时操作方向的相反方向进行操作，通过越界提醒引导操作者一步步逐渐接近目标点，实现引导定位。越界提醒信号可以采用多种形式，例如可以通过机器人机械臂的阻抗或者导纳控制提供触觉力反馈，通过触觉力提醒操作者不要超过约束空间的边界；还可以通过听觉或者视觉信号等。

实施例2

本发明的实施例2提供了协作式机器人引导定位装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现实施例1提供的协作式机器人引导定位方法。

本发明实施例提供的协作式机器人引导定位装置，用于实现协作式机器人引导定位方法，因此，协作式机器人引导定位方法所具备的技术效果，协作式机器人引导定位装置同样具备，在此不再赘述。

实施例3

本发明的实施例3提供了计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现实施例1提供的协作式机器人引导定位方法。

本发明实施例提供的计算机存储介质，用于协作式机器人引导定位方法，因此，协作式机器人引导定位方法所具备的技术效果，计算机存储介质同样具备，在此不再赘述。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种协作式机器人引导定位装置，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现一种协作式机器人引导定位方法，所述方法包括以下步骤：

获取待定位目标的实时位姿信息，根据所述实时位姿信息建立目标坐标系，设置待定位目标上待定位的目标点以及目标方向；

在所述目标坐标系内创建与所述目标点以及目标方向相关联的约束空间，所述约束空间沿目标方向设置，且指向目标点；

获取机器人末端工具上特征点的实时位置信息，根据所述实时位置信息判断末端工具是否位于所述约束空间内，如果是，则基于所述约束空间对末端工具进行约束控制以及引导控制。

2.根据权利要求1所述的协作式机器人引导定位装置，其特征在于，获取待定位目标的实时位姿信息，根据所述实时位姿信息建立目标坐标系，具体为：

设置与所述待定位目标相关联的固定点作为原点，设置与所述待定位目标相关联的固定方向作为坐标方向，建立目标坐标系；

根据所述实时位姿信息，实时更新所述目标坐标系。

3.根据权利要求1所述的协作式机器人引导定位装置，其特征在于，设置待定位目标上的目标点以及目标方向，具体为：

以病人的病灶点作为目标点，以病人的解剖学方向作为目标方向。

4.根据权利要求1所述的协作式机器人引导定位装置，其特征在于，在所述目标坐标系内创建与所述目标点以及目标方向相关联的约束空间，具体为：

设置约束空间的形状模型，在所述形状模型上设置约束点以及约束方向；

将所述形状模型的约束点与所述目标点绑定，将所述形状模型的约束方向与所述目标方向绑定，得到约束位姿；

结合所述形状模型与所述约束位姿得到所述约束空间。

5.根据权利要求4所述的协作式机器人引导定位装置，其特征在于，所述形状模型沿靠近约束点方向呈渐缩状。

6.根据权利要求4所述的协作式机器人引导定位装置，其特征在于，所述形状模型靠近待定位目标一侧设置有几何形状的边界包络，所述约束点设置于所述边界包络内。

7.根据权利要求1所述的协作式机器人引导定位装置，其特征在于，基于所述约束空间对末端工具进行约束控制，具体为：

判断末端工具的特征点是否位于约束空间内，如果是，则对末端工具进行位置约束以及力约束。

8.根据权利要求1所述的协作式机器人引导定位装置，其特征在于，基于所述约束空间对末端工具进行引导控制，具体为：

判断末端工具的特征点是否位于约束空间内，如果是，则进一步判断末端工具的特征点是否位于约束空间的边界上，如果是，则输出越界提醒信号。

9.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机该程序被处理器执行时，实现一种协作式机器人引导定位方法，所述方法包括以下步骤：

获取待定位目标的实时位姿信息，根据所述实时位姿信息建立目标坐标系，设置待定位目标上待定位的目标点以及目标方向；

在所述目标坐标系内创建与所述目标点以及目标方向相关联的约束空间，所述约束空间沿目标方向设置，且指向目标点；

获取机器人末端工具上特征点的实时位置信息，根据所述实时位置信息判断末端工具是否位于所述约束空间内，如果是，则基于所述约束空间对末端工具进行约束控制以及引导控制。

10.根据权利要求9所述的计算机存储介质，其特征在于，获取待定位目标的实时位姿信息，根据所述实时位姿信息建立目标坐标系，具体为：

设置与所述待定位目标相关联的固定点作为原点，设置与所述待定位目标相关联的固定方向作为坐标方向，建立目标坐标系；

根据所述实时位姿信息，实时更新所述目标坐标系。

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