CN113069208B - 手术导航方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明是关于手术导航方法、装置、电子设备及存储介质。该方法包括；确定关节空间中机械臂的手术导航路径的起点和终点；分别以所述起点和所述终点为根节点建立第一搜索树和第二搜索树，并在所述关节空间中对所述第一搜索树和所述第二搜索树进行随机树生长处理；在所述随机树生长处理的过程中，根据自碰撞模型进行所述机械臂的自碰撞检测，所述自碰撞模型根据所述机械臂的包络数据建立；根据检测结果确定所述机械臂的手术导航路径。可以有效避免机械臂因自碰撞导致的损坏以及暂停导航。

Description

手术导航方法、装置、电子设备及存储介质

技术领域

本发明医学器械技术领域，特别涉及手术导航方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术

手术导航系统可以帮助医疗人员定位病变部位，降低手术难度和风险，越来越多的用于外科手术。为了避免手术导航过程中，机械臂与其他手术器械发生碰撞，在进行机械臂的手术路径规划时，一般会考虑避障问题，但是很少考虑机械臂的自碰撞问题，也即机械臂的各连杆之间发生的碰撞问题，而机械臂的自碰撞会对自身造成损坏，且会因此暂停导航，影响手术进度。

发明内容

本发明提供手术导航方法、装置、电子设备及存储介质，以解决相关技术中的问题。

具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：

第一方面，提供一种手术导航方法，所述方法包括；

确定关节空间中机械臂的手术导航路径的起点和终点；

分别以所述起点和所述终点为根节点建立第一搜索树和第二搜索树，并在所述关节空间中对所述第一搜索树和所述第二搜索树进行随机树生长处理；

在所述随机树生长处理的过程中，根据自碰撞模型进行所述机械臂的自碰撞检测，所述自碰撞模型根据所述机械臂的包络数据建立；

根据检测结果确定所述机械臂的手术导航路径。

可选地，还包括：

确定所述机械臂的安全运动范围，并根据所述安全运动范围确定所述关节空间中的目标采用空间；

在所述关节空间中对所述第一搜索树和所述第二搜索树进行随机树生长处理，包括：

在所述目标采用空间中对所述第一搜索树和所述第二搜索树进行随机树生长处理。

可选地，所述安全运动范围根据接收到的指定运动参数值确定；

或者，所述安全运动范围根据所述机械臂上的障碍物检测传感器获取的检测数据而确定。

可选地，在所述目标采用空间中对所述第一搜索树进行随机树生长处理，包括：

随机选取一个第一扩展点，并在确定所述第一扩展点在所述目标采用空间内的情况下，将所述第一扩展点确定为所述第一搜索树的初始树节点；

在所述目标采用空间中对所述第二搜索树进行随机树生长处理，包括：

随机选取一个第二扩展点，并在确定所述第二扩展点在所述目标采用空间内的情况下，将所述第二扩展点确定为所述第二搜索树的初始树节点。

可选地，所述机械臂包括多根连杆；

根据自碰撞模型进行所述机械臂的自碰撞检测，包括：

模拟所述机械臂位于所述初始树节点时各根连杆的圆柱包络；

判断所述各根连杆的圆柱包络的轴线之间的距离是否在预设范围内；

若存在两个圆柱包络的轴线之间的距离在预设范围内，所述检测结果为发生自碰撞；

若任意两个圆柱包络的轴线之间的距离均未在预设范围内，所述检测结果为未发生自碰撞。

可选地，根据检测结果确定所述机械臂的手术导航路径，包括：

在所述检测结果为未发生自碰撞的情况下，将所述初始树节点确定为搜索树的树节点；

在所述检测结果为发生自碰撞的情况下，舍弃所述初始树节点。

可选地，根据检测结果确定所述手术导航路径，包括：

在检测结果为未发生自碰撞的情况下，根据当前生长的树节点确定所述第一搜索树和第二搜索树是否相连；

在确定所述第一搜索树和第二搜索树相连的情况下，根据所述第一搜索树和所述第二搜索树的所有树节点确定所述手术导航路径。

可选地，根据检测结果确定所述手术导航路径包括：

在确定所述第一搜索树和第二搜索树未相连的情况下，判断随机树生长处理的生长次数是否达到次数阈值；

在确定所述生长次数达到所述次数阈值的情况下，发出导航失败提示；或者重新确定安全运动范围，并在重新确定的安全运动范围对应的目标采样空间内对所述第一搜索树和所述第二搜索树进行随机树生长处理。

可选地，根据所述第一搜索树和所述第二搜索树的所有树节点确定所述手术导航路径，包括：

将所述起点或者终点作为第一优化点，依次将所述所有树节点中除了所述第一优化点之外的其他树节点作为第二优化点；

确定所述机械臂由所述第二优化点径直移动至所述第一优化点是否满足移动规则；其中，所述移动规则包括以下至少之一：未发生自碰撞、未与障碍物碰撞、未发生关节突变；

在确定满足所述移动规则的情况下，舍弃所述第一优化点与所述第二优化点之间的所有树节点；

根据剩余的树节点确定所述手术导航路径。

第二方面，提供一种手术导航装置，所述装置包括；

第一确定模块，用于确定关节空间中机械臂的手术导航路径的起点和终点；

处理模块，用于分别以所述起点和所述终点为根节点建立第一搜索树和第二搜索树，并在所述关节空间中对所述第一搜索树和所述第二搜索树进行随机树生长处理；

检测模块，用于在所述随机树生长处理的过程中，根据自碰撞模型进行所述机械臂的自碰撞检测，所述自碰撞模型根据所述机械臂的包络数据建立；

第二确定模块，用于根据检测结果确定所述机械臂的手术导航路径。

可选地，还包括：

第三确定模块，用于确定所述机械臂的安全运动范围，并根据所述安全运动范围确定所述关节空间中的目标采用空间；

所述处理模块，具体用于在所述目标采用空间中对所述第一搜索树和所述第二搜索树进行随机树生长处理。

可选地，在所述目标采用空间中对所述第一搜索树进行随机树生长处理时，所述处理模块用于：

随机选取一个第一扩展点，并在确定所述第一扩展点在所述目标采用空间内的情况下，将所述第一扩展点确定为所述第一搜索树的初始树节点；

在所述目标采用空间中对所述第二搜索树进行随机树生长处理时，所述处理模块用于：

随机选取一个第二扩展点，并在确定所述第二扩展点在所述目标采用空间内的情况下，将所述第二扩展点确定为所述第二搜索树的初始树节点。

可选地，所述机械臂包括多根连杆；

所述检测模块用于：

模拟所述机械臂位于所述初始树节点时各根连杆的圆柱包络；

判断所述各根连杆的圆柱包络的轴线之间的距离是否在预设范围内；

若存在两个圆柱包络的轴线之间的距离在预设范围内，所述检测结果为发生自碰撞；

若任意两个圆柱包络的轴线之间的距离均未在预设范围内，所述检测结果为未发生自碰撞。

可选地，所述第二确定模块用于：

在检测结果为未发生自碰撞的情况下，根据当前生长的树节点确定所述第一搜索树和第二搜索树是否相连；

在确定所述第一搜索树和第二搜索树相连的情况下，根据所述第一搜索树和所述第二搜索树的所有树节点确定所述手术导航路径。

可选地，所述第二确定模块用于：

在确定所述第一搜索树和第二搜索树未相连的情况下，判断随机树生长处理的生长次数是否达到次数阈值；

在确定所述生长次数达到所述次数阈值的情况下，发出导航失败提示，或者重新确定安全运动范围，并在重新确定的安全运动范围对应的目标采样空间内对所述第一搜索树和所述第二搜索树进行随机树生长处理。

可选地，所述第二确定模块还用于：

将所述起点或者终点作为第一优化点，依次将所述所有树节点中除了所述第一优化点之外的其他树节点作为第二优化点；

确定所述机械臂由所述第二优化点径直移动至所述第一优化点是否满足移动规则；其中，所述移动规则包括以下至少之一：未发生自碰撞、未与障碍物碰撞、未发生关节突变；

在确定满足所述移动规则的情况下，舍弃所述第一优化点与所述第二优化点之间的所有树节点；

根据剩余的树节点确定所述手术导航路径。

第三方面，提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的手术导航方法。

第四方面，提供一种计算机可读存储介质，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上述任一项所述的手术导航方法的步骤。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明实施例，在手术导航路径规划的过程中，进行自碰撞检测，以规划出一条不会发生机械臂自碰撞的手术导航路径，以此驱动机械臂的关节移动，手术导航的过程中机械臂不会发生自碰撞，可以避免机械臂的损坏以及因自碰撞导致的暂停导航。且手术导航路径是在关节空间中规划得到的，对于手术机械臂起点和终点有变化的情况，规划结果中的路径点即含有位置和姿态的变化，规划结果无需再次映射到关节空间，可以提高手术导航路径的规划实时性、效率。采用双向的树节点生长，可以进一步提高手术导航路径的规划实时性、效率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明一示例性实施例示出的一种手术导航系统的结构示意图；

图2是本发明一示例性实施例示出的一种手术导航方法的流程图；

图3是本发明一示例性实施例示出的一种对第一搜索树和第二搜索树进行随机树生长处理的示意图；

图4是本发明一示例性实施例示出的另一种对第一搜索树和第二搜索树进行随机树生长处理的示意图；

图5是本发明一示例性实施例示出的另一种手术导航方法的流程图；

图6是本发明一示例性实施例示出的另一种手术导航方法的流程图；

图7是本发明一示例性实施例示出的一种手术导航装置的模块示意图；

图8是本发明一示例性实施例示出的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

图1是本发明一示例性实施例示出的一种手术导航系统的结构示意图，手术导航系统包含机械臂台车11和拍摄设备12。机械臂台车11上设有手术器械111、机械臂112，手术器械111可以在机械臂112的驱动下对病患进行手术操作，机械臂112可以实现上下升降、前后移动、左右移动、绕基座旋转。拍摄设备12包括扫描床121、机架组件122、支撑组件123和拍摄组件124。支撑组件123用于支撑扫描床121，支撑组件123可以实现上下左右前后的移动、旋转，以调节扫描床121的位姿。机架组件122也可以实现上下左右前后的移动、旋转，以调节拍摄组件的位姿，使得拍摄组件124能够从任意角度对扫描床121上的病患13进行拍摄得到医学图像，满足医疗人员从不同角度观察病患的病变部位以及手术器械的需求。机械臂台车11与拍摄设备12可以通过有线或者无线的方式建立通信连接。当然，机械臂台车还可以包含图中未示出的控制系统，拍摄设备也可以包含控制系统，以控制各自的机械臂进行运动。

为例避免机械臂运动的过程中，与其他手术器械发生碰撞，在进行机械臂的手术路径规划时，一般会考虑避障问题，但是很少考虑机械臂的自碰撞问题，也即机械臂的各连杆之间发生的碰撞问题，而机械臂的自碰撞会对自身造成损坏，且会因此暂停运行，影响手术进度。

基于上述情况，本发明实施提供一种手术导航方法，采用双向的树节点生长规划机械臂的手术导航路径，且在树节点生长的过程中进行自碰撞检测，避免机械臂根据手术导航路径移动的过程中发生自碰撞；且在关节空间中规划手术导航路径，规划结果无需再次映射到关节空间中，提高了手术导航路径规划的实时性。

下面结合图1所示的手术导航系统对本发明的手术导航方法实施例进行详细描述。

图2是本发明一示例性实施例示出的一种手术导航方法的流程图，该方法包括；

步骤201、确定关节空间中机械臂的手术导航路径的起点和终点。

对于一个具有n个自由度的的操作臂来说，它的所有连杆位置可由一组n个关节变量来确定。这样的一组变量通常被称为n×1的关节矢量。所有关节矢量组成的空间称为关节空间。

本发明实施例中，是在关节空间进行规划，规划结果无需再次映射到关节空间，提高了手术导航路径规划的实时性。

在手术过程中，通常会由术中X光透视等方法确定病人的病患位置，并控制机械臂从当前位置运动到病患位置，该当前位置和病患位置为操作空间中的位置，需将其进行空间转换，将当前位置映射至关节空间中的起点，将病患位置映射至关节空间中的终点。确定病患位置以及空间映射的具体实现方式可参见相关技术的实现方式，本发明对此不作特别限定。

步骤202、分别以起点和终点为根节点建立第一搜索树和第二搜索树，并在关节空间中对第一搜索树和第二搜索树进行随机树生长处理。

在随机树生长处理的过程中，第一搜索树朝着第二搜索树的方向生长，第二搜索树朝着第一搜索树的方向生长，直至两棵树相连。

其中，对第一搜索树进行随机树生长的生长步长和对第二搜索树进行随机树生长的生长步长可以根据实际需求自行设置，两者的生长步长可以设置为相同，也可以设置为不同。第一搜索树和第二搜索树可以同步生长；第一搜索树和第二搜索树也可以交替生长，也即第一搜索树扩展一个树节点后，第二搜索树扩展一个树节点，以此交替进行。

步骤203、在随机树生长处理的过程中，根据自碰撞模型进行机械臂的自碰撞检测。

本发明实施例中，为了避免机械臂发生自碰撞，也即各连杆之间发生碰撞，在随机树生长处理的过程中，根据自碰撞模型进行机械臂的自碰撞检测。机械臂包括多根连杆，各根连杆之间通过关节连接，本发明实施例中采用包络法表示机械臂的形态特征，并根据机械臂的包络数据建立自碰撞模型。由于连杆近似圆柱体，采用圆柱包络表征机械臂的各根连杆。

在进行自碰撞检测时，基于自碰撞模型判断各根连杆的圆柱包络的轴线之间的距离是否在预设范围内，其中预设范围可以根据实际情况自行设置，一般设置的较小。若两根连杆的圆柱包络的轴线的距离在预设范围内，说明两根连杆靠的很近，很可能发生了碰撞，则自碰撞检测的检测结果为机械臂发生自碰撞。若两根连杆的圆柱包络的轴线的距离未在预设范围内，说明两根连杆离得较远，不会发生碰撞，则自碰撞检测的检测结果为机械臂未发生自碰撞。

可以理解地，搜索树的各个树节点可以看成是机械臂的各路径点，机械臂从起点沿各路径点移动至终点，因此每生长得到一个树节点需判断假设机械臂移动至该树节点会不会发生自碰撞；若会发生自碰撞，则舍弃该树节点；若不会发生自碰撞，则将该树节点确定为搜索树的树节点。

图3是本发明一示例性实施例示出的一种对第一搜索树和第二搜索树进行随机树生长处理的示意图，图中S点表示起点，也即第一搜索树的根节点，G点表示终点，也即第二搜索树的根节点。a点、b点和c点分别表示第一搜索树的树节点，a’点、b’点和c’点分别表示第二搜索树的树节点。其中，a点、b点、c点、a’点、b’点和c’点为对机械臂进行过自碰撞检测，且不会发生自碰撞的树节点。q_rand点为第二搜索树刚生长的一个扩展点，需判断机械臂移动至q_rand点是否会发生自碰撞。

下面介绍机械臂移动至q_rand点的自碰撞检测的详细过程。

机械臂的移动通过驱动机械臂的各关节实现。在机械臂的移动过程中，通过解析法以及关节变化最小原则确定机械臂从上一树节点移动至下一树节点的各关节的关节角度，参见图3，也即确定机械臂从c’点移动至q_rand点时各关节的关节角度，并根据该各关节的关节角度模拟机械臂位于q_rand点时各根连杆的圆柱包络；若各根连杆的圆柱包络中存在两个圆柱包络的轴线的距离在预设范围内，确定机械臂从c’点移动至q_rand点会发生自碰撞，将该q_rand点舍弃，重新生长其他q_rand点并进行自碰撞检测；若各根连杆的圆柱包络中任意两个圆柱包络的轴线的距离均不在预设范围内，确定机械臂从c’点移动至q_rand点不会发生自碰撞，将该q_rand点确定为第二搜索树的树节点，并进行下一个树节点生长。

步骤204、根据检测结果确定机械臂的手术导航路径。

若步骤203中检测结果为未发生自碰撞，说明第一搜索树和/或第二搜索树生长了一个新的树节点，第一搜索树更加靠近第二搜索树了，则根据当前生长的树节点确定第一搜索树和第二搜索树是否相连，也即确定第一搜索树最新生长的树节点(最末端的树节点)与第二搜索树最新生长的树节点(最末端的树节点)之间的距离是否小于距离阈值；若第一搜索树最新生长的树节点与第二搜索树最新生长的树节点之间的距离未小于距离阈值，说明两个树节点相距较远，确定第一搜索树与第二搜索树未相连，需要进一步进行随机树生长处理；若第一搜索树最新生长的树节点与第二搜索树最新生长的树节点之间的距离小于距离阈值，说明两个树节点很接近或者两个树节点重叠，确定第一搜索树与第二搜索树相连，可以根据第一搜索树和第二搜索树的所有树节点确定手术导航路径，根据该手术导航路径通过驱动机械臂的关节，将机械臂从当前位置移动到病患位置，实现手术导航。

在一个实施例中，可以设置随机树生长处理的允许生长次数(生长次数的具体数值可根据实际需求自行设置)。若根据当前生长的树节点确定第一搜索树和第二搜索树未相连，且第一搜索树和第二搜索树的生长次数达到次数阈值，说明经过多次生长，第一搜索树和第二搜索树仍然未连接，很可能当前手术环境中不存在不会发生自碰撞的手术导航路径，则可停止对第一搜索树和第二搜索树的随机树生长处理，发出导航失败提示。

在一个实施例中，确定第一搜索树和第二搜索树相连之后，还可对根据第一搜索树和第二搜索树的所有树节点确定的手术导航路径进行路径优化。具体的，将起点或者终点作为第一优化点，依次将所有树节点中除了第一优化点之外的其他树节点作为第二优化点，确定机械臂由第二优化点径直移动至第一优化点是否满足移动规则；在确定满足移动规则的情况下，舍弃第一优化点与第二优化点之间的所有树节点，根据剩余的树节点确定手术导航路径；在确定不满足移动规则的情况下，将下一个其他树节点作为第二优化点，确定其是否满足移动规则。

其中，移动规则包括以下至少之一：未发生自碰撞、未与障碍物碰撞、未发生关节突变。

确定是否发生自碰撞，可参见步骤203的具体实现方式，此处不再赘述。

确定是否与障碍物碰撞，可以通过下述实施例中的设置安全运动范围的方式，此处不再赘述。

确定是否发生关节突变，通过判断机械臂处于第一优化点的各关节的关节角与处于第二优化点对应关节的关节角之差是否大于角度阈值；在确定关节角之差大于角度阈值的情况下，确定发生关节突变；在确定关节角之差不大于角度阈值的情况下，确定未发生关节突变。

下面以图4示出的第一搜索树和第二搜索树为例，对路径优化过程作进一步说明。

参见图4，第二搜索树生长了树节点d’，且第二搜索树的树节点d’与第一搜索树的树节点c重合，说明第一搜索树和第二搜索树相连了，则对第一搜索树和第二搜索树的所有树节点确定的手术导航路径进行路径优化，遍历图4中的所有树节点，确定可以舍弃的树节点。

以将树节点G作为第一优化点为例，首先将树节点S作为第二优化点，确定机械臂由第二优化点(树节点S)径直移动至第一优化点(树节点G)是否满足移动规则。在确定第一优化点(树节点G)与第二优化点(树节点S)满足移动规则的情况下，舍弃树节点a、树节点b、树节点c/树节点d’、树节点c’、树树节点b’和节点a’，得到的手术导航路径为树节点S→树节点G。

在确定第一优化点(树节点G)与第二优化点(树节点S)不满足移动规则的情况下，将树节点a作为第二优化点，确定机械臂由第二优化点(树节点a)径直移动至第一优化点(树节点G)是否满足移动规则。在确定第一优化点(树节点G)与第二优化点(树节点a)满足移动规则的情况下，舍弃树节点b、树节点c/树节点d’、树节点c’、树树节点b’和节点a’，得到的手术导航路径为树节点S→树节点a→树节点G。

在确定第一优化点(树节点G)与第二优化点(树节点a)不满足移动规则的情况下，将树节点b作为第二优化点，确定机械臂由第二优化点(树节点b)径直移动至第一优化点(树节点G)是否满足移动规则。在确定第一优化点(树节点G)与第二优化点(树节点b)满足移动规则的情况下，舍弃树节点c/树节点d’、树节点c’、树树节点b’和节点a’，得到的手术导航路径为树节点S→树节点a→树节点b→树节点G。

以此类推，直至遍历树节点a～树节点a’，完成一轮路径优化。在实际应用中，还可以进行多轮路径优化，也即在完成第一轮路径优化得到经过优化的手术导航路径的基础上，遍历该经过优化的手术导航路径的树节点，舍弃可以舍弃的树节点，直至手术导航路无法舍弃任何树节点，将该手术导航路径确定为最终的手术导航路径。

由此可见，手术导航路径规划的过程中，进行自碰撞检测，以规划出一条不会发生机械臂自碰撞的手术导航路径，以此驱动机械臂的关节移动，手术导航的过程中机械臂不会发生自碰撞，可以避免机械臂的损坏以及机械臂因自碰撞导致的暂停运动。且手术导航路径是在关节空间中规划得到的，对于手术机械臂起点和终点有变化的情况，规划结果中的路径点即含有位置和姿态的变化，规划结果无需再次映射到关节空间，可以提高手术导航路径的规划实时性、效率。采用双向的树节点生长，可以进一步提高手术导航路径的规划实时性、效率。

图5是本发明一示例性实施例示出的另一种手术导航方法的流程图，本发明实施例中，在给定的安全运动范围内对第一搜索树和第二搜索树进行随机树生长处理，以避免机械臂与障碍物发生碰撞。参见图5，该方法包括以下步骤；

步骤501、确定关节空间中机械臂的手术导航路径的起点和终点。

步骤502、分别以起点和终点为根节点建立第一搜索树和第二搜索树，并在目标采用空间中对第一搜索树和第二搜索树进行随机树生长处理。

其中，目标采用空间根据安全运动范围确定。

手术现场环境一般较复杂，除了机械臂外，还有其他的手术器械，为了避免机械臂与其他手术器械发生碰撞，需要确定一个安全运动范围，使得手术导航路径是在不存在障碍物的安全范围内规划得到的，确保机械臂从当前位置移动至病患位置不仅不会发生自碰撞，同时不会与障碍物发生碰撞。

在一个实施例中，安全运动范围是医护人员设定的，该方式保持了手术过程中安全性的同时也增强了算法的适用性。在手术之前可以提供用户界面，供用户输入确定安全运动范围的相关参数，以圆柱体表征安全运动范围为例，相关参数可以是圆柱体的半径，医护人员可以根据手术环境提供圆柱体的半径，手术导航装置将该半径作为圆柱体的半径，将起点至终点的连线作为圆柱体的轴线，确定圆柱体的安全运动范围，以根据该安全运动范围在关节空间中确定目标采用空间，并在目标采用空间中对第一搜索树和第二搜索树进行随机树生长处理。

在一个实施例中，安全运动范围根据机械臂上的障碍物检测传感器获取的检测数据而确定，该方式可实时获取可预测的安全运动范围，满足在复杂可变的手术环境中规划手术导航路径的要求。手术导航装置根据障碍物检测传感器获取的检测数据确定各个障碍物与机械臂之间的距离，在没有障碍物的范围内确定一个安全运动范围，进而根据安全运动范围确定目标采用空间。

在目标采用空间中对第一搜索树进行随机树生长处理的过程中，先随机选取一个扩展点，确定该扩展点是否在目标采用空间内。与安全运动范围相对应的，目标采用空间也是一个圆柱体，通过判断扩展点与圆柱体的轴线之间的距离是否小于圆柱体的半径即可确定扩展点是否在目标采用空间内，也即对第一搜索树的随机树生长处理是否在目标采用空间中进行。若扩展点与圆柱体的轴线之间的距离小于圆柱体的半径，确定扩展点在目标采用空间内，将扩展点确定为第一搜索树的初始树节点，步骤503中以该扩展点进行自碰撞检测。若扩展点与圆柱体的轴线之间的距离不小于圆柱体的半径，确定扩展点不在目标采用空间内，机械臂运动至该扩展点可能会与障碍发生碰撞，则将该扩展点舍弃，重新确定一个扩展点。

在目标采用空间中对第二搜索树进行随机树生长处理的过程与第一搜索树类似，此处不再赘述。

步骤503、在随机树生长处理的过程中，根据自碰撞模型进行机械臂的自碰撞检测。

步骤504、根据检测结果确定机械臂的手术导航路径。

其中，步骤501、步骤503和步骤504的具体实现过程与步骤201、步骤203和步骤204类似，此处不再赘述。

在一个实施例中，可以设置随机树生长处理的允许生长次数(生长次数的具体数值可根据实际需求自行设置)。若根据当前生长的树节点确定第一搜索树和第二搜索树未相连，且第一搜索树和第二搜索树的生长次数达到次数阈值，说明经过多次生长，第一搜索树和第二搜索树仍然未连接，在该目标采用空间中不存在机械臂不发生自碰撞的手术导航路径，则可停止对第一搜索树和第二搜索树的随机树生长处理，发出导航失败提示，或者重新确定安全运动范围，并根据重新确定的安全运动范围对应的目标采样空间内对第一搜索树和第二搜索树进行随机树生长处理。

在一个实施例中，确定第一搜索树和第二搜索树相连之后，还可对根据第一搜索树和第二搜索树的所有树节点确定的手术导航路径进行路径优化。具体的，将起点或者终点作为第一优化点，依次将所有树节点中除了起点之外的其他树节点作为第二优化点，确定机械臂由第二优化点径直移动至第一优化点是否满足移动规则，在确定满足移动规则的情况下，舍弃第一优化点与第二优化点之间的所有树节点；根据剩余的树节点确定手术导航路径。

图6是本发明一示例性实施例示出的另一种手术导航方法的流程图，与上述实施例不同的是，本发明实施中，先检测自碰撞，再进行安全范围检测，参见图6，该方法包括以下步骤；

步骤601、确定关节空间中机械臂的手术导航路径的起点和终点。

步骤602、分别以起点和终点为根节点建立第一搜索树和第二搜索树，并在关节空间中对第一搜索树和第二搜索树进行随机树生长处理。

步骤603、在随机树生长处理的过程中，针对每个扩展点，根据自碰撞模型进行机械臂的自碰撞检测。

若自碰撞检测的检测结果为未发生自碰撞，则执行步骤604。

若自碰撞检测的检测结果为发生自碰撞，则返回步骤602，对第一搜索树、第二搜索树进行随机树生长处理，重新生成一个扩展点。

步骤604、检测扩展点是否在目标采用空间内。

若自碰撞检测的检测结果为扩展点在目标采用空间内，则执行步骤605。

若自碰撞检测的检测结果为扩展点未在目标采用空间内，则返回步骤602，重新生成一个扩展点。

步骤605、确定第一搜索树与第二搜索树是否相连。

若确定第一搜索树与第二搜索树相连，则执行步骤606。

若确定第一搜索树与第二搜索树未相连，则返回步骤602，重新生成一个扩展点。

在另一个实施例中，若确定第一搜索树和第二搜索树未相连，进一步确定第一搜索树和第二搜索树的生长次数是否达到次数阈值，若到达次数阈值，则可停止对第一搜索树和第二搜索树的随机树生长处理，发出导航失败提示，或者重新确定安全运动范围；若未到达次数阈值，则返回步骤603。

步骤606、根据第一搜索树和第二搜索树的所有树节点确定手术导航路径。

在一个实施例中，确定第一搜索树和第二搜索树相连之后，还可对根据第一搜索树和第二搜索树的所有树节点确定的手术导航路径进行路径优化。具体的，将起点或者终点作为第一优化点，依次将所有树节点中除了起点之外的其他树节点作为第二优化点，确定机械臂由第二优化点径直移动至第一优化点是否满足移动规则，在确定满足移动规则的情况下，舍弃第一优化点与第二优化点之间的所有树节点；根据剩余的树节点确定手术导航路径。

与前述手术导航方法实施例相对应，本发明还提供了手术导航装置的实施例。

图7是本发明一示例性实施例示出的一种手术导航装置的模块示意图,所述装置包括；

第一确定模块71，用于确定关节空间中机械臂的手术导航路径的起点和终点；

处理模块72，用于分别以所述起点和所述终点为根节点建立第一搜索树和第二搜索树，并在所述关节空间中对所述第一搜索树和所述第二搜索树进行随机树生长处理；

检测模块73，用于在所述随机树生长处理的过程中，根据自碰撞模型进行所述机械臂的自碰撞检测，所述自碰撞模型根据所述机械臂的包络数据建立；

第二确定模块74，用于根据检测结果确定所述机械臂的手术导航路径。

可选地，还包括：

第三确定模块，用于确定所述机械臂的安全运动范围，并根据所述安全运动范围确定所述关节空间中的目标采用空间；

所述处理模块，具体用于在所述目标采用空间中对所述第一搜索树和所述第二搜索树进行随机树生长处理。

可选地，在所述目标采用空间中对所述第一搜索树进行随机树生长处理时，所述处理模块用于：

随机选取一个第一扩展点，并在确定所述第一扩展点在所述目标采用空间内的情况下，将所述第一扩展点确定为所述第一搜索树的初始树节点；

在所述目标采用空间中对所述第二搜索树进行随机树生长处理时，所述处理模块用于：

随机选取一个第二扩展点，并在确定所述第二扩展点在所述目标采用空间内的情况下，将所述第二扩展点确定为所述第二搜索树的初始树节点。

可选地，所述机械臂包括多根连杆；

所述检测模块用于：

模拟所述机械臂位于所述初始树节点时各根连杆的圆柱包络；

判断所述各根连杆的圆柱包络的轴线之间的距离是否在预设范围内；

若存在两个圆柱包络的轴线之间的距离在预设范围内，所述检测结果为发生自碰撞；

若任意两个圆柱包络的轴线之间的距离均未在预设范围内，所述检测结果为未发生自碰撞。

可选地，所述第二确定模块用于：

在检测结果为未发生自碰撞的情况下，根据当前生长的树节点确定所述第一搜索树和第二搜索树是否相连；

在确定所述第一搜索树和第二搜索树相连的情况下，根据所述第一搜索树和所述第二搜索树的所有树节点确定所述手术导航路径。

可选地，所述第二确定模块用于：

在确定所述第一搜索树和第二搜索树未相连的情况下，判断随机树生长处理的生长次数是否达到次数阈值；

在确定所述生长次数达到所述次数阈值的情况下，发出导航失败提示，或者重新确定安全运动范围，并在重新确定的安全运动范围对应的目标采样空间内对所述第一搜索树和所述第二搜索树进行随机树生长处理。

可选地，所述第二确定模块还用于：

将所述起点或者终点作为第一优化点，依次将所述所有树节点中除了所述第一优化点之外的其他树节点作为第二优化点；

确定所述机械臂由所述第二优化点径直移动至所述第一优化点是否满足移动规则；其中，所述移动规则包括以下至少之一：未发生自碰撞、未与障碍物碰撞、未发生关节突变；

在确定满足所述移动规则的情况下，舍弃所述第一优化点与所述第二优化点之间的所有树节点；

根据剩余的树节点确定所述手术导航路径。

对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

图8是本发明一示例实施例示出的一种电子设备的结构示意图，示出了适于用来实现本发明实施方式的示例性电子设备80的框图。图8显示的电子设备80仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图8所示，电子设备80可以以通用计算设备的形式表现，例如其可以为服务器设备。电子设备80的组件可以包括但不限于：上述至少一个处理器81、上述至少一个存储器82、连接不同系统组件(包括存储器82和处理器81)的总线83。

总线83包括数据总线、地址总线和控制总线。

存储器82可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器(RAM)821和/或高速缓存存储器822，还可以进一步包括只读存储器(ROM)823。

存储器82还可以包括具有一组(至少一个)程序模块824的程序工具825(或实用工具)，这样的程序模块824包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。

处理器81通过运行存储在存储器82中的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如上述任一实施例所提供的方法。

电子设备80也可以与一个或多个外部设备84(例如键盘、指向设备等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口85进行。并且，模型生成的电子设备80还可以通过网络适配器86与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器86通过总线83与模型生成的电子设备80的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合模型生成的电子设备80使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、RAID(磁盘阵列)系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了电子设备的若干单元/模块或子单元/模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元/模块的特征和功能可以在一个单元/模块中具体化。反之，上文描述的一个单元/模块的特征和功能可以进一步划分为由多个单元/模块来具体化。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，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上述任一实施例所提供的方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (16)

1.一种机械臂导航方法，其特征在于，所述方法包括；

确定关节空间中机械臂的导航路径的起点和终点；

分别以所述起点和所述终点为根节点建立第一搜索树和第二搜索树，并在所述关节空间中对所述第一搜索树和所述第二搜索树进行随机树生长处理；

在所述随机树生长处理的过程中，根据自碰撞模型进行所述机械臂的自碰撞检测，所述自碰撞模型根据所述机械臂的包络数据建立；

根据检测结果确定所述机械臂的导航路径；

其中，所述根据检测结果确定所述导航路径，包括：

在检测结果为未发生自碰撞的情况下，根据当前生长的树节点确定所述第一搜索树和第二搜索树是否相连；

在确定所述第一搜索树和第二搜索树相连的情况下，根据所述第一搜索树和所述第二搜索树的所有树节点确定所述导航路径。

2.根据权利要求1所述的机械臂导航方法，其特征在于，还包括：

确定所述机械臂的安全运动范围，并根据所述安全运动范围确定所述关节空间中的目标采用空间；

在所述关节空间中对所述第一搜索树和所述第二搜索树进行随机树生长处理，包括：

在所述目标采用空间中对所述第一搜索树和所述第二搜索树进行随机树生长处理。

3.根据权利要求2所述的机械臂导航方法，其特征在于，所述安全运动范围根据接收到的指定运动参数值确定；

或者，所述安全运动范围根据所述机械臂上的障碍物检测传感器获取的检测数据而确定。

4.根据权利要求2所述的机械臂导航方法，其特征在于，在所述目标采用空间中对所述第一搜索树进行随机树生长处理，包括：

随机选取一个第一扩展点，并在确定所述第一扩展点在所述目标采用空间内的情况下，将所述第一扩展点确定为所述第一搜索树的初始树节点；

在所述目标采用空间中对所述第二搜索树进行随机树生长处理，包括：

随机选取一个第二扩展点，并在确定所述第二扩展点在所述目标采用空间内的情况下，将所述第二扩展点确定为所述第二搜索树的初始树节点。

5.根据权利要求4所述的机械臂导航方法，其特征在于，所述机械臂包括多根连杆；

根据自碰撞模型进行所述机械臂的自碰撞检测，包括：

模拟所述机械臂位于所述初始树节点时各根连杆的圆柱包络；

判断所述各根连杆的圆柱包络的轴线之间的距离是否在预设范围内；

若存在两个圆柱包络的轴线之间的距离在预设范围内，所述检测结果为发生自碰撞；

若任意两个圆柱包络的轴线之间的距离均未在预设范围内，所述检测结果为未发生自碰撞。

6.根据权利要求5所述的机械臂导航方法，其特征在于，根据检测结果确定所述机械臂的导航路径，包括：

在所述检测结果为未发生自碰撞的情况下，将所述初始树节点确定为搜索树的树节点；

在所述检测结果为发生自碰撞的情况下，舍弃所述初始树节点。

7.根据权利要求1所述的机械臂导航方法，其特征在于，根据检测结果确定所述导航路径包括：

在确定所述第一搜索树和第二搜索树未相连的情况下，判断随机树生长处理的生长次数是否达到次数阈值；

在确定所述生长次数达到所述次数阈值的情况下，发出导航失败提示；或者重新确定安全运动范围，并在重新确定的安全运动范围对应的目标采样空间内对所述第一搜索树和所述第二搜索树进行随机树生长处理。

8.根据权利要求1所述的机械臂导航方法，其特征在于，根据所述第一搜索树和所述第二搜索树的所有树节点确定所述导航路径，包括：

将所述起点或者终点作为第一优化点，依次将所述所有树节点中除了所述第一优化点之外的其他树节点作为第二优化点；

确定所述机械臂由所述第二优化点径直移动至所述第一优化点是否满足移动规则；其中，所述移动规则包括以下至少之一：未发生自碰撞、未与障碍物碰撞、未发生关节突变；

在确定满足所述移动规则的情况下，舍弃所述第一优化点与所述第二优化点之间的所有树节点；

根据剩余的树节点确定所述导航路径。

9.一种机械臂导航装置，其特征在于，所述装置包括；

第一确定模块，用于确定关节空间中机械臂的导航路径的起点和终点；

处理模块，用于分别以所述起点和所述终点为根节点建立第一搜索树和第二搜索树，并在所述关节空间中对所述第一搜索树和所述第二搜索树进行随机树生长处理；

检测模块，用于在所述随机树生长处理的过程中，根据自碰撞模型进行所述机械臂的自碰撞检测，所述自碰撞模型根据所述机械臂的包络数据建立；

第二确定模块，用于根据检测结果确定所述机械臂的导航路径；

其中，所述第二确定模块用于：

在检测结果为未发生自碰撞的情况下，根据当前生长的树节点确定所述第一搜索树和第二搜索树是否相连；

在确定所述第一搜索树和第二搜索树相连的情况下，根据所述第一搜索树和所述第二搜索树的所有树节点确定所述导航路径。

10.根据权利要求9所述的机械臂导航装置，其特征在于，还包括：

第三确定模块，用于确定所述机械臂的安全运动范围，并根据所述安全运动范围确定所述关节空间中的目标采用空间；

所述处理模块，具体用于在所述目标采用空间中对所述第一搜索树和所述第二搜索树进行随机树生长处理。

11.根据权利要求10所述的机械臂导航装置，其特征在于，在所述目标采用空间中对所述第一搜索树进行随机树生长处理时，所述处理模块用于：

随机选取一个第一扩展点，并在确定所述第一扩展点在所述目标采用空间内的情况下，将所述第一扩展点确定为所述第一搜索树的初始树节点；

在所述目标采用空间中对所述第二搜索树进行随机树生长处理时，所述处理模块用于：

随机选取一个第二扩展点，并在确定所述第二扩展点在所述目标采用空间内的情况下，将所述第二扩展点确定为所述第二搜索树的初始树节点。

12.根据权利要求11所述的机械臂导航装置，其特征在于，所述机械臂包括多根连杆；

所述检测模块用于：

模拟所述机械臂位于所述初始树节点时各根连杆的圆柱包络；

判断所述各根连杆的圆柱包络的轴线之间的距离是否在预设范围内；

若存在两个圆柱包络的轴线之间的距离在预设范围内，所述检测结果为发生自碰撞；

若任意两个圆柱包络的轴线之间的距离均未在预设范围内，所述检测结果为未发生自碰撞。

13.根据权利要求9所述的机械臂导航装置，其特征在于，所述第二确定模块用于：

在确定所述第一搜索树和第二搜索树未相连的情况下，判断随机树生长处理的生长次数是否达到次数阈值；

在确定所述生长次数达到所述次数阈值的情况下，发出导航失败提示，或者重新确定安全运动范围，并在重新确定的安全运动范围对应的目标采样空间内对所述第一搜索树和所述第二搜索树进行随机树生长处理。

14.根据权利要求9所述的机械臂导航装置，其特征在于，所述第二确定模块还用于：

将所述起点或者终点作为第一优化点，依次将所述所有树节点中除了所述第一优化点之外的其他树节点作为第二优化点；

确定所述机械臂由所述第二优化点径直移动至所述第一优化点是否满足移动规则；其中，所述移动规则包括以下至少之一：未发生自碰撞、未与障碍物碰撞、未发生关节突变；

在确定满足所述移动规则的情况下，舍弃所述第一优化点与所述第二优化点之间的所有树节点；

根据剩余的树节点确定所述导航路径。

15.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述的机械臂导航方法。

16.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的机械臂导航方法的步骤。

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