CN113520601B - 末端工具位姿的实时修正方法、系统以及手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种末端工具位姿的实时修正方法、系统以及手术机器人，该方法包括：获取末端工具与对应主动随动区之间的初始位姿对应关系所对应的初始位姿偏移量；在检测到所述主动随动区的位姿发生变化时，获取主动随动区的对象位姿偏移量，其中，所述对象位姿偏移量为所述主动随动区的当前位姿相对于所述初始位姿对应关系中的所述主动随动区的初始对象位姿的位姿偏移量；根据所述初始位姿偏移量和所述对象位姿偏移量控制末端工具运动，使末端工具与主动随动区的位姿对应关系恢复至初始位姿对应关系。解决了手动调整末端工具位姿存在位姿调整准确性较低的问题。

Description

末端工具位姿的实时修正方法、系统以及手术机器人

技术领域

本发明实施例涉及医疗设备领域，尤其涉及一种末端工具位姿的实时修正方法、系统以及手术机器人。

背景技术

全髋节置换术的目的是用关节假体替换病变的髋关节，手术的要求是假体的安装位姿应尽量精准，比如关节假体(即髋臼杯)的安装位置、外展角、前倾角，当然，实际情况还需根据病人的生理结构而定，通常由术前规划确定。

在实际的髋关节置换术中，为了将髋臼杯精准地打入髋臼窝，在打杯过程中，需要保持髋臼杯中心轴与髋臼窝(简称髋臼窝)中心轴是重合的。但在医生执行打杯操作时，髋臼杯与髋臼窝相互作用，髋臼窝因为髋臼杯的作用而发生位姿变化，从而使其与髋臼杯的中心轴不再是重合的。因此，为了保证打杯的准确性，需要在每次执行完打杯操作后，对髋臼杯进行位姿调整，使其调整后的中心轴与髋臼窝中心轴再次重合。

因此，现有技术中，医生仅能依靠临床经验手动调整末端工具的位姿来应对髋关节的位姿变化，位姿调整效率较低，而低下的位姿调整效率延长了髋关节置换术的整个手术时间。

发明内容

本发明实施例提供了一种末端工具位姿的实时修正方法、系统以及手术机器人，解决了现有技术中，医生仅能依靠临床经验手动调整末端工具的位姿来应对髋关节位姿变化的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种末端工具位姿的实时修正方法，包括：

获取末端工具与对应主动随动区之间的初始位姿对应关系所对应的初始位姿偏移量；

检测到所述主动随动区的位姿发生变化时，获取所述主动随动区的对象位姿偏移量，其中，所述对象位姿偏移量为所述主动随动区的当前位姿相对于所述初始位姿对应关系中的所述主动随动区的初始对象位姿的位姿偏移量；

根据所述初始位姿偏移量和所述对象位姿偏移量控制所述末端工具运动，以使末端工具与所述主动随动区的位姿对应关系恢复至所述初始位姿对应关系。

第二方面，本发明实施例还提供了一种手术机器人，包括：

第一位姿获取装置，设置于目标对象上并与目标对象的主动随动区保持固定的对应关系，用于获取所述主动随动区的位姿；

第二位姿获取装置，设置于用于携带末端工具运动的机械臂上，用于获取所述末端工具的位姿；

控制器，用于获取末端工具与对应主动随动区之间的初始位姿对应关系；在检测到所述主动随动区的位姿发生变化时，获取所述主动随动区的对象位姿偏移量；根据所述初始位姿偏移量和所述对象位姿偏移量控制所述末端工具运动，以使末端工具与所述主动随动区的位姿对应关系恢复至所述初始位姿对应关系，其中，所述对象位姿偏移量为所述主动随动区的当前位姿相对于所述初始位姿对应关系中的所述主动随动区的初始对象位姿的位姿偏移量。

第三方面，本发明实施例还提供了一种末端工具位姿的实时修正系统，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时用于执行任意实施例所述的末端工具位姿的实时修正方法。

本发明实施例提供的一种末端工具位姿的实时修正方法的技术方案，相较于现有技术，获取末端工具与对应主动随动区之间的初始位姿对应关系所对应的初始位姿偏移量；在检测到主动随动区的位姿发生变化时，获取主动随动区的对象位姿偏移量；根据该初始位姿偏移量和对象位姿偏移量控制末端工具运动，使末端工具与主动随动区的位姿对应关系恢复至初始位姿对应关系；由于根据对象位姿偏移量和初始位姿对应关系所对应的初始位姿偏移量可确定末端工具的位姿调整量，根据该位姿调整量控制末端工具运动，即可使末端工具在该运动结束时完成跟随运动，届时其与主动随动区的位姿对应关系恢复至初始位姿对应关系，有助于提高末端工具位姿调整的效率和准确性，从而提高关节置换术的效率和成功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明一个实施例提供的一种末端工具位姿的实时修正方法的流程图；

图2是本发明一个实施例提供的手术机器人的示意图；

图3是本发明一个实施例提供的主动随动区的示意图；

图4是本发明一个实施例提供的机械臂与末端工具的关系示意图；

图5是本发明另一个实施例提供的手术机器人的结构框图；

图6是本发明另一个实施例提供的手术机器人的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明一个实施例提供的一种末端工具位姿的实时修正方法的流程图。本实施例的技术方案适用于控制手术机器人根据髋关节的位姿变化实时修正末端的位姿，从而将末端工具与髋臼窝之间的位姿对应关系恢复至初始位姿对应关系的情况。该方法可以由本发明实施例提供的手术机器人的控制器来执行，该控制器可以采用软件和/或硬件的方式实现。

如图2所示，为本发明一个实施例提供的手术机器人的示意图，该手术机器人包括设置于目标对象01髋关节的第一光学阵列11、设置在用于带动末端工具4运动的机械臂2的第二光学阵列12、设置在用于固定机械臂2的基座3的第三光学阵列13，以及连接该第一光学阵列11、第二光学阵列12和第三光学阵列13的控制器。机械臂2的末端用于安装末端工具，机械臂2可在控制器的控制下携带末端工具运动。控制器可设置在机器人主体结构内部，也可以为独立于机器人主体结构的处理器，例如，在机器人主体结构外单独设置的处理器、服务器或者计算机设备。

该方法具体包括如下步骤：

S101、获取末端工具与对应主动随动区之间的初始位姿对应关系所对应的初始位姿偏移量。

其中，主动随动区的范围可由用户根据具体情况和/或个人习惯预先进行设置，比如，主动随动区02可以仅包括图3中的锥形虚拟区域021；也可以同时包括图3中的锥形虚拟区域021及其上方预设范围内的圆柱形区域022，此时图3中的虚线上方的圆柱形区域022可以对应于手术对象的皮肤部分。主动随动区的姿态随着相应的目标手术区域的位姿变化而变化。本实施例以目标手术区域是髋关节为例进行技术方案的说明。在目标手术区域为髋关节时，图3中的锥形虚拟区域的顶点与髋臼窝023的中心重合。另外，主动随动区也可以对应其他的目标手术区域，只要其需要与末端工具保持固定的位姿对应关系即可。

其中，末端工具是与目标手术区域对应的手术工具。如果目标手术区域为髋关节，那么末端工具为髋臼杯或髋臼锉。

其中，初始位姿对应关系为本发明实施例需要保持的末端工具与对应主动随动区之间的位姿对应关系，比如二者中心轴重合。

本实施例中，如果末端工具为髋臼杯，那么处于初始位姿对应关系的末端工具的中心轴优选与主动随动区的中心轴重合；如果末端工具为髋臼锉，处于初始位姿对应关系的末端工具的中心轴可与主动随动区的中心轴重合，也可根据实际需要自行设置。

其中，在末端工具为髋臼杯时，初始位姿对应关系的确定方法，包括：控制器在检测到主动随动区的中心轴与末端工具的中心轴重合时生成记录信号，并根据该记录信号记录主动随动区的位姿与末端工具的位姿；在检测到位姿跟随信号时，将最新记录的主动随动区的位姿和末端工具的位姿之间的对应关系，作为末端工具与对应主动随动区之间的初始对应关系。

其中，在末端工具为髋臼锉时，初始位姿对应关系的确定方法，包括：在检测到记录信号时，记录主动随动区的位姿与末端工具的位姿，其中，记录信号由用户输入；在检测到位姿跟随信号时，将最新记录的主动随动区的位姿和末端工具的位姿之间的对应关系，作为末端工具与对应主动随动区之间的初始对应关系。可以理解的是，用户可以在不同时刻输入至少两个记录信号直至得到期望的位姿对应关系，然后输入位姿跟随信号，控制器根据该位姿跟随信号将最后一个记录信号对应的位姿对应关系，即用户期望的位姿对应关系作为初始位姿对应关系。当然，用户也可以在不同时刻输入至少两个记录信号之后，将其中一个记录信号对应的位姿对应关系标记为期望的位姿对应关系，然后输入位姿跟随信号，控制器根据该位姿跟随信号将该期望的位姿对应关系作为初始位姿对应关系。

示例性的，在髋关节置换手术的打杯操作之前，通常需要将髋臼杯(末端工具)移动至主动随动区的预设打杯处，髋臼杯在该预设打杯处时，其中心轴与主动随动区的中心轴重合，髋臼杯在达到该预设打杯处时，其中心轴与主动随动区也有可能重合过。控制器在髋臼杯移动至预设打杯处的过程中实时检测髋臼杯与髋臼窝之间的位姿对应关系，在检测到髋臼杯中心轴与髋臼窝中心轴重合时生成记录信号，并根据该记录信号自动记录主动随动区的位姿与末端工具的位姿，以及在检测到医生通过脚踏板输入的位姿跟随信号时，将最新记录的主动随动区的位姿和末端工具的位姿分别作为初始对象位姿和初始工具位姿，以及将该初始对象位姿与初始工具位姿之间的对应关系作为初始位姿对应关系。

示例性的，在髋关节置换手术的打杯操作之前，需要先使用髋臼锉(末端工具)对髋臼窝进行磨骨操作，在使用髋臼锉对髋臼窝进行磨骨操作之前，需要将髋臼锉拖动至主动随动区02内，比如图3中的圆柱形区域022；然后调整髋臼锉的位姿以使髋臼锉与髋臼窝的位姿对应关系为期望的位姿对应关系，然后做髋臼窝磨骨的准备工作，比如，准备手术器械等。为了防止因患者髋关节位姿在该准备工作期间发生变化，从而导致髋臼锉与髋臼窝之间的位姿对应关系发生变化，用户输入记录信号，控制器在检测到该记录信号时，根据该记录信号获取髋臼锉和髋臼窝的位姿，并将髋臼锉的位姿作为初始工具位姿，将髋臼窝的位姿作为初始对象位姿，以及将该初始工具位姿和初始对应位姿之间的对应关系作为初始位姿对应关系。其中，用户通过踩踏机器人的脚踏板输入记录信号。

其中，主动随动区02的初始对象位姿通过设置于目标对象(患者髋部)的第一位姿获取装置获取，比如第一光学阵列11，末端工具4的初始工具位姿通过设置在用于带动末端工具4运动的机械臂2上的第二位姿获取装置获取，比如第二光学阵列12。可以理解的是，第一光学阵列11与主动随动区02保持固定的位姿对应关系，第二光学阵列12与机械臂2保持固定的位姿对应关系。

在获取到初始位姿对应关系的初始对象位姿与初始工具位姿之后，根据以下公式确定初始位姿偏移量：

^objectT_tool＝Inverse(^sT_{maker1_static})×^sT_{maker2_static}

其中，Inverse(^sT_{maker1_static})为^sT_{makerl_static}的逆矩阵，^sT_{maker1_static}为主动随动区的初始对象位姿，^sT_{maker2_static}为末端工具的初始工具位姿，^objectT_tool为初始位姿偏移量，可以理解的是，该初始位姿偏移量为初始工具位姿相对于初始对象位姿的位姿偏移量。在实际使用时，也可以将初始对象位姿相对于初始工具位姿的位姿偏移量作为初始位姿偏移量。

S102、在检测到主动随动区的位姿发生变化时，获取主动随动区的对象位姿偏移量，其中，对象位姿偏移量为主动随动区的当前位姿相对于初始位姿对应关系中的主动随动区的初始对象位姿的位姿偏移量。

控制器在检测到位姿跟随信号，同时检测到主动随动区的当前位姿相较于初始对象位姿发生变化时，通过第一光学阵列11获取主动随动区02的当前位姿。本实施例中，末端工具的位姿修正频率大于或等于250次/s，相应的，第一光学阵列获取主动随动区的当前位姿的频率也大于或等于250次/s。

通过以下公式确定主动随动区的当前位姿相对于其初始对象位姿的对象位姿偏移量：

^{maker1_static}T_{maker1_dynamic}＝Inverse(^sT_{maker1_static})×^sT_{maker1_dynamic}

其中，Inverse(^sT_{maker1_static})为^sT_{maker1_static}的逆矩阵；^sT_{maker1_static}为主动随动区的初始对象位姿，^sT_{maker1_dynamic}为主动随动区的当前位姿，^{maker1_static}T_{maker1_dynamic}为对象位姿偏移量。

S103、根据初始位姿偏移量和对象位姿偏移量控制末端工具运动，使末端工具与主动随动区的位姿对应关系恢复至初始位姿对应关系。

在确定了初始位姿对应关系对应的初始位姿偏移量以及主动随动区的当前位姿相对于其初始对象位姿的对象位姿偏移量时，根据该初始位姿偏移量和对象位姿偏移量确定将末端工具调整至目标位姿所需的位姿调整量。其中，目标位姿为末端工具完成当前次的位姿跟随操作时的位姿。

其中，位姿调整量的计算公式如下：

^tool_staticT_{tool_dynamic}＝Inverse(^objectT_tool)×^{maker1_static}T_{maker1_dynamic}×^objectT_tool

其中，Inverse(^objectT_tool)为^objectT_tool的逆矩阵，^tool_staticT_{tool_dynamic}为末端工具的位姿调整量。

可以理解的是，位姿调整量对应的是末端工具的运动量，而末端工具的运动是在机械臂带动的，因此控制器是通过控制机械臂的运动来带动末端工具的运动。为此，本实施例根据末端工具对应的坐标系与基准坐标系之间的转换关系，将该位姿调整量转换至基准坐标系，从而确定用于携带末端工具的机械臂在基准坐标系中的位姿改变量，以及根据该位姿改变量控制机械臂带动末端工具运动，以使机械臂在完成该位姿改变量的运动时，末端工具完成位姿调整量的运动，同时末端工具与主动随动区的位姿对应关系恢复至初始位姿对应关系。

其中，基准坐标系对应于第三光学阵列13；该第三光学阵列设置在用于连接机械臂2的基座3上。

其中，末端工具对应的坐标系即为第二光学阵列对应的坐标系，该坐标系与基准坐标系之间的转换关系可由机械臂的各个关节位置的正运动学推算出来。

其中，机械臂在基准坐标系统中的位姿改变量的计算公式如下：

^BT_{tool_dynamic}＝^BT_{Tool_static}×^Tool_staticT_{tool_dynamic}

其中，^BT_{Tool_static}为末端工具与主动随动区处于初始位姿对应关系时，末端工具对应的坐标系与基准坐标系之间的转换矩阵，^BT_{tool_dynamic}为机械臂在基准坐标系中的位姿改变量。该^BT_{tool_dynamic}实际上包括^BT_tool和^toolT_marker2，前者为机械臂的实际控制量，后者用于限定机械臂与末端工具之间的运动对应关系。由于机械臂带动末端工具的运动方式有多种，因此需要通过该运动对应关系唯一地限定机械臂带动末端工具的运动方式，从而通过确定机械臂的运动来唯一地确定末端工具的运动，实现通过机械臂带动末端工具进行任意所需的位姿调整。需要说明的是，该运动对应关系需提前进行标定，相应的，基座与机械臂之间的运动对应关系也需提前进行标定。

在一些实施例中，控制器在检测到末端工具完成位姿调整量的运动时，输出位姿跟随完成信号。该位姿跟随完成信号可以通过设置于机械臂上的闪烁灯输出，也可以通过与控制器相连的显示装置输出，本实施例不对位姿完成信号的具体形式进行限定。

在一些实施例中，控制器在检测到跟随停止信号时，停止检测并获取主动随动区的当前位姿，此时主动随动区变为自由区，末端工具与主动随动区的位姿对应关系可以是任意的位姿对应关系。

示例性工作过程：参见图4、图5和图6，在髋关节置换术的打杯操作之前，需要将末端工具(髋臼杯)移动至预设打杯处并对其执行位姿锁定操作，此时位于该预设打杯处的髋臼杯的中心轴与主动随动区(或者髋臼窝)中心轴重合。控制器在检测到髋臼杯中心轴与主动随动区中心轴重合时，通过第二光学阵列12自动记录末端工具的位姿以及通过第一光学阵列11自动记录主动随动区的位姿，并将记录的末端工具的位姿与主动随动区的位姿之间的位姿对应关系作为初始位姿对应关系。医生通过敲击图3中连杆41上方的髋臼杯敲击柄42对髋臼杯执行打杯操作，髋臼杯在被打击之后与髋臼窝发生碰撞，从而导致髋臼窝的位姿发生改变。由于髋臼窝位姿的改变，使得末端工具与主动随动区之间位姿关系不再是初始位姿对应关系，如果此时继续执行打杯操作，容易出现手术失败的情况。此时，医生可通过脚踏板的预设踩踏方式输入位姿跟随信号，控制器在检测到位姿跟随信号时，执行上述S101-S103，从而在髋臼窝位姿发生变化时，及时调整末端工具的位姿，并在末端工具的位姿调整完成之后自动执行位姿锁定操作，以及输出用于表示位姿跟随完成的提示信号。可以理解的是，调整后的末端工具的中心轴与髋臼窝的中心轴重合，医生根据该提示信号再次执行打杯操作。可以理解的是，每次打杯操作之后，髋臼杯会与髋臼窝的内壁发生碰撞，该碰撞使得髋臼杯与主动随动区(髋臼窝)之间的位姿对应关系发生变化，而控制器会在检测到位姿对应关系发生变化时执行位姿跟随操作。为了提高打杯操作的准确性，用户需在控制器执行完位姿跟随操作之后，才能进行下一次的打杯操作，直至将髋臼杯完全打入髋臼窝。可以理解的是，连杆的中心轴与末端工具4的中心轴重合，参见图4。

又一示例性工作过程：在末端工具为髋臼锉时，医生需要将末端工具拖动至图3中虚线上方的圆柱形区域022，并调整好其与主动随动区02的位姿对应关系，然后做髋臼窝磨骨的准备工作，比如准备手术器械等。为了防止由于患者髋关节位姿在医生做准备工作期间发生变化，而导致髋臼锉与髋臼窝之间的位姿对应关系发生变化，医生通过脚踏板的第一踩踏方式输入记录信号，以使控制器根据该记录信号获取末端工具的位姿与主动随动区的位姿。然后通过脚踏板的第二踩踏方式输入位姿跟随信号，控制器根据该位姿跟随信号分别将髋臼锉与髋臼窝的当前位姿作为初始工具位姿与初始对象位姿，将二者之间的位姿对应关系作为初始位姿对应关系，以及确定该初始工具位姿相对于该初始对象位姿的初始位姿偏移量。在检测到髋关节的位姿相对于其初始对象位姿发生变化时，获取髋关节的当前位姿相对于其初始对象位姿的对象位姿偏移量，并根据该初始位姿偏移量和对象位姿偏移量确定末端工具的位姿调整量，以及根据该位姿调整量控制末端工具运动，以使末端工具在该运动完成时，在显示装置上输出用于表示位姿跟随完成的提示信号，此时末端工具与髋关节之间的位姿对应关系恢复至该初始位姿对应关系。

本发明实施例提供的末端工具位姿的实时修正方法的技术方案，相较于现有技术，获取末端工具与对应主动随动区之间的初始位姿对应关系所对应的初始位姿偏移量；在检测到主动随动区的位姿发生变化时，获取主动随动区的对象位姿偏移量；根据该初始位姿偏移量和对象位姿偏移量控制末端工具运动，以使该运动结束时，末端工具与主动随动区的位姿对应关系恢复至初始位姿对应关系；由于根据对象位姿偏移量和初始位姿对应关系所对应的初始位姿偏移量可确定末端工具的位姿调整量，根据该位姿调整量控制末端工具运动，即可使末端工具在该运动结束时完成跟随运动，届时其与主动随动区的位姿对应关系恢复至初始位姿对应关系，有助于提高末端工具位姿调整的效率和准确性，从而提高关节置换术的效率和成功率。

图5是本发明另一实施例提供的手术机器人的结构框图。参见图5和图6，该手术机器人包括第一位姿获取装置11、第二位姿获取装置12以及控制器14；第一位姿获取装置11设置于目标对象01上并与目标对象01的主动随动区02保持固定的对应关系，用于获取主动随动区的位姿；第二位姿获取装置12设置于用于携带末端工具4运动的机械臂2上，用于获取末端工具4的位姿；控制器14用于获取末端工具4与对应主动随动区02之间的初始位姿对应关系所对应的初始位姿偏移量；在检测到主动随动区的位姿发生变化时获取主动随动区02的对象位姿偏移量；根据该初始位姿偏移量和对象位姿偏移量控制末端工具运动，以使末端工具与主动随动区的位姿对应关系恢复至初始位姿对应关系，其中，对象位姿偏移量为主动随动区的当前位姿相对于初始位姿对应关系中的主动随动区的初始对象位姿。

在一个实施例中，该手术机器人还包括第三位姿获取装置13，该第三位姿获取装置设置于用于固定机械臂的基座上，用于提供机械臂运动所基于的基准坐标系。且第一位姿获取装置为第一光学阵列，第二位姿获取装置为第二光学阵列，第三位姿获取装置为第三光学阵列。

其中，主动随动区的范围可由用户根据具体情况和/或个人习惯预先进行设置，比如，主动随动区02可以仅包括图3中的锥形虚拟区域021；也可以同时包括图3中的锥形虚拟区域021及其上方预设范围内的圆柱形区域022，此时图3中的虚线上方的圆柱形区域021可以对应于手术对象的皮肤部分。主动随动区的姿态随着相应目标手术区域的位姿变化而变化。本实施例以目标手术区域是髋关节为例进行技术方案的说明。需要说明的是，在目标手术区域为髋关节时，锥形虚拟区域021的顶点与髋臼窝023的中心重合。另外，主动随动区也可以对应其他的目标手术区域，只要其需要与末端工具保持固定的位姿对应关系即可。目标对象为接收相应手术的患者。

其中，末端工具是与目标手术区域对应的手术工具。如果手术区域对应髋关节，那么末端工具为髋臼杯或髋臼锉。

其中，初始位姿对应关系为本发明实施例需要保持的末端工具与对应主动随动区之间的固定位姿对应关系，比如二者中心轴重合。

本实施例中，如果末端工具为髋臼杯，那么处于初始位姿对应关系的末端工具的中心轴优选与主动随动区的中心轴重合；如果末端工具为髋臼锉，处于初始位姿对应关系的末端工具的中心轴可与主动随动区的中心轴重合，也可根据实际需要自行设置。

其中，在末端工具为髋臼杯时，初始位姿对应关系的确定方法，包括：控制器在检测到主动随动区的中心轴与末端工具的中心轴重合时生成记录信号，并根据该记录信号记录主动随动区的位姿与末端工具的位姿；在检测到位姿跟随信号时，将最新记录的主动随动区的位姿和末端工具的位姿之间的对应关系，作为末端工具与对应主动随动区之间的初始对应关系。

其中，在末端工具为髋臼锉时，初始位姿对应关系的确定方法，包括：在检测到记录信号时，记录主动随动区的位姿与末端工具的位姿，其中，记录信号由用户输入；在检测到位姿跟随信号时，将最新记录的主动随动区的位姿和末端工具的位姿之间的对应关系，作为末端工具与对应主动随动区之间的初始对应关系。可以理解的是，用户可以在不同时刻输入至少两个记录信号直至得到期望的位姿对应关系，然后输入位姿跟随信号，控制器根据该位姿跟随信号将最后一个记录信号对应的位姿对应关系，即用户期望的位姿对应关系作为初始位姿对应关系。当然，用户也可以在不同时刻输入至少两个记录信号之后，将其中一个记录信号对应的位姿对应关系标记为期望的位姿对应关系，然后输入位姿跟随信号，控制器根据该位姿跟随信号将该期望的位姿对应关系作为初始位姿对应关系。

示例性的，在髋关节置换手术的打杯操作之前，通常需要将髋臼杯(末端工具)移动至主动随动区的预设打杯处，髋臼杯在该预设打杯处时，其中心轴与主动随动区的中心轴重合，髋臼杯在达到该预设打杯处时，其中心轴与主动随动区也有可能重合过。控制器在髋臼杯移动至预设打杯处的过程中实时检测髋臼杯与髋臼窝之间的位姿对应关系，在检测到髋臼杯中心轴与髋臼窝中心轴重合时生成记录信号，并根据该记录信号自动记录主动随动区的位姿与末端工具的位姿，以及在检测到医生通过脚踏板输入的位姿跟随信号时，将最新记录的主动随动区的位姿和末端工具的位姿分别作为初始对象位姿和初始工具位姿，以及将该初始对象位姿与初始工具位姿之间的对应关系作为初始位姿对应关系。

示例性的，在髋关节置换手术的打杯操作之前，需要先使用髋臼锉(末端工具)对髋臼窝进行磨骨操作，在使用髋臼锉对髋臼窝进行磨骨操作之前，需要将髋臼锉拖动至主动随动区02内，比如图3中的圆柱形区域022，然后调整髋臼锉的位姿以使髋臼锉与髋臼窝的位姿对应关系为期望的初始位姿对应关系，然后做髋臼窝磨骨的最后准备工作，比如，准备手术器械等。为了防止因患者髋关节位姿在该准备工作期间发生变化，从而导致髋臼锉与髋臼窝之间的位姿对应关系发生变化，用户输入记录信号，控制器在检测到该记录信号时，根据该记录信号获取髋臼锉和髋臼窝的位姿，并将髋臼锉的位姿作为初始工具位姿，将髋臼窝的位姿作为初始对象位姿，以及将该初始工具位姿和初始对应位姿之间的对应关系作为初始位姿对应关系。其中，用户通过踩踏机器人的脚踏板输入记录信号。

其中，主动随动区02的初始对象位姿通过设置于目标对象(患者髋部)的第一光学阵列11获取，末端工具4的初始工具位姿通过设置在用于带动末端工具4运动的机械臂2上的第二光学阵列12获取。可以理解的是，第一光学阵列11与主动随动区02保持固定的位姿对应关系，第二光学阵列12与机械臂2保持固定的位姿对应关系。

在获取到初始位姿对应关系的初始对象位姿与初始工具位姿之后，根据以下公式确定初始位姿偏移量：

^objectT_tool＝Inverse(^sT_{maker1_static})×^sT_{maker2_static}

其中，Inverse(^sT_{maker1_static})为^sT_{maker1_static}的逆矩阵，^sT_{maker1_static}为主动随动区的初始对象位姿，^sT_{maker2_static}为末端工具的初始工具位姿，^objectT_tool为初始位姿偏移量，可以理解的是，该初始位姿偏移量为初始工具位姿相对于初始对象位姿的位姿偏移量。在实际使用时，也可以将初始对象位姿相对于初始工具位姿的位姿偏移量作为初始位姿偏移量。

控制器在检测到位姿跟随信号，同时检测到主动随动区的当前位姿相较于初始对象位姿发生变化时，通过第一光学阵列11获取主动随动区02的当前位姿。

通过以下公式确定主动随动区的当前位姿相对于其初始对象位姿的对象位姿偏移量：

^{maker1_static}T_{maker1_dynamic}＝Inverse(^sT_{maker1_static})×^sT_{maker1_dynamic}

其中，Inverse(^sT_{maker1_static})为^sT_{maker1_static}的逆矩阵，^sT_{makerl_static}为主动随动区的初始对象位姿，^sT_{maker1_dynamic}为主动随动区的当前位姿，^{makerl_static}T_{maker1_dynamic}为对象位姿偏移量。

在确定了初始位姿对应关系对应的初始位姿偏移量以及主动随动区的当前位姿相对于其初始对象位姿的对象位姿偏移量时，根据该初始位姿偏移量和对象位姿偏移量确定将末端工具调整至目标位姿所需的位姿调整量。其中，目标位姿为末端工具完成当前次的位姿跟随操作时的位姿。

其中，位姿调整量的计算公式如下：

^tool_staticT_{tool_dynamic}＝Inverse(^objectT_tool)×^{maker1_static}T_{maker1_dynamic}×^objectT_tool

其中，^tool_staticT_{tool_dynamic}为末端工具的位姿调整量。

由于根据初始位姿偏移量和对象位姿偏移量确定的末端工具的位姿调整量，为末端工具从初始工具位姿调整为目标位姿所需的运动量，因此根据该位姿调整量控制末端工具运动，即可使末端工具在完成该位姿调整量时，将其与主动随动区的位姿对应关系恢复至初始位姿对应关系。

可以理解的是，位姿调整量对应的是末端工具的运动量，而末端工具的运动是在机械臂带动的，因此控制器是通过控制机械臂的运动来带动末端工具的运动。为此，本实施例根据末端工具对应的坐标系与基准坐标系之间的转换关系，将该位姿调整量转换至基准坐标系，从而确定用于携带末端工具的机械臂在基准坐标系中的位姿改变量，以及根据该位姿改变量控制机械臂带动末端工具运动，以使机械臂在完成该位姿改变量的运动时，末端工具完成位姿调整量的运动，同时末端工具与主动随动区的位姿对应关系恢复至初始位姿对应关系。

其中，基准坐标系对应于第三光学阵列13；该第三光学阵列设置在用于连接机械臂2的基座3上。

其中，末端工具对应的坐标系即为第二光学阵列对应的坐标系，该坐标系与基准坐标系之间的转换关系可由机械臂的各个关节位置的正运动学推算出来。

其中，机械臂在基准坐标系统中的位姿改变量的计算公式如下：

^BT_{tool_dynamic}＝^BT_{Tool_static}×^Tool_staticT_{tool_dynamic}

其中，^BT_{Tool_static}为末端工具与主动随动区处于初始位姿对应关系时，末端工具对应的坐标系与基准坐标系之间的转换矩阵，^BT_{tool_dynamic}为机械臂在基准坐标系中的位姿改变量。该^BT_{tool_dynamic}实际上包括^BT_tool和^toolT_marker2，前者为机械臂的实际控制量，后者用于限定机械臂与末端工具之间的运动对应关系。由于机械臂带动末端工具的运动方式有多种，因此需要通过该运动对应关系唯一地限定机械臂带动末端工具的运动方式，从而通过确定机械臂的运动来唯一地确定末端工具的运动，实现通过机械臂带动末端工具进行任意所需的位姿调整。需要说明的是，该运动对应关系需提前进行标定，相应的，基座与机械臂之间的运动对应关系也需提前进行标定。

在一些实施例中，控制器在检测到末端工具完成位姿调整量的运动时，输出位姿跟随完成信号。该位姿跟随完成信号可以通过设置于机械臂上的闪烁灯输出，也可以通过与控制器相连的显示装置6输出，本实施例不对位姿完成信号的具体形式进行限定。

在一些实施例中，控制器在检测到跟随停止信号时，停止检测并获取主动随动区的当前位姿，此时主动随动区变为自由区，末端工具与主动随动区的位姿对应关系可以是任意的位姿对应关系。

在一些实施例中，参见图4、图5和图6，机械臂2通过连杆41带动髋臼杯或髋臼锉运动，连杆41一端安装有髋臼杯或髋臼锉。在末端工具为髋臼杯时，连杆41的另一端设置有臼杯敲击柄42。医生通过该臼杯敲击柄42对髋臼杯执行打杯操作。由图5还可看出，髋臼杯的中心轴与连杆41中心轴重合。

在一些实施例中，参见图6所示，该手术机器人还包括光学相机5，该光学相机5用于检测第一光学阵列11与第二光学阵列12的位置，从而间接检测髋臼窝与髋臼杯的位姿。

在一些实施例中，该手术机器人还包括显示装置6，该显示装置6至少用于显示末端工具与主动随动区之间的当前位姿对应关系，优选地，该显示装置还用于输出当前位姿对应关系与初始位姿对应关系之间的变化信息。比如，相对于初始位姿对应关系，末端工具的当前位姿偏离信息，即末端工具的位姿调整量。优选地，该显示装置6还用于输出位姿调整完成信号。

本发明实施例提供的手术机器人的技术方案，相较于现有技术，控制器获取末端工具与对应主动随动区之间的初始位姿对应关系所对应的初始位姿偏移量；在检测到主动随动区的位姿发生变化时，获取主动随动区的对象位姿偏移量；根据该初始位姿偏移量和对象位姿偏移量控制末端工具运动，以使该运动结束时，末端工具与主动随动区的位姿对应关系恢复至初始位姿对应关系；由于根据对象位姿偏移量和初始位姿对应关系所对应的初始位姿偏移量可确定末端工具的位姿调整量，因此根据该位姿调整量控制末端工具运动，即可使末端工具在该运动结束时完成跟随运动，届时其与主动随动区的位姿对应关系恢复至初始位姿对应关系，有助于提高末端工具位姿调整的效率和准确性，从而提高关节置换术的效率和成功率。

本发明实施例所提供的手术机器人的控制器可执行本发明任意实施例所提供的末端工具位姿的实时修正方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

本发明实施例还提供了一种自动调整髋臼杯位姿的系统，该系统包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时用于执行末端工具位姿的实时修正方法，该方法包括：

获取末端工具与对应主动随动区之间的初始位姿对应关系所对应的初始位姿偏移量；

在检测到所述主动随动区的位姿发生变化时，获取所述主动随动区的对象位姿偏移量，其中，所述对象位姿偏移量为所述主动随动区的当前位姿相对于所述初始位姿对应关系中的所述主动随动区的初始对象位姿的位姿偏移量；

根据所述初始位姿偏移量和所述对象位姿偏移量控制所述末端工具运动，使所述末端工具与所述主动随动区的位姿对应关系恢复至所述初始位姿对应关系。

当然，本发明实施例所提供的自动调整髋臼杯位姿的系统，其计算机程序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一种末端工具位姿的实时修正方法中的相关操作。

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。基于这样的理解，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，简称ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，简称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一种末端工具位姿的实时修正方法。

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 (7)

1.一种手术机器人，其特征在于，包括：

第一姿态获取装置，设置于目标对象上并与目标对象的主动随动区保持固定的对应关系，用于获取所述主动随动区的位姿；

第二姿态获取装置，设置于用于携带末端工具运动的机械臂上，用于获取所述末端工具的位姿；

控制器，用于：

确定末端工具与主动随动区之间的位姿关系，包括：针对髋臼杯，在检测到主动随动区的中心轴与所述末端工具的中心轴重合时生成记录信号，并根据该记录信号记录主动随动区的位姿与末端工具的位姿；在检测到位姿跟随信号时，将最新记录的所述主动随动区的位姿和所述末端工具的位姿之间的对应关系，作为所述末端工具与对应主动随动区之间的初始对应关系；针对髋臼挫，在检测到记录信号时，记录主动随动区的位姿与末端工具的位姿，所述记录信号由用户输入；在检测到位姿跟随信号时，将最新记录的所述主动随动区的位姿和所述末端工具的位姿之间的对应关系，作为所述末端工具与对应主动随动区之间的初始对应关系；

获取末端工具与对应主动随动区之间的初始位姿对应关系所对应的初始位姿偏移量；在检测到所述主动随动区的位姿发生变化时，获取所述主动随动区的对象位姿偏移量；

根据所述初始位姿偏移量和所述对象位姿偏移量控制所述末端工具运动，使所述末端工具与所述主动随动区的位姿对应关系恢复至所述初始位姿对应关系。

2.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述控制器用于根据所述初始位姿偏移量和所述对象位姿偏移量确定所述末端工具的位姿调整量，并根据所述位姿调整量控制所述末端工具运动。

3.根据权利要求1或2所述的手术机器人，其特征在于，还包括：

显示装置，所述显示装置至少用于显示所述末端工具与所述主动随动区之间的当前位姿对应关系。

4.一种末端工具位姿的实时修正系统，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时用于执行以下方法：

确定末端工具与主动随动区之间的位姿关系，包括：针对末端工具为髋臼杯，在检测到主动随动区的中心轴与所述末端工具的中心轴重合时生成记录信号，并根据该记录信号记录主动随动区的位姿与末端工具的位姿；在检测到位姿跟随信号时，将最新记录的所述主动随动区的位姿和所述末端工具的位姿之间的对应关系，作为所述末端工具与对应主动随动区之间的初始对应关系；针对末端工具为髋臼锉，在检测到记录信号时，记录主动随动区的位姿与末端工具的位姿，其中，所述记录信号由用户输入；在检测到位姿跟随信号时，将最新记录的所述主动随动区的位姿和所述末端工具的位姿之间的对应关系，作为所述末端工具与对应主动随动区之间的初始对应关系；

获取末端工具与对应主动随动区之间的初始位姿对应关系所对应的初始位姿偏移量；

检测到所述主动随动区的位姿发生变化时，获取所述主动随动区的对象位姿偏移量，其中，所述对象位姿偏移量为所述主动随动区的当前位姿相对于所述初始位姿对应关系中的所述主动随动区的初始对象位姿的位姿偏移量；

根据所述初始位姿偏移量和所述对象位姿偏移量控制所述末端工具运动，使所述末端工具与所述主动随动区的位姿对应关系恢复至所述初始位姿对应关系。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，在所述末端工具为髋臼杯时，且所述末端工具与所述主动随动区的位姿对应关系为初始位姿对应关系时，所述末端工具的中心轴与所述主动随动区的中心轴重合。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述根据所述初始位姿偏移量和所述对象位姿偏移量控制所述末端工具运动，包括：

根据所述初始位姿偏移量和所述对象位姿偏移量确定所述末端工具的位姿调整量，根据所述位姿调整量控制所述末端工具运动。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：

在检测到所述末端工具根据所述位姿调整量完成调整时，输出位姿跟随完成信号。

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