CN113768627A - 视觉导航仪感受野获取方法、设备、手术机器人 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种视觉导航仪感受野获取方法、设备、手术机器人，其中，该视觉导航仪感受野获取方法包括：获取手术机器人中导航仪的第一感受野；获取空间范围约束条件，根据空间范围约束条件对第一感受野进行约束，得到导航仪的第二感受野。通过本申请，解决了相关技术中在手术前对手术机器人进行空间注册，容易导致手术中机械臂末端的传感器超出导航仪的感受野的问题，实现了手术机器人机械臂末端器械保持在导航仪视野内，提高注册效率。

Description

视觉导航仪感受野获取方法、设备、手术机器人

技术领域

本申请涉及医疗器械技术领域，特别是涉及视觉导航仪感受野获取方法、设备、手术机器人。

背景技术

在手术过程中，通常会用到手术机器人以辅助手术完成，那么在进行手术之前，需要先对手术机器人进行空间注册。其中，对手术机器人进行空间注册的目的是为了得到手术器械、手术机器人、患者、导航仪器等多空间的坐标换算关系，该坐标换算关系是手术机器人正常工作的前提。

在相关技术中，手术机器人的空间注册方法为：在正式手术之前，通过控制手术机器人的机械臂在导航仪的感受野内按照指定的注册轨迹进行运动来实现空间注册。然而，在手术过程中，导航仪的感受野需要进行相应地调整，随之导航仪与机械臂基座的相对位置关系会发生改变。如果在二者关系改变后，不对机械臂的注册轨迹进行对应调整，则有机械臂末端的传感器可能会超出导航仪的感受野范围，导致手术机器人空间注册失败，影响手术进程。

目前针对相关技术中在手术前对手术机器人进行空间注册，容易导致手术中机械臂末端的传感器超出导航仪的感受野的问题，尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请实施例提供了一种视觉导航仪感受野获取方法、设备、手术机器人、手术机器人的空间注册位姿计算方法、电子装置和存储介质，以至少解决相关技术中在手术前对手术机器人进行空间注册，容易导致手术中机械臂末端的传感器超出导航仪的感受野的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种视觉导航仪感受野获取方法，包括：

获取手术机器人中导航仪的第一感受野；

获取空间范围约束条件，根据所述空间范围约束条件对所述第一感受野进行约束，得到所述导航仪的第二感受野。

在其中一些实施例中，所述空间范围约束条件包括机械臂约束条件、患者约束条件以及导航仪视野约束条件中的至少一种。

在其中一些实施例中，所述获取空间范围约束条件，根据所述空间范围约束条件对所述第一感受野进行约束，得到所述导航仪的第二感受野包括：

建立用于描述所述第二感受野的空间范围的目标函数；

通过最优化计算方法，根据所述空间范围约束条件对所述目标函数进行约束计算；

根据约束计算后的目标函数确定所述第二感受野。

在其中一些实施例中，在得到所述导航仪的第二感受野之后，所述方法包括：

根据所述第二感受野调整所述导航仪的摆位，使得所述手术机器人的机械臂末端器械位于所述第二感受野内。

第二方面，本申请实施例提供了一种手术机器人的空间注册位姿计算方法，包括：

获取手术机器人中导航仪的第一感受野；

获取空间范围约束条件，根据所述空间范围约束条件对所述第一感受野进行约束，得到所述导航仪的第二感受野；

结合所述第二感受野，以及所述手术机器人的机械臂末端器械的位姿，确定所述手术机器人的空间注册位姿。

在其中一些实施例中，所述结合所述第二感受野，以及所述手术机器人的机械臂末端器械的位姿，确定所述手术机器人的空间注册位姿包括：

获取所述手术机器人的机械臂末端器械的多个位置坐标和旋转姿态，多个所述旋转姿态构成所述机械臂末端器械的目标方向集；

根据多个所述位置坐标和所述目标方向集中的多个旋转姿态，确定所述手术机器人的空间注册位姿，其中，所述位置坐标和所述旋转姿态对应。

在其中一些实施例中，所述获取所述手术机器人的机械臂末端器械的多个位置坐标和旋转姿态，多个所述旋转姿态构成所述机械臂末端器械的目标方向集包括：

获取所述机械臂末端器械的初始方向集，所述初始方向集包括多个初始旋转姿态；

将所述初始方向集中的多个初始旋转姿态均向同一方向进行偏转，得到所述机械臂末端器械的目标方向集。

在其中一些实施例中，所述获取所述机械臂末端器械的初始方向集包括：

获取所述导航仪识别的机械臂末端器械的最大姿态范围；

在所述最大姿态范围下，根据所述机械臂末端器械的姿态数量和/或姿态离散度确定所述机械臂末端器械的初始方向集。

在其中一些实施例中，在所述获取空间范围约束条件，根据所述空间范围约束条件对所述第一感受野进行约束，得到所述导航仪的第二感受野之前，所述方法还包括：

获取所述手术机器人中各个坐标系之间的转换关系，其中，所述手术机器人的坐标系包括以下坐标系中的至少部分坐标系：机械臂坐标系、导航仪坐标系、机械臂末端器械坐标系以及机械臂末端传感器坐标系。

第三方面，本申请实施例提供了一种手术机器人，包括导航仪、机械臂和处理器：

所述处理器获取所述导航仪的第一感受野；

所述处理器获取空间范围约束条件，根据所述空间范围约束条件对所述第一感受野进行约束，得到所述导航仪的第二感受野。

第四方面，本申请实施例提供了一种视觉导航仪感受野获取设备，包括获取模块和约束模块：

所述获取模块，用于获取手术机器人中导航仪的第一感受野；

所述约束模块，用于获取空间范围约束条件，根据所述空间范围约束条件对所述第一感受野进行约束，得到所述导航仪的第二感受野。

第五方面，本申请实施例提供了一种电子装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述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如上述第一方面所述的视觉导航仪感受野获取方法或者第二方面所述的手术机器人的空间注册位姿计算方法。

第四方面，本申请实施例提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一方面所述的视觉导航仪感受野获取方法或者第二方面所述的手术机器人的空间注册位姿计算方法的步骤。

相比于相关技术，本申请实施例提供的视觉导航仪感受野获取方法，通过获取手术机器人中导航仪的第一感受野；获取空间范围约束条件，根据空间范围约束条件对第一感受野进行约束，得到导航仪的第二感受野，解决了相关技术中在手术前对手术机器人进行空间注册，容易导致手术中机械臂末端的传感器超出导航仪的感受野的问题，实现了手术机器人机械臂末端器械保持在导航仪视野内，提高注册效率。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的视觉导航仪感受野获取方法的应用环境示意图；

图2是根据本申请实施例的视觉导航仪感受野获取方法的流程图；

图3是根据本申请实施例的获取第二感受野的方法的流程图；

图4是根据本申请实施例的感受野的示意图；

图5是根据本申请实施例的手术机器人的空间注册位姿计算方法的流程图；

图6是根据本申请实施例的空间注册位姿的获取方法的流程图；

图7是根据本申请优选实施例的手术机器人的空间注册位姿计算方法的流程图；

图8为本申请实施例的视觉导航仪感受野获取方法的终端的硬件结构框图；

图9是根据本申请实施例的视觉导航仪感受野获取设备的结构框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“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。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“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模块(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，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以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。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指大于或者等于两个。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

本申请提供的视觉导航仪感受野获取方法，可以应用于如图1所示的应用环境中，图1是根据本申请实施例的视觉导航仪感受野获取方法的应用环境示意图，如图1所示。手术机器人包括导航仪11和机械臂12，在对扫描床13上的患者进行手术之前，需要先在导航仪11的感受野下对机械臂12进行空间注册。其中，扫描床13上的患者包括但不限于头部、四肢、腹部等等，患者表面固定有导航仪器能够捕捉的传感器。导航仪器具有固定装置，阴影部分表示导航仪11的感受野。机械臂12上具有末端器械，末端器械上有能被导航仪器捕捉三维位置的传感器，基于该三维位置可建立机械臂末端器械坐标系。

本实施例提供了一种视觉导航仪感受野获取方法。图2是根据本申请实施例的视觉导航仪感受野获取方法的流程图，如图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤S210，获取手术机器人中导航仪的第一感受野。

本实施例中的手术机器人用于对患者进行手术，导航仪用于获取手术机器人的机械臂末端器械的位置和患者的位置，以将机械臂末端器械的位置和患者位置进行匹配，提高解剖位置识别的准确率。常用的导航仪包括光学导航仪、电磁导航仪等等，具体地，光学导航仪包括双目光学导航仪、三目光学导航仪和结构光导航仪等等。其中，导航仪的第一感受野为导航仪中由出厂设置确定的初始感受野，感受野为导航仪能够获取到的视野。

步骤S220，获取空间范围约束条件，根据空间范围约束条件对第一感受野进行约束，得到导航仪的第二感受野。

由于机械臂在注册时需要运动，所以机械臂末端器械的位置可能出现在第一感受野之外，本实施例中基于第一感受野进行调整，得到空间位置最优的第二感受野。具体的，根据空间范围约束条件对第一感受野进行约束。

空间范围约束条件为对机械臂运动范围的约束条件，可以预先存储在导航仪的处理器中。空间范围约束条件的具体内容可以由工作人员根据经验进行设置，也可以通过神经网络等模型训练得到，以获取最优的空间范围约束条件。

在根据空间范围约束条件对第一感受野进行约束之后，得到第二感受野，基于第二感受野进行的手术机器人空间注册，导航仪能够获取机械臂末端器械的任一位置，所以，第二感受野是机械臂注册时的最优感受野。

通过上述步骤S210和步骤S220，本实施例在第一感受野的基础上，通过和机械臂运动范围相关的空间范围约束条件对第一感受野进行调整，以得到使导航仪能够时刻获取到机械臂位置的第二感受野，从而避免机械臂末端器械超出导航仪的感受野范围，导致注册失败。解决了相关技术中在手术前对手术机器人进行空间注册，容易导致手术中机械臂末端的传感器超出导航仪的感受野的问题，实现了手术机器人机械臂末端器械保持在导航仪视野内，提高注册成功率。

在其中一些实施例中，空间范围约束条件包括机械臂约束条件、患者约束条件以及导航仪视野约束条件中的至少一种。其中，机械臂约束条件可以为机械臂可达范围，患者约束条件可以为机械臂末端关节或末端传感器距离患者的安全位置，包括距离患者的最小距离、手术的消毒区域限制等，导航仪视野约束条件为导航仪默认的高精度定位范围。进一步地，在导航仪为光学导航仪的情况下，机械臂可达范围可以通过光学导航仪器的各类传感器确定，例如至少包括机械臂末端传感器、患者端传感器，可能还包括参考位置传感器等等，机械臂可达范围还可以根据机械臂限位约束、奇异位置约束、机械臂自体遮挡等条件确定；患者约束条件可以通过机械臂末端器械距离患者的安全距离确定；对于导航仪视野约束条件，可以通过机械臂构型等建立光学导航仪器的感受野有效范围。最终，第二感受野中的各个位置均满足所有的约束条件。本实施例中，基于机械臂约束条件、患者约束条件以及导航仪视野约束条件中的至少一种来确定第二感受野，可以提高手术机器人在注册时的安全性。

在其他实施例中，若是对电磁导航仪进行第一感受野的约束，还需要考虑铁磁干扰。

在其中一些实施例中，图3是根据本申请实施例的获取第二感受野的方法的流程图，如图3所示，该方法包括如下步骤：

步骤S310，建立用于描述第二感受野的空间范围的目标函数。

本实例中通过函数计算来获取第二感受野的空间范围。具体地，先建立第二感受野对应的空间范围的目标函数，其中，空间位置的描述关系可以设置为max.H(f(x,y,z))，x,y,z∈R，其中，R为实数集，对应空间三维位置，f()表示空间范围的描述，空间范围为适合手术部位的适形区域，也可描述为特定形状的区域，如球、棱柱等等。max.H()表示该范围的有效解空间最大，(x,y,z)表示第二感受野中的空间位置在导航仪坐标系下的坐标。

步骤S320，通过最优化计算方法，根据空间范围约束条件对目标函数进行约束计算。

其中，最优化计算方法为通过建立恰当的数学模型来描述定性或者定量的数学问题，设计合适的计算方法来寻找数学模型的最优解，可以通过MATLAB或Python等语言的典型优化软件程序求解。在计算过程中，可以采用线性规划、半定规划、最小二乘问题、复合优化、矩阵优化、随机优化等具体的计算方法，在机器学习中，常见的最优化算法例如梯度下降法、牛顿法和拟牛顿法、共轭梯度法、启发式优化方法等等。

本实施例中，在目标函数的基础上，可以基于空间范围约束条件，通过最优化计算方法得到第二感受野的空间范围。

步骤S330，根据约束计算后的目标函数确定所述第二感受野。

第二感受野的空间范围对应了最优的H(f(x,y,z))，即得到f(x,y,z)确定的最优的空间范围。

通过上述步骤S310至步骤S330，本实施例通过最优化计算方法确定第二感受野，可以提高第二感受野计算的效率和准确度。

在其中一些实施例中，在得到导航仪的第二感受野之后，还可以根据第二感受野调整导航仪的摆位，使得手术机器人的机械臂末端器械位于第二感受野内，本实施例中，可以通过电机实现自动摆位，也可以通过工作人员手动实现摆位。图4是根据本申请实施例的感受野的示意图，如图4所示，实线框为导航仪的实际感受野，虚线框为经过空间范围约束条件约束后的第二感受野，传感器A为机械臂末端器械的末端传感器，传感器B获取患者位置的患者传感器，通常情况下，传感器A位于由虚线框表示的第二感受野内，以避免手术机器人在空间注册时，传感器A超出导航仪的实际感受野范围。若发现传感器A不在第二感受野的范围内，可以调整导航仪的摆位，例如导航仪的角度和位置，来调整第二感受野的位置，以使得传感器A位于第二感受野的范围内，从而保证机械臂末端器械位于第二感受野内，提高手术机器人注册的成功率。

进一步地，若发现机械臂末端器械不在第二感受野的范围内，可以调整导航仪的摆位，并根据空间范围约束条件重新获取第二感受野，直到机械臂末端器械位于第二感受野。

本申请还提供了一种手术机器人的空间注册位姿计算方法，图5是根据本申请实施例的手术机器人的空间注册位姿计算方法的流程图，如图5所示，该方法包括如下步骤：

步骤S510，获取手术机器人中导航仪的第一感受野。

步骤S520，获取空间范围约束条件，根据空间范围约束条件对第一感受野进行约束，得到导航仪的第二感受野。

本实施例中获取第二感受野的方法与步骤S210、S220类似，不再赘述。

进一步地，空间范围约束条件包括机械臂约束条件、患者约束条件以及导航仪视野约束条件中的至少一种。具体地，第二感受野的获取方法为：建立用于描述第二感受野的空间范围的目标函数；通过最优化计算方法，根据空间范围约束条件对目标函数进行约束计算；根据约束计算后的目标函数确定第二感受野。

步骤S530，结合第二感受野，以及手术机器人的机械臂末端器械的位姿，确定手术机器人的空间注册位姿。

在得到第二感受野之后，即可进行手术机器人的空间注册，其中，位姿包括位置坐标和旋转姿态。具体地，本实施例空间注册位姿中的位置坐标和旋转姿态非强关联，位置坐标可以在第二感受野中选择，旋转姿态的选择不受第二感受野的限制，既可以在第二感受野中进行选择，也可以在第二感受野之外的范围内选择。最后，将选择的位置坐标和旋转姿态进行组合，得到空间注册位姿。

优选地，在得到导航仪的第二感受野之后，还可以根据第二感受野调整导航仪的摆位，使得手术机器人的机械臂末端器械位于第二感受野内。

通过上述步骤S510至步骤S530，本实施例在第一感受野的基础上，通过和机械臂运动范围相关的空间范围约束条件对第一感受野进行约束，以得到使导航仪能够时刻获取到机械臂位置的第二感受野，然后结合第二感受野确定手术机器人的注册位姿，从而避免机械臂末端器械超出导航仪的感受野范围，导致注册失败。解决了相关技术中在手术前对手术机器人进行空间注册，容易导致手术中机械臂末端的传感器超出导航仪的感受野的问题，实现了手术机器人机械臂末端器械保持在导航仪视野内，提高注册成功率。

在其中一些实施例中，图6是根据本申请实施例的空间注册位姿的获取方法的流程图，如图6所示，该方法包括如下步骤：

步骤S610，获取手术机器人的机械臂末端器械的多个位置坐标和旋转姿态，多个旋转姿态构成机械臂末端器械的目标方向集。

其中，位置坐标可以为导航仪坐标系下的空间位置坐标，以(x，y，z)表示，在获取到导航仪坐标系和其他坐标系的转换关系的情况下，该位置坐标还可以为其他坐标下的位置坐标，例如，机械臂坐标系、机械臂末端器械坐标系以及机械臂末端传感器坐标系。旋转姿态为机械臂末端器械在该空间位置下相对于坐标轴的角度或者朝向，可以通过等效旋转矢量、欧拉角、旋转矩阵、姿态四元数等方式表示，其中，多个旋转姿态构成机械臂末端器械的目标方向集。

步骤S620，根据多个位置坐标和目标方向集中的多个旋转姿态，确定手术机器人的空间注册位姿，旋转姿态和位置坐标对应。

需要说明的是，本实施例中的位置坐标和旋转姿态非强关联，位置坐标可以在第二感受野中选择，旋转姿态的选择不受第二感受野的限制，既可以在第二感受野中进行选择，也可以在第二感受野之外的范围内选择。最后，将选择的位置坐标和旋转姿态进行组合，得到空间注册位姿。

本实施例中，可以为每个位置坐标设置对应的若干个旋转姿态，对应关系可以预先设置，例如，在有多个位置坐标的情况下，对于靠近患者或者扫描床的每个位置坐标，可以设置多个旋转姿态，以获取更加准确的注册轨迹，对于远离患者或者扫描床的位置坐标，和位置坐标对应的旋转姿态的数量可以少一些。而且，对于靠近患者或者扫描床的空间范围，可以设置更加密集的位置坐标进行手术机器人的空间注册。

通过上述步骤S610和步骤S620，本实施例中，结合多个旋转姿态和在第二感受野中选取的多个位置坐标作为空间注册位姿，并可以预设位置坐标和旋转姿态之间的对应关系，以提高手术机器人的空间注册效率。

进一步地，机械臂末端器械的目标方向集可以通过如下方式获取：获取机械臂末端器械的初始方向集，该初始方向集包括多个初始旋转姿态，其中，多个初始旋转姿态为预设的旋转姿态，具体地，以初始化姿态为基础，扩展得到多个初始旋转姿态，多个初始旋转姿态构成初始方向集。然后将初始方向集中的多个初始旋转姿态均向同一方向进行偏转，计算后得到机械臂末端器械的目标方向集。其中，本实施例中的偏转包括靠近导航仪的方向偏转，或者若出现机械臂畸形或者机械臂不可达的情况，在考虑初始方向的基础上靠近朝向导航仪的方向偏转。

更进一步地，获取初始方向集时，需要先获取导航仪识别的机械臂末端器械的最大姿态范围，该最大姿态范围可以由工作人员结合导航仪的特性实测得到。为了使得空间注册配准时，手术机器人的旋转姿态能最大程度地涵盖机械臂的所有旋转姿态情况，此处设置姿态离散度，其中，姿态离散度为相邻两个旋转姿态的空间相对姿态，例如，一个旋转姿态相对于坐标轴的角度为10°，另一个旋转姿态相对于坐标轴的角度为30°，则姿态离散度为20°。然后在最大姿态范围下，根据机械臂末端器械的姿态数量和/或姿态离散度确定机械臂末端器械的初始方向集。其中，姿态数量即为机械臂末端器械在第二感受野下不同姿态的总数。

本实施例中，在获知姿态范围的情况下，可以先获取姿态数量，然后该姿态数量的旋转姿态分布至第二感受野中，具体的旋转姿态可以根据场景需求设置，从而获取初始方向集，例如姿态范围设置为[-45°，45°]，那么在姿态数量为5个情况下，可以每隔22.5°设置一个旋转姿态，22.5°则为对应的姿态离散度，旋转姿态例如-45°、-22.5°、0°、22.5°、45°，也可以在靠近患者的空间范围内密集设置，远离患者的空间范围内稀疏设置；另一方面，也可以先确定姿态离散度，然后根据姿态范围确定第二感受野中的具体的旋转姿态，从而获取初始方向集，例如，在[-45°，45°]的姿态范围下，设置姿态离散度为15°，则共有7个旋转姿态。进一步地，在没有获知姿态范围的情况下，可以根据姿态数量和旋转姿态共同确定初始方向集。其中，以双目光学导航仪为例，机械臂在离散的姿态下，配置于机械臂末端器械的末端传感器能被双目光学导航仪识别到。

本实施例中，通过预先设置的姿态数量和/或姿态离散度确定初始方向集，可以保证在第二感受野内旋转姿态分布得较为均匀，为手术机器人注册时提供更多的选择。

在上述实施例中，均需要获取手术机器人中各个坐标系之间的转换关系，以实现位置坐标和旋转姿态在不同坐标系的转换。其中，手术机器人的坐标系包括以下坐标系中的至少部分坐标系：机械臂坐标系、导航仪坐标系、机械臂末端器械坐标系以及机械臂末端传感器坐标系。

下面通过优选实施例对本申请实施例进行描述和说明。

由于导航仪器在不同的临床场景下，均会进行对应的感受野的调节，所以导航仪与机械臂的相对位置关系会发生改变。如果在相对位置关系改变后，不对注册轨迹做对应调整，则可能会导致机械臂末端器械超出导航仪器的感受野范围，导致注册失败。

本申请提供了一种手术机器人的空间注册位姿计算方法，以双目光学导航仪为例，过程如下：在患者位置固定于扫描床上后，手术机器人的机械臂运动到注册初始化位置，该初始化位置可选，一般设置于能被导航仪器捕捉到的位置，在机械臂到达初始化位置之后，可以开始对导航仪的感受野进行调节。使得机械臂末端传感器坐标位置调整至第二感受野内，由此使得机械臂末端器械的运动范围限制在安全且精度较高的区域，同时保证患者头颅上的所有标记点在导航仪的最大感受野内。即机械臂末端传感器在第二感受野内的同时，患者传感器在双目光学导航仪的实际感受野范围内，其中，患者传感器设置于患者的头颅上。在得到第二感受野之后，执行空间轨迹注册算法以获取注册轨迹中的连续位姿，将连续位姿发送至机械臂执行手术机器人的注册。

图7是根据本申请优选实施例的手术机器人的空间注册位姿计算方法的流程图，如图7所示，该方法包括如下步骤：

步骤S710，通过坐标变换计算多个坐标系之间的转换关系。其中，多个坐标系包括机械臂末端关节坐标系、机械臂末端器械坐标系、导航仪坐标系机械臂基座坐标系等等；进一步地，可以根据机械臂末端传感器获取到的坐标、机械臂初始化位姿的坐标、机械臂末端关节的坐标求解各个坐标系之间的转换关系，末端传感器为配置于末端器械上的传感器。

步骤S720，根据机械臂约束条件、患者约束条件以及导航仪视野约束条件中的至少一种对第一感受野进行约束，通过最优化计算方法获取第二感受野；其中，患者约束条件可以根据由患者传感器获取到的坐标确定。

步骤S730，根据第二感受野调整导航仪的摆位，根据导航仪调整后的摆位，获取更新后的第二感受野，直到机械臂末端器械位于该第二感受野内为止。

步骤S740，获取初始方向集，将初始方向集进行偏转，根据初始化姿态、末端传感器朝向导航仪时二者之间的坐标系转换关系，计算偏转后的机械臂末端器械的目标方向集。具体地，将导航仪跟踪到的机械臂末端器械的坐标作为初始位置坐标，然后由初始位置坐标，结合机械臂末端器械与机械臂末端关节的理论坐标系关系，计算得到机械臂到导航仪器的初始坐标系转换关系，此时机械臂的位姿作为机械臂的初始化姿态Porigin。此外，还需要计算末端传感器朝向导航仪时对应的机械臂与导航仪的坐标系关系。

步骤S750，从机械臂末端器械的目标方向集中选取若干个旋转姿态，在第二感受野中选取多个位置坐标，将旋转姿态和位置坐标进行组合作为手术机器人的注册位姿，其中，位姿以(x,y,z,rx,ry,rz)表示，x,y,z表示位置坐标，rx,ry,rz表示旋转姿态。在得到位姿之后，通过运动学反解来确定机械臂中各个关节的角度。

上述步骤S710至步骤S750可以分为两个部分，第一部分为第二感受野的计算，具体为在导航仪的不同位置下获取对应的患者坐标、末端传感器坐标，并由此计算得到第二感受野，指导视场调节；第二部分是姿态计算，由目标方向集的计算与第二感受野两个部分组成，其中，目标方向集主要用于确定姿态计算中每个注册位姿对应的机械臂末端器械的旋转姿态(rx,ry,rz)，空间位置的计算用于确定每个注册位姿的空间位置(x,y,z)。

通过上述步骤S710至步骤S750，在第一感受野的基础上，通过和机械臂运动范围相关的空间范围约束条件对第一感受野进行调整，以得到使导航仪能够时刻获取到机械臂位置的第二感受野，从而避免机械臂末端器械超出导航仪的感受野范围，导致注册失败。解决了相关技术中在手术前对手术机器人进行空间注册，容易导致手术中机械臂末端的传感器超出导航仪的感受野的问题，实现了手术机器人机械臂末端器械保持在导航仪视野内，提高注册成功率。

需要说明的是，在上述流程中或者附图的流程图中示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本申请提供的方法实施例可以在终端、计算机或者类似的运算装置中执行。以运行在终端上为例，图8为本申请实施例的视觉导航仪感受野获取方法的终端的硬件结构框图。如图8所示，终端80可以包括一个或多个(图8中仅示出一个)处理器802(处理器802可以包括但不限于微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置)和用于存储数据的存储器804，可选地，上述终端还可以包括用于通信功能的传输设备806以及输入输出设备808。本领域普通技术人员可以理解，图8所示的结构仅为示意，其并不对上述终端的结构造成限定。例如，终端80还可包括比图8中所示更多或者更少的组件，或者具有与图8所示不同的配置。

存储器804可用于存储控制程序，例如，应用软件的软件程序以及模块，如本申请实施例中的视觉导航仪感受野获取方法对应的控制程序，处理器802通过运行存储在存储器804内的控制程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的方法。存储器804可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，存储器804可进一步包括相对于处理器802远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至终端80。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

传输设备806用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括终端80的通信供应商提供的无线网络。在一个实例中，传输设备806包括一个网络适配器(Network Interface Controller，简称为NIC)，其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输设备806可以为射频(Radio Frequency，简称为RF)模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。

本实施例还提供了一种手术机器人，包括导航仪、机械臂和处理器：处理器获取导航仪的第一感受野；处理器获取空间范围约束条件，根据空间范围约束条件对第一感受野进行约束，得到导航仪的第二感受野。其中，空间范围约束条件包括机械臂约束条件、患者约束条件以及导航仪视野约束条件中的至少一种。

进一步地，处理器获取第二感受野的具体方法为：建立用于描述第二感受野的空间范围的目标函数；通过最优化计算方法，根据空间范围约束条件对目标函数进行约束计算；根据约束计算后的目标函数确定第二感受野。

进一步地，处理器在得到第二感受野之后，还可以根据第二感受野调整导航仪的摆位，使得手术机器人的机械臂末端器械位于第二感受野内。

进一步地，处理器在得到第二感受野之后，结合第二感受野以及手术机器人的机械臂末端器械的位姿，确定手术机器人的空间注册位姿。具体地，空间注册位姿的计算方法为：获取手术机器人的机械臂末端器械的多个位置坐标和旋转姿态，多个旋转姿态构成机械臂末端器械的目标方向集；根据多个位置坐标和目标方向集中的多个旋转姿态，确定手术机器人的空间注册位姿，其中，位置坐标和旋转姿态对应。

进一步地，处理器获取目标方向集的过程为：获取机械臂末端器械的初始方向集，初始方向集包括多个初始旋转姿态；将初始方向集中的多个初始旋转姿态均向同一方向进行偏转，得到机械臂末端器械的目标方向集。其中，初始方向集通过如下方式得到：获取导航仪识别的机械臂末端器械的最大姿态范围；在最大姿态范围下，根据机械臂末端器械的姿态数量和/或姿态离散度确定机械臂末端器械的初始方向集。

本实施例中的手术机器人，在第一感受野的基础上，通过和机械臂运动范围相关的空间范围约束条件对第一感受野进行调整，以得到使导航仪能够时刻获取到机械臂位置的第二感受野，从而避免机械臂末端器械超出导航仪的感受野范围，导致注册失败。解决了相关技术中在手术前对手术机器人进行空间注册，容易导致手术中机械臂末端的传感器超出导航仪的感受野的问题，实现了手术机器人机械臂末端器械保持在导航仪视野内，提高注册成功率。

本实施例还提供了一种视觉导航仪感受野获取设备，该设备用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”、“单元”、“子单元”等可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图9是根据本申请实施例的视觉导航仪感受野获取设备的结构框图，如图9所示，该设备包括获取模块91和约束模块92：获取模块91，用于获取手术机器人中导航仪的第一感受野；约束模块92，用于获取空间范围约束条件，根据空间范围约束条件对第一感受野进行约束，得到导航仪的第二感受野。其中，空间范围约束条件包括机械臂约束条件、患者约束条件以及导航仪视野约束条件中的至少一种。

进一步地，约束模块92还用于建立用于描述第二感受野的空间范围的目标函数；通过最优化计算方法，根据空间范围约束条件对目标函数进行约束计算；根据约束计算后的目标函数确定第二感受野。

进一步地，视觉导航仪感受野获取设备包括摆位模块，用于根据第二感受野调整导航仪的摆位，使得手术机器人的机械臂末端器械位于第二感受野内。

进一步地，视觉导航仪感受野获取设备包括注册模块，用于结合第二感受野中和手术机器人的机械臂末端器械的位姿来确定手术机器人的空间注册位姿。具体地，注册模块包括方向集计算单元，用于获取手术机器人的机械臂末端器械的多个位置坐标和旋转姿态，多个旋转姿态构成机械臂末端器械的目标方向集，根据多个位置坐标和目标方向集中的多个旋转姿态，确定手术机器人的空间注册位姿，其中，位置坐标和旋转姿态对应。

进一步地，注册模块包括偏转单元，用于获取机械臂末端器械的初始方向集，其中，初始方向集包括多个初始旋转姿态；然后将初始方向集中的多个初始旋转姿态均向同一方向进行偏转，得到机械臂末端器械的目标方向集。其中，初始方向集通过如下方式得到：获取导航仪识别的机械臂末端器械的最大姿态范围；在最大姿态范围下，根据机械臂末端器械的姿态数量和/或姿态离散度确定机械臂末端器械的初始方向集。

本实施例中的手术机器人，其约束模块92在获取模块91得到的第一感受野的基础上，通过和机械臂运动范围相关的空间范围约束条件对第一感受野进行调整，以得到使导航仪能够时刻获取到机械臂位置的第二感受野，从而避免机械臂末端器械超出导航仪的感受野范围，导致注册失败。解决了相关技术中在手术前对手术机器人进行空间注册，容易导致手术中机械臂末端的传感器超出导航仪的感受野的问题，实现了手术机器人机械臂末端器械保持在导航仪视野内，提高注册成功率。

需要说明的是，上述各个模块可以是功能模块也可以是程序模块，既可以通过软件来实现，也可以通过硬件来实现。对于通过硬件来实现的模块而言，上述各个模块可以位于同一处理器中；或者上述各个模块还可以按照任意组合的形式分别位于不同的处理器中。

本实施例还提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，该存储器中存储有计算机程序，该处理器被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。

可选地，上述电子装置还可以包括传输设备以及输入输出设备，其中，该传输设备和上述处理器连接，该输入输出设备和上述处理器连接。

可选地，在本实施例中，上述处理器可以被设置为通过计算机程序执行以下步骤：

S1，获取手术机器人中导航仪的第一感受野；

S2，获取空间范围约束条件，根据空间范围约束条件对第一感受野进行约束，得到导航仪的第二感受野。

可选地，在本实施例中，上述处理器可以被设置为通过计算机程序执行以下步骤：

Y1，获取手术机器人中导航仪的第一感受野；

Y2，获取空间范围约束条件，根据空间范围约束条件对第一感受野进行约束，得到导航仪的第二感受野；

Y3，结合第二感受野中，以及手术机器人的机械臂末端器械的位姿，确定手术机器人的空间注册位姿。

需要说明的是，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

另外，结合上述实施例中的视觉导航仪感受野获取方法或者手术机器人的空间注册位姿计算方法，本申请实施例可提供一种存储介质来实现。该存储介质上存储有计算机程序；该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种视觉导航仪感受野获取方法或者手术机器人的空间注册位姿计算方法。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种视觉导航仪感受野获取方法，其特征在于，包括：

获取手术机器人中导航仪的第一感受野；

获取空间范围约束条件，根据所述空间范围约束条件对所述第一感受野进行约束，得到所述导航仪的第二感受野。

2.根据权利要求1所述的视觉导航仪感受野获取方法，其特征在于，所述空间范围约束条件包括机械臂约束条件、患者约束条件以及导航仪视野约束条件中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的视觉导航仪感受野获取方法，其特征在于，所述获取空间范围约束条件，根据所述空间范围约束条件对所述第一感受野进行约束，得到所述导航仪的第二感受野包括：

建立用于描述所述第二感受野的空间范围的目标函数；

通过最优化计算方法，根据所述空间范围约束条件对所述目标函数进行约束计算；

根据约束计算后的目标函数确定所述第二感受野。

4.根据权利要求1所述的视觉导航仪感受野获取方法，其特征在于，在得到所述导航仪的第二感受野之后，所述方法包括：

根据所述第二感受野调整所述导航仪的摆位，使得所述手术机器人的机械臂末端器械位于所述第二感受野内。

5.一种手术机器人的空间注册位姿计算方法，其特征在于，包括：

获取手术机器人中导航仪的第一感受野；

获取空间范围约束条件，根据所述空间范围约束条件对所述第一感受野进行约束，得到所述导航仪的第二感受野；

结合所述第二感受野，以及所述手术机器人的机械臂末端器械的位姿，确定所述手术机器人的空间注册位姿。

6.根据权利要求5所述的手术机器人的空间注册位姿计算方法，其特征在于，所述结合所述第二感受野，以及所述手术机器人的机械臂末端器械的位姿，确定所述手术机器人的空间注册位姿包括：

获取所述手术机器人的机械臂末端器械的多个位置坐标和旋转姿态，多个所述旋转姿态构成所述机械臂末端器械的目标方向集；

根据多个所述位置坐标和所述目标方向集中的多个旋转姿态，确定所述手术机器人的空间注册位姿，其中，所述位置坐标和所述旋转姿态对应。

7.根据权利要求6所述的手术机器人的空间注册位姿计算方法，其特征在于，所述获取所述手术机器人的机械臂末端器械的多个位置坐标和旋转姿态，多个所述旋转姿态构成所述机械臂末端器械的目标方向集包括：

获取所述机械臂末端器械的初始方向集，所述初始方向集包括多个初始旋转姿态；

将所述初始方向集中的多个初始旋转姿态均向同一方向进行偏转，得到所述机械臂末端器械的目标方向集。

8.根据权利要求7所述的手术机器人的空间注册位姿计算方法，其特征在于，所述获取所述机械臂末端器械的初始方向集包括：

获取所述导航仪识别的机械臂末端器械的最大姿态范围；

在所述最大姿态范围下，根据所述机械臂末端器械的姿态数量和/或姿态离散度确定所述机械臂末端器械的初始方向集。

9.根据权利要求5所述的手术机器人的空间注册位姿计算方法，其特征在于，在所述获取空间范围约束条件，根据所述空间范围约束条件对所述第一感受野进行约束，得到所述导航仪的第二感受野之前，所述方法还包括：

获取所述手术机器人中各个坐标系之间的转换关系，其中，所述手术机器人的坐标系包括以下坐标系中的至少部分坐标系：机械臂坐标系、导航仪坐标系、机械臂末端器械坐标系以及机械臂末端传感器坐标系。

10.一种手术机器人，其特征在于，包括导航仪、机械臂和处理器：

所述处理器获取所述导航仪的第一感受野；

所述处理器获取空间范围约束条件，根据所述空间范围约束条件对所述第一感受野进行约束，得到所述导航仪的第二感受野。

11.一种视觉导航仪感受野获取设备，其特征在于，包括获取模块和约束模块：

所述获取模块，用于获取手术机器人中导航仪的第一感受野；

所述约束模块，用于获取空间范围约束条件，根据所述空间范围约束条件对所述第一感受野进行约束，得到所述导航仪的第二感受野。

12.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行权利要求1至4中任一项所述的视觉导航仪感受野获取方法或者权利要求5至9中任一项所述的手术机器人的空间注册位姿计算方法。

13.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行权利要求1至4中任一项所述的视觉导航仪感受野获取方法或者权利要求5至9中任一项所述的手术机器人的空间注册位姿计算方法的步骤。

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