CN114027980B - 一种介入手术机器人系统及其标定与误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗器械技术领域，旨在提供一种介入手术机器人系统及其标定与误差补偿方法。该装置包括光学定位仪、标定工具、光学工具、标定板、患者定位板和电动滑台；标定工具的主体呈杆状，其一端安装在机械臂末端的法兰盘上；标定板安装在电动滑台上，电动滑台能带动标定板在相互垂直的X、Y、Z三个方向上进行位移，并记录各方向的位移量；在标定板的表面布设若干个竖向的误差补偿标记件，其顶端设有定位标记点。本发明中，介入手术机器人系统可在任意位置进行图像坐标系与机械臂坐标系的转换，减少因机械臂位置移动而带来的误差。本发明能简单快速地对机械臂与光学定位仪直接的坐标变换矩阵进行重新标定。

Description

一种介入手术机器人系统及其标定与误差补偿方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种介入手术机器人系统及其标定与误差补偿方法。

背景技术

经皮介入手术是指在医学影像(B超、MRI和CT等)的引导下，将手术器械(例如穿刺针、活检针、消融针等)准确置入病人体内器官进行组织提取或治疗，具有创伤小、并发症少及术后恢复快的特点，是传统开放式手术的重大变革。传统的介入手术主要依赖医生的经验和技能，使得治疗效果存在差异性，还存在穿刺过程中定位不准、路径规划困难的问题。

介入手术机器人通过使用三维路径规划、实时跟踪靶点等技术手段，可以将穿刺介入手术建立在更加科学、可控和具有预见性的基础上。介入手术机器人不仅能提高手术操作的精度，而且减少对医生经验的依赖，降低医生的劳动强度。介入机器人系统实现的关键在于：建立图像坐标系与机械臂坐标系之间的转换关系，建立转换关系的过程称为介入手术机器人的标定过程，在标定过程中需借助一定的工具。

现有的介入手术机器人的标定通常将光学工具安装在患者体表，利用光学定位仪来获取光学工具的物理空间位置信息，通过求解图像空间对应标记点与光学定位仪所获取的物理空间坐标之间的变换矩阵，实现图像空间与物理空间的统一。但上述标定方法对光学工具的安装位置要求较高，不能存在遮挡，且标定完成后，若机械臂位置发生改变，需重新进行标定。否则将导致图像空间与物理空间的坐标定位之间存在误差，直接影响介入手术的精准度和成功率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种介入手术机器人系统及其标定与误差补偿方法

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种用于介入手术机器人的标定与误差补偿装置，包括光学定位仪、标定工具、光学工具、标定板、患者定位板和电动滑台；所述标定工具的主体呈杆状，其一端安装在机械臂末端的法兰盘上；所述标定板安装在电动滑台上，电动滑台能带动标定板在相互垂直的X、Y、Z三个方向上进行位移，并记录各方向的位移量；在标定板的表面布设若干个竖向的误差补偿标记件，其顶端设有定位标记点；

所述光学工具是带有反光球的刚体，其数量至少有七个：其中，有两个位于机械臂的安装基座上，用于辅助确认机械臂的坐标位置；有一个安装在标定工具的杆状主体上，用于辅助确认标定工具的位移情况；有两个安装在标定板的侧边，用于辅助标定板的定位；有两个安装在患者定位板的侧边，用于辅助进行扫描图像坐标系的配准。

作为本发明的优选方案，所述光学工具的刚体呈十字形，在其四个端部分别固定一个反光球；在刚体中部设有螺孔，用于穿过螺钉进行固定安装。

作为本发明的优选方案，误差补偿标记件的数量至少有5个，且高度各不相同；误差补偿标记件是径向尺寸均一的杆件，或者是顶端尺寸相对稍大的螺杆件；其顶端表面设有圆环标记，在圆心处设有定位标记点；其底端设有外螺纹，用于竖向安装在标定板表面的螺孔中。

作为本发明的优选方案，所述标定板和患者定位板均为亚克力板。

本发明进一步提供了具有标定功能的介入手术机器人系统，包括导航主控电脑、扫描设备(CT等)和工作站台车，工作站台车中设有带转向关节的机械臂，导航主控电脑通过有线或无线方式分别与扫描设备和机械臂的驱动设备连接；该系统还包括前述的标定与误差补偿装置；其中，患者定位板和电动滑台摆放在扫描设备的床板上。

本发明进一步提供了利用前述装置实现介入手术机器人标定的方法，包括以下步骤：

(1)计算机械臂的TCP(Tool Central Point)在标定工具的光学工具局部坐标系下的坐标；

(2)计算工作站台车上(即机械臂底座和标定工具上)3个光学工具的光学小球在机械臂坐标系中的坐标，计算机械臂与光学定位仪坐标系之间的变换矩阵Mnu；

(3)将扫描图像与光学定位仪坐标系进行配准，得到扫描图像坐标与光学定位仪坐标系之间的变换矩阵Min；

(4)将扫描图像中的坐标转化为机械臂坐标，以用于机械臂的布针定位路径规划及行进控制。

进一步地，当工作站台车与光学定位仪两者相对位置发生改变时，本发明还提供了对机械臂与光学定位仪进行重新标定的方法。

进一步地，本发明还提供了利用电动滑台进行误差补偿的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、使用本发明的标定方法后，介入手术机器人系统可在任意位置进行图像坐标系与机械臂坐标系的转换，减少因机械臂位置移动而带来的误差。

2、当工作站台车与光学定位仪两者相对位置发生改变时，本发明能简单快速地对机械臂与光学定位仪直接的坐标变换矩阵进行重新标定。

3、基于电动滑台的应用，本发明可通过误差补偿进一步提高系统的精度，确保接入手术的精准，提高手术成功率。

附图说明

图1是本发明的介入手术机器人系统示意图。

图2是本发明的电动滑台的示意图。

图中附图标记为：机械臂1；光学定位仪2；标定工具3；光学工具4、5、6、7、8、9、10；标定板11；误差补偿标记件12-1至12-5；患者定位板13。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行进一步的说明。

1、具有标定功能的介入手术机器人系统，

本发明提供的介入手术机器人系统包括导航主控电脑、扫描设备和工作站台车(图中均未示出)，工作站台车中设有带转向关节的机械臂，导航主控电脑通过有线或无线方式分别与扫描设备和机械臂连接。MRI和CT等扫描设备将扫描得到的图像发送给导航主控电脑，导航主控电脑将规划好的计划发送给机械臂1执行。

介入手术机器人系统还包括标定与误差补偿装置，具体包括光学定位仪2、标定工具3、光学工具4-10、标定板11、患者定位板13和电动滑台(图2所示)；其中，患者定位板13摆放在扫描设备的床板上。标定工具3的主体呈杆状，其一端安装在机械臂1末端的法兰盘上；标定板11安装在电动滑台上，电动滑台能带动标定板11在相互垂直的X、Y、Z三个方向上进行位移，并记录各方向的位移量；在标定板11的表面布设若干个竖向的误差补偿标记件12-1至12-5，其顶端设有定位标记点。

本实施例中，光学工具是带有反光球的刚体，其数量有七个：其中，有两个光学工具4、5位于机械臂1的安装基座上，用于辅助确认机械臂1的坐标位置；有一个光学工具6安装在标定工具3的杆状主体上，用于辅助确认标定工具3的位移情况；有两个光学工具9、10安装在标定板11的侧边，用于辅助标定板11的定位；有两个光学工具8、7安装在患者定位板13的侧边，用于辅助进行扫描图像坐标系的配准。各光学工具的刚体呈十字形，在其四个端部分别固定一个反光球；在刚体中部设有螺孔，用于穿过螺钉进行固定安装。

如图1所示，误差补偿标记件12-1至12-5的数量有5个，且高度各不相同；该部件可选是径向尺寸均一的杆件，或者是顶端尺寸相对稍大的螺杆件；其顶端表面设有圆环标记，在圆心处设有定位标记点；其底端设有外螺纹，用于竖向安装在标定板表面的螺孔中。

光学定位仪2和光学工具可使用Northern Digital Inc.(NDI)公司生产销售的配套产品。标定板11和患者定位板13均为亚克力板。

2、本发明利用标定与误差补偿装置实现介入手术机器人标定的方法，包括以下步骤：

(1)计算机械臂1的工具中心点(TCP，Tool Central Point)在标定工具3的光学工具6局部坐标系下的坐标；

(1.1)保持机械臂1的TCP位置不动，将其作为球心O；机械臂1通过装在其法兰盘上的标定工具3带动光学工具6绕球心O旋转；利用光学定位仪2采集光学工具6上各反光球在旋转过程中形成的多个轨迹坐标A₁，A₂，A₃，......，A_n，得到以O为球心的球面坐标，30≤n≤50；

(1.2)利用球面拟合算法计算球心O的坐标O_A；

(1.3)取反光球轨迹中的任意5个位姿P₁、P₂、P₃、P₄、P₅，其坐标依次为Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅；计算5个位姿处的向量V₁＝O_A-Q₁、V₂＝O_A-Q₂、V₃＝O_A-Q₃、V₄＝O_A-Q₄、V₅＝O_A-Q₅；

(1.4)计算光学工具6下的局部坐标V′₁、V′₂、V′₃、V′₄、V′₅(V′_i＝P_i ^-1×V_i，P_i ^-1是P_i的逆，i＝1、2、3、4、5)，取其平均值记为V_T＝(V′₁+V′₂+V′₃+V′₄+V′₅)/5，V_T即为机械臂1的TCP位置在光学工具6局部坐标系下的坐标；

(2)计算工作站台车上(即机械臂底座和标定工具上)3个光学工具4、5、6的光学小球在机械臂1坐标系中的坐标，计算机械臂1与光学定位仪2坐标系之间的变换矩阵Mnu；

(2.1)使机械臂1处于初始位置，确保工作站台车的三个光学工具4、5、6始终面向光学定位仪2，能被光学定位仪2识别；利用光学定位仪2采集这三个光学工具4、5、6上的12个反光球的坐标G₁、G₂、G₃...G_i、...G₁₂；

(2.2)保持机械臂1末端姿态不动，且光学工具6始终面向光学定位仪2，能被光学定位仪2识别；在此前提下使机械臂1带动标定工具3运动，并记录机械臂TCP坐标的U₁、U₂、U₃......U_k和相应的标定工具3上光学工具6位姿N₁、N₂、N₃......N_k，9≤k≤30；根据U′＝N_k×V_T，计算得到机械臂TCP坐标U₁、U₂、U₃......U_k在光学定位仪2中的坐标U′₁、U′₂、U′₃......U′_k；

(2.3)利用{U₁,U′₁},{U₂,U′₂}...{U_k,U′_k}这k对坐标构建矩阵，对矩阵做奇异值(Singular Value Decomposition，SVD)分解，得到机械臂1和光学定位仪2坐标系之间的变换矩阵Mnu，将光学定位仪2坐标P_n通过Mnu转换为机械臂1坐标P_u，P_u＝Mnu×P_n；

(2.4)利用变换矩阵Mnu，将工作站台车上所有反光球在光学定位仪2下的坐标转换为机械臂1中的坐标G′₁、G′₂、G′₃...G′_i、...G′₁₂，其中G′_i＝Mnu×G_i；

(3)将扫描图像与光学定位仪2坐标系进行配准，得到扫描图像坐标系与光学定位仪2坐标系之间的变换矩阵Min；

(3.1)将患者定位板13放置在扫描设备的床板上，使其与患者一起进行扫描以获得扫描图像。扫描过程中，要确保患者定位板13上所有光学工具7、8的反光球所形成的靶点均被包括在扫描图像中。

(3.2)利用计算机识别扫描图像中反光球所形成的靶点的球心坐标I₁、I₂、I₃......I₈；利用光学定位仪2读取患者定位板13上对应的光学工具7、8的光学小球坐标N₁、N₂、N₃......N₈；

(3.3)利用步骤(3.2)获得的坐标数据{I₁,N₁}，{I₂,N₂}......{I₈,N₈}构建矩阵，对矩阵做SVD分解，得到扫描图像的坐标系和光学定位仪坐标系之间的变换矩阵Min。图像坐标P_i通过变换矩阵Min转换为光学定位仪坐标P_n，P_n＝Min×P_i。

(4)将扫描图像中的坐标转换为机械臂坐标；

利用步骤(2)和(3)得到的两个变换矩阵进行坐标转换计算，将最终图像坐标P_i转换为机械臂坐标P_u，P_u＝Miu×P_i，其中Miu＝Mnu×Min。从而将扫描图像中的坐标转化为机械臂坐标，以用于机械臂的布针定位路径规划及行进控制。

当工作站台车与光学定位仪两者相对位置发生改变时，按下述方法对机械臂1与光学定位仪2进行重新标定：

(5.1)使机械臂1返回初始位置，根据步骤(2.1)的内容重新采集工作站台车上三个光学工具4、5、6上的12个反光球的坐标G₁、G₂、G₃...G_i、...G₁₂；

(5.2)根据步骤(2.4)的内容，将工作站台车上所有反光球在光学定位仪2下的坐标重新转换为机械臂1中的坐标G′₁、G′₂、G′₃...G′_i、...G′₁₂；

(5.3)利用前述两个步骤得到的坐标{G₁,G′₁}，{G₂,G′₂}......{G₁₂,G′₁₂}构建矩阵，对矩阵做SVD分解，得到机械臂1和光学定位仪2坐标系之间的变换矩阵Mnu′，以更新后的变换矩阵Mnu′用于步骤(4)的坐标转化。

3、本发明还包括利用电动滑台进行误差补偿的操作，具体包括以下步骤：

(6.1)将定位板11固定在扫描设备的床板上，对定位板11进行CT扫描以获得扫描图像。扫描过程中，要确保所有光学工具9、10的反光球所形成的靶点均被包括在扫描图像中；

(6.2)利用计算机识别扫描图像中反光球所形成的靶点的球心坐标，识别扫描图像中定位板11上的误差补偿件的定位标记点，并对定位板11上的误差补偿标记件进行布针规划；

(6.3)将定位板11固定在电动滑台上，设定机械臂1自动执行步骤(6.2)所述的布针规划；

若定位针尖的实际末端位置与误差补偿标记件顶端的定位标记点存在偏差，则操作电动滑台进行移动，使定位标记点与定位针尖重合，依次记录电动滑台的偏移向量V₁、V₂、V₃......V_m；计算平均偏移向量V_d＝(V₁+V₂+V₃+......+V_m)/m，5≤m≤10；

(6.4)操作电动滑台带动定位板11做任意运动，利用光学定位仪2采集定位板11上光学工具9上各反光球在运动过程中形成的任意n个位置坐标{H₁,N₁}，{H₂,N₂}......{H_n,N_n}，n≥8；

(6.5)利用步骤(6.4)获得的n对坐标数据{H₁,N₁}，{H₂,N₂}......{H_n,N_n}构建矩阵，对矩阵做SVD分解，得到电动滑台与光学定位仪2坐标系之间的变换矩阵Mhn；

(6.6)利用步骤(6.3)和(6.5)得到的结果，计算得到光学定位仪2与机械臂标定误差的偏移向量V_n＝Mhn×V_d。在工作站台车与光学定位仪2相对位置不变的情况下，该偏差是相对固定的，可以作为图像、光学定位仪和机械臂坐标转换的系统误差补偿；

(6.7)在步骤(3.3)中图像坐标P_i转光学定位仪坐标后之后P_n，加上步骤(6.6)计算得到的偏移量V_n，P_nd＝P_n+V_n，P_nd就是校正后的坐标，再将其转换为机械臂坐标P_u＝Mnu×P_nd，得到误差校正后的最终坐标。

更为具体的应用示例描述如下：

1、介入手术机器人系统的标定方法，包括以下步骤：

步骤1：计算机械臂的工具中心点(TCP)在标定工具3上的光学工具6局部坐标系下的坐标。

步骤1.1：保持机械臂1的TCP位置不动并以其为球心(O)，机械臂1通过标定工具3带动光学工具6绕着机械臂TCP旋转，利用光学定位仪2采集光学工具6的反光球在旋转过程中的轨迹坐标(A₁，A₂，A₃，......，A₃₀)，得到以O为球心的球面坐标。

步骤1.2：利用球面拟合算法计算反光球的球心O_A。

步骤1.3：取光学工具6的其中5个位姿P₁、P₂、P₃、P₄、P₅，坐标依次为Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅，计算5个位姿处的向量V₁＝O_A-Q₁、V₂＝O_A-Q₂、V₃＝O_A-Q₃、V₄＝O_A-Q₄、V₅＝O_A-Q₅。

步骤1.4：计算光学工具6下的局部坐标V′₁、V′₂、V′₃、V′₄、V′₅(V′_i＝P_i ^-1×V_i，P_i ^-1是P_i的逆，i＝1、2、3、4、5)，取其平均值记为V_T＝(V′₁+V′₂+V′₃+V′₄+V′₅)/5，V_T即为机械臂TCP在光学工具6局部坐标系下的坐标。

步骤2：计算工作站台车上3个光学工具4、5、6的光学小球在机械臂1坐标系中坐标，计算机械臂1与光学定位仪2坐标系之间的变换矩阵Mnu。

步骤2.1：机械臂1在初始位置，确保光学工具4、5、6始终面向光学定位仪2可以被识别，利用光学定位仪2采集此时工作站台车上光学工具4、5、6上12个反光球的坐标G₁、G₂、G₃......G₁₂。

步骤2.2：保持机械臂1的末端姿态不动，同时确保光学工具6始终面向光学定位仪2可以被识别。在此前提下使机械臂1通过标定工具3带着光学工具6运动，运动过程中，记录机械臂TCP坐标U₁、U₂、U₃......U₂₀和对应光学工具6位姿N₁、N₂、N₃......N₂₀，利用U′＝N_k×V_T计算得到机械臂TCP坐标U₁、U₂、U₃......U₂₀在光学定位仪中的坐标U′₁、U′₂、U′₃......U′₂₀。

步骤2.3：利用{U₁,U′₁},{U₂,U′₂}...{U₂₀,U′₂₀}这20对坐标构建矩阵，对矩阵做奇异值(Singular Value Decomposition，SVD)分解，得到机械臂1和光学定位仪2坐标系之间的变换矩阵Mnu，光学定位仪2坐标P_n通过Mnu转换为机械臂1坐标P_u，P_u＝Mnu×P_n。

步骤2.4：由变换矩阵Mnu可以将台车上反光球在光学定位仪2下的坐标转换为机械臂1下的坐标，G′₁、G′₂、G′₃......G′₁₂，其中G′_i＝Mnu×G_i。

步骤3：对CT扫描图像与光学定位仪2坐标系进行配准，得到CT扫描图像与光学定位仪坐标系之间的变换矩阵Min。

步骤3.1：将患者定位板13放置在CT床板上与患者一起进行CT扫描以获得图像，扫描过程中，要确保患者定位板13上所有光学工具7、8的反光球所形成的靶点均被包括在扫描图像中。

步骤3.2：利用计算机识别CT扫描图像中的球心坐标I₁、I₂、I₃......I₈；光学定位仪2读取患者定位板上的光学工具7、8上的光学小球坐标N₁、N₂、N₃......N₈。

步骤3.3：利用步骤(3.2)获得的8对坐标数据{I₁,N₁}，{I₂,N₂}......{I₈,N₈}构建矩阵，对矩阵做SVD分解，得到扫描图像和光学定位仪2坐标系之间的变换矩阵Min。图像坐标P_i通过变换矩阵Min转换为光学定位仪2坐标P_n，P_n＝Min×P_i。

步骤4：利用步骤(2)和(3)得到两个变换矩阵进行坐标转换计算，将最终图像坐标P_i转换为机械臂1坐标P_u，P_u＝Miu×P_i，其中Miu＝Mnu×Min。从而将扫描图像中的坐标转化为机械臂1坐标，以用于机械臂的布针定位路径规划及行进控制。

2、在实际使用中，常常会因为各种原因发生设备位置移动。当工作站台车与光学定位仪两者相对位置发生改变时，重新校准机械臂1与光学定位仪2的方法，包括以下步骤：

(1)机械臂1返回初始位置，确保光学工具4、5、6始终面向光学定位仪2，利用光学定位仪2采集此时工作站台车上光学工具4、5、6上的12个反光球的坐标G₁、G₂、G₃......G₁₂。

(2)将工作站台车上所有反光球在光学定位仪2下的坐标重新转换为机械臂1坐标系中的坐标G′₁、G′₂、G′₃...G′_i、...G′₁₂；

(3)利用步骤(1)中的12个反光球的坐标和前述的12个反光球在机械臂1坐标系下的坐标{G₁,G′₁}，{G₂,G′₂}......{G₁₂,G′₁₂}构建矩阵，对矩阵做SVD分解，得到机械臂1和光学定位仪2坐标系之间的变换矩阵Mnu。

3、介入手术机器人系统的误差补偿方法，包括以下步骤：

(1)将定位板11固定在CT床板上，对标定板11进行CT扫描以获得图像，扫描过程中要确保所有的靶点均被包括在图像中。

(2)打开标定板11的CT扫描图像，识别图像中的球心坐标后，识别扫描图像中定位板上的误差补偿件的圆心标记点，并对标定板11上的误差补偿标记件的圆心标记点进行布针规划。

(3)将标定板11固定在电动滑台上，执行步骤(2)所述的布针规划。若实际针尖位置与误差补偿标记件的标记点存在偏差，移动电动滑台，使标记点与针尖重合，此时记录电动滑台的偏移向量V₁、V₂、V₃、V₄、V₅；计算平均偏移向量V_d＝(V₁+V₂+V₃+V₄+V₅)/5。

(4)操控电动滑台带动标定板11及其两个光学工具9、10运动，利用光学定位仪2采集运动过程中光学工具9、10的反光球的8个位置坐标{H₁,N₁}，{H₂,N₂}......{H₈,N₈}。

(5)利用步骤(4)获得的8对坐标数据{H₁,N₁}，{H₂,N₂}......{H₈,N₈}构建矩阵，对矩阵做SVD分解，得到电动滑台与光学定位仪2坐标系之间的变换矩阵Mhn。

(6)利用步骤(3)和(5)得到的结果，计算得到光学定位仪2与机械臂1标定误差的偏移向量V_n＝Mhn×V_d。

(7)图像坐标P_i转光学定位仪2坐标后之后P_n，加上步骤(6)偏移量V_n，P_nd＝P_n+V_n，P_nd就是校正后的坐标，再将其转换为机械臂1坐标P_u＝Mnu×P_nd，得到误差校正后的最终坐标，达到提高定位精度的目的。

上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种用于介入手术机器人的标定与误差补偿装置，其特征在于，包括光学定位仪、标定工具、光学工具、标定板、患者定位板和电动滑台；所述标定工具的主体呈杆状，其一端安装在机械臂末端的法兰盘上；所述标定板安装在电动滑台上，电动滑台能带动标定板在相互垂直的X、Y、Z三个方向上进行位移，并记录各方向的位移量；在标定板的表面布设若干个竖向的误差补偿标记件，其顶端设有定位标记点；

所述光学工具是带有反光球的刚体，其数量至少有七个：其中，有两个位于机械臂的安装基座上，用于辅助确认机械臂的坐标位置；有一个安装在标定工具的杆状主体上，用于辅助确认标定工具的位移情况；有两个安装在标定板的侧边，用于辅助标定板的定位；有两个安装在患者定位板的侧边，用于辅助进行扫描图像坐标系的配准；

保持机械臂的TCP位置不动，将其作为球心O；机械臂能通过装在其法兰盘上的标定工具带动光学工具绕球心O旋转；利用光学定位仪采集光学工具上各反光球在旋转过程中形成的多个轨迹坐标A₁，A₂，A₃，......，A_n，从而得到以O为球心的球面坐标，30≤n≤50。

2.根据权利要求1所述的标定与误差补偿装置，其特征在于，所述光学工具的刚体呈十字形，在其四个端部分别固定一个反光球；在刚体中部设有螺孔，用于穿过螺钉进行固定安装。

3.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于，误差补偿标记件的数量至少有5个，且高度各不相同；误差补偿标记件是径向尺寸均一的杆件，或者是顶端尺寸相对稍大的螺杆件；其顶端表面设有圆环标记，在圆心处设有定位标记点；其底端设有外螺纹，用于竖向安装在标定板表面的螺孔中。

4.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于，所述标定板和患者定位板均为亚克力板。

5.一种具有标定功能的介入手术机器人系统，包括导航主控电脑、扫描设备和工作站台车，工作站台车中设有带转向关节的机械臂，导航主控电脑通过有线或无线方式分别与扫描设备和机械臂的驱动设备连接；其特征在于，该系统还包括权利要求1所述的标定与误差补偿装置；其中，患者定位板和电动滑台摆放在扫描设备的床板上。

6.利用权利要求1所述装置实现介入手术机器人标定的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)计算机械臂的TCP在标定工具的光学工具局部坐标系下的坐标；

(1.1)保持机械臂的TCP位置不动，将其作为球心O；机械臂通过装在其法兰盘上的标定工具带动光学工具绕球心O旋转；利用光学定位仪采集光学工具上各反光球在旋转过程中形成的多个轨迹坐标A₁，A₂，A₃，......，A_n，得到以O为球心的球面坐标，30≤n≤50；

(1.2)利用球面拟合算法计算球心O的坐标O_A；

(1.3)取反光球轨迹中的任意5个位姿P₁、P₂、P₃、P₄、P₅，其坐标依次为Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅；计算5个位姿处的向量V₁＝O_A-Q₁、V₂＝O_A-Q₂、V₃＝O_A-Q₃、V₄＝O_A-Q₄、V₅＝O_A-Q₅；

(1.4)计算光学工具下的局部坐标V′₁、V′₂、V′₃、V′₄、V′₅，取其平均值记为V_T＝(V′₁+V′₂+V′₃+V′₄+V′₅)/5，V_T即为机械臂的TCP位置在标定工具的光学工具局部坐标系下的坐标；

(2)计算工作站台车上3个光学工具的光学小球在机械臂坐标系中的坐标，计算机械臂与光学定位仪坐标系之间的变换矩阵Mnu；

(2.1)使机械臂处于初始位置，确保工作站台车的三个光学工具始终面向光学定位仪，能被光学定位仪识别；利用光学定位仪采集这三个光学工具上的12个反光球的坐标G₁、G₂、G₃...G_i、...G₁₂；

(2.2)保持机械臂末端姿态不动，且光学工具始终面向光学定位仪，能被光学定位仪识别；在此前提下使机械臂带动标定工具运动，并记录机械臂TCP坐标的U₁、U₂、U₃......U_k和相应的标定工具上光学工具位姿N₁、N₂、N₃......N_k，9≤k≤30；根据U′＝N_k×V_T，计算得到机械臂TCP坐标U₁、U₂、U₃......U_k在光学定位仪中的坐标U′₁、U′₂、U′₃......U′_k；

(2.3)利用{U₁,U′₁},{U₂,U′₂}...{U_k,U′_k}这k对坐标构建矩阵，对矩阵做奇异值分解，得到机械臂和光学定位仪坐标系之间的变换矩阵Mnu；将光学定位仪坐标P_n通过变换矩阵Mnu转换为机械臂坐标P_u，P_u＝Mnu×P_n；

(2.4)利用变换矩阵Mnu，将工作站台车上所有反光球在光学定位仪下的坐标转换为机械臂中的坐标G′₁、G′₂、G′₃...G′_i、...G′₁₂，其中G′_i＝Mnu×G_i；

(3)将扫描图像与光学定位仪坐标系进行配准，得到扫描图像坐标系与光学定位仪坐标系之间的变换矩阵Min；

(3.1)将患者定位板放置在扫描设备的床板上，使其与患者一起进行扫描以获得扫描图像；扫描过程中，要确保患者定位板上所有光学工具的反光球所形成的靶点均被包括在扫描图像中；

(3.2)利用计算机识别扫描图像中反光球所形成的靶点的球心坐标I₁、I₂、I₃......I₈；利用光学定位仪读取患者定位板上对应的光学工具的光学小球坐标N₁、N₂、N₃......N₈；

(3.3)利用步骤(3.2)获得的坐标数据{I₁,N₁}，{I₂,N₂}......{I₈,N₈}构建矩阵，对矩阵做SVD分解，得到扫描图像的坐标系和光学定位仪坐标系之间的变换矩阵Min；图像坐标P_i通过变换矩阵Min转换为光学定位仪坐标P_n，P_n＝Min×P_i；

(4)将扫描图像中的坐标转换为机械臂坐标；

利用步骤(2)和(3)得到的两个变换矩阵进行坐标转换计算，将最终图像坐标P_i转换为机械臂坐标P_u，P_u＝Miu×P_i，其中Miu＝Mnu×Min；从而将扫描图像中的坐标转化为机械臂坐标，以用于机械臂的布针定位路径规划及行进控制。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当工作站台车与光学定位仪两者相对位置发生改变时，按下述方法对机械臂与光学定位仪进行重新标定：

(5.1)使机械臂返回初始位置，根据步骤(2.1)的内容重新采集工作站台车上三个光学工具上的共12个反光球的坐标G₁、G₂、G₃...G_i、...G₁₂；

(5.2)根据步骤(2.4)的内容，将工作站台车上所有反光球在光学定位仪下的坐标重新转换为机械臂中的坐标G′₁、G′₂、G′₃...G′_i、...G′₁₂；

(5.3)利用前述两个步骤得到的坐标{G₁,G′₁}，{G₂,G′₂}......{G₁₂,G′₁₂}构建矩阵，对矩阵做SVD分解，得到机械臂和光学定位仪坐标系之间的变换矩阵Mnu′，以更新后的变换矩阵Mnu′用于步骤(4)的坐标转化。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括利用电动滑台进行误差补偿的操作，具体包括以下步骤：

(6.1)将定位板固定在扫描设备的床板上，对定位板进行CT扫描以获得扫描图像；扫描过程中，要确保所有光学工具的反光球所形成的靶点均被包括在扫描图像中；

(6.2)利用计算机识别扫描图像中反光球所形成的靶点的球心坐标，识别扫描图像中定位板上的误差补偿件的定位标记点，并对定位板上的误差补偿标记件进行布针规划；

(6.3)将定位板固定在电动滑台上，设定机械臂自动执行步骤(6.2)所述的布针规划；

若定位针尖的实际末端位置与误差补偿标记件顶端的定位标记点存在偏差，则操作电动滑台进行移动，使定位标记点与定位针尖重合，依次记录电动滑台的偏移向量V₁、V₂、V₃......V_m；计算平均偏移向量V_d＝(V₁+V₂+V₃+......+V_m)/m，5≤m≤10；

(6.4)操作电动滑台带动定位板做任意运动，利用光学定位仪采集定位板上光学工具上各反光球在运动过程中形成的任意n个位置坐标{H₁,N₁}，{H₂,N₂}......{H_n,N_n}，n≥8；

(6.5)利用步骤(6.4)获得的n对坐标数据{H₁,N₁}，{H₂,N₂}......{H_n,N_n}构建矩阵，对矩阵做SVD分解，得到电动滑台与光学定位仪坐标系之间的变换矩阵Mhn；

(6.6)利用步骤(6.3)和(6.5)得到的结果，计算得到光学定位仪与机械臂标定误差的偏移向量V_n＝Mhn×V_d；

(6.7)在步骤(3.3)中，图像坐标P_i转换成光学定位仪坐标后为P_n，加上步骤(6.6)计算得到的偏移量V_n，校正后的坐标P_nd＝P_n+V_n；再将其转换为机械臂坐标P_u＝Mnu×P_nd，得到误差校正后的最终坐标。