CN114280923A - 一种控制锯齿的方法、装置、终端及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种控制锯齿的方法、装置、终端及存储介质，该方法包括：确定规划面的第一法向量及锯齿的锯齿面的第二法向量；确定旋转角度及旋转轴；基于旋转角度与旋转轴确定旋转矩阵；基于旋转矩阵确定欧拉角；确定调整后的锯齿面与规划面的垂直距离，并基于垂直距离控制锯齿平移，以使锯齿面与规划面处于同一平面；在锯齿在规划面进行切割时，获取锯齿的锯齿面在第一法向量所对应的方向上的位置变化数据；基于PID算法对位置变化数据进行平面误差自适应补偿。基于本方案可以实现自动准确地使得锯齿定位到规划面，且实现了平面误差自适应补偿，避免了因为使用者操作而产生的误差，保证了切割面的准确性。

Description

一种控制锯齿的方法、装置、终端及存储介质

技术领域

本发明涉及控制技术领域，尤其涉及一种控制锯齿的方法、装置、终端及存储介质。

背景技术

目前，在膝关节平面定位与切割过程中，使用者需要将手放在摆锯手持部分，由于具体的平面不容易对准，且使用者手部重量在进行切割过程中容易导致切割平面产生误差，这导致无法准确进行切割。

由此，目前需要有一种更好的方案来解决现有技术中的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种控制锯齿的方法、装置、终端及存储介质，用以解决现有技术中的问题。

具体的，本发明提出了以下具体的实施例：

本发明实施例提出了一种控制锯齿的方法，包括：

确定规划面的第一法向量及锯齿的锯齿面的第二法向量；

确定所述第一法向量与所述第二法向量的旋转角度，及确定所述第一法向量与所述第二法向量两者所在平面的旋转轴；

基于所述旋转角度与所述旋转轴确定旋转矩阵；

基于所述旋转矩阵确定欧拉角，并基于所述欧拉角对所述锯齿进行调整，以使所述锯齿面平行于所述规划面；

确定调整后的所述锯齿面与所述规划面的垂直距离，并基于所述垂直距离控制所述锯齿平移，以使所述锯齿面与所述规划面处于同一平面；

在所述锯齿在所述规划面进行切割时，获取所述锯齿的锯齿面在所述第一法向量所对应的方向上的位置变化数据；

基于PID算法对所述位置变化数据进行平面误差自适应补偿。

在一个具体的实施例中，所述确定规划面的第一法向量通过以下步骤获取：

通过NDI获取规划面上至少三个指定位置点的坐标；

基于至少三个所述坐标形成多个向量；

基于多个所述向量得到第一法向量。

在一个具体的实施例中，所述第一法向量的获取方式与所述第二法向量的获取方式相同。

在一个具体的实施例中，所述旋转角度基于以下公式计算得到：

其中，θ为旋转角度；所述P为第一法向量；所述Q为第二法向量。

在一个具体的实施例中，所述旋转轴基于以下公式计算得到：

其中，C为旋转轴；p₁、p₂、p₃三者分别为第一法向量在X轴、Y轴与Z轴的坐标；q₁、q₂、q₃三者分别为第二法向量在X轴、Y轴与Z轴的坐标。

在一个具体的实施例中，所述旋转矩阵通过以下公式计算得到：

其中，θ为旋转角度；n_x等于q₂p₃-q₃p₂；n_y等于q₃p₁-q₁p₃；n_z等于q₁p₂-q₂p₁。

在一个具体的实施例中，所述欧拉角通过以下公式计算得到：

θ₁＝atan2(r₃₂,r₃₃)；

θ₃＝atan2(r₂₁,r₁₁)；其中，θ₁、θ₂和θ₃为欧拉角；atan2()为方位角函数；r₁₁等于

r₂₁等于n_zsinθ+n_xn_y(1-cosθ)；r₃₁等于-n_ysinθ+n_xn_z(1-cosθ)；r₃₂等于n_xsinθ+n_yn_z(1-cosθ)；r₃₃等于

本发明实施例还提出了一种控制锯齿的装置，包括：

第一确定模块，用于确定规划面的第一法向量及锯齿的锯齿面的第二法向量；

第二确定模块，用于确定所述第一法向量与所述第二法向量的旋转角度，及确定所述第一法向量与所述第二法向量两者所在平面的旋转轴；

旋转矩阵模块，用于基于所述旋转角度与所述旋转轴确定旋转矩阵；

调整模块，用于基于所述旋转矩阵确定欧拉角，并基于所述欧拉角对所述锯齿进行调整，以使所述锯齿面平行于所述规划面；

平移模块，用于确定调整后的所述锯齿面与所述规划面的垂直距离，并基于所述垂直距离控制所述锯齿平移，以使所述锯齿面与所述规划面处于同一平面；

获取模块，用于在所述锯齿在所述规划面进行切割时，获取所述锯齿的锯齿面在所述第一法向量所对应的方向上的位置变化数据；

修正模块，用于基于PID算法对所述位置变化数据进行平面误差自适应补偿。

本发明实施例还提出了一种终端，包括：存储器与处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现上述的控制锯齿的方法。

本发明实施例还提出了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的控制锯齿的方法。

以此，本发明实施例提出了一种控制锯齿的方法、装置、终端及存储介质，该方法包括：确定规划面的第一法向量及锯齿的锯齿面的第二法向量；确定所述第一法向量与所述第二法向量的旋转角度，及确定所述第一法向量与所述第二法向量两者所在平面的旋转轴；基于所述旋转角度与所述旋转轴确定旋转矩阵；基于所述旋转矩阵确定欧拉角，并基于所述欧拉角对所述锯齿进行调整，以使所述锯齿面平行于所述规划面；确定调整后的所述锯齿面与所述规划面的垂直距离，并基于所述垂直距离控制所述锯齿平移，以使所述锯齿面与所述规划面处于同一平面；在所述锯齿在所述规划面进行切割时，获取所述锯齿的锯齿面在所述第一法向量所对应的方向上的位置变化数据；基于PID算法对所述位置变化数据进行平面误差自适应补偿。基于本方案可以实现自动准确地使得锯齿定位到规划面，且实现了平面误差自适应补偿，避免了因为使用者操作而产生的误差，保证了切割面的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。

图1示出了本发明实施例提出的一种控制锯齿的方法的流程示意图；

图2示出了本发明实施例提出的一种控制锯齿的装置的结构示意图；

图3示出了本发明实施例提出的一种终端的结构示意图；

图4示出了本发明实施例提出的一种存储介质的结构示意图。

图例说明：

201-第一确定模块；202-第二确定模块；203-旋转矩阵模块；

204-调整模块；205-平移模块；206-获取模块；207-修正模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

实施例1

本发明实施例1公开了一种控制锯齿的方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S101、确定规划面的第一法向量及锯齿的锯齿面的第二法向量；

具体的，所述确定规划面的第一法向量通过以下步骤获取：

通过NDI获取规划面上至少三个指定位置点的坐标；基于至少三个所述坐标形成多个向量；基于多个所述向量得到第一法向量。

具体的，可以通过患者膝关节术前CT图像，根据患者的具体情况和医生要求选择合适的人工关节假体，在人工关节假体的膝关节股骨端规划出规划面。通过NDI可以获取规划面上点的坐标，例如选取截面上的3个点A＝(x₁,y₁,z₁)，B＝(x₂,y₂,z₂)，C＝(x₃,y₃,z₃)；

这三个点可以形成3个向量,比如向量AB,向量AC和向量BC；

向量AB的坐标是(x2-x1,y2-y1,z2-z1)；

向量AC的坐标是(x3-x1,y3-y1,z3-z1)；

向量BC的坐标是(x3-x2,y3-y2,z3-z2)均为已知。

在此情况下，设规划面的法向量坐标是P(x,y,z)根据法向量定义的：

(x₂-x₁)·x+(y₂-y₁)·y+(z₂-z₁)·z＝0；

(x₃-x₁)·x+(y₃-y₁)·y+(z₃-z₁)·z＝0；

(x₃-x₂)·x+(y₃-y₂)·y+(z₃-z₂)·z＝0；

解出来P(x,y,z)就是平面法向量的坐标。

进一步的，所述第一法向量的获取方式与所述第二法向量的获取方式相同。同上述规划面的法向量计算方法，也可以计算出锯齿平面的法向量；具体的，也可以通过NDI(光学定位装置)在锯齿上获取3个点的坐标，根据3个点的坐标，可以求出锯齿的平面法向量Q。

步骤S102、确定所述第一法向量与所述第二法向量的旋转角度，及确定所述第一法向量与所述第二法向量两者所在平面的旋转轴；

具体的，所述旋转角度基于以下公式计算得到：

其中，θ为旋转角度；所述P为第一法向量；所述Q为第二法向量。

进一步的，所述旋转轴基于以下公式计算得到：

其中，C为旋转轴；p₁、p₂、p₃三者分别为第一法向量在X轴、Y轴与Z轴的坐标；q₁、q₂、q₃三者分别为第二法向量在X轴、Y轴与Z轴的坐标。

具体的，还可以根据锯齿移动过程中的实时法线，判断是否需要反转法线，旋转轴为负数代表当前锯齿平面的法线和规划平面的法线方向相反，则需要反转法线(反转法线指的是改变法线方向将法线方向调转180度)。

步骤S103、基于所述旋转角度与所述旋转轴确定旋转矩阵；

所述旋转矩阵通过以下公式计算得到：

其中，θ为旋转角度；n_x等于q₂p₃-q₃p₂；n_y等于q₃p₁-q₁p₃；n_z等于q₁p₂-q₂p₁。

步骤S104、基于所述旋转矩阵确定欧拉角，并基于所述欧拉角对所述锯齿进行调整，以使所述锯齿面平行于所述规划面；

在一个具体的实施例中，具体的，出于简要表述的目的，旋转矩阵还可以表述为：

由此，所述欧拉角通过以下公式计算得到：

θ₁＝atan2(r₃₂,r₃₃)；

θ₃＝atan2(r₂₁,r₁₁)；其中，θ₁、θ₂和θ₃为欧拉角；atan2()为方位角函数；r₁₁等于

r₂₁等于n_zsinθ+n_xn_y(1-cosθ)；r₃₁等于-n_ysinθ+n_xn_z(1-cosθ)；r₃₂等于n_xsinθ+n_yn_z(1-cosθ)；r₃₃等于

进一步的，基于所述欧拉角对所述锯齿进行调整具体是基于姿态变化运动方程来进行的：

Euler(θ₁,θ₂,θ₃)＝Rot(z,θ₁)Rot(y,θ₂)Rot(x,θ₃)；其中，x、y、z为在X轴、Y轴与Z轴上的调整值。

此外，具体的，锯齿是按照在机械臂上的，因此锯齿的调整以及切割等操作均可以是基于机械臂来完成的。

步骤S105、确定调整后的所述锯齿面与所述规划面的垂直距离，并基于所述垂直距离控制所述锯齿平移，以使所述锯齿面与所述规划面处于同一平面；

具体的，可以根据锯齿末端所在平面的中心点坐标D＝(x₄,y₄,z₄)，与规划平面上一点坐标E＝(x₅,y₅,z₅)，规划平面的法向量为P，求出锯齿末端所在平面的中心点距离规划平面的垂直距离d；其具体的计算公式如下：

步骤S106、在所述锯齿在所述规划面进行切割时，获取所述锯齿的锯齿面在所述第一法向量所对应的方向上的位置变化数据；

步骤S107、基于PID算法对所述位置变化数据进行平面误差自适应补偿。

具体的，仍以上述为例来进行说明，在机械臂末端的锯齿定位到规划平面后，根据使用者把持摆锯前后在X轴(x轴方向既为第一法向量的方向)的数值变化，将x轴方向数值作为误差，利用PID(Proportion Integral Differential，一种结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法)算法对x轴上下方向数值进行补偿，使x轴数值趋近于0。

由此，本方案中，通过NDI光学定位装置与机械臂相结合(获取膝关节图像坐标信息，锯齿坐标信息，上位机根据NDI获取的坐标信息计算出机械臂末端位姿变化所需要的末运动方程，机械臂通过运动方程旋转运动到相应的位姿)，为机械臂提供位置信息，在临床手术过程中实现锯齿自动定位到规划面的功能。在规划平面范围内，PID控制算法与机械臂相结合，在临床手术过程中实现平面误差自适应补偿功能，避免了因为使用者操作而产生的误差，保证了切割面的准确性。

实施例2

为了对本方案进行进一步的说明，本发明实施例2还公开了一种控制锯齿的装置，如图2所示，包括：

第一确定模块201，用于确定规划面的第一法向量及锯齿的锯齿面的第二法向量；

第二确定模块202，用于确定所述第一法向量与所述第二法向量的旋转角度，及确定所述第一法向量与所述第二法向量两者所在平面的旋转轴；

旋转矩阵模块203，用于基于所述旋转角度与所述旋转轴确定旋转矩阵；

调整模块204，用于基于所述旋转矩阵确定欧拉角，并基于所述欧拉角对所述锯齿进行调整，以使所述锯齿面平行于所述规划面；

平移模块205，用于确定调整后的所述锯齿面与所述规划面的垂直距离，并基于所述垂直距离控制所述锯齿平移，以使所述锯齿面与所述规划面处于同一平面；

获取模块206，用于在所述锯齿在所述规划面进行切割时，获取所述锯齿的锯齿面在所述第一法向量所对应的方向上的位置变化数据；

修正模块207，用于基于PID算法对所述位置变化数据进行平面误差自适应补偿。

在一个具体的实施例中，所述确定规划面的第一法向量通过以下步骤获取：通过NDI获取规划面上至少三个指定位置点的坐标；基于至少三个所述坐标形成多个向量；基于多个所述向量得到第一法向量。

在一个具体的实施例中，所述第一法向量的获取方式与所述第二法向量的获取方式相同。

在一个具体的实施例中，所述旋转角度基于以下公式计算得到：

其中，θ为旋转角度；所述P为第一法向量；所述Q为第二法向量。

在一个具体的实施例中，所述旋转轴基于以下公式计算得到：

其中，C为旋转轴；p₁、p₃、p₃三者分别为第一法向量在X轴、Y轴与Z轴的坐标；q₁、q₂、q₃三者分别为第二法向量在X轴、Y轴与Z轴的坐标。

在一个具体的实施例中，所述旋转矩阵通过以下公式计算得到：

其中，θ为旋转角度；n_x等于q₂p₃-q₃p₂；n_y等于q₃p₁-q₁p₃；n_z等于q₁p₂-q₂p₁。

在一个具体的实施例中，所述欧拉角通过以下公式计算得到：

θ₁＝atan2(r₃₂,r₃₃)；

θ₃＝atan2(r₂₁,r₁₁)；其中，θ₁、θ₂和θ₃为欧拉角；atan2()为方位角函数；r₁₁等于

r₂₁等于n_zsinθ+n_xn_y(1-cosθ)；r₃₁等于-n_ysinθ+n_xn_z(1-cosθ)；r₃₂等于n_xsinθ+n_yn_z(1-cosθ)；r₃₃等于

实施例3

本发明实施例3还公开了一种终端，如图3所示，包括：存储器与处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现实施例1中所述的控制锯齿的方法。

实施例4

本发明实施例4一种存储介质，如图4所示，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现实施例1中所述的控制锯齿的方法。

以此，本发明实施例提出了一种控制锯齿的方法、装置、终端及存储介质，该方法包括：确定规划面的第一法向量及锯齿的锯齿面的第二法向量；确定所述第一法向量与所述第二法向量的旋转角度，及确定所述第一法向量与所述第二法向量两者所在平面的旋转轴；基于所述旋转角度与所述旋转轴确定旋转矩阵；基于所述旋转矩阵确定欧拉角，并基于所述欧拉角对所述锯齿进行调整，以使所述锯齿面平行于所述规划面；确定调整后的所述锯齿面与所述规划面的垂直距离，并基于所述垂直距离控制所述锯齿平移，以使所述锯齿面与所述规划面处于同一平面；在所述锯齿在所述规划面进行切割时，获取所述锯齿的锯齿面在所述第一法向量所对应的方向上的位置变化数据；基于PID算法对所述位置变化数据进行平面误差自适应补偿。基于本方案可以实现自动准确地使得锯齿定位到规划面，且实现了平面误差自适应补偿，避免了因为使用者操作而产生的误差，保证了切割面的准确性。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。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或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、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方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种控制锯齿的方法，其特征在于，包括：

确定规划面的第一法向量及锯齿的锯齿面的第二法向量；

确定所述第一法向量与所述第二法向量的旋转角度，及确定所述第一法向量与所述第二法向量两者所在平面的旋转轴；

基于所述旋转角度与所述旋转轴确定旋转矩阵；

基于所述旋转矩阵确定欧拉角，并基于所述欧拉角对所述锯齿进行调整，以使所述锯齿面平行于所述规划面；

确定调整后的所述锯齿面与所述规划面的垂直距离，并基于所述垂直距离控制所述锯齿平移，以使所述锯齿面与所述规划面处于同一平面；

在所述锯齿在所述规划面进行切割时，获取所述锯齿的锯齿面在所述第一法向量所对应的方向上的位置变化数据；

基于PID算法对所述位置变化数据进行平面误差自适应补偿。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定规划面的第一法向量通过以下步骤获取：

通过NDI获取规划面上至少三个指定位置点的坐标；

基于至少三个所述坐标形成多个向量；

基于多个所述向量得到第一法向量。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一法向量的获取方式与所述第二法向量的获取方式相同。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋转角度基于以下公式计算得到：

其中，θ为所述旋转角度；所述P为第一法向量；所述Q为第二法向量。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋转轴基于以下公式计算得到：

其中，C为旋转轴；p₁、p₂、p₃三者分别为第一法向量在X轴、Y轴与Z轴的坐标；q₁、q₂、q₃三者分别为第二法向量在X轴、Y轴与Z轴的坐标。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述旋转矩阵通过以下公式计算得到：

其中，θ为所述旋转角度；n_x等于q₂p₃-q₃p₂；n_y等于q₃p₁-q₁p₃；n_z等于q₁p₂-q₂p₁。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述欧拉角通过以下公式计算得到：

θ₁＝a tan 2(r₃₂,r₃₃)；

θ₃＝a tan 2(r₂₁,r₁₁)；其中，θ₁、θ₂和θ₃为欧拉角；a tan 2()为方位角函数；r₁₁等于

r₂₁等于n_zsinθ+n_xn_y(1-cosθ)；r₃₁等于-n_ysinθ+n_xn_z(1-cosθ)；r₃₂等于n_xsinθ+n_yn_z(1-cosθ)；r₃₃等于

8.一种控制锯齿的装置，其特征在于，包括：

第一确定模块，用于确定规划面的第一法向量及锯齿的锯齿面的第二法向量；

第二确定模块，用于确定所述第一法向量与所述第二法向量的旋转角度，及确定所述第一法向量与所述第二法向量两者所在平面的旋转轴；

旋转矩阵模块，用于基于所述旋转角度与所述旋转轴确定旋转矩阵；

调整模块，用于基于所述旋转矩阵确定欧拉角，并基于所述欧拉角对所述锯齿进行调整，以使所述锯齿面平行于所述规划面；

平移模块，用于确定调整后的所述锯齿面与所述规划面的垂直距离，并基于所述垂直距离控制所述锯齿平移，以使所述锯齿面与所述规划面处于同一平面；

获取模块，用于在所述锯齿在所述规划面进行切割时，获取所述锯齿的锯齿面在所述第一法向量所对应的方向上的位置变化数据；

修正模块，用于基于PID算法对所述位置变化数据进行平面误差自适应补偿。

9.一种终端，其特征在于，包括：存储器与处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任一项所述的控制锯齿的方法。

10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现权利要求1-7任一项所述的控制锯齿的方法。

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