CN114407021A - 牙科手术机械臂控制方法、装置、计算机终端及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了牙科手术机械臂控制方法、装置、计算机终端及存储介质，该方法包括：采集机械臂数据，根据所采集的数据计算机械臂坐标系到系统坐标系的第一转换矩阵；采集患者在系统坐标系下的数据，建立由系统坐标系到图像坐标系的第二转换矩阵；在图像坐标系中建立手术区坐标系，并计算图像坐标系到手术区坐标系的第三转换矩阵，根据第三转换矩阵进行术前规划；计算机械臂在图像坐标系到手术区坐标系的第四转换矩阵；根据手术区坐标系以及术前规划的结果，定位机械臂的目标位置及目标姿态，阵确定机械臂的实时位置和实时姿态，发送控制指令步进控制机械臂到达目标位置及目标姿态。使得控制更加精确。
Description
技术领域
本发明涉及机械臂控制领域，尤其涉及牙科手术机械臂控制方法、装置、计算机终端及存储介质。
背景技术
随着人们生活水平的提高和人口老龄化，牙齿种植市场的需求不断增加。但由于传统技术效率低、种植体的安装精度低且手术效果受医生个人的经验影响较大，无法满足人们对高质量牙科种植效果的要求。牙科机器人可以弥补上述不足。牙科机器人主要分为两个系统，即软件导航系统和机器臂控制系统。软件导航系统实时显示种植体的STL模型在3D图像空间中的位置情况，从3D图像上可以看出种植体的安装位置是否合理，实时地测量和显示当前种植体位置与规划位置的距离和角度偏差。
传统手术的种植过程中，医生根据个人经验判断打磨钻针尖位置距离邻牙的距离以及距离舌侧或是脸颊的距离，很容易导致种植位置在水平面(与种植体中心线垂直的平面)上的偏差。医生需要通过固定深度的定深钻和导板才能限制打磨钻打磨的最大深度，以避免打磨过程中触碰到神经管等重要的软组织。整个种植的过程复杂且受个人经验影响较大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种牙科手术机械臂控制方法，包括：
采集机械臂数据，根据所采集的数据计算机械臂坐标系到系统坐标系的第一转换矩阵；
采集患者在所述系统坐标系下的数据，建立由所述系统坐标系到图像坐标系的第二转换矩阵；
在所述图像坐标系中建立手术区坐标系，并计算所述图像坐标系到所述手术区坐标系的第三转换矩阵，根据所述第三转换矩阵进行术前规划；
计算所述机械臂在所述图像坐标系到所述手术区坐标系的第四转换矩阵；
根据所述手术区坐标系以及所述术前规划的结果，定位所述机械臂的目标位置及目标姿态，根据所述第一转换矩阵、所述第二转换矩阵和所述第四转换矩阵确定所述机械臂的实时位置和姿态，发送控制指令步进控制所述机械臂到达所述目标位置及目标姿态。
进一步的，所述建立手术区坐标系包括：
确立患者的牙弓线，在需要进行手术的牙齿位置处，计算与所述牙弓线相切且指向远中的第一向量；
计算与所述第一向量垂直且指向舌侧的第二向量；
将所述第一向量和所述第二向量进行叉乘运算得到第三向量；
以所述第一向量、所述第二向量和所述第三向量作为所述手术区坐标系的基向量；
以所述牙弓线上的所述手术区的中心点沿所述第三向量的相反方向移动预设坐标单位后的坐标点为所述手术区坐标系的原点，建立所述手术区坐标系。
进一步的，根据所述第一转换矩阵、所述第二转换矩阵和所述第四转换矩阵确定所述机械臂的实时位置和姿态包括：
将所述第四转换矩阵乘以所述第一转换矩阵的逆矩阵以及所述第二转换矩阵的逆矩阵，得到所述机械臂的姿态描述矩阵，根据所述姿态描述矩阵确定所述机械臂的实时位置和姿态。
进一步的，根据所述手术区坐标系以及所述术前规划的结果，根据所述手术区坐标系以及所述术前规划的结果，定位所述机械臂的目标位置及目标姿态包括：
所述手术区坐标系原点的第三向量预设距离处为所述目标位置；
所述预设距离为术前规划所设定的规划距离和保护距离之和，所述保护距离为预设的默认数值；
所述目标姿态为所述术前规划所设计的姿态。
进一步的，根据所述第三转换矩阵进行术前规划包括：
在所述图像坐标系下设定所述手术区进行手术时的各项参数，再根据所述第三转换矩阵，将所设定的所述各项参数转换到所述手术区坐标系中。
进一步的，采集机械臂数据，根据所采集的数据计算所述机械臂坐标系到系统坐标系的第一转换矩阵包括：
在所述机械臂的末端处设置标记装置，通过NDI设备采集所述机械臂在不同空间位姿时所述标记装置的空间坐标；
用最近点搜索法对所采集的所述空间坐标进行数据配准，得到所述第一转换矩阵。
进一步的，发送控制指令步进控制所述机械臂到达所述目标位置进行手术包括：
设置步进最小幅度值，当所述机械臂移动达到最小幅度值时，更新所述第四转换矩阵和所述机械臂的实时位置与姿态，以实时更新所述控制指令，所述最小幅度值包括所述机械臂的平移距离、旋转角度和倾斜角度中的至少一种。
进一步的，本申请实施例还提供一种牙科手术机械臂控制装置，包括：
第一转换装置，用于采集机械臂数据，根据所采集的数据计算机械臂坐标系到系统坐标系的第一转换矩阵；
第二转换装置，用于采集患者在所述系统坐标系下的数据，建立由所述系统坐标系到图像坐标系的第二转换矩阵；
术前规划装置，用于在所述图像坐标系中建立手术区坐标系，并计算所述图像坐标系到所述手术区坐标系的第三转换矩阵，根据所述第三转换矩阵进行术前规划；
第三转换装置，用于计算所述机械臂在所述图像坐标系到所述手术区坐标系的第四转换矩阵；
控制装置，用于根据所述手术区坐标系以及术前规划的结果，定位所述机械臂的目标位置及目标姿态，根据所述第一转换矩阵、所述第二转换矩阵和所述第四转换矩阵确定所述机械臂的实时位置和姿态，发送控制指令步进控制所述机械臂到达所述目标位置及目标姿态。
进一步的，本申请还提供一种计算机终端，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序在所述处理器上运行时执行上述实施例中任一项所述的牙科手术机械臂控制方法。
进一步的，本申请还提供一种可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序在处理器上运行时执行上述实施例中任一项所述的牙科手术机械臂控制方法。
本申请提供一种牙科手术机械臂控制方法包括：采集机械臂数据，根据所采集的数据计算机械臂坐标系到系统坐标系的第一转换矩阵；采集患者在所述系统坐标系下的数据，建立由所述系统坐标系到图像坐标系的第二转换矩阵；在所述图像坐标系中建立手术区坐标系，并计算所述图像坐标系到所述手术区坐标系的第三转换矩阵，根据所述第三转换矩阵进行术前规划；计算所述机械臂在所述图像坐标系到所述手术区坐标系的第四转换矩阵；根据所述手术区坐标系以及术前规划的结果，定位所述机械臂的目标位置及目标姿态，根据所述第一转换矩阵、所述第二转换矩阵和所述第四转换矩阵确定所述机械臂的实时位置和姿态，发送控制指令步进控制所述机械臂到达所述目标位置及目标姿态。本申请的技术方案提高口腔收束的精度，避免因为医生手抖或是经验不足导致的种植偏差以及可以将医生种植的过程进行数字化地记录，降低种植手术学习的门槛。
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示出了本申请一种牙科手术机械臂控制方法流程示意图；
图2示出了本申请牙弓线及口腔内部结构示意图；
图3示出了本申请口腔内牙弓线CBCT示意图；
图4示出了本申请手术区坐标系建立局部示意图；
图5示出了本申请CBCT图像坐标系下手术区坐标系建立示意图；
图6示出了本申请一种牙科手术机械臂控制装置结构示意图。
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。
本申请的技术方案应用于牙科手术机械臂，在该应用场景中，由一台上位机控制机械臂的运动，医生可以在该上位机上，通过对患者的CBCT(Cone beam CT)扫描图像上进行手术的术前规划，确定机械臂所要执行的任务，同时还连有一台NDI(Network DeviceInterface)设备，该设备可以是一台双目摄像机或者其他的可以反馈图像信息的设备，可全程观测患者和机械臂，并将图像反馈给上位机。
接下来以具体实施例来解释本申请的技术方案。
实施例1
如图1所示，本申请的技术方案包括以下步骤：
步骤S100，采集机械臂数据，根据所采集的数据计算机械臂坐标系到系统坐标系的第一转换矩阵；
在实施手术前，需要将手术机械臂的坐标系和由上述NDI设备所拍摄到的系统坐标系进行配准，可以通过在所述机械臂的末端处设置标记装置，然后NDI设备采集所述机械臂在不同空间位姿时所述标记装置的空间坐标，这样可以得到在系统坐标系下，机械臂的一系列坐标，而对于机械臂本身而言，也存在机械臂自身的坐标系，机械臂自身的坐标可以通过自身数据直接得到，然后上位机记录下与NDI坐标系(也就是系统坐标系)下对应的机械臂坐标数据，可以得到若干坐标对，只要得到足够的坐标对，就可以计算出机械臂坐标系到系统坐标系的转换关系，也就是第一转换矩阵。
得到这些坐标数据后，可以使用最近点搜索法对所采集的所述空间坐标进行数据配准，得到所述第一转换矩阵，通过该转换矩阵，可以计算在机械臂坐标系中的某个坐标值在系统坐标系下是怎样的，也可以反算在系统坐标系中的某个坐标值，在机械臂中是怎样的，方便后续上位机下达控制指令，以将在不同坐标系的控制命令转化成机械臂坐标系中的命令。
步骤S200，采集患者在所述系统坐标系下的数据，建立由所述系统坐标系到图像坐标系的第二转换矩阵；
类似于上述步骤100，在牙科手术前，患者都会进行CBCT拍摄，拍摄时都会让患者咬住咬合夹板，咬合夹板上具多个放射阻射标记点。CT拍摄结束后可以从图像中直接获取这些标记点在图像坐标系中的位置。让病人躺在NDI设备视野范围内，获取这些标记点在系统坐标系中的位置。然后同样也可以使用最近点搜索法计算从系统坐标系到图像坐标系(也就是CBCT图像的坐标系)的第二转换矩阵。
显然，在得到第一转换矩阵和第二转换矩阵后，机械臂坐标系可以通过这两个矩阵转换到CBCT坐标系中，而在上位机里，医生就是在CBCT图像上对患者的牙齿进行术前规划的，由此医生术前规划的坐标数据也可以通过该第一转换矩阵和第二转换矩阵转换成手术机械臂坐标系下的坐标数据，为之后的手术机械臂控制提供了基础条件。
步骤S300，在所述图像坐标系中建立手术区坐标系，并计算所述图像坐标系到所述手术区坐标系的第三转换矩阵，根据所述第三转换矩阵进行术前规划；
以种植体手术为例，医生需要在患者需要种植牙齿的地方确定种植体的深度，大小，植入方向以及种植体在空间中的位姿数据，为此也需要建立一个属于该种植体的坐标系，即手术区坐标系。
具体而言，如图2和图3所示，图中的圆圈代表牙齿，根据这些牙齿可以先确立患者的牙弓线10，在需要进行手术的牙齿位置处，计算与所述牙弓线相切且指向远中(也就是后脑勺方向)的第一向量30；计算与所述第一向量垂直且指向舌侧(舌头的侧面)的第二向量40；将所述第一向量和所述第二向量进行叉乘运算得到第三向量；该第三向量垂直于上述的第一向量和第二向量所在的平面。以所述第一向量、所述第二向量和所述第三向量作为所述手术区坐标系的基向量。
进一步的，可以参照图4和图5所示的手术区坐标系，该坐标系随种植体20设置，第一向量30和牙弓线相切，指向远中方向，第二向量40和第一向量垂直，且指向舌侧方向，第三向量50由第一向量30和第二向量40进行叉乘得到，垂直于第一向量30和第二向量40所在平面，最终以这三个向量为基向量，形成如图4所示的手术区坐标系。
坐标系的原点，则以所述牙弓线上的所述手术区的中心点沿所述第三向量的相反方向移动预设坐标单位后的坐标点为所述手术区坐标系的原点，建立所述手术区坐标系。其中该预设坐标单位根据植入体大小变化，因为一般来讲，手术区的中心会是植入体的中心，因此这移动的预设坐标单位会是植入体深度的一半，其中第三向量50应当指向牙床的方向，否则取反，或者说种植体的根尖方向，因此按照上述方法确定坐标系原点位置后，使得原点位置和种植体头部重叠，而该位置也相当于打磨钻将要开始打磨的起始坐标，便于后续手术中的控制和监管。
在建立完所述手术区坐标系后，也需要将手术区坐标系和图像坐标系进行配准，即计算从所述图像坐标系到所述手术区坐标系的第三转换矩阵，因为该手术区坐标系位于CBCT图像内，所以一切对应的坐标数据可以直接得到，因此也可以通过最近点搜索法来获得该第三转换矩阵。
得到第三转换矩阵后，医生在CBCT图像上进行术前规划，确定种植体的位置角度以及姿态等各项参数数据，都可以通过该第三转换矩阵转换成手术区坐标系中的参数数据，实现从CBCT图像上到手术区坐标系的术前规划。
步骤S400，计算所述机械臂在所述图像坐标系到所述手术区坐标系的第四转换矩阵；
由前述步骤可知，机械臂通过第一转换矩阵和第二转换矩阵，实现了从机械臂坐标系到图像坐标系的配准，而最终的手术是在步骤S300中的手术区坐标系中执行的，因此还需要将机械臂和手术区坐标系配准，以计算第四转换矩阵，该转换矩阵可以通过第一转换矩阵、第二转换矩阵和第三转换矩阵直接相乘计算得到所述第四转换矩阵。
步骤S500，根据所述手术区坐标系以及所述术前规划的结果，定位所述机械臂的目标位置及目标姿态，根据所述第一转换矩阵、所述第二转换矩阵和所述第四转换矩阵确定所述机械臂的实时位置和姿态，发送控制指令步进控制所述机械臂到达所述目标位置及目标姿态。
根据术前规划结果，确定了种植体的种植位置以及角度等参数，接下来便是控制机械臂来执行种植体的种植手术，而根据种植手术流程，需要机械臂前端的工具以一个稳定的角度和姿态来进行打磨和种植操作，而打磨操作是在牙床的骨质上进行的，但是直接将机械臂定位至骨质所在是危险的，打磨错误会有不可逆的伤害，所以对于机械臂来讲，其开始工作的目标位置应当是所述手术区坐标系原点的第三向量所在轴预设距离处，所述预设距离为术前规划所设定的规划距离和保护距离之和，所述保护距离为预设的默认数值，可以由医生根据经验定义，主要是用于防止机械臂直接定位到骨质引发不可逆后果。
确定了机械臂的目标位置后，还需要把控机械臂的姿态，虽然确定了目标位置，但是对机械臂来讲，并不能完全确定最终的机械臂位姿，因为机械臂围绕末端的工具可以由360度不同的位姿状态，而有些位姿显然是奇异位，是危险的，因此可以在术前规划的时候就规划好机械臂的目标姿态，或者由机械臂自主排查奇异位，通过建立雅克比矩阵的方式求得非奇异位置的最优解。
因此还需要实时管控机械臂的位姿，对此可以根据前述步骤中计算得到的第一转换矩阵、第二转换矩阵和第四转换矩阵来确定机械臂的实时位置和实时姿态，以对机械臂的当前状态有一个良好把控。
其中，具体计算方法为将所述第四转换矩阵乘以所述第一转换矩阵的逆矩阵以及所述第二转换矩阵的逆矩阵，得到所述机械臂的姿态描述矩阵，根据所述姿态描述矩阵确定所述机械臂的实时位置和姿态，具体公式如下。
式中T4为第四转换矩阵，T1 -1为第一转换矩阵的逆矩阵，
为第二转换矩阵的逆矩阵，T姿为姿态描述矩阵。
确定了目标位置，并进行姿态控制，则可以依照术前规划控制机械臂到达目标位置来进行手术，该控制方法可以是步进控制，可以在系统内设置步进最小幅度值，当所述机械臂移动达到最小幅度值时，更新所述姿态描述矩阵，以同步更新所述机械臂的实时位置与姿态，这样根据机械臂的新姿态和位置，可以实时更新所述控制指令。
其中最小移动幅度包括所述机械臂的平移距离、旋转角度和倾斜角度中的至少一种。例如最小平移距离可以设置为0.5mm，意味着机械臂在前进、后退、左右等方向移动了0.5mm，则需要重新更新上述第四转换矩阵，倾斜角度则指的是末端工具相对于水平位置的倾斜角度的变化，比如设置0.5度，则代表末端工具倾斜了0.5度就需要重新计算上述姿态描述矩阵，旋转角度则指的是机械臂相对于末端工具所在轴的旋转角度，如设立0.5度的旋转角度，使得在机械臂旋转了0.5度后也重新确立一次姿态。该旋转角度反映了机械臂本身的姿态情况，通过对旋转角度的把控，防止奇异点的产生，确保手术安全。
其中需要确定第三向量50的正方向是朝向牙床的，否则对所述第三向量取反，以保证机械臂末端工具前进方向为第三向量50的正方向，后退为第三向量50的反方向，以方便后续医师的控制操作。
开始手术时，机械臂会移动到所需打磨的骨质上方一定距离，由医生进一步进行精细的打磨控制，此时机械臂末端工具和手术区坐标系重合，并且随着打磨深度和位置的变化，两个坐标系会进行同步变化，也就是说，在实际手术过程中，手术区坐标系和机械臂坐标系合二为一成为同一个坐标系，同时反映了机械臂的工作状态和手术进度的实时变化。
进一步的，在整个手术过程中，医生的操作会产生很多数据，如术前规划数据，手术中对机械臂的控制数据，这些数据都可以被系统的记录下来作为病例样本进行教学示例，同时也可以留下基于CBCT图像的手术流程数据，便于新手医生的学习，减少了入门门槛。
本申请通过对手术中各个坐标系进行配准，最终使得手术机械臂的坐标系和手术区坐标系可以相互转化，使得医生在CBCT图像坐标系下进行术前规划的参数设置可以准确转换成机械臂坐标系，以准确的控制机械臂的移动，减少误差，同时还计算了机械臂在运动中的姿态描述矩阵，通过步进控制的方式，实时更新机械臂的当前数据，让医生可以更好的把控当前手术状态和进度，实时调整机械臂的位置和姿态，让机械臂可以更好的达到医生需要的位置和姿态，避免机械臂到达奇异位在手术中危害患者。并且整个操控过程简单直观，医生只需要在CBCT图像上对手术区进行规划，并且控制机械臂运作即可，避免因为医生手抖或是经验不足导致的种植偏差以及可以将医生种植的过程进行数字化地记录，降低种植手术学习的门槛。
实施例2
如图6所示，本申请实施例还提供一种牙科手术机械臂控制装置，包括：
第一转换装置100，用于采集机械臂数据，根据所采集的数据计算机械臂坐标系到系统坐标系的第一转换矩阵；
第二转换装置200，用于采集患者在所述系统坐标系下的数据，建立由所述系统坐标系到图像坐标系的第二转换矩阵；
术前规划装置300，用于在所述图像坐标系中建立手术区坐标系，并计算所述图像坐标系到所述手术区坐标系的第三转换矩阵，根据所述第三转换矩阵进行术前规划；
第三转换装置400，用于计算所述机械臂在所述图像坐标系到所述手术区坐标系的第四转换矩阵；
控制装置500，用于根据所述手术区坐标系以及术前规划的结果，定位所述机械臂的目标位置及目标姿态，根据所述第一转换矩阵、所述第二转换矩阵和所述第四转换矩阵确定所述机械臂的实时位置和姿态，发送控制指令步进控制所述机械臂到达所述目标位置及目标姿态。
进一步的，本申请还提供一种计算机终端，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序在所述处理器上运行时执行上述实施例中任一项所述的牙科手术机械臂控制方法。
进一步的，本申请还提供一种可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序在处理器上运行时执行上述实施例中任一项所述的牙科手术机械臂控制方法。
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)
1.一种牙科手术机械臂控制方法，其特征在于，包括：
采集机械臂数据，根据所采集的数据计算机械臂坐标系到系统坐标系的第一转换矩阵；
采集患者在所述系统坐标系下的数据，建立由所述系统坐标系到图像坐标系的第二转换矩阵；
在所述图像坐标系中建立手术区坐标系，并计算所述图像坐标系到所述手术区坐标系的第三转换矩阵，根据所述第三转换矩阵进行术前规划；
计算所述机械臂在所述图像坐标系到所述手术区坐标系的第四转换矩阵；
根据所述手术区坐标系以及所述术前规划的结果，定位所述机械臂的目标位置及目标姿态，根据所述第一转换矩阵、所述第二转换矩阵和所述第四转换矩阵确定所述机械臂的实时位置和实时姿态，发送控制指令步进控制所述机械臂到达所述目标位置及目标姿态。
2.根据权利要求1所述的牙科手术机械臂控制方法，其特征在于，所述建立手术区坐标系包括：
确立患者的牙弓线，在需要进行手术的牙齿位置处，计算与所述牙弓线相切且指向远中的第一向量；
计算与所述第一向量垂直且指向舌侧的第二向量；
将所述第一向量和所述第二向量进行叉乘运算得到第三向量；
以所述第一向量、所述第二向量和所述第三向量作为所述手术区坐标系的基向量；
以所述牙弓线上的所述手术区的中心点沿所述第三向量的相反方向移动预设坐标单位后的坐标点为所述手术区坐标系的原点，建立所述手术区坐标系。
3.根据权利要求1所述的牙科手术机械臂控制方法，其特征在于，根据所述第一转换矩阵、所述第二转换矩阵和所述第四转换矩阵确定所述机械臂的实时位置和实时姿态包括：
将所述第四转换矩阵乘以所述第一转换矩阵的逆矩阵以及所述第二转换矩阵的逆矩阵，得到所述机械臂的姿态描述矩阵，根据所述姿态描述矩阵确定所述机械臂的实时位置和实时姿态。
4.根据权利要求2所述的牙科手术机械臂控制方法，其特征在于，根据所述手术区坐标系以及所述术前规划的结果，定位所述机械臂的目标位置及目标姿态包括：
所述手术区坐标系原点的第三向量预设距离处为所述目标位置；
所述预设距离为术前规划所设定的规划距离和保护距离之和，所述保护距离为预设的默认数值；
所述目标姿态为所述术前规划所设计的姿态。
5.根据权利要求1所述的牙科手术机械臂控制方法，其特征在于，根据所述第三转换矩阵进行术前规划包括：
在所述图像坐标系下设定所述手术区进行手术时的各项参数，再根据所述第三转换矩阵，将所设定的所述各项参数转换到所述手术区坐标系中。
6.根据权利要求1所述的牙科手术机械臂控制方法，其特征在于，采集机械臂数据，根据所采集的数据计算所述机械臂坐标系到系统坐标系的第一转换矩阵包括：
在所述机械臂的末端处设置标记装置，通过NDI设备采集所述机械臂在不同空间位姿时所述标记装置的空间坐标；
用最近点搜索法对所采集的所述空间坐标进行数据配准，得到所述第一转换矩阵。
7.根据权利要求1所述的牙科手术机械臂控制方法，其特征在于，发送控制指令步进控制所述机械臂到达所述目标位置及目标姿态：
设置步进最小幅度值，当所述机械臂移动达到最小幅度值时，更新所述第四转换矩阵和所述机械臂的实时位置与实时姿态，以实时更新所述控制指令，所述最小幅度值包括所述机械臂的平移距离、旋转角度和倾斜角度中的至少一种。
8.一种牙科手术机械臂控制装置，其特征在于，包括：
第一转换装置，用于采集机械臂数据，根据所采集的数据计算机械臂坐标系到系统坐标系的第一转换矩阵；
第二转换装置，用于采集患者在所述系统坐标系下的数据，建立由所述系统坐标系到图像坐标系的第二转换矩阵；
术前规划装置，用于在所述图像坐标系中建立手术区坐标系，并计算所述图像坐标系到所述手术区坐标系的第三转换矩阵，根据所述第三转换矩阵进行术前规划；
第三转换装置，用于计算所述机械臂在所述图像坐标系到所述手术区坐标系的第四转换矩阵；
控制装置，用于根据所述手术区坐标系以及术前规划的结果，定位所述机械臂的目标位置及目标姿态，根据所述第一转换矩阵、所述第二转换矩阵和所述第四转换矩阵确定所述机械臂的实时位置和实时姿态，发送控制指令步进控制所述机械臂到达所述目标位置及目标姿态。
9.一种计算机终端，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序在所述处理器上运行时执行权利要求1至7中任一项所述的牙科手术机械臂控制方法。
10.一种可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序在处理器上运行时执行权利要求1至7中任一项所述的牙科手术机械臂控制方法。
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- 2022-02-28 CN CN202210185710.0A patent/CN114407021A/zh active Pending
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