CN114564050A - 手术平台定位系统、位姿信息确定方法以及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种手术平台定位系统、位姿信息确定方法以及装置。该系统包括：定位模块、至少一个手术平台和至少一个位姿获取模块；其中，所述位姿获取模块用于安装在被测对象上，获取所述被测对象的初始位姿信息，并将所述初始位姿信息发送至所述定位模块；其中，所述被测对象包括至少一个手术平台，或者，包括定位模块和至少一个手术平台；所述定位模块用于接收所述位姿获取模块发送的所述初始位姿信息，并基于所述初始位姿信息确定各所述被测对象在同一空间内的目标位姿信息。通过本发明实施例公开的技术方案，实现了简便且快速的完成手术平台的定位操作，并且实现提高定位准确性。
Description
技术领域
本发明实施例涉及计算机技术领域，尤其涉及一种手术平台定位系统、位姿信息确定方法以及装置。
背景技术
现有手术平台可以分为单立柱式(类似于da Vinci
手术系统)和分体多立柱式两种，其中分体式多立柱手术平台系统在手术前，需要定位各个机械臂的相对朝向和/或位置关系，此信息是后续遥操作的必要条件之一。
现有方案通常使用机器视觉的方法进行机械臂术前定位，采用单目或多目相机对固定于机械臂或台车的目标点或特征图案进行识别，从而确定机械臂或台车在视觉系统下的定位，或者基于人工配准的方式，操作人员手动调整台车或机械臂与参照物进行主观目测对齐。
现有技术在实施过程中通常存在如下问题：第一种、基于视觉的方法易受环境因素影响，如光照、反光、噪点、遮挡等问题，造成术前准备过程复杂，需要反复调整操作才能完成配准工作，针对摆位特殊的术式，仅靠单台相机设备甚至无法完成定位工作；第二种、基于人工容易受人为因素影响，难以保证精度及可靠性，并且只能确定台车的朝向信息。上述两种方案在实施过程中较为繁琐，并且可能会导致手术平台的定位结果不准确，从而影响后续的手术结果。
发明内容
本发明提供一种手术平台定位系统、位姿信息确定方法以及装置，以实现简便且快速的完成手术平台的定位操作，并且实现提高定位准确性。
第一方面，本发明实施例提供了一种手术平台定位系统，该系统包括：
定位模块、至少一个手术平台和至少一个位姿获取模块；其中，
所述位姿获取模块用于安装在被测对象上，获取所述被测对象的初始位姿信息，并将所述初始位姿信息发送至所述定位模块；其中，所述被测对象包括至少一个手术平台，或者，包括定位模块和至少一个手术平台；
所述定位模块用于接收所述位姿获取模块发送的所述初始位姿信息，并基于所述初始位姿信息确定各所述被测对象在同一空间内的目标位姿信息。
可选的，所述位姿获取模块包括惯性传感器单元、处理单元和通信单元；其中，
所述惯性传感器单元包括线加速度传感器、陀螺仪角速度传感器、磁场传感器和温度传感器，用于获取所述被测对象的初始测量信息；
所述处理单元，用于基于所述初始测量信息确定所述被测对象的初始位姿信息；
所述通信单元，用于将所述初始位姿信息发送至所述定位模块。
可选的，在所述被测对象包括至少一个手术平台的情况下，
所述位姿获取模块用于安装在各所述手术平台上，并获取各所述手术平台的第一平台初始位姿信息；
所述定位模块用于基于各所述第一平台初始位姿信息确定各所述手术平台在同一空间内的目标位姿信息。
可选的，在所述被测对象包括定位模块和至少一个手术平台，以及所述定位模块包括定位单元和第一基准单元的情况下，
所述位姿获取模块用于分别安装在所述第一基准单元和各所述手术平台上，并获取所述第一基准单元的第一基准初始位姿信息和各所述手术平台的第二平台初始位姿信息；
所述定位单元用于基于所述第一基准初始位姿信息和各所述第二平台初始位姿信息确定所述第一基准单元和各所述手术平台在同一空间内的目标位姿信息。
可选的，所述位姿获取模块与所述被测对象的安装关系包括可拆卸安装和固定安装。
可选的，在所述位姿获取模块与所述被测对象的安装关系为可拆卸安装的情况下，所述位姿获取模块依次可拆卸地安装在所述被测对象上；其中，
若所述被测对象包括至少一个手术平台，则基准对象包括任一手术平台，用于确定基准坐标点；
若所述被测对象包括至少一个手术平台和定位模块，则基准对象包括定位模块，用于确定基准坐标点。
可选的，在所述被测对象还包括第二基准单元，所述位姿获取模块与所述被测对象的安装关系为固定安装的情况下；
所述位姿获取模块用于分别安装在所述第二基准单元和各所述手术平台上，并获取所述第二基准单元的第二基准初始位姿信息和各所述手术平台的第三设备初始位姿信息；
所述定位单元用于基于所述第二基准初始位姿信息和各所述第三设备初始位姿信息确定所述第二基准单元和各所述手术平台在同一空间内的目标位姿信息。
可选的，若所述位姿获取模块与所述被测对象的安装关系为可拆卸安装，则所述被测对象设置有安装机构；其中，所述安装机构包括导向槽和锁定机构，
所述导向槽用于承载所述位姿获取模块；
所述锁定机构用于将所述位姿获取模块固定于所述导向槽中。
可选的，所述手术平台包括平台主体、平台机械臂和手术器械；
相应的，所述位姿获取模块用于安装在所述平台主体、所述平台机械臂和所述手术器械中任一安装位置。
第二方面，本发明实施例还提供了一种位姿信息确定方法，该方法包括：
获取所述被测对象的实时测量值；其中，所述实时测量值包括实时线加速度测量值、实时角速度测量值和实时磁场测量值；
若预设时间内所述实时磁场测量值的变化量值在预设磁场阈值范围内，则基于所述实时线加速度测量值、所述实时角速度测量值和所述实时磁场测量值确定所述被测对象的实时位姿信息。
可选的，所述实时位姿信息包括实时方向角度和实时空间位置；
相应的，所述基于所述实时线加速度测量值、所述实时角速度测量值和所述实时磁场测量值确定所述被测对象的实时位姿信息，包括：
对所述实时线加速度测量值和所述实时角速度测量值进行测量值处理，分别得到所述被测对象的实时重力加速度方向和实时角速度方向；
对所述实时磁场测量值、所述实时重力加速度方向和所述实时角速度方向进行方向融合处理，生成所述被测对象的实时方向角度；
对所述实时线加速度测量值和所述实时角速度测量值进行加速度提取，生成所述被测对象的实时空间位置。
第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如本发明任意实施例提供的位姿信息确定方法。
第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明任意实施例提供的位姿信息确定方法。
本实施例提供的手术平台定位系统具体包括：定位模块、至少一个手术平台和至少一个位姿获取模块；其中，所述位姿获取模块用于安装在被测对象上，获取所述被测对象的初始位姿信息，并将所述初始位姿信息发送至所述定位模块；其中，所述被测对象包括至少一个手术平台，或者，包括定位模块和至少一个手术平台；所述定位模块用于接收所述位姿获取模块发送的所述初始位姿信息，并基于所述初始位姿信息确定各所述被测对象在同一空间内的目标位姿信息。通过上述手术平台定位系统实现了可以快速且准确地获得手术室内的手术平台的位姿信息的确定，提高了确定的准确性和便捷性和可靠性。
附图说明
为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种手术平台定位系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种手术平台的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种手术平台定位系统的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种手术平台定位系统的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种手术平台定位系统的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种位姿信息确定方法的流程示意图；
图7是本发明实施例提供的另一种位姿信息确定方法的流程示意图；
图8为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的手术平台定位系统的结构示意图，本实施例可适用于对手术室内的手术平台进行定位的情况；具体的，更适用于对已移动到预设位置的各手术平台进行定位，从而确定各手术平台之间的位姿关系的情况。
参见图1，该手术平台定位系统的具体结构包括：
定位模块110、至少一个手术平台120和至少一个位姿获取模块130；其中，
位姿获取模块130用于安装在被测对象上，获取被测对象的初始位姿信息，并将初始位姿信息发送至定位模块110；其中，被测对象包括至少一个手术平台120，或者，包括定位模块110和至少一个手术平台120；
定位模块110用于接收位姿获取模块130发送的初始位姿信息，并基于初始位姿信息确定各被测对象在同一空间内的目标位姿信息。
本发明实施例中，手术平台120可以是用于在手术室内执行手术操作的手术平台120，对于本领域技术人员来说，手术平台120也可以简称为台车。一般情况下，为了医生可以远程操作手术平台120进行手术，需要预先将手术平台120移动到达预设的手术位置，并对手术平台120朝向角度调整，使手术平台120根据每台手术的术式不同到达需要的预设位姿状态。再通过定位系统，反馈到手术机器人，从而使手术平台120可以直接执行医生通过控制台下发的操作指令。
需要说明的是，根据需要操作的手术术式的不同，需要的手术平台120数量也相应变化。因此，本实施例中手术平台120的数量可以为一台、也可以为多台，对此不作限定。
具体的如图2所示，本实施例中的手术平台120包括平台主体、平台机械臂和手术器械。其中，手术平台120的平台主体底部还安装有滑轮，便于将手术平台120移动到预设位置。手术平台120的平台机械臂的底端与平台主体连接，以使平台主体支撑平台机械臂，进一步的，平台机械臂的末端与手术器械可拆卸安装，以使在执行不同操作的情况下，安装不同的手术器械。
可选的，本实施例中可以采用位姿获取模块130和定位模块110确定各被测对象的在同一空间下的目标位姿信息，从而实现对各手术平台120在手术室内的精确定位。具体的，位姿获取模块130可以获取其本体的位姿信息，将其安装于被测对象上，从而可以实现获取被测对象的初始位姿信息，并将初始位姿信息发送至定位模块110。
需要解释的是，位姿获取模块130包括惯性传感器单元、处理单元和通信单元；其中，惯性传感器单元包括线加速度传感器、陀螺仪角速度传感器、磁场传感器和温度传感器，用于获取被测对象的初始测量信息；处理单元，用于基于初始测量信息确定被测对象的初始位姿信息；通信单元，用于将初始位姿信息发送至定位模块110。定位模块110接收位姿获取模块130发送的初始位姿信息，并基于初始位姿信息确定各被测对象在同一空间内的目标位姿信息。
具体的，基于惯性传感器单元中的线性加速度传感器采集被测对象的实时线加速度测量值，基于陀螺仪角速度传感器采集被测对象的实时角速度测量值，以及基于磁场测量仪被测对象的所处环境的实时磁场强度值。进一步的，基于温度传感器检测各传感器的温度，并基于预设温度模型对各初始测量信息进行数值修正，得到修正后的实时测量信息。若预设时间内磁场测量值的变化量值在预设磁场阈值范围内，则基于处理单元对实时测量信息中的实时线加速度测量值、实时角速度测量值和实时磁场测量值进行信息处理，从而确定被测对象的实时位姿信息。进而，基于通信单元将得到的位姿信息发送至定位模块110；可选的，通信单元可采用有线或无线的方式进行位姿信息的传输。
在上述实施例的基础上，位姿获取模块130还包括电池供电单元、用户指示灯以及用户交互按键；具体的，电池供电单元用于向各传感器提供电源，保持各传感器可以持续工作；用户指示灯可以向医生等用户进行当前位姿获取模块130的状态指示；例如，正在获取位姿的状态提示和获取完成的状态提示等；用户交互按键可以包括位姿信息获取按键等按键，用于用户对当前位姿获取模块130进行操作，从而使位姿获取模块130进行工作。
本发明实施例中，被测对象可以理解为在手术室内需要定位的设备。具体的，被测对象可以包括至少一个手术平台120，或者，包括定位模块110和至少一个手术平台120。
可选的，在被测对象包括至少一个手术平台120的情况下，位姿获取模块130用于安装在各手术平台120上，并获取各手术平台120的第一平台初始位姿信息；定位模块110用于基于各第一平台初始位姿信息确定各手术平台120在同一空间内的目标位姿信息。
具体的，将位姿模块分别安装于各手术平台120上，首先获取任一手术平台120的第一平台初始位姿信息，并基于该第一平台初始位姿信息建立初始空间坐标系，并基于该初始空间坐标系依次确定其他手术平台120的第一平台初始位姿信息，进而定位模块110基于获取到的各手术平台120的第一平台初始位姿信息确定各手术平台120之间的相对位姿信息。其中，本实施例中的相对位姿信息可以理解为是以最初手术平台120为坐标基准点而确定的当前手术平台120的位姿信息。本实施例中直接确定各手术平台120之间的相对位姿信息，可以减少位姿信息的数据量，在有多个手术平台120同时需要定位的情况下，可以快速进行定位得到定位结果，提升定位效率。
示例性的如图3所示，首先获取手术平台A的初始位姿信息A，并以该初始位姿信息A为坐标原点确定手术平台B的初始位姿信息B，以及以初始位姿信息A为原点确定手术平台C的初始位姿信息C。进一步的，定位模块110基于初始位姿信息A、初始位姿信息B和初始位姿信息C，确定手术平台A、手术平台B和手术平台C，三台手术平台120在当前手术室内的相对位姿信息。
可选的，在被测对象包括定位模块110和至少一个手术平台120，以及定位模块110包括定位单元和第一基准单元的情况下，位姿获取模块130用于分别安装在第一基准单元和各手术平台120上，并获取第一基准单元的第一基准初始位姿信息和各手术平台120的第二平台初始位姿信息；定位单元用于基于第一基准初始位姿信息和各第二平台初始位姿信息确定第一基准单元和各手术平台120在同一空间内的目标位姿信息。
具体的，将位姿模块分别安装于第一基准单元和各手术平台120上，首先获取第一基准单元的第一基准初始位姿信息，基于该第一基准初始位姿信息建立空间坐标系，并获取各手术平台120在以第一基准初始位姿信息为原点的空间坐标下的第二平台初始位姿信息，进而定位模块110基于获取到的第一基准单元的第一基准初始位姿信息和各手术平台120的第二平台初始位姿信息确定第一基准单元和各手术平台120在手术室内的绝对位姿信息。其中，本实施例中的绝对位姿信息可以理解为是以第一基准单元的第一基准初始位姿信息为坐标基准点而确定的当前手术平台120的绝对位姿信息。采用绝对位姿信息可以确定各手术平台120基于同一坐标原点的位姿信息。
示例性的如图4所示，集成中枢作为第一基准单元，相应的首先获取集成中枢的初始位姿信息，并以该初始位姿信息为坐标原点分别确定手术平台A、手术平台B和手术平台C的初始位姿信息A、初始位姿信息和初始位姿信息C。进一步的，定位模块110基于初始位姿信息A、初始位姿信息B和初始位姿信息C，确定手术平台A、手术平台B和手术平台C，三台手术平台120在当前手术室内的相对位姿信息。需要说明的是，上述实施例中的第一基准单元设置于集成中枢(定位模块110)中，则相应的位姿获取模块130则安装于集成中枢上，用于获取第一基准单元的初始位姿信息；本实施例中的第一基准单元还可以设置于其他位置，例如可以是设置于手术室中的其他预设的校准基座，相应的位姿获取模块130则安装在该校准基座上；当然，第一基准单元还可以基于实际情况设置于其他位置，本实施例对第一基准单元的设置位置不加以限制。
在上述实施例的基础上，本实施例的位姿获取模块130与被测对象的安装关系包括可拆卸安装和固定安装。
可选的，在被测对象还包括第二基准单元，位姿获取模块130与被测对象的安装关系为固定安装的情况下；位姿获取模块130用于分别安装在第二基准单元和各手术平台120上，并获取第二基准单元的第二基准初始位姿信息和各手术平台120的第三设备初始位姿信息；定位单元用于基于第二基准初始位姿信息和各第三设备初始位姿信息确定第二基准单元和各手术平台120在同一空间内的目标位姿信息。
本实施例中，第二校准单元可以理解为预设在手术室内的校准基座。具体的，将第二基准单元和各手术平台120作为被测对象，并基于位姿获取模块130获取各被测对象的初始位姿信息。
示例性的参照图5，校准基座可以是固定于手术室内的一个基座架，该基座架可固定于地面或墙面，可与任一手术平台120进行机械及电气对接，机械对接机构包含导向机构及锁定机构，确保手术平台120可推至该基座并唯一得进行锁止固定；固定后，将接通手术平台120与基座架的电气接口，触发机械臂台车内部惯性传感器，设定当前基座的初始位姿信息为参考坐标系基准。进一步的，依次将各手术平台120推至校准基座处，通过上述对接装置使得手术平台120与校准基座对接，并检测是否对接到位；对接信号触发后，平台内惯性传感器将进行方向及位置重置，并设置校准基座为绝对参考；其后将平台推至预设的手术位置，进而，由内置惯性传感器测得平台在绝对参考坐标系下的最终朝向及位置。
在上述实施例的基础上，在被测对象包括至少一个手术平台120的情况下，可以某一确定手术平台A为参考基准，手术平台B与手术平台C分别依次与手术平台A进行对接后(对接机构采用与上述相似的对接方式)，再推至手术位进行固定，则手术平台B与手术平台C相对于手术平台A的初始位姿信息将被台车内部各自惯性传感器测量得到。进一步的，基于定位模块110基于获取到的各初始位姿信息确定各手术平台120的相对位姿信息。
可选的，在位姿获取模块130与被测对象的安装关系为可拆卸安装的情况下，位姿获取模块130依次可拆卸地安装在被测对象上。具体的，被测对象设置有安装机构；其中，安装机构包括导向槽和锁定机构，导向槽用于承载位姿获取模块130；锁定机构用于将位姿获取模块130固定于导向槽中。本实施例中采用可拆卸的位姿获取模块130可以简化各被测对象之间的对接流程，操作方便，在术前准备阶段降低对手术工作流的干预；并且相较于依赖人工主观配准的方式，精度会显著提高。
可选的，若被测对象包括至少一个手术平台120，则基准对象包括任一手术平台120，用于确定基准坐标点。具体的依旧参照图3，位姿获取模块130的初始位置可固定于任一指定的手术平台120上，例如手术平台A的模块安装机构处，获取当前手术平台A的初始位姿信息，并以该初始位姿信息作为基准坐标点建立参考基准坐标系；进一步的，拆卸下位姿获取模块130后，并将其固定于其它手术平台B，则手术平台B相对于手术平台A的相对初始位姿信息获取得到，依次完成对手术室内其他待定位的手术平台120的定位。
可选的，若被测对象包括至少一个手术平台120和定位模块110，则基准对象包括定位模块110，用于确定基准坐标点。
具体的依旧参照图4，首先将位姿获取模块130固定于集成中枢(第一基准单元)的模块安装机构处，其朝向和位置将被设置为参考基准坐标系，当用户启动位姿获取模块130工作，如操作启动按钮，则集成中枢的初始位姿信息被位姿获取模块130获取得到，并基于获取得到的初始位姿信息建立空间坐标系；进一步的，用户可以将集成中枢的位姿获取模块130拆卸，并将其固定于任一手术平台120，此时手术平台120在参考基准坐标系下的初始位姿信息将被获取；相应的其他手术平台120的初始信息，采用同样的方式获取，并发送至定位单元，以使定位单元基于各初始位姿信息确定第一基准单元和各手术平台120在同一空间坐标系下的绝对位姿关系。本实施例中的第一基准单元还可以设置于除集成中枢以外的其他位置，例如可以是设置于手术室中的其他预设的校准基座，相应的位姿获取模块130则安装在该校准基座上；相应的，首先将位姿获取模块130固定于参考基准(第一基准单元)的模块安装机构处，其朝向和位置将被设置为参考基准坐标系，当用户启动位姿获取模块130工作，如操作启动按钮，则集成中枢的初始位姿信息被位姿获取模块130获取得到，并基于获取得到的初始位姿信息建立空间坐标系；当然，第一基准单元还可以基于实际情况设置于其他位置，本实施例对第一基准单元的设置位置不加以限制。
值得注意的是，位姿获取模块130安装于各被测对象上的过程中，位姿获取模块130的朝向与被测对象的朝向保持一致，从而减小了调整位姿获取模块130模块位姿信息和被测对象之间的对象位姿信息，从而使获取到的各被测对象的初始位姿信息更加准确。
在上述实施例的基础上，位姿获取模块130用于安装在平台主体、所述平台机械臂和所述手术器械中任一安装位置。可选的，若位姿获取模块130安装于平台本体上，基于平台本体的安装机构与平台之间的空间关系，则手术平台120的空间朝向及位置可通过获取得到的初始位姿信息进行坐标变换间接计算得到。可选的，若位姿获取模块130安装于手术平台120的平台机械臂上，则手术平台120的空间朝向位置需结合当前平台机械臂正向运动学，即通过机械臂关节位置、机械臂尺寸构型以及测量模块朝向共同计算得出；机械臂关节内含有绝对值编码器进行关节角测量，机械臂尺寸构型为预先设置的尺寸数值，故手术平台120的空间朝向位置可通过获取得到的初始位姿信息结合机械臂运动学坐标变换后被唯一确定。
另外，该采用可拆卸位姿获取模块130的方法同样可应用于确定手术平台120与手术床的相对朝向位置关系；相应的，在手术床固定位置处设置与上述相同的安装机构，设定手术床长边方向为x轴，短边方向为y轴，垂直于床面向上的方向为z轴，使用位姿获取模块130安装于手术床后，即可获取得到手术床在参考坐标基准下的目标位姿信息。当然本实施例的技术方案还可以获取其他手术设备在手术室内的目标位姿信息，即将位姿获取模块130安装于其他手术设备上即可实现。
本实施例提供的手术平台120定位系统具体包括：定位模块110、至少一个手术平台120和至少一个位姿获取模块130；其中，所述位姿获取模块130用于安装在被测对象上，获取所述被测对象的初始位姿信息，并将所述初始位姿信息发送至所述定位模块110；其中，所述被测对象包括至少一个手术平台120，或者，包括定位模块110和至少一个手术平台120；所述定位模块110用于接收所述位姿获取模块130发送的所述初始位姿信息，并基于所述初始位姿信息确定各所述被测对象在同一空间内的目标位姿信息。通过上述手术平台120定位系统实现了可以快速且准确的对手术室内的手术平台120的位姿信息的确定，提高了确定的准确性和便捷性。
以下是本发明实施例提供的位姿信息确定方法的实施例，该方法与上述各实施例的手术平台120定位系统属于同一个发明构思，在位姿信息确定方法的实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述手术平台120定位系统的实施例。
图6为本发明实施例提供的一种位姿信息确定方法的流程图，本实施例可适用于对手术室内的手术平台进行定位的情况；具体的，更适用于对移动到预设位置的各手术平台进行定位，从而确定各手术平台之间的位姿关系的情况。该方法可以由手术平台定位系统来执行，该系统可以由软件和/或硬件的方式来实现。如图6所示，该方法具体包括以下步骤：
S210、获取被测对象的实时测量值；其中，实时测量值包括实时线加速度测量值、实时角速度测量值和实时磁场测量值。
S220、若预设时间内实时磁场测量值的变化量值在预设磁场阈值范围内，则基于实时线加速度测量值、实时角速度测量值和实时磁场测量值确定被测对象的实时位姿信息。
现有技术中通常使用机器视觉的方法进行机械臂术前定位，采用单目或多目相机对固定于手术平台的目标点或特征图案进行识别，从而确定手术平台在视觉系统下的定位，但基于视觉的方法易受环境因素影响，如光照、反光、噪点、遮挡等问题，造成术前准备过程复杂，需要反复调整操作才能完成定位工作。并且针对摆位特殊的术式，仅靠单台相机设备甚至无法完成定位工作；还有方案基于人工定位的方式对机械臂进行术前摆位，操作人员手动调整手术平台与参照物进行主观目测对齐，该方案受人为因素影响，难以保证精度及可靠性，并且只能确定手术平台的朝向信息。还有技术基于磁场计进行手术平台方向定位，此方案一般以地磁北方向为参考基准，利用固定于手术平台上的磁场计进行地磁方向的测量，从而确定手术平台与地磁北的方向夹角，但由于手术室内铁磁环境的不确定性以及磁场干扰的存在，导致测量结果鲁棒性较差、测量偏差不可控，并且磁场干扰带来的误差往往难以观测分析，同样该方法只能确定手术平台的朝向信息。
为解决上述操作复杂、手术工作流干预大、测量可靠性差的问题，本发明实施例的技术采用惯性传感器融合算法以实现对当前惯性传感器进行空间姿态的检测。但是，传统的惯性传感器融合算法仅融合线加速度计与陀螺仪角速度计的测量数据，通过结合测量得到的重力加速度方向与角速度积分角来计算物体在空间中的朝向，但该方法存在如下三个问题：1、在偏航角方向上缺乏参考基准，只能得到较初始状态的相对角度方向；2、在偏航角方向上由于缺乏参考修正，存在严重的角度漂移问题；3、无法得到物体的空间位置。
为解决上述问题，本发明实施例的技术方案采用惯性传感器作为位姿信息获取单元，以获取被测对象的位姿信息。可选的，位姿信息包括方向角度和空间位置；
相应的，基于实时线加速度测量值、实时角速度测量值和实时磁场测量值确定被测对象的实时位姿信息的方法包括：对实时线加速度测量值和实时角速度测量值进行测量值处理，分别得到被测对象的实时重力加速度方向和实时角速度方向；对实时磁场测量值、实时重力加速度方向和实时角速度方向进行方向融合处理，生成被测对象的实时方向角度；对实时线加速度测量值和实时角速度测量值进行加速度提取，生成被测对象的实时空间位置。
具体的如图7所示，通过传感器测量得到的实时线加速度测量值、实时角速度测量值和实时磁场测量值。进一步的，对基于测量到的磁场测量值进行干扰检测，判断传感器的测量值是否有磁场的干扰。若磁场测量值在预设时间间隔内没有变化，或者变化值小于预设阈值范围，则说明当前磁场没有受到干扰，可以基于当前各传感器的测量值进行位姿信息的获取。进一步的，分别获取到的实时线加速度测量值、实时角速度测量进行数值积分处理，并对积分后的测量值和磁场测量值进行方向融合计算，从而得到传感器相对于上一测量时刻的3D朝向变化。本实施例中，温度传感器用于检测各传感单元的温度并基于温度模型对传感器测量值进行修正。
需要说明的是，本申请的技术方案没有利用磁场强度方向为方向参考基准，仅利用磁场测量值作为监测磁场干扰的判断依据，在传感器静止状态下，相对稳定的磁场可辅助前述融合计算结果进行稳定，从而抑制在静止状态下，仅依赖于重力加速度方向和角速度积分得到的方向角度漂移问题。
进一步的，对加速度计的实时测量值和角速度计的实时测量值进行分解，得到物体除重力加速度及向心加速度以外的线性加速度，并通过对线性加速度的二次积分得到物体在空间中的实时3D位置。
以下是本发明实施例提供的手术平台定位装置的实施例，该装置与上述各实施例的手术平台定位系统和方法属于同一个发明构思，在手术平台定位装置的实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述手术平台定位系统和方法的实施例。
图8为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。图8示出了适于用来实现本发明实施方式的示例性电子设备12的框图。图8显示的电子设备12仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图8所示，电子设备12以通用计算电子设备的形式表现。电子设备12的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，系统存储器28，连接不同系统组件(包括系统存储器28和处理单元16)的总线18。
总线18表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。
电子设备12典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被电子设备12访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
系统存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)30和/或高速缓存存储器32。电子设备12可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图8未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图8中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM,DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线18相连。系统存储器28可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。
具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如系统存储器28中，这样的程序模块42包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
电子设备12也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备12交互的设备通信，和/或与使得该电子设备12能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口22进行。并且，电子设备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图8所示，网络适配器20通过总线18与电子设备12的其它模块通信。应当明白，尽管图8中未示出，可以结合电子设备12使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
处理单元16通过运行存储在系统存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及样本数据获取，例如实现本发实施例所提供的一种位姿信息确定方法步骤，位姿信息确定方法包括：
获取所述被测对象的实时测量值；其中，所述实时测量值包括实时线加速度测量值、实时角速度测量值和磁场测量值；
若预设时间内所述磁场测量值的变化量值在预设磁场阈值范围内，则基于所述实时线加速度测量值、所述实时角速度测量值和所述磁场测量值确定所述被测对象的位姿信息。
当然，本领域技术人员可以理解，处理器还可以实现本发明任意实施例所提供的样本数据获取方法的技术方案。
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现例如实现本发实施例所提供的一种位姿信息确定方法步骤，位姿信息确定方法包括：
获取所述被测对象的实时测量值；其中，所述实时测量值包括实时线加速度测量值、实时角速度测量值和磁场测量值；
若预设时间内所述磁场测量值的变化量值在预设磁场阈值范围内，则基于所述实时线加速度测量值、所述实时角速度测量值和所述磁场测量值确定所述被测对象的位姿信息。
本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于：电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
本领域普通技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，他们可以用计算机装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
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 (13)
1.一种手术平台定位系统，其特征在于，包括：定位模块、至少一个手术平台和至少一个位姿获取模块；其中，
所述位姿获取模块用于安装在被测对象上，获取所述被测对象的初始位姿信息，并将所述初始位姿信息发送至所述定位模块；其中，所述被测对象包括至少一个手术平台，或者，包括定位模块和至少一个手术平台；
所述定位模块用于接收所述位姿获取模块发送的所述初始位姿信息，并基于所述初始位姿信息确定各所述被测对象在同一空间内的目标位姿信息。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述位姿获取模块包括惯性传感器单元、处理单元和通信单元；其中，
所述惯性传感器单元包括线加速度传感器、陀螺仪角速度传感器、磁场传感器和温度传感器，用于获取所述被测对象的初始测量信息；
所述处理单元，用于基于所述初始测量信息确定所述被测对象的初始位姿信息；
所述通信单元，用于将所述初始位姿信息发送至所述定位模块。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述被测对象包括至少一个手术平台的情况下，
所述位姿获取模块用于安装在各所述手术平台上，并获取各所述手术平台的第一平台初始位姿信息；
所述定位模块用于基于各所述第一平台初始位姿信息确定各所述手术平台在同一空间内的目标位姿信息。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述被测对象包括定位模块和至少一个手术平台，以及所述定位模块包括定位单元和第一基准单元的情况下，
所述位姿获取模块用于分别安装在所述第一基准单元和各所述手术平台上，并获取所述第一基准单元的第一基准初始位姿信息和各所述手术平台的第二平台初始位姿信息；
所述定位单元用于基于所述第一基准初始位姿信息和各所述第二平台初始位姿信息确定所述第一基准单元和各所述手术平台在同一空间内的目标位姿信息。
5.根据权利要求1-4任一所述的系统，其特征在于，所述位姿获取模块与所述被测对象的安装关系包括可拆卸安装和固定安装。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在所述位姿获取模块与所述被测对象的安装关系为可拆卸安装的情况下，所述位姿获取模块依次可拆卸地安装在所述被测对象上；其中，
若所述被测对象包括至少一个手术平台，则基准对象包括任一手术平台，用于确定基准坐标点；
若所述被测对象包括至少一个手术平台和定位模块，则基准对象包括定位模块，用于确定基准坐标点。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在所述被测对象还包括第二基准单元，所述位姿获取模块与所述被测对象的安装关系为固定安装的情况下；
所述位姿获取模块用于分别安装在所述第二基准单元和各所述手术平台上，并获取所述第二基准单元的第二基准初始位姿信息和各所述手术平台的第三设备初始位姿信息；
所述定位单元用于基于所述第二基准初始位姿信息和各所述第三设备初始位姿信息确定所述第二基准单元和各所述手术平台在同一空间内的目标位姿信息。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，若所述位姿获取模块与所述被测对象的安装关系为可拆卸安装，则所述被测对象设置有安装机构；其中，所述安装机构包括导向槽和锁定机构，
所述导向槽用于承载所述位姿获取模块；
所述锁定机构用于将所述位姿获取模块固定于所述导向槽中。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述手术平台包括平台主体、平台机械臂和手术器械；
相应的，所述位姿获取模块用于安装在所述平台主体、所述平台机械臂和所述手术器械中任一安装位置。
10.一种位姿信息确定方法，其特征在于，应用于权利要求1-9任一所述的手术平台定位系统，包括：
获取所述被测对象的实时测量值；其中，所述实时测量值包括实时线加速度测量值、实时角速度测量值和实时磁场测量值；
若预设时间内所述磁场测量值的变化量值在预设磁场阈值范围内，则基于所述实时线加速度测量值、所述实时角速度测量值和所述实时磁场测量值确定所述被测对象的实时位姿信息。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述实时位姿信息包括实时方向角度和实时空间位置；
相应的，所述基于所述实时线加速度测量值、所述实时角速度测量值和所述实时磁场测量值确定所述被测对象的实时位姿信息，包括：
对所述实时线加速度测量值和所述实时角速度测量值进行测量值处理，分别得到所述被测对象的实时重力加速度方向和实时角速度方向；
对所述实时磁场测量值、所述实时重力加速度方向和所述实时角速度方向进行方向融合处理，生成所述被测对象的实时方向角度；
对所述实时线加速度测量值和所述实时角速度测量值进行加速度提取，生成所述被测对象的实时空间位置。
12.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求10-11中任一所述的位姿信息确定方法。
13.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求10-11中任一所述的位姿信息确定方法。
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