CN115363769A - 手术机器人的精度测量方法和装置、存储介质及处理器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种手术机器人的精度测量方法和装置、存储介质及处理器，其中，精度测量方法包括：获取开源数据库中的患者骨骼信息，并根据患者骨骼信息建立三维骨盆模型，将具有不同的安放角度的多个髋臼杯模型分别与三维骨盆模型结合得到多个骨盆及髋臼杯组合体模型；根据多个骨盆及髋臼杯组合体模型得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构；根据多个骨盆及髋臼杯组合体结构得到多个置入位置；根据多个置入位置及多个安放角度控制手术机器人的末端执行器依次移动并得到执行误差；根据执行误差得到手术机器人的精度。本申请的技术方案能够有效地解决相关技术中的精度检测装置及精度检测方法并不能有效地对髋臼杯置入角度进行检测的问题。
Description
技术领域
本申请涉及医疗技术领域，具体而言，涉及一种手术机器人的精度测量方法和装置、计算机可读存储介质及处理器。
背景技术
随着医疗技术的不断发展，髋关节置换术出现了很多不同的辅助手术方式，其中机器人辅助的全髋关节置换术因为其精度的优势广泛地被医生和工程师所关注。髋臼杯置入角度和位置的精度很大程度上影响术后髋关节的稳定性、假体的寿命以及术后的并发症等风险。而定位精准是骨科手术机器人系统相对于传统徒手手术方法的核心性能和突出优势，所以，正确评价和检测骨科手术机器人系统的定位精度，是评估产品性能、保障手术安全和效果的关键环节，是技术研发、产品开发和验证的重要基础。例如，针对先天性髋关节发育不良的患者，通过全髋关节置换手术机器人系统协助对髋关节进行精确锉削和髋臼杯假体置入，可保证髋关节置换手术的精确性和安全性。
工业机器人的定位精度检测的两个指标是重复定位精度和绝对定位精度，一般是通过分辨率、位姿准确度和位姿重复度这三个指标测量其末端执行器相对于参考坐标系的精度。
然而上述所提到的工业机器人的精度测量方法只是描述机器臂末端执行器与目标位置之间点到点的误差。全髋关节手术机器人的系统精度会受到多种因素的影响，包括图像识别误差、系统中不同坐标系之间转换的误差、机器人运动误差、探针等工具尺寸误差及光学跟踪定位误差等，系统综合定位精度不仅要满足定点要求，而且需要兼顾定向要求。
尤其是在全髋关节置换术中，髋臼杯置入角度的精度对术后髋关节的稳定性的影响很大，相关技术中的精度检测装置及精度检测方法并不能有效地对髋臼杯置入角度进行检测。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种手术机器人的精度测量方法和装置、计算机可读存储介质及处理器，以解决相关技术中的精度检测装置及精度检测方法并不能有效地对髋臼杯置入角度进行检测的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种手术机器人的精度测量方法，包括：获取开源数据库中的患者骨骼信息，并根据患者骨骼信息建立三维骨盆模型，将具有不同的安放角度的多个髋臼杯模型分别与三维骨盆模型结合得到多个骨盆及髋臼杯组合体模型；根据多个骨盆及髋臼杯组合体模型得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构；根据多个骨盆及髋臼杯组合体结构得到多个置入位置；根据多个置入位置及多个安放角度控制手术机器人的末端执行器依次移动并得到执行误差；根据执行误差得到手术机器人的精度。
应用本发明的技术方案，通过直接获取开源数据库中的真实的患者骨骼信息制作骨盆及髋臼杯组合体结构用于进行精度检测，能够模拟真实的手术场景，使得最终得到的精度检测结果更加可靠。具体地，先将具有不同的安放角度的多个髋臼杯模型分别与三维骨盆模型结合得到多个骨盆及髋臼杯组合体模型，再根据多个骨盆及髋臼杯组合体模型得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构，令手术机器人针对每个骨盆及髋臼杯组合体结构执行相应的移动动作，再测量移动后的执行误差，最终得到手术机器人的精度，能够使得最终得到的精度数据更加接近真实情况。在本申请中，设置髋臼杯模型安放角度不同的多个骨盆及髋臼杯组合体模型，再得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构，能够有效地对手术机器人执行相应动作后的角度偏差进行检测，进而能够得到手术机器人在全髋关节置换术中的髋臼杯置入角度的精度。因此，本申请的技术方案能够有效地解决相关技术中的精度检测装置及精度检测方法并不能有效地对髋臼杯置入角度进行检测的问题。
进一步地，根据多个置入位置及多个安放角度控制手术机器人的末端执行器依次移动并得到执行误差的步骤包括：
在末端执行器每次移动到位之后获取骨盆及髋臼杯组合体结构的第一法向量及末端执行器在置入位置的第二法向量，并计算第一法向量和第二法向量之间的角度差。
进一步地，获取骨盆及髋臼杯组合体结构的第一法向量的步骤包括：通过光学反馈探针在骨盆及髋臼杯组合体结构上的髋臼杯平面上采集3个点，并计算髋臼杯平面的法向量；获取末端执行器在置入位置的第二法向量的步骤包括：通过光学反馈探针在末端执行器的工装平面上采集3个点，并计算工装平面的法向量。
进一步地，根据执行误差得到手术机器人的精度的步骤包括：对多个第一法向量和多个第二法向量之间的多个角度差求平均值。
进一步地，安放角度包括外展角和前倾角，其中，多个髋臼杯模型的外展角相同、前倾角不同。
进一步地，末端执行器为套设在手术机器人的机械臂的端部的盘状结构，末端执行器远离机械臂的端面为平面并作为末端执行器的工装平面，其中，工装平面与末端执行器的轴线之间的垂直度在0.1mm至0.12mm之间。
进一步地，在根据多个骨盆及髋臼杯组合体模型得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构的步骤中：骨盆及髋臼杯组合体结构中的髋臼杯为实心的半球体结构，半球体结构的平面作为骨盆及髋臼杯组合体结构的髋臼杯平面。
根据本发明的另一方面，提供了一种手术机器人的精度测量装置，包括：获取单元，用于获取开源数据库中的患者骨骼信息，并根据患者骨骼信息建立三维骨盆模型，将具有不同的安放角度的多个髋臼杯模型分别与三维骨盆模型结合得到多个骨盆及髋臼杯组合体模型；加工单元，用于根据多个骨盆及髋臼杯组合体模型得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构；第一计算单元，用于根据多个骨盆及髋臼杯组合体结构得到多个置入位置；执行单元，用于根据多个置入位置及多个安放角度控制手术机器人的末端执行器依次移动并得到执行误差；第二计算单元，用于根据执行误差得到手术机器人的精度。
应用本发明的技术方案，获取单元用于获取开源数据库中的患者骨骼信息，并根据患者骨骼信息建立三维骨盆模型，将具有不同的安放角度的多个髋臼杯模型分别与三维骨盆模型结合得到多个骨盆及髋臼杯组合体模型；加工单元用于根据多个骨盆及髋臼杯组合体模型得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构；第一计算单元用于根据多个骨盆及髋臼杯组合体结构得到多个置入位置；执行单元用于根据多个置入位置及多个安放角度控制手术机器人的末端执行器依次移动并得到执行误差；第二计算单元用于根据执行误差得到手术机器人的精度。通过直接获取开源数据库中的真实的患者骨骼信息制作骨盆及髋臼杯组合体结构用于进行精度检测，能够模拟真实的手术场景，使得最终得到的精度检测结果更加可靠。具体地，令手术机器人针对每个骨盆及髋臼杯组合体结构执行相应的移动动作之后测量移动后的执行误差，最终得到手术机器人的精度，能够使得最终得到的精度数据更加接近真实情况。通过设置髋臼杯模型安放角度不同的多个骨盆及髋臼杯组合体模型，再得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构，能够有效地对手术机器人执行相应动作后的角度偏差进行检测，进而能够得到手术机器人在全髋关节置换术中的髋臼杯置入角度的精度。因此，本申请的技术方案能够有效地解决相关技术中的精度检测装置及精度检测方法并不能有效地对髋臼杯置入角度进行检测的问题。
根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，程序执行上述的精度测量方法。
根据本发明的另一方面，提供了一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述的精度测量方法。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的用于全髋关节置换术的手术机器人的精度测量方法的实施例的流程示意图；
图2示出了图1的测量方法中的骨盆及髋臼杯组合体结构的立体结构示意图；
图3示出了图1的测量方法中的机械臂及末端执行器的立体结构示意图；
图4示出了图3的机械臂及末端执行器的另一角度的立体结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、骨盆及髋臼杯组合体结构；20、末端执行器；30、机械臂；
、第一法向量；
、第二法向量。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
应该理解的是，当元件（诸如层、膜、区域、或衬底）描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
本申请提供了一种用于全髋关节置换术的手术机器人的精度测量方法，如图1至图4所示，本实施例的精度测量方法包括：
步骤S10：获取开源数据库中的患者骨骼信息，并根据患者骨骼信息建立三维骨盆模型，将具有不同的安放角度的多个髋臼杯模型分别与三维骨盆模型结合得到多个骨盆及髋臼杯组合体模型；
步骤S20：根据多个骨盆及髋臼杯组合体模型得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构10；
步骤S30：根据多个骨盆及髋臼杯组合体结构10得到多个置入位置；
步骤S40：根据多个置入位置及多个安放角度控制手术机器人的末端执行器20依次移动并得到执行误差；
步骤S50：根据执行误差得到手术机器人的精度。
应用本实施例的技术方案，通过直接获取开源数据库中的真实的患者骨骼信息制作骨盆及髋臼杯组合体结构10用于进行精度检测，能够模拟真实的手术场景，使得最终得到的精度检测结果更加可靠。具体地，先将具有不同的安放角度的多个髋臼杯模型分别与三维骨盆模型结合得到多个骨盆及髋臼杯组合体模型，再根据多个骨盆及髋臼杯组合体模型得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构10，令手术机器人针对每个骨盆及髋臼杯组合体结构10执行相应的移动动作，再测量移动后的执行误差，最终得到手术机器人的精度，能够使得最终得到的精度数据更加接近真实情况。在本实施例中，设置髋臼杯模型安放角度不同的多个骨盆及髋臼杯组合体模型，再得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构10，能够有效地对手术机器人执行相应动作后的角度偏差进行检测，进而能够得到手术机器人在全髋关节置换术中的髋臼杯置入角度的精度。因此，本实施例的技术方案能够有效地解决相关技术中的精度检测装置及精度检测方法并不能有效地对髋臼杯置入角度进行检测的问题。
需要说明的是，上述的“用于全髋关节置换术的手术机器人”可以为能够用于进行多种骨科手术（其中就包括全髋关节置换术）的通用机器人，也可以为专门用于全髋关节置换术的专用机器人。此外，在本实施例中，为了更加真实地反应手术机人的精度，进行精度检测的过程中，完全模拟真实的手术过程，在进行上述的步骤S30时，也会使用探针、光学定位设备以及设置在骨盆及髋臼杯组合体结构10上的光学跟踪设备对骨盆及髋臼杯组合体结构10进行扫描获取骨盆及髋臼杯组合体结构10的空间位置信息并使其与相应的骨盆及髋臼杯组合体模型进行配准，然后得到用以指导手术机器人动作的置入位置。由于如何对骨盆及髋臼杯组合体结构10进行扫描以及如何进行配准均属于现有技术，在此不再赘述。
具体地，上述的开源数据库中的患者骨骼信息可以为CT数据，可以使用高精度的三维医疗工程软件进行三维逆向处理得到三维骨盆模型，使用开源的CT数据能够保证数据来源的公正性以及合理性，也能够尽可能模拟真实的手术场景。得到三维骨盆模型之后继续在三维工程软件中对其进行手术规划，具体地，进行规划时，需要建立适用于手术机器人的坐标系，并选取骨盆股骨上31个点，然后建立髋臼杯假体库，输出髋臼杯假体的模型与坐标，以便于手术机器人的软件系统计算并输出手术规划。
在步骤S20中，首先对得到的多个骨盆及髋臼杯组合体模型进行封面处理和布尔运算处理，然后通过3D打印等精密加工方式加工出骨盆及髋臼杯组合体结构10。末端执行器20也是对实际使用的末端执行器进行简化建模处理后，通过3D打印等精密加工方式得到的。
在本实施例中，手术机器人包括红外光学跟踪设备、光学反馈装置、机械臂30、机械臂30的控制系统等，在进行步骤S30之前，需要在骨盆及髋臼杯组合体结构10上先装上光学反馈装置，以便于后续进行配准、得到置入位置信息、骨盆及髋臼杯组合体结构10中的髋臼杯的角度信息等。
具体地，在本实施例中，根据多个置入位置及多个安放角度控制手术机器人的末端执行器20依次移动并得到执行误差的步骤包括：在末端执行器20每次移动到位之后获取骨盆及髋臼杯组合体结构10的第一法向量
及末端执行器20在置入位置的第二法向量
，并计算第一法向量和第二法向量之间的角度差。通过两个骨盆及髋臼杯组合体结构10的第一法向量
和末端执行器20在置入位置的第二法向量
分别表征骨盆及髋臼杯组合体结构10中的髋臼杯的空间角度以及末端执行器20的空间角度，然后经过相应的计算得到骨盆及髋臼杯组合体结构10中的髋臼杯与末端执行器20之间的角度差，具有计算简单的优点，容易得到二者之间的角度差。
具体地，上述的角度差的计算过程如下：通过公式
以及反三角函数计算出
的角度，即得到两个法向量
和
的角度差值，即上述的执行误差。
更进一步地，获取骨盆及髋臼杯组合体结构10的第一法向量的步骤包括：通过光学反馈探针在骨盆及髋臼杯组合体结构10上的髋臼杯平面上采集3个点，并计算髋臼杯平面的法向量；获取末端执行器20在置入位置的第二法向量的步骤包括：通过光学反馈探针在末端执行器20的工装平面上采集3个点，并计算工装平面的法向量。其具体的操作步骤如下：通过光学反馈探针在骨盆及髋臼杯组合体结构10的髋臼杯平面上依次采集3个点，并通过红外线光学追踪设备记录每一个点的空间坐标位置信息：O(x1,y1,z1)、P(x2,y2,z2)、Q(x3,y3,z3)，然后根据空间中的O点和P点计算出方向向量（
），根据空间中的O点和Q点计算出方向向量（
），通过两个方向向量叉乘计算出髋臼杯平面的法向量
；通过光学反馈探针在末端执行器20的工装平面上依次采集3个点，通过红外线光学追踪设备记录每一个点的空间坐标位置信息：R(x4,y4,z4)、S(x5,y5,z5)、T(x6,y6,z6)，根据空间中的R点和S点计算出方向向量（
），根据空间中的R点和T点计算出方向向量（
），通过两个方向向量叉乘计算出末端执行器20的工装平面的法向量
。
在本实施例中，根据执行误差得到手术机器人的精度的步骤包括：对多个第一法向量和多个第二法向量之间的多个角度差求平均值。使得手术机器人分别对本实施例中得到的多个骨盆及髋臼杯组合体结构10执行相应动作，并在每次动作之后进行角度差的计算，就能够得到多个角度差（即针对每一个骨盆及髋臼杯组合体结构10的执行误差），再对多个角度差求平均值得到手术机器人的精度，能够有助于厂家判断该手术机器人是否满足精度要求。
具体地，安放角度包括外展角和前倾角，其中，多个髋臼杯模型的外展角相同、前倾角不同。全髋关节置换术的髋臼杯置入是存在安全区的，安全区的范围是指上述两个角度的范围：其中，外展角的范围为：40°±10°，前倾角的范围为：15°±10°。外展角在手术中超出安全区外的概率很低，大多数手术中髋臼杯超出安全区都是因为前倾角超出安全区。因此，在本实施例中，主要通过调整前倾角进行多次测试。
具体地，进行步骤S10时，将根据患者骨骼信息得到的三维骨盆模型导入到三维工程环境中，并建立骨盆的三维坐标系，而上述的前倾角、外展角均指代的是在骨盆的三维坐标系下的不同的角度。
在本实施例中，可以设置5个骨盆及髋臼杯组合体结构10，五个骨盆及髋臼杯组合体结构10中的髋臼杯的安放角度具体为：外展角40°，前倾角5°；外展角40°，前倾角10°；外展角40°，前倾角15°；外展角40°，前倾角20°；外展角40°，前倾角25°。当然，在其他可行的实施方式中，也可以增加样本量，例如针对用一个患者的三维骨盆模型得到10个髋臼杯的安放角度不同的骨盆及髋臼杯组合体结构。
如图3和图4所示，在本实施例中，末端执行器20为套设在手术机器人的机械臂30的端部的盘状结构，末端执行器20远离机械臂30的端面为平面并作为末端执行器20的工装平面，其中，工装平面与末端执行器20的轴线之间的垂直度在0.1mm至0.12mm之间。在实际进行全髋关节置换术时，实际使用的末端执行器上还会设置与髋臼杯配合的操作工具，且为了便于进行实际使用的末端执行器与操作工具之间的组装，实际使用的末端执行器远离机械臂30的端面为非平面结构，而由于操作工具为长杆状结构且其端部的形状并不规则，无论是以操作工具作为误差判断对象还是以实际使用的末端执行器作为误差判断对象，都存在难以进行采点的问题。因此，在本实施例中，不安装操作工具并对实际使用的末端执行器的结构进行改造得到本实施例中的用于测试的末端执行器20，本实施例中的末端执行器20与实际使用的末端执行器之间的区别仅在于远离机械臂30的端面的形状（即在本实施例中将实际使用的末端执行器的非平面的端面调整为平面的端面）。在实际进行手术时，操作工具的轴线平行于机械臂30的轴线，在本实施例中，令工装平面与末端执行器20的轴线之间的垂直度在0.1mm至0.12mm之间，使得第二法向量
表征的角度信息即为机械臂30的角度信息，同时最终得到的精度中也包含了机械臂30与末端执行器20之间的装配误差。即上述的设置使得操作过程中更容易进行采点操作，同时得到的精度信息中也尽可能多地包含了手术机器人可能存在的误差。
如图2所示，在根据多个骨盆及髋臼杯组合体模型得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构10的步骤中：骨盆及髋臼杯组合体结构10中的髋臼杯为实心的半球体结构，半球体结构的平面作为骨盆及髋臼杯组合体结构10的髋臼杯平面。实际的髋臼杯为具有凹腔的半球形的杯状结构，在本实施例中将髋臼杯的凹腔填充上形成实心的半球体结构，能够便于进行采点操作进而得到髋臼杯平面的法向量信息。
本申请还提供了一种用于全髋关节置换术的手术机器人的精度测量装置，具体地，本申请的江都测量装置的实施例包括：
获取单元，用于获取开源数据库中的患者骨骼信息，并根据患者骨骼信息建立三维骨盆模型，将具有不同的安放角度的多个髋臼杯模型分别与三维骨盆模型结合得到多个骨盆及髋臼杯组合体模型；
加工单元，用于根据多个骨盆及髋臼杯组合体模型得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构10；
第一计算单元，用于根据多个骨盆及髋臼杯组合体结构10得到多个置入位置；
执行单元，用于根据多个置入位置及多个安放角度控制手术机器人的末端执行器20依次移动并得到执行误差；
第二计算单元，用于根据执行误差得到手术机器人的精度。
在上述的装置中，获取单元用于获取开源数据库中的患者骨骼信息，并根据患者骨骼信息建立三维骨盆模型，将具有不同的安放角度的多个髋臼杯模型分别与三维骨盆模型结合得到多个骨盆及髋臼杯组合体模型；加工单元用于根据多个骨盆及髋臼杯组合体模型得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构10；第一计算单元用于根据多个骨盆及髋臼杯组合体结构10得到多个置入位置；执行单元用于根据多个置入位置及多个安放角度控制手术机器人的末端执行器20依次移动并得到执行误差；第二计算单元用于根据执行误差得到手术机器人的精度。通过直接获取开源数据库中的真实的患者骨骼信息制作骨盆及髋臼杯组合体结构10用于进行精度检测，能够模拟真实的手术场景，使得最终得到的精度检测结果更加可靠。具体地，令手术机器人针对每个骨盆及髋臼杯组合体结构10执行相应的移动动作之后测量移动后的执行误差，最终得到手术机器人的精度，能够使得最终得到的精度数据更加接近真实情况。通过设置髋臼杯模型安放角度不同的多个骨盆及髋臼杯组合体模型，再得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构10，能够有效地对手术机器人执行相应动作后的角度偏差进行检测，进而能够得到手术机器人在全髋关节置换术中的髋臼杯置入角度的精度。因此，本实施例的技术方案能够有效地解决相关技术中的精度检测装置及精度检测方法并不能有效地对髋臼杯置入角度进行检测的问题。
本申请的实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，程序执行权上述的精度测量方法。
本申请的实施例还提供了一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述的精度测量方法。
本发明的实施例提供了一种设备，设备包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，处理器执行程序时实现至少以下步骤：
步骤S10：获取开源数据库中的患者骨骼信息，并根据患者骨骼信息建立三维骨盆模型，将具有不同的安放角度的多个髋臼杯模型分别与三维骨盆模型结合得到多个骨盆及髋臼杯组合体模型；
步骤S20：根据多个骨盆及髋臼杯组合体模型得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构10；
步骤S30：根据多个骨盆及髋臼杯组合体结构10得到多个置入位置；
步骤S40：根据多个置入位置及多个安放角度控制手术机器人的末端执行器20依次移动并得到执行误差；
步骤S50：根据执行误差得到手术机器人的精度。
本文中的设备可以是服务器、PC、PAD、手机等。
本申请还提供了一种计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有至少如下方法步骤的程序：
步骤S10：获取开源数据库中的患者骨骼信息，并根据患者骨骼信息建立三维骨盆模型，将具有不同的安放角度的多个髋臼杯模型分别与三维骨盆模型结合得到多个骨盆及髋臼杯组合体模型；
步骤S20：根据多个骨盆及髋臼杯组合体模型得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构10；
步骤S30：根据多个骨盆及髋臼杯组合体结构10得到多个置入位置；
步骤S40：根据多个置入位置及多个安放角度控制手术机器人的末端执行器20依次移动并得到执行误差；
步骤S50：根据执行误差得到手术机器人的精度。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如上述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
上述集成的单元如果以软件功能单元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计算机可读存储介质中。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全部或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计算机可读存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可为个人计算机、服务器或者网络设备等）执行本发明各个实施例上述方法的全部或部分步骤。而前述的计算机可读存储介质包括：U盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
1）、本申请的用于全髋关节置换术的手术机器人的精度测量方法，通过直接获取开源数据库中的真实的患者骨骼信息制作骨盆及髋臼杯组合体结构10用于进行精度检测，能够模拟真实的手术场景，使得最终得到的精度检测结果更加可靠。具体地，先将具有不同的安放角度的多个髋臼杯模型分别与三维骨盆模型结合得到多个骨盆及髋臼杯组合体模型，再根据多个骨盆及髋臼杯组合体模型得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构10，令手术机器人针对每个骨盆及髋臼杯组合体结构10执行相应的移动动作，再测量移动后的执行误差，最终得到手术机器人的精度，能够使得最终得到的精度数据更加接近真实情况。在本实施例中，设置髋臼杯模型安放角度不同的多个骨盆及髋臼杯组合体模型，再得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构10，能够有效地对手术机器人执行相应动作后的角度偏差进行检测，进而能够得到手术机器人在全髋关节置换术中的髋臼杯置入角度的精度。因此，本实施例的技术方案能够有效地解决相关技术中的精度检测装置及精度检测方法并不能有效地对髋臼杯置入角度进行检测的问题。
2）、本申请的用于全髋关节置换术的手术机器人的精度测量装置，获取单元用于获取开源数据库中的患者骨骼信息，并根据患者骨骼信息建立三维骨盆模型，将具有不同的安放角度的多个髋臼杯模型分别与三维骨盆模型结合得到多个骨盆及髋臼杯组合体模型；加工单元用于根据多个骨盆及髋臼杯组合体模型得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构10；第一计算单元用于根据多个骨盆及髋臼杯组合体结构10得到多个置入位置；执行单元用于根据多个置入位置及多个安放角度控制手术机器人的末端执行器20依次移动并得到执行误差；第二计算单元用于根据执行误差得到手术机器人的精度。通过直接获取开源数据库中的真实的患者骨骼信息制作骨盆及髋臼杯组合体结构10用于进行精度检测，能够模拟真实的手术场景，使得最终得到的精度检测结果更加可靠。具体地，令手术机器人针对每个骨盆及髋臼杯组合体结构10执行相应的移动动作之后测量移动后的执行误差，最终得到手术机器人的精度，能够使得最终得到的精度数据更加接近真实情况。通过设置髋臼杯模型安放角度不同的多个骨盆及髋臼杯组合体模型，再得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构10，能够有效地对手术机器人执行相应动作后的角度偏差进行检测，进而能够得到手术机器人在全髋关节置换术中的髋臼杯置入角度的精度。因此，本实施例的技术方案能够有效地解决相关技术中的精度检测装置及精度检测方法并不能有效地对髋臼杯置入角度进行检测的问题。
以上上述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于全髋关节置换术的手术机器人的精度测量方法，其特征在于，包括：
获取开源数据库中的患者骨骼信息，并根据所述患者骨骼信息建立三维骨盆模型，将具有不同的安放角度的多个髋臼杯模型分别与所述三维骨盆模型结合得到多个骨盆及髋臼杯组合体模型；
根据多个所述骨盆及髋臼杯组合体模型得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构（10）；
根据多个所述骨盆及髋臼杯组合体结构（10）得到多个置入位置；
根据多个所述置入位置及多个所述安放角度控制手术机器人的末端执行器（20）依次移动并得到执行误差；
根据所述执行误差得到所述手术机器人的精度。
2.根据权利要求1所述的精度测量方法，其特征在于，根据多个所述置入位置及多个所述安放角度控制手术机器人的末端执行器（20）依次移动并得到执行误差的步骤包括：
在所述末端执行器（20）每次移动到位之后获取所述骨盆及髋臼杯组合体结构（10）的第一法向量及所述末端执行器（20）在所述置入位置的第二法向量，并计算所述第一法向量和所述第二法向量之间的角度差。
3.根据权利要求2所述的精度测量方法，其特征在于，
获取所述骨盆及髋臼杯组合体结构（10）的第一法向量的步骤包括：通过光学反馈探针在所述骨盆及髋臼杯组合体结构（10）上的髋臼杯平面上采集3个点，并计算所述髋臼杯平面的法向量；
获取所述末端执行器（20）在所述置入位置的第二法向量的步骤包括：通过所述光学反馈探针在所述末端执行器（20）的工装平面上采集3个点，并计算所述工装平面的法向量。
4.根据权利要求2所述的精度测量方法，其特征在于，根据所述执行误差得到所述手术机器人的精度的步骤包括：对多个所述第一法向量和多个所述第二法向量之间的多个所述角度差求平均值。
5.根据权利要求1所述的精度测量方法，其特征在于，所述安放角度包括外展角和前倾角，其中，多个所述髋臼杯模型的外展角相同、前倾角不同。
6.根据权利要求1所述的精度测量方法，其特征在于，所述末端执行器（20）为套设在所述手术机器人的机械臂（30）的端部的盘状结构，所述末端执行器（20）远离所述机械臂（30）的端面为平面并作为所述末端执行器（20）的工装平面，其中，所述工装平面与所述末端执行器（20）的轴线之间的垂直度在0.1mm至0.12mm之间。
7.根据权利要求1所述的精度测量方法，其特征在于，在根据多个所述骨盆及髋臼杯组合体模型得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构（10）的步骤中：所述骨盆及髋臼杯组合体结构（10）中的髋臼杯为实心的半球体结构，所述半球体结构的平面作为所述骨盆及髋臼杯组合体结构（10）的髋臼杯平面。
8.一种用于全髋关节置换术的手术机器人的精度测量装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取开源数据库中的患者骨骼信息，并根据所述患者骨骼信息建立三维骨盆模型，将具有不同的安放角度的多个髋臼杯模型分别与所述三维骨盆模型结合得到多个骨盆及髋臼杯组合体模型；
加工单元，用于根据多个所述骨盆及髋臼杯组合体模型得到多个骨盆及髋臼杯组合体结构（10）；
第一计算单元，用于根据多个所述骨盆及髋臼杯组合体结构（10）得到多个置入位置；
执行单元，用于根据多个所述置入位置及多个所述安放角度控制手术机器人的末端执行器（20）依次移动并得到执行误差；
第二计算单元，用于根据所述执行误差得到所述手术机器人的精度。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，所述程序执行权利要求1至7中任意一项所述的精度测量方法。
10.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1至7中任意一项所述的精度测量方法。
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080201015A1 (en) * | 2005-02-28 | 2008-08-21 | Torgny Brogardh | System for Calibration of an Industrial Robot and a Method Thereof |
| US20150250547A1 (en) * | 2013-09-24 | 2015-09-10 | Sony Olympus Medical Solutions Inc. | Medical robot arm apparatus, medical robot arm control system, medical robot arm control method, and program |
| CN106537393A (zh) * | 2014-05-27 | 2017-03-22 | 奥西里斯生物医学3D有限责任公司 | 用于医疗设备的数据库及市场 |
| US20190388123A1 (en) * | 2007-12-18 | 2019-12-26 | Howmedica Osteonics Corporation | Systems and methods for surgical planning of arthroplasty procedures |
| CN110711029A (zh) * | 2019-09-30 | 2020-01-21 | 苏州微创畅行机器人有限公司 | 截骨导向工具的位置校正方法及骨科手术系统 |
| CN111110351A (zh) * | 2020-01-10 | 2020-05-08 | 北京天智航医疗科技股份有限公司 | 用于检测关节置换手术机器人系统精度的组件和方法 |
| CN112641511A (zh) * | 2020-12-18 | 2021-04-13 | 北京长木谷医疗科技有限公司 | 关节置换手术导航系统及方法 |
| CN113199510A (zh) * | 2021-06-09 | 2021-08-03 | 杭州柳叶刀机器人有限公司 | 手术导航机器人精度检验方法 |
| CN113920807A (zh) * | 2021-10-20 | 2022-01-11 | 哈尔滨理工大学 | 一种骨切削手术教学训练系统 |
-
2022
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Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080201015A1 (en) * | 2005-02-28 | 2008-08-21 | Torgny Brogardh | System for Calibration of an Industrial Robot and a Method Thereof |
| US20190388123A1 (en) * | 2007-12-18 | 2019-12-26 | Howmedica Osteonics Corporation | Systems and methods for surgical planning of arthroplasty procedures |
| US20150250547A1 (en) * | 2013-09-24 | 2015-09-10 | Sony Olympus Medical Solutions Inc. | Medical robot arm apparatus, medical robot arm control system, medical robot arm control method, and program |
| CN106537393A (zh) * | 2014-05-27 | 2017-03-22 | 奥西里斯生物医学3D有限责任公司 | 用于医疗设备的数据库及市场 |
| CN110711029A (zh) * | 2019-09-30 | 2020-01-21 | 苏州微创畅行机器人有限公司 | 截骨导向工具的位置校正方法及骨科手术系统 |
| CN111110351A (zh) * | 2020-01-10 | 2020-05-08 | 北京天智航医疗科技股份有限公司 | 用于检测关节置换手术机器人系统精度的组件和方法 |
| CN112641511A (zh) * | 2020-12-18 | 2021-04-13 | 北京长木谷医疗科技有限公司 | 关节置换手术导航系统及方法 |
| CN113199510A (zh) * | 2021-06-09 | 2021-08-03 | 杭州柳叶刀机器人有限公司 | 手术导航机器人精度检验方法 |
| CN113920807A (zh) * | 2021-10-20 | 2022-01-11 | 哈尔滨理工大学 | 一种骨切削手术教学训练系统 |
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