CN115414117A - 骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定方法及装置 - Google Patents

骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定方法及装置 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定方法及装置，该方法包括：控制所述机械臂以法兰原点为中心，在三维空间中运动到特定形状的多个顶点，分别确定所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系的多个第二位置坐标，以及所述法兰光学定位架在机械臂坐标系的多个第三位置坐标；控制法兰原点运动到特定形状的中心位置，确定所述法兰光学定位架在所述光学定位仪坐标系的第四位置坐标以及法兰中心在所述机械臂坐标系的位置信息和姿态信息；根据所述多个第二位置坐标、所述多个第三位置坐标、所述第四位置坐标以及所述位置信息和所述姿态信息，确定TCP点在所述法兰坐标系的目标位置坐标。本公开的方法能够提高获得的末端工具TCP点的精度。

Description

骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定方法及装置
技术领域
本公开涉及医疗技术领域，尤其涉及一种骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定方法及装置。
背景技术
随着科学技术的不断发展，医疗手术领域正不断的朝着智能化，精确化发展，特别是精准医疗领域。利用手术机器人进行辅助手术越来越普遍，机械臂在很多手术场景辅助或者替代人手进行精细操作，保证手术精度，提高手术效率。
但是当前对于机械臂末端工具中心点(TCP)的坐标位置难以确定其准确位置，导致影响手术的精度和成功率。
公开于本申请背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本公开实施例提供一种骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定方法及装置，能够至少解决现有技术的部分问题。
本公开实施例的第一方面，
提供一种骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定方法，所述方法应用于手术机器人TCP工具坐标定位系统，所述系统包括机械臂、与所述机械臂底座连接的法兰、与所述机械臂输出端连接的末端工具、安装在法兰侧边的法兰光学定位架、安装在所述末端工具侧边的末端工具光学定位架以及光学定位仪，所述方法包括：控制所述机械臂以法兰原点为中心，在三维空间中运动到特定形状的多个顶点，分别确定所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系的多个第二位置坐标，以及所述法兰光学定位架在机械臂坐标系的多个第三位置坐标；控制法兰原点运动到特定形状的中心位置，确定所述法兰光学定位架在所述光学定位仪坐标系的第四位置坐标以及法兰中心在所述机械臂坐标系的位置信息和姿态信息；根据所述多个第二位置坐标、所述多个第三位置坐标、所述第四位置坐标以及所述位置信息和姿态信息，确定手术机器人末端工具TCP点在所述法兰坐标系的目标位置坐标。
可选地，控制所述机械臂以法兰原点为中心，在三维空间中运动到特定形状的多个顶点，分别确定所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系的多个第二位置坐标，以及所述法兰光学定位架在机械臂坐标系的多个第三位置坐标，包括：在所述机械臂运动至所述多个顶点中的任意一个顶点时，对应采集所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系中的位置坐标以及所述法兰光学定位架在所述机械臂坐标系中的位置坐标；将采集的多个所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系中的位置坐标确定为多个第二位置坐标，将采集的多个所述法兰光学定位架在所述机械臂坐标系中的位置坐标确定为多个第三位置坐标；根据所述多个第二位置坐标以及所述多个第三位置坐标，确定法兰原点从光学定位仪坐标系转换到机械臂坐标系的第一变换矩阵。
可选地，控制法兰原点运动到特定形状的中心位置，确定所述法兰光学定位架在所述光学定位仪坐标系的第四位置坐标以及法兰中心在所述机械臂坐标系的位置信息和姿态信息，包括：在确定所述法兰原点运动到特定形状的中心位置时，采集所述末端工具光学定位架在光学定位仪坐标系中的第四位置坐标,以及所述法兰原点在机械臂坐标系下的位置信息和姿态信息，根据所述第四位置坐标以及所述位置信息和姿态信息，得到从机械臂坐标系到法兰坐标系的第二变换矩阵。
可选地，根据所述多个第二位置坐标、所述多个第三位置坐标、所述第四位置坐标以及所述位置姿态，确定机器人末端工具TCP点在所述法兰坐标系的目标位置坐标的方法包括：根据所述第一变换矩阵，确定手术机器人末端工具TCP点在所述法兰坐标系的中间位置坐标；基于所述第二变换矩阵、所述中间位置坐标以及所述位置姿态，确定所述目标位置。
可选地，所述位置信息包括末端工具光学定位架法兰原点的位置坐标信息,所述姿态信息通过机械臂坐标系依次按照Z轴旋转角度γ、Y轴旋转角度β、X轴旋转角度α的顺序得到。
可选地，在控制所述机械臂以法兰原点为中心，在三维空间中运动到特定形状的多个顶点之前，方法还包括：控制所述机械臂以法兰原点为中心，分别绕法兰坐标系的三个坐标轴旋转；在所述机械臂绕所述法兰坐标系的三个坐标轴旋转开始时刻至结束时刻，均匀采集所述法兰光学定位架在所述法兰坐标系中的多个第一位置坐标，并根据所述多个第一位置坐标，拟合法兰原点在所述光学定位仪坐标系的拟合坐标，并确保拟合法兰原点在所述光学定位仪坐标系下的坐标与各所述第一位置坐标之间距离差小于精度阈值。
可选地，所述末端工具光学定位架和所述法兰光学定位架上分别安装有对应的第一反光球和第二反光球；在控制所述机械臂以法兰原点为中心，分别绕所述法兰坐标系的三个坐标轴旋转之前，所述方法还包括：确定所述第一反光球在所述法兰坐标系的第一位置参数以及所述第二反光球在所述光学定位仪坐标系的第二位置参数。
本公开实施例的第二方面，
提供一种骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定装置，所述确定装置应用于手术机器人TCP工具坐标定位系统，所述系统包括机械臂、与所述机械臂底座连接的法兰、与所述机械臂输出端连接的末端工具、安装在法兰侧边的法兰光学定位架、安装在所述末端工具侧边的末端工具光学定位架以及光学定位仪，所述确定装置包括：控制模块，用于控制所述机械臂以法兰原点为中心，在三维空间中运动到特定形状的多个顶点；确定模块，用于分别确定所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系的多个第二位置坐标，以及所述法兰光学定位架在机械臂坐标系的多个第三位置坐标；所述控制模块，还用于控制法兰原点运动到特定形状的中心位置；所述确定模块，还用于确定所述法兰光学定位架在所述光学定位仪坐标系的第四位置坐标以及法兰中心在所述机械臂坐标系的位置姿态；所述确定模块，还用于根据所述多个第二位置坐标、所述多个第三位置坐标、所述第四位置坐标以及所述位置姿态，确定机械臂末端工具TCP点在所述法兰坐标系的目标位置坐标。
本公开实施例的第三方面，
提供一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行如上所述的骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定方法。
本公开实施例的第四方面，
提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上所述的骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定方法。
本发明提供的上述技术方案至少具有如下有益效果：
根据多个第二位置坐标和多个第三位置坐标，能够确定法兰原点从光学定位仪坐标系转换到机械臂坐标系的第一变换矩阵。根据第四位置坐标以及位置信息及姿态信息，能够得到机械臂坐标系到法兰坐标系的第二变换矩阵。在通过光学定位仪获取到末端工具TCP在光学定位仪下的坐标时，结合第一变换矩阵及第二变换矩阵，能够准确地得到末端工具TCP在法兰坐标系下的目标位置坐标。通过上述方式得到目标位置坐标，可以减小法兰定位架在安装时带来的误差，提高得到的目标位置坐标的精度。在基于得到的目标位置坐标控制末端工具进行作业时，例如磨锉、切削，提高其操作精度。
附图说明
图1为本发明提供的一种骨科手术机器人执行末端位置坐标的定位系统；
图2为本发明提供的一种机械臂台车的示意图；
图3为本发明提供的一种骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定方法的流程示意图；
图4为本发明提供的一种骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定装置的模块示意图；
图5为本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)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，以便这里描述的本公开的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
应当理解，在本公开的各种实施例中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本公开实施例的实施过程构成任何限定。
应当理解，在本公开中，“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。
应当理解，在本公开中，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“包含A、B和C”、“包含A、B、C”是指A、B、C三者都包含，“包含A、B或C”是指包含A、B、C三者之一，“包含A、B和/或C”是指包含A、B、C三者中任1个或任2个或3个。
应当理解，在本公开中，“与A对应的B”、“与A相对应的B”、“A与B相对应”或者“B与A相对应”，表示B与A相关联，根据A可以确定B。根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其他信息确定B。A与B的匹配，是A与B的相似度大于或等于预设的阈值。
取决于语境，如在此所使用的“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。
下面以具体地实施例对本公开的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
如图1和图2所示，提供了一种手术机器人末端工具TCP坐标的定位系统1，所述系统1包括安装在机械臂台车11上的机械臂101、与所述机械臂底座连接的法兰12、与所述机械臂输出端连接的末端工具13、安装在法兰12侧边的法兰光学定位架14、安装在所述末端工具13侧边的末端工具光学定位架15以及光学定位仪16。主控台车17，用于与机械臂台车11和光学定位仪16进行通信连接，其中，所述光学定位仪16也可以称之为NDI台车。
图3示例性地示出本公开实施例手骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定方法的流程示意图，所述方法包括以下步骤：
S301：控制所述机械臂以法兰原点为中心，在三维空间中运动到特定形状的多个顶点，分别确定所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系的多个第二位置坐标，以及所述法兰光学定位架在机械臂坐标系的多个第三位置坐标。
需要说明的是，所述末端工具光学定位架原点设在工具末端TCP点，所述法兰光学定位架原点设在法兰中心。所述特定形状可以是边长为30mm立方体，例如长方体或者正方体，在此不进行限定。
在特定形状为立方体时，其顶点共有8个。示例地，控制机械臂以法兰原点为中心，在三维空间依次运动到边长为30mm立方体的八个顶点，并分别记录此时法兰光学定位架在NDI光学定位仪坐标系下的多个第二位置坐标PFi立方体NDI(i＝1～8)以及法兰光学定位架在机械臂坐标系下的多个第三位置坐标PFi立方体ROBOT(i＝1～8)。
S302：控制法兰原点运动到特定形状的中心位置，确定所述法兰光学定位架在所述光学定位仪坐标系的第四位置坐标以及法兰中心在所述机械臂坐标系的位置信息和姿态信息。
需要说明的是，在该特定形状为立方体时，中心位置为该立方体任意两条对角线的交点。
所述位置信息包括末端工具光学定位架法兰原点的位置坐标信息,所述姿态信息通过机械臂坐标系依次按照Z轴旋转角度γ、Y轴旋转角度β、X轴旋转角度α的顺序得到。
S303：根据所述多个第二位置坐标、所述多个第三位置坐标、所述第四位置坐标以及所述位置信息和所述姿态信息，确定手术机器人末端工具TCP点在所述法兰坐标系的目标位置坐标。
本发明提供的骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定方法，根据多个第二位置坐标和多个第三位置坐标，能够确定法兰原点从光学定位仪坐标系转换到机械臂坐标系的第一变换矩阵。根据第四位置坐标以及位置信息及姿态信息，能够得到机械臂坐标系到法兰坐标系的第二变换矩阵。在通过光学定位仪获取到末端工具TCP在光学定位仪下的坐标时，结合第一变换矩阵及第二变换矩阵，能够准确地得到末端工具TCP在法兰坐标系下的目标位置坐标。通过上述方式得到目标位置坐标，可以减小法兰定位架在安装时带来的误差，提高得到的目标位置坐标的精度。在基于得到的目标位置坐标控制末端工具进行作业时，例如磨锉、切削，提高其操作精度。
在一种可选的实施方式中，
控制所述机械臂以法兰原点为中心，在三维空间中运动到特定形状的多个顶点，分别确定所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系的多个第二位置坐标，以及所述法兰光学定位架在机械臂坐标系的多个第三位置坐标，包括：
在所述机械臂运动至所述多个顶点中的任意一个顶点时，对应采集所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系中的位置坐标以及所述法兰光学定位架在所述机械臂坐标系中的位置坐标；
将采集的多个所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系中的位置坐标确定为多个第二位置坐标，将采集的多个所述法兰光学定位架在所述机械臂坐标系中的位置坐标确定为多个第三位置坐标；
根据所述多个第二位置坐标以及所述多个第三位置坐标，确定法兰原点从光学定位仪坐标系转换到机械臂坐标系的第一变换矩阵。
需要说明的是，控制机械臂运动时，可以按照一定的顺序进行操作。为了便于描述，以特定形状为立方体为例进行说明。例如，控制机械臂按照顺时针的顺序依次经过立方体顶面的四个顶点，然后在机械臂停留的最后一个顶点，控制机械臂运动至与该顶点相邻的底面的顶点，并控制机械臂按照顺时针的顺序依次经过立方体底面的其它三个顶点。可选地，也可以控制机械臂在立方体的顶面按照逆时针运动，在底面按照顺时针运动。或者，控制机械臂在立方体的顶面按照逆时针运动，在底面按照逆时针运动，此处不再一一举例说明。控制机械臂按照特定顺序移动，可以使机械臂的姿态变化较为平缓，避免机械臂在相邻两点之间的运动幅度及姿势变化过大可能造成的误差。
基于多个第二位置坐标和多个第三位置坐标，可以通过ICP配准的方式确定法兰原点从光学定位仪坐标系转换到机械臂坐标系的第一变换矩阵。
在一种可选的实施方式中，
控制法兰原点运动到特定形状的中心位置，确定所述法兰光学定位架在所述光学定位仪坐标系的第四位置坐标以及法兰中心在所述机械臂坐标系的位置信息和姿态信息，包括：
在确定所述法兰原点运动到特定形状的中心位置时，采集所述末端工具光学定位架在光学定位仪坐标系中的第四位置坐标,以及所述法兰原点在机械臂坐标系下的位置信息和姿态信息，
根据所述第四位置坐标以及所述位置信息和姿态信息，得到从机械臂坐标系到法兰坐标系的第二变换矩阵。
在上文提到的一种实现方式中，所述姿态信息通过机械臂坐标系依次按照Z轴旋转角度γ、Y轴旋转角度β、X轴旋转角度α的顺序得到。γ、β、α分别为机械臂坐标系三个坐标轴Z轴、Y轴和X轴对应的欧拉角。
在得到第二变换矩阵时，首先求得机械臂坐标系三个坐标轴的旋转矩阵R(α，β，γ)，然后再基于位置坐标(x，y，z)与旋转矩阵，求得第二变换矩阵MoFlange。具体的，旋转矩阵R(α，β，γ)可以通过以下方式得到：
Figure BDA0003824146250000081
通过位置坐标(x，y，z)和旋转矩阵R(α，β，γ)，可计算出此时法兰原点在机械臂坐标系下的第二变换矩阵MoFlange。
Figure BDA0003824146250000082
在一种可选的实施方式中，
根据所述多个第二位置坐标、所述多个第三位置坐标、所述第四位置坐标以及所述位置姿态，确定手术机器人末端工具TCP点在所述法兰坐标系的目标位置坐标的方法包括：
根据第一变换矩阵，确定手术机器人TCP点在所述法兰坐标系的中间位置坐标；
基于所述第二变换矩阵、所述中间位置坐标以及所述位置信息和姿态信息，确定所述目标位置坐标。
可选地，由于Ptcp ROBOT＝MoFlange*Ptcp flange，所以Ptcpflange＝MoFlange -1*Ptcp ROBOT。TCP点在机械臂系下的坐标表示可通过经配准转换矩阵(第一变换矩阵)乘以NDI光学定位仪坐标系(光学定位仪坐标系)下的坐标得到，即Ptcp ROBOT＝MNDI2ROBOT*Ptcp NDI，代入前面的公式，即可求得TCP在法兰坐标系下的位置坐标Ptcp flange＝MoFlange -1*MNDI2ROBOT*Ptcp NDI。
其中，目标位置坐标用Ptcp flange表示，第二变换矩阵用MoFlange表示，末端工具TCP点在机械臂系下的坐标用Ptcp ROBOT表示，第一变换矩阵用MNDI2ROBOT表示，末端工具TCP点在光学定位仪坐标系下的坐标用Ptcp NDI表示。
在一种可选的实施方式中，
在控制所述机械臂以法兰原点为中心，在三维空间中运动到特定形状的多个顶点之前，方法还包括：
控制所述机械臂以法兰原点为中心，分别绕法兰坐标系的三个坐标轴旋转；
在所述机械臂绕所述法兰坐标系的三个坐标轴旋转开始时刻至结束时刻，均匀采集所述法兰光学定位架在所述法兰坐标系中的多个第一位置坐标，并根据所述多个第一位置坐标，拟合法兰原点在所述光学定位仪坐标系的拟合坐标，并确保拟合法兰原点在所述光学定位仪坐标系下的坐标与各所述第一位置坐标之间距离差小于精度阈值。
示例的，使机械臂以法兰原点为中心，分别绕法兰坐标系的x、y、z轴旋转半周，并记录每次旋转时，均匀采集的法兰定位架的10个位置坐标PiFlange(i＝1～10)，并据此拟合出法兰中心在NDI光学定位仪坐标系下的坐标PFNDI。本公开实施例采集法兰定位架的10个位置坐标，只是示例性地说明，本公开实施例对于位置坐标的具体采集数量并不进行限定。
需要说明的是，通过将采集的多个第一位置坐标进行拟合，进而得到拟合后的法兰原点的拟合坐标。在得到法兰原点的拟合坐标之后，确定拟合坐标与每个第一位置坐标之间的距离。如果拟合坐标与各所述第一位置坐标之间距离差均小于精度阈值，则说明机械臂法兰定位架的安装精度满足要求。如果拟合坐标与各所述第一位置坐标之间距离差中存在大于精度阈值的情况，则说明需要重新安装机械臂法兰定位架，直至拟合坐标与各所述第一位置坐标之间距离差均小于精度阈值为止。
在一种可选的实施方式中，
所述末端工具光学定位架和所述法兰光学定位架上分别安装有对应的第一反光球和第二反光球；
在控制所述机械臂以法兰原点为中心，分别绕所述法兰坐标系的三个坐标轴旋转之前，所述方法还包括：
确定所述第一反光球在所述法兰坐标系的第一位置参数以及所述第二反光球在所述光学定位仪坐标系的第二位置参数。
根据所述第一反光球位置参数和所述第二反光球位置参数，生成所述末端工具光学定位架和所述法兰光学定位架用于所述光学定位仪识别的ROM文件。
示例性地，本公开实施例可以通过三维机械建模软件生成机械臂、末端工具、安装在末端工具上的工具光学定位架、安装在法兰侧边的法兰光学定位架的三维模型，其中工具光学定位架原点设在法兰中心，工具光学定位架原点设在工具末端TCP点。通过三维机械建模软件生成最终装配体模型，并计算出两个光学定位架反光球在各自定位架原点下的坐标位置参数，并据此制作生成定位架用于光学定位仪NDI识别的rom文件。
如图4所示，基于与上述方法相同的技术构思，本发明提供了一种骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定装置，所述确定装置所起的作用与上述方法的作用相同，在此不再进行赘述。
本发明提供的一种骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定装置，所述确定装置应用于手术机器人TCP工具坐标定位系统，所述系统包括机械臂、与所述机械臂底座连接的法兰、与所述机械臂输出端连接的末端工具、安装在法兰侧边的法兰光学定位架、安装在所述末端工具侧边的末端工具光学定位架以及光学定位仪，所述确定装置包括：
控制模块401，用于控制所述机械臂以法兰原点为中心，在三维空间中运动到特定形状的多个顶点；确定模块402，用于分别确定所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系的多个第二位置坐标，以及所述法兰光学定位架在机械臂坐标系的多个第三位置坐标；
所述控制模块401，还用于控制法兰原点运动到特定形状的中心位置；所述确定模块402，还用于确定所述法兰光学定位架在所述光学定位仪坐标系的第四位置坐标以及法兰中心在所述机械臂坐标系的位置姿态；
所述确定模块402，还用于根据所述多个第二位置坐标、所述多个第三位置坐标、所述第四位置坐标以及所述位置姿态，确定机械臂末端工具TCP点在所述法兰坐标系的目标位置坐标。
本发明提供的一种实施方式中，所述控制模块和所述确定模块，在控制所述机械臂以法兰原点为中心，在三维空间中运动到特定形状的多个顶点，分别确定所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系的多个第二位置坐标，以及所述法兰光学定位架在机械臂坐标系的多个第三位置坐标时，具体用于：
在所述机械臂运动至所述多个顶点中的任意一个顶点时，对应采集所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系中的位置坐标以及所述法兰光学定位架在所述机械臂坐标系中的位置坐标；
将采集的多个所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系中的位置坐标确定为多个第二位置坐标，将采集的多个所述法兰光学定位架在所述机械臂坐标系中的位置坐标确定为多个第三位置坐标；
根据所述多个第二位置坐标以及所述多个第三位置坐标，确定法兰原点从光学定位仪坐标系转换到机械臂坐标系的第一变换矩阵。
本发明提供的一种实施方式中，所述控制模块401和所述确定模块402，在控制法兰原点运动到特定形状的中心位置，确定所述法兰光学定位架在所述光学定位仪坐标系的第四位置坐标以及法兰中心在所述机械臂坐标系的位置信息和姿态信息时，具体用于：
在确定所述法兰原点运动到特定形状的中心位置时，采集所述末端工具光学定位架在光学定位仪坐标系中的第四位置坐标,以及所述法兰原点在机械臂坐标系下的位置信息和姿态信息，
根据所述第四位置坐标以及所述位置信息和姿态信息，得到从机械臂坐标系到法兰坐标系的第二变换矩阵。
本发明提供的一种实施方式中，所述确定模块402，在根据所述多个第二位置坐标、所述多个第三位置坐标、所述第四位置坐标以及所述位置信息和姿态信息，确定机器人末端工具TCP点在所述法兰坐标系的目标位置坐标时，具体用于：
根据所述第一变换矩阵，确定手术机器人末端工具TCP点在所述法兰坐标系的中间位置坐标；
基于所述第二变换矩阵、所述中间位置坐标以及所述位置信息和姿态信息，确定所述目标位置坐标。
本发明提供的一种实施方式中，所述位置信息包括末端工具光学定位架法兰原点的位置坐标信息,所述姿态信息通过机械臂坐标系依次按照Z轴旋转角度γ、Y轴旋转角度β、X轴旋转角度α的顺序得到。
本发明提供的一种实施方式中，在控制所述机械臂以法兰原点为中心，在三维空间中运动到特定形状的多个顶点之前，所述控制模块401还用于：
控制所述机械臂以法兰原点为中心，分别绕法兰坐标系的三个坐标轴旋转；
在所述机械臂绕所述法兰坐标系的三个坐标轴旋转开始时刻至结束时刻，均匀采集所述法兰光学定位架在所述法兰坐标系中的多个第一位置坐标，并根据所述多个第一位置坐标，拟合法兰原点在所述光学定位仪坐标系的拟合坐标，并确保拟合法兰原点在所述光学定位仪坐标系下的坐标与各所述第一位置坐标之间距离差小于精度阈值。
本发明提供的一种实施方式中，所述末端工具光学定位架和所述法兰光学定位架上分别安装有对应的第一反光球和第二反光球；
在控制所述机械臂以法兰原点为中心，分别绕所述法兰坐标系的三个坐标轴旋转之前，所述确定模块402还用于：
确定所述第一反光球在所述法兰坐标系的第一位置参数以及所述第二反光球在所述光学定位仪坐标系的第二位置参数。
本公开实施例的第三方面，
图5示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(Communications Interface)520、存储器(memory)530和通信总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行上述各方法所提供的髌骨图像处理方法。
此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过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。
本公开实施例的第四方面，
提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上所述的骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定方法。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、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)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
用于执行本发明操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令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)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。
这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。
这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理单元，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其他可编程数据处理装置的处理单元执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。
也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其他可编程数据处理装置、或其他设备上，使得在计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其他可编程数据处理装置、或其他设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、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、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令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。在有些作为替换的实现中，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，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/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。
注意，除非另有直接说明，否则本说明书(包含任何所附权利要求、摘要和附图)中所揭示的所有特征皆可由用于达到相同、等效或类似目的的可替代特征来替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每一个特征仅是一组等效或类似特征的一个示例。在使用到的情况下，进一步地、较优地、更进一步地和更优地是在前述实施例基础上进行另一实施例阐述的简单起头，该进一步地、较优地、更进一步地或更优地后带的内容与前述实施例的结合作为另一实施例的完整构成。在同一实施例后带的若干个进一步地、较优地、更进一步地或更优地设置之间可任意组合的组成又一实施例。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定方法，其特征在于，所述方法应用于手术机器人TCP工具坐标定位系统，所述系统包括机械臂、与所述机械臂底座连接的法兰、与所述机械臂输出端连接的末端工具、安装在法兰侧边的法兰光学定位架、安装在所述末端工具侧边的末端工具光学定位架以及光学定位仪，所述方法包括：
控制所述机械臂以法兰原点为中心，在三维空间中运动到特定形状的多个顶点，分别确定所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系的多个第二位置坐标，以及所述法兰光学定位架在机械臂坐标系的多个第三位置坐标；
控制法兰原点运动到特定形状的中心位置，确定所述法兰光学定位架在所述光学定位仪坐标系的第四位置坐标以及法兰中心在所述机械臂坐标系的位置信息和姿态信息；
根据所述多个第二位置坐标、所述多个第三位置坐标、所述第四位置坐标以及所述位置信息和所述姿态信息，确定手术机器人末端工具TCP点在法兰坐标系的目标位置坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述机械臂以法兰原点为中心，在三维空间中运动到特定形状的多个顶点，分别确定所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系的多个第二位置坐标，以及所述法兰光学定位架在所述机械臂坐标系的多个第三位置坐标，包括：
在所述机械臂运动至所述多个顶点中的任意一个顶点时，对应采集所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系中的位置坐标以及所述法兰光学定位架在所述机械臂坐标系中的位置坐标；
将采集的多个所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系中的位置坐标确定为多个第二位置坐标，将采集的多个所述法兰光学定位架在所述机械臂坐标系中的位置坐标确定为多个第三位置坐标；
根据所述多个第二位置坐标以及所述多个第三位置坐标，确定法兰原点从光学定位仪坐标系转换到所述机械臂坐标系的第一变换矩阵。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，控制法兰原点运动到特定形状的中心位置，确定所述法兰光学定位架在所述光学定位仪坐标系的第四位置坐标以及法兰中心在所述机械臂坐标系的位置信息和姿态信息，包括：
在确定所述法兰原点运动到特定形状的中心位置时，采集所述末端工具光学定位架在光学定位仪坐标系中的第四位置坐标,以及所述法兰原点在所述机械臂坐标系下的位置信息和姿态信息；
根据所述第四位置坐标以及所述位置信息和姿态信息，得到从所述机械臂坐标系到所述法兰坐标系的第二变换矩阵。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述多个第二位置坐标、所述多个第三位置坐标、所述第四位置坐标以及所述位置姿态，确定机器人末端工具TCP点在所述法兰坐标系的目标位置坐标的方法，包括：
根据所述第一变换矩阵，确定手术机器人末端工具TCP点在所述法兰坐标系的中间位置坐标；
基于所述第二变换矩阵、所述中间位置坐标以及所述位置信息和姿态信息，确定所述目标位置坐标。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述位置信息包括末端工具光学定位架法兰原点的位置坐标信息,所述姿态信息通过所述机械臂坐标系依次按照Z轴旋转角度γ、Y轴旋转角度β、X轴旋转角度α的顺序得到。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在控制所述机械臂以法兰原点为中心，在三维空间中运动到特定形状的多个顶点之前，方法还包括：
控制所述机械臂以法兰原点为中心，分别绕所述法兰坐标系的三个坐标轴旋转；
在所述机械臂绕所述法兰坐标系的三个坐标轴旋转开始时刻至结束时刻，均匀采集所述法兰光学定位架在所述法兰坐标系中的多个第一位置坐标，并根据所述多个第一位置坐标，拟合法兰原点在所述光学定位仪坐标系的拟合坐标，并确保拟合法兰原点在所述光学定位仪坐标系下的坐标与各所述第一位置坐标之间距离差小于精度阈值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述末端工具光学定位架和所述法兰光学定位架上分别安装有对应的第一反光球和第二反光球；
在控制所述机械臂以法兰原点为中心，分别绕所述法兰坐标系的三个坐标轴旋转之前，所述方法还包括：
确定所述第一反光球在所述法兰坐标系的第一位置参数以及所述第二反光球在所述光学定位仪坐标系的第二位置参数。
8.一种骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定装置，所述确定装置应用于手术机器人TCP工具坐标定位系统，所述系统包括机械臂、与所述机械臂底座连接的法兰、与所述机械臂输出端连接的末端工具、安装在法兰侧边的法兰光学定位架、安装在所述末端工具侧边的末端工具光学定位架以及光学定位仪，所述确定装置包括：
控制模块，用于控制所述机械臂以法兰原点为中心，在三维空间中运动到特定形状的多个顶点；确定模块，用于分别确定所述法兰光学定位架在光学定位仪坐标系的多个第二位置坐标，以及所述法兰光学定位架在机械臂坐标系的多个第三位置坐标；
所述控制模块，还用于控制法兰原点运动到特定形状的中心位置；所述确定模块，还用于确定所述法兰光学定位架在所述光学定位仪坐标系的第四位置坐标以及法兰中心在所述机械臂坐标系的位置姿态；
所述确定模块，还用于根据所述多个第二位置坐标、所述多个第三位置坐标、所述第四位置坐标以及所述位置姿态，确定机械臂末端工具TCP点在法兰坐标系的目标位置坐标。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行如权利要求1至7中任意一项所述的骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1至7中任意一项所述的骨科手术机器人执行末端位置坐标的确定方法。
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