CN116785001B - 一种种植手术工具标定方法、系统和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种种植手术工具标定方法、系统和存储介质，通过获取定位器坐标系下种植手术工具的标定轴向参数对种植手术工具进行轴向标定，通过分析得到定位器坐标系下的标定尖端参数对种植手术工具进行尖端标定，具体地，以取平均值的方式获取定位器坐标系下种植手术工具的标定轴向参数进行轴向标定，通过三角函数的方式分析得到定位器坐标系下的标定尖端参数进行尖端标定，进而确定轴向和尖端分别与定位器之间的空间坐标转换关系，具有操作简单、标定精度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，涉及一种用于在实施种植手术前进行对比种植手术实施工具进行轴向标定和尖端标定的方法、系统和存储介质。
背景技术
本技术方案中的种植手术实施工具，特指用于在实施种植牙修复手术时所用到的种植手机。在手术过程中，种植手机的作用在于对患者缺牙部分的牙槽骨进行钻孔，以在特定位置形成特定大小、特定方向和特定深度的种植孔。种植孔的位置、大小、方向和深度视患者的口腔内部环境而进行最优化设计。从结构上看，种植手术实施工具至少包括本体、固定套筒和钻头，固定套筒设置于本体的端部，可根据实际需要选择特定的钻头，再通过固定套筒将钻头固定安装在本体上，并在使用完成后拆卸下来。
使用之前，需要对种植手术工具进行标定，以确定种植手术工具在定位器下的坐标。现有技术中的标定方法为：先对种植机器人标定，控制种植机器人移动标定板在光学定位仪视野中运动六个不同的位姿，光学定位仪识别到标定板的六个位姿，与机器人基座坐标系中的这六个位姿进行计算，从而确定种植手术工具与基座坐标系的关系和基座坐标系与光学定位仪之间的关系。上述标定方法需要重复多次运动到不同位置，操作较为复杂，同时仅以基座坐标系为中介在种植机器人和光学定位仪之间搭建桥梁，对种植机器人的轴向和尖端状态未能精准标定。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种种植手术工具标定方法、系统和存储介质，能够分别对种植手术工具的轴向和尖端进行标定，直接确定轴向和尖端分别与定位器之间的空间坐标转换关系，具有操作简单、标定精度高等优点。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种种植手术工具标定方法，包括对种植手术工具进行轴向标定和尖端标定；
对种植手术工具进行轴向标定包括以下步骤：
S11.当所述标定板通过连接杆安装于种植手术工具上时，控制光学定位仪实时采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据，通过采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据在标定板坐标系和定位器坐标系之间建立矩阵转换关系；所述标定板上设置有连接杆、尖端标定面和多个标定标识点，所述定位器上设置有多个定位标识点，所述定位器固定设置于种植手术工具上，所述种植手术工具上可拆装地设置有钻头；
S12.通过标定板的位姿状态数据获取在标定板坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值；
S13.基于标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，结合在标定板坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值，获取在定位器坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值；
S14.当所述标定板通过连接杆安装于种植手术工具上时，施加外力驱使所述标定板以连接杆为中轴进行旋转，连续捕捉所述标定板在旋转状态下的位姿状态数据；
S15.基于所述标定板在旋转状态下的位姿状态数据，得到顶部坐标值集合和中部坐标值集合，根据顶部坐标值集合和中部坐标值集合分别拟合得到连接杆顶部点云和连接杆中部点云，分别选取连接杆顶部点云的中心点和连接杆中部点云的中心点并建立连线，获取定位器坐标系下种植手术工具的标定轴向参数，完成轴向标定；
对种植手术工具进行尖端标定包括以下步骤：
S21.当所述种植手术工具上装上钻头且钻头抵接于尖端标定面上时，控制光学定位仪实时采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据，同时获取标定板坐标系和定位器之间的矩阵转换关系；
S22.获取定位器坐标系下钻头安装底端点坐标值，基于标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，获取标定板坐标系下钻头安装底端点坐标值；
S23.基于定位器坐标系下种植手术工具的标定轴向参数和标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，获取标定板坐标系下种植手术工具的标定轴向参数；
S24.通过标定板的位姿状态数据获取标定板坐标系下尖端标定面法向参数和尖端标定面位姿参数；
S25.基于标定板坐标系下的钻头安装底端点坐标值、种植手术工具的标定轴向参数、尖端标定面法向参数以及尖端标定面位姿参数，分析得到标定板坐标系下钻头尖端坐标值；
S26.根据标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，结合标定板坐标系下钻头尖端坐标值分析得到定位器坐标系下的标定尖端参数，完成尖端标定。
与现有技术相比，本技术方案的有益效果是：通过取平均值的方式获取定位器坐标系下种植手术工具的标定轴向参数进行轴向标定，通过三角函数的方式分析得到定位器坐标系下的标定尖端参数进行尖端标定，进而确定轴向和尖端分别与定位器之间的空间坐标转换关系，具有操作简单、标定精度高等优点。
对应地，一种种植手术工具标定系统包括轴向标定模组和尖端标定模组；
所述轴向标定模组包括：
轴向标定数据采集模块，用于当所述标定板通过连接杆安装于种植手术工具上时，控制光学定位仪实时采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据，通过采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据在标定板坐标系和定位器坐标系之间建立矩阵转换关系；所述标定板上设置有连接杆、尖端标定面和多个标定标识点，所述定位器上设置有多个定位标识点，所述定位器固定设置于种植手术工具上，所述种植手术工具上可拆装地设置有钻头；
轴向标定坐标获取模块，用于通过标定板的位姿状态数据获取在标定板坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值；
轴向标定坐标转化模块，用于基于标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，结合在标定板坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值，获取在定位器坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值；
轴向标定连续采样模块，用于当所述标定板通过连接杆安装于种植手术工具上时，施加外力驱使所述标定板以连接杆为中轴进行旋转，连续捕捉所述标定板在旋转状态下的位姿状态数据；
轴向标定执行模块，用于基于所述标定板在旋转状态下的位姿状态数据，得到顶部坐标值集合和中部坐标值集合，根据顶部坐标值集合和中部坐标值集合分别拟合得到连接杆顶部点云和连接杆中部点云，分别选取连接杆顶部点云的中心点和连接杆中部点云的中心点并建立连线，获取定位器坐标系下种植手术工具的标定轴向参数，完成轴向标定；
所述尖端标定模组包括：
尖端标定数据采集模块，用于当所述种植手术工具上装上钻头且钻头抵接于尖端标定面上时，控制光学定位仪实时采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据，同时获取标定板坐标系和定位器之间的矩阵转换关系；
尖端标定坐标获取模块，用于获取定位器坐标系下钻头安装底端点坐标值，基于标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，获取标定板坐标系下钻头安装底端点坐标值；
第一参数获取模块，用于基于定位器坐标系下种植手术工具的标定轴向参数和标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，获取标定板坐标系下种植手术工具的标定轴向参数；
第二参数获取模块，用于通过标定板的位姿状态数据获取标定板坐标系下尖端标定面法向参数和尖端标定面位姿参数；
第三参数获取模块，用于基于标定板坐标系下的钻头安装底端点坐标值、种植手术工具的标定轴向参数、尖端标定面法向参数以及尖端标定面位姿参数，分析得到标定板坐标系下钻头尖端坐标值；
尖端标定执行模块，用于根据标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，结合标定板坐标系下钻头尖端坐标值分析得到定位器坐标系下的标定尖端参数，完成尖端标定。
对应地，一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被处理器执行时，处理器执行如上所述的种植手术工具标定方法。
附图说明
图1是本发明种植手术工具标定方法的流程示意图。
图2是本发明种植手术工具标定系统的结构示意图。
图3是本发明中种植手术工具、标定板、标定板的示意图。
图中，各标号所代表的部件列表如下：
种植手术工具1、标定板2、定位器3、连接杆4、尖端标定面5、标定标识点6、钻头7；
轴向标定数据采集模块11、轴向标定坐标获取模块12、轴向标定坐标转化模块13、轴向标定连续采样模块14、轴向标定执行模块15；
尖端标定数据采集模块21、尖端标定坐标获取模块22、第一参数获取模块23、第二参数获取模块24、第三参数获取模块25、尖端标定执行模块26。
实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语中“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。当组件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
本技术方案中的种植手术实施工具，特指用于在实施种植牙修复手术时所用到的种植手机。在手术过程中，种植手机的作用在于对患者缺牙部分的牙槽骨进行钻孔，以在特定位置形成特定大小、特定方向和特定深度的种植孔。种植孔的位置、大小、方向和深度视患者的口腔内部环境而进行最优化设计。从结构上看，种植手术实施工具至少包括本体、固定套筒和钻头，固定套筒设置于本体的端部，可根据实际需要选择特定的钻头，再通过固定套筒将钻头固定安装在本体上，并在使用完成后拆卸下来。
使用之前，需要对种植手术工具进行标定，以确定种植手术工具在定位器下的坐标。现有技术中的标定方法为：先对种植机器人标定，控制种植机器人移动标定板在光学定位仪视野中运动六个不同的位姿，光学定位仪识别到标定板的六个位姿，与机器人基座坐标系中的这六个位姿进行计算，从而确定种植手术工具与基座坐标系的关系和基座坐标系与光学定位仪之间的关系。上述标定方法需要重复多次运动到不同位置，操作较为复杂，同时仅以基座坐标系为中介在种植机器人和光学定位仪之间搭建桥梁，对种植机器人的轴向和尖端状态未能精准标定。
如图3所示，在实施本技术方案时，需要用到种植手术工具1、标定板2、定位器3、连接杆4、尖端标定面5、标定标识点6、钻头7等设备。所述标定板上设置有连接杆、尖端标定面和多个标定标识点，所述定位器上设置有多个定位标识点，所述定位器固定设置于种植手术工具上，所述种植手术工具上可拆装地设置有钻头。其中，在对种植手术工具进行轴向标定时，标定板通过连接杆固定设置于种植手术工具上；在对种植手术工具进行尖端标定时，种植手术工具通过钻头抵接于尖端标定面上。
如图1所示，为解决上述问题，本发明提供一种种植手术工具标定方法，包括对种植手术工具进行轴向标定和尖端标定。
一方面，对种植手术工具进行轴向标定包括以下步骤：
S11.当所述标定板通过连接杆安装于种植手术工具上时，控制光学定位仪实时采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据，通过采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据在标定板坐标系和定位器坐标系之间建立矩阵转换关系。光学定位仪通过捕捉标定板和定位器的状态，此时，标定板在光学定位仪坐标系下的实时位置可以确定，定位器在光学定位仪坐标系下的实时位置可以确定，因此可以在标定板坐标系和定位器坐标系之间建立矩阵转换关系。
S12.通过标定板的位姿状态数据获取在标定板坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值。将标定板固定安装在种植手术工具上时，连接杆套入固定套筒内并且连接杆的顶部抵接于固定套筒的底部，连接杆的中部位于接于固定套筒的出口处，可以理解的是，通过对连接杆的顶部和中部进行定位，即可对连接杆的轴向进行定位。
S13.基于标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，结合在标定板坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值，获取在定位器坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值。基于步骤S11和步骤S12所获取的相关数据，可进一步获取定位器坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值。
S14.当所述标定板通过连接杆安装于种植手术工具上时，施加外力驱使所述标定板以连接杆为中轴进行旋转，连续捕捉所述标定板在旋转状态下的位姿状态数据。理论上通过确定连接杆的顶部和中部的空间坐标，即可确定连接杆的轴向参数，但在连接杆与种植手机的固定套筒进行套接固定时，二者之间势必存在一定空隙，连接杆的轴向与固定套筒的轴向可能存在偏差，为消除这一偏差，步骤S14中，在标定板处于旋转状态的同时进行连接采样，即可得到一系列的轴向参数。
S15.基于所述标定板在旋转状态下的位姿状态数据，得到顶部坐标值集合和中部坐标值集合，根据顶部坐标值集合和中部坐标值集合分别拟合得到连接杆顶部点云和连接杆中部点云，分别选取连接杆顶部点云的中心点和连接杆中部点云的中心点并建立连线，获取定位器坐标系下种植手术工具的标定轴向参数，完成轴向标定。通过步骤S14可采集得到多个顶部坐标值和多个中部坐标值，基于多个顶部坐标值拟合得到连接杆顶部点云，基于多个中部坐标值拟合得到连接杆中部点云，分别取二者的中点作为最理想坐标值，即可得到最理想的标定轴向参数。
另一方面，对种植手术工具进行尖端标定包括以下步骤：
S21.当所述种植手术工具上装上钻头且钻头抵接于尖端标定面上时，控制光学定位仪实时采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据，同时获取标定板坐标系和定位器之间的矩阵转换关系。可直接将步骤S11中分析得到的标定板坐标系和定位器之间的矩阵转换关系运用到步骤S21中。
S22.获取定位器坐标系下钻头安装底端点坐标值，基于标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，获取标定板坐标系下钻头安装底端点坐标值。定位器坐标系下钻头安装底端点坐标值已知，根据矩阵转换关系可知标定板坐标系下钻头安装底端点坐标值。
S23.基于定位器坐标系下种植手术工具的标定轴向参数和标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，获取标定板坐标系下种植手术工具的标定轴向参数。在步骤S15中已知定位器坐标系下种植手术工具的标定轴向参数，根据矩阵转换关系可知标定板坐标系下种植手术工具的标定轴向参数。
S24.通过标定板的位姿状态数据获取标定板坐标系下尖端标定面法向参数和尖端标定面位姿参数。在标定板设计之时，其结构即已为已知状态，因此，通过光学定位仪与标定板上的标定标识点的光路，可直接获取尖端标定面法向参数和尖端标定面位姿参数。
S25.基于标定板坐标系下的钻头安装底端点坐标值、种植手术工具的标定轴向参数、尖端标定面法向参数以及尖端标定面位姿参数，分析得到标定板坐标系下钻头尖端坐标值。步骤S21至步骤S24已经获取构建三角函数所需要的各个参数，步骤S25基于上述参数即可分析得到钻头的长度，又因钻头安装底端点坐标值，结合钻头长度即可知道钻头尖端坐标值。在步骤S25中，钻头安装底端点坐标值即为固定套筒的底部所对应的坐标值。
S26.根据标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，结合标定板坐标系下钻头尖端坐标值分析得到定位器坐标系下的标定尖端参数，完成尖端标定。
基于上述技术方案，通过取平均值的方式获取定位器坐标系下种植手术工具的标定轴向参数进行轴向标定，通过三角函数的方式分析得到定位器坐标系下的标定尖端参数进行尖端标定，进而确定轴向和尖端分别与定位器之间的空间坐标转换关系，具有操作简单、标定精度高等优点。
优选地，在步骤S11中，通过采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据在标定板坐标系和定位器坐标系之间建立矩阵转换关系具体包括以下步骤：
S111.获取图像数据并提取图像坐标，获取多组标定板图像数据和多组定位器图像数据，基于标定板图像数据提取标定标识点的图像坐标，基于定位器图像数据提取定位标识点的图像坐标。坐标值是进行矩阵转换的基础，步骤S111中，通过图像数据获取对应的图像坐标，无论是标定板图像数据还是标定板图像数据提，均分别提取多组，从而得到多组对应的标定标识点的图像坐标和定位标识点的图像坐标。
S112.基于特征匹配算法对不同图像数据进行标识点匹配，通过多组标定板图像数据匹配标定标识点，通过多组定位器图像数据匹配定位标识点，结合光学定位仪的相机参数分析得到标定标识点的空间坐标和定位标识点的空间坐标。步骤S112中的匹配，是指将同一标识点在不同图像中关联起来，以标识点的相关参数为基础，结合光学定位仪的相机参数，即可得到标定标识点的空间坐标和定位标识点的空间坐标。
S113.根据标定标识点的图像坐标和空间坐标计算得到标定板的位姿数据，根据定位标识点的图像坐标和空间坐标计算得到定位器的位姿数据。
S114.基于标定板的位姿数据，选择一个特定标定标识点作为原点并选取特定方向作为坐标值，建立标定板坐标系；基于定位器的位姿数据，选择一个特定定位标识点作为原点并选取特定方向作为坐标值，建立定位器坐标系。步骤S114在于在标定板和定位器上建立各自的坐标系。
S115.分析得到标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系。
基于上述技术方案，利用光学定位仪和标定板、定位器之间的交互关系，基于采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据分别建立各自坐标系，进一步在标定板坐标系和定位器坐标系之间建立矩阵转换关系。
优选地，在步骤S15中，根据顶部坐标值集合和中部坐标值集合分别拟合得到连接杆顶部点云和连接杆中部点云，分别选取连接杆顶部点云的中心点和连接杆中部点云的中心点并建立连线具体包括以下步骤：
S151.在标定板坐标系下构建一个空的点云数据结构。
S152.遍历读取顶部坐标值集合和中部坐标值集合中的所有数据，将顶部坐标值集合中的数据添加到点云数据结构中得到连接杆顶部点云，将中部坐标值集合中的数据添加到点云数据结构中得到连接杆中部点云。步骤S152中，将所有的坐标值均添加至空的点云数据结构中，即可通过点云数据结构直观显现标定板在旋转过程中所采集到的每组数据。
S153.分别获取连接杆顶部点云和连接杆中部点云的三维图像数据，对连接杆顶部点云的三维图像数据和连接杆中部点云的三维图像数据进行降噪处理，得到去除噪点数据后的顶部坐标值集合和中部坐标值集合。无论 是在标定板旋转过程的数据采集，还是构建空的点云数据结构，还是对空的点云数据结构进行数据添加，均可能因其他因素而引入噪点，进而影响整体标定精度。步骤S153的作用在于去除明显噪点数据，尽可能减小误差。
S154.对去除噪点数据后的顶部坐标值集合进行累加并除以对应数量，得到连接杆顶部点云的中心点对应的坐标值；对去除噪点数据后的中部坐标值集合进行累加并除以对应数量，得到连接杆中部点云的中心点对应的坐标值；具体分析过程为
；；；
其中，n为对去除噪点数据后坐标值集合中的数据数量，为x轴坐标值，为y
轴坐标值，为z轴坐标值。
S155.以连接杆顶部点云的中心点为起点，向连接杆中部点云的中心点为构建连线作为标定轴并获取标定轴向参数。
基于上述步骤，把采集到的数据添加到空的点云数据结构中，引入图像处理技术在顶部坐标值集合和中部坐标值集合中进行平均取中，确定理想的顶部坐标值和中部坐标值，进而基于理想的顶部坐标值和中部坐标值连线获取标定轴向参数。
优选地，在步骤S25中，分析得到标定板坐标系下钻头尖端坐标值具体包括以下步骤：
S251.获取标定板坐标系下的钻头安装底端点坐标值，以此构建三角原点数据。钻头安装底端点坐标值，直观上可理解为固定套筒的底部所对应的坐标值，当钻头抵接在尖端标定面上时，尖端标定面、尖端标定面的法线和钻头之间形成三角函数关系，在此三角函数关系中，钻头安装底端点即为直角三角形的顶点，钻头安装底端点沿着法线到尖端标定面的连线为直角边，而钻头则为斜边。
S252.获取标定轴向参数和尖端标定面法向参数，以此计算三角倾角数据。通过步骤S252，可确定三角函数中的直角边。
S253.根据尖端标定面位姿参数确定标定面的位置数据。
S254.基于三角原点数据、三角倾角数据和标定面的位置数据，可分析得到三角斜边长度。步骤S254中，难需要基于前段所获取的参数进行三角函数分析，即可提到钻头的长度，即为三角斜边长度。
S255.结合三角斜边长度和三角原点数据，获取标定板坐标系下钻头尖端坐标值。钻头安装底端点为钻头的起点，三角斜边长度为钻头的长度，由此可得钻头的尖端所在位置，即可获取标定板坐标系下钻头尖端坐标值。
基于上述技术方案，通过三角函数分析方法即可用简单的方式计算得到所求数据，具有逻辑清晰，容易实现和数据可靠等多种技术特点。
优选地，在步骤S26中，分析得到定位器坐标系下的标定尖端参数具体包括以下步骤：
S261.获取标定板坐标系下钻头尖端坐标值；
S262.将标定板坐标系下钻头尖端坐标值代入标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，分析计算得到定位器坐标系下钻头尖端坐标值；
S263.将定位器坐标系下钻头尖端坐标值转化为标定尖端参数。
如图2所示，对应地，一种种植手术工具标定系统，包括轴向标定模组和尖端标定模组；所述轴向标定模组包括轴向标定数据采集模块11、轴向标定坐标获取模块12、轴向标定坐标转化模块13、轴向标定连续采样模块14、轴向标定执行模块15。所述尖端标定模组包括尖端标定数据采集模块21、尖端标定坐标获取模块22、第一参数获取模块23、第二参数获取模块24、第三参数获取模块25和尖端标定执行模块26。
在轴向标定模组中，轴向标定数据采集模块用于当所述标定板通过连接杆安装于种植手术工具上时，控制光学定位仪实时采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据，通过采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据在标定板坐标系和定位器坐标系之间建立矩阵转换关系；所述标定板上设置有连接杆、尖端标定面和多个标定标识点，所述定位器上设置有多个定位标识点，所述定位器固定设置于种植手术工具上，所述种植手术工具上可拆装地设置有钻头；
轴向标定坐标获取模块用于通过标定板的位姿状态数据获取在标定板坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值；
轴向标定坐标转化模块用于基于标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，结合在标定板坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值，获取在定位器坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值；
轴向标定连续采样模块用于当所述标定板通过连接杆安装于种植手术工具上时，施加外力驱使所述标定板以连接杆为中轴进行旋转，连续捕捉所述标定板在旋转状态下的位姿状态数据；
轴向标定执行模块用于基于所述标定板在旋转状态下的位姿状态数据，得到顶部坐标值集合和中部坐标值集合，根据顶部坐标值集合和中部坐标值集合分别拟合得到连接杆顶部点云和连接杆中部点云，分别选取连接杆顶部点云的中心点和连接杆中部点云的中心点并建立连线，获取定位器坐标系下种植手术工具的标定轴向参数，完成轴向标定。
在尖端标定模组中，尖端标定数据采集模块用于当所述种植手术工具上装上钻头且钻头抵接于尖端标定面上时，控制光学定位仪实时采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据，同时获取标定板坐标系和定位器之间的矩阵转换关系；
尖端标定坐标获取模块用于获取定位器坐标系下钻头安装底端点坐标值，基于标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，获取标定板坐标系下钻头安装底端点坐标值；
第一参数获取模块用于基于定位器坐标系下种植手术工具的标定轴向参数和标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，获取标定板坐标系下种植手术工具的标定轴向参数；
第二参数获取模块用于通过标定板的位姿状态数据获取标定板坐标系下尖端标定面法向参数和尖端标定面位姿参数；
第三参数获取模块用于基于标定板坐标系下的钻头安装底端点坐标值、种植手术工具的标定轴向参数、尖端标定面法向参数以及尖端标定面位姿参数，分析得到标定板坐标系下钻头尖端坐标值；
尖端标定执行模块用于根据标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，结合标定板坐标系下钻头尖端坐标值分析得到定位器坐标系下的标定尖端参数，完成尖端标定。
优选地，所述轴向标定模组中的轴向标定数据采集模块具体包括：
图像坐标提取单元，用于获取图像数据并提取图像坐标，获取多组标定板图像数据和多组定位器图像数据，基于标定板图像数据提取标定标识点的图像坐标，基于定位器图像数据提取定位标识点的图像坐标；
标识点匹配单元，用于基于特征匹配算法对不同图像数据进行标识点匹配，通过多组标定板图像数据匹配标定标识点，通过多组定位器图像数据匹配定位标识点，结合光学定位仪的相机参数分析得到标定标识点的空间坐标和定位标识点的空间坐标；
定位器位姿分析单元，用于根据标定标识点的图像坐标和空间坐标计算得到标定板的位姿数据，根据定位标识点的图像坐标和空间坐标计算得到定位器的位姿数据；
坐标系建立单元，用于基于标定板的位姿数据，选择一个特定标定标识点作为原点并选取特定方向作为坐标值，建立标定板坐标系；基于定位器的位姿数据，选择一个特定定位标识点作为原点并选取特定方向作为坐标值，建立定位器坐标系；
矩阵分析单元，用于通过分析得到标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系。
优选地，所述轴向标定模组中的轴向标定执行模块具体包括：
点云构建单元，用于在标定板坐标系下构建一个空的点云数据结构；
遍历处理单元，用于遍历读取顶部坐标值集合和中部坐标值集合中的所有数据，将顶部坐标值集合中的数据添加到点云数据结构中得到连接杆顶部点云，将中部坐标值集合中的数据添加到点云数据结构中得到连接杆中部点云；
降噪处理单元，用于分别获取连接杆顶部点云和连接杆中部点云的三维图像数据，对连接杆顶部点云的三维图像数据和连接杆中部点云的三维图像数据进行降噪处理，得到去除噪点数据后的顶部坐标值集合和中部坐标值集合；
坐标运算单元，用于对去除噪点数据后的顶部坐标值集合进行累加并除以对应数量，得到连接杆顶部点云的中心点对应的坐标值；对去除噪点数据后的中部坐标值集合进行累加并除以对应数量，得到连接杆中部点云的中心点对应的坐标值；具体分析过程为
；；；
其中，n为对去除噪点数据后坐标值集合中的数据数量，为x轴坐标值，为y
轴坐标值，为z轴坐标值；
参数获取单元，用于以连接杆顶部点云的中心点为起点，向连接杆中部点云的中心点为构建连线作为标定轴并获取标定轴向参数。
优选地，所述尖端标定模组中的第三参数获取模块具体包括：
原点构建单元，用于获取标定板坐标系下的钻头安装底端点坐标值，以此构建三角原点数据；
倾角计算单元，用于获取标定轴向参数和尖端标定面法向参数，以此计算三角倾角数据；
位置数据获取单元，用于根据尖端标定面位姿参数确定标定面的位置数据；
长度分析单元，用于基于三角原点数据、三角倾角数据和标定面的位置数据，可分析得到三角斜边长度；
尖端坐标值获取单元，用于结合三角斜边长度和三角原点数据，获取标定板坐标系下钻头尖端坐标值。
优选地，所述尖端标定模组中的尖端标定执行模块具体包括：
尖端坐标获取单元，用于获取标定板坐标系下钻头尖端坐标值；
尖端坐标转换单元，用于将标定板坐标系下钻头尖端坐标值代入标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，分析计算得到定位器坐标系下钻头尖端坐标值；
尖端参数分析单元，用于将定位器坐标系下钻头尖端坐标值转化为标定尖端参数。
对应地，一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被处理器执行时，处理器执行如上所述的种植手术工具标定方法。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种种植手术工具标定方法，其特征在于，包括对种植手术工具进行轴向标定和尖端标定；
对种植手术工具进行轴向标定包括以下步骤：
S11.当标定板通过连接杆安装于种植手术工具上时，控制光学定位仪实时采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据，通过采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据在标定板坐标系和定位器坐标系之间建立矩阵转换关系；所述标定板上设置有连接杆、尖端标定面和多个标定标识点，所述定位器上设置有多个定位标识点，所述定位器固定设置于种植手术工具上，所述种植手术工具上可拆装地设置有钻头；
S12.通过标定板的位姿状态数据获取在标定板坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值；
S13.基于标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，结合在标定板坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值，获取在定位器坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值；
S14.当所述标定板通过连接杆安装于种植手术工具上时，施加外力驱使所述标定板以连接杆为中轴进行旋转，连续捕捉所述标定板在旋转状态下的位姿状态数据；
S15.基于所述标定板在旋转状态下的位姿状态数据，得到顶部坐标值集合和中部坐标值集合，根据顶部坐标值集合和中部坐标值集合分别拟合得到连接杆顶部点云和连接杆中部点云，分别选取连接杆顶部点云的中心点和连接杆中部点云的中心点并建立连线，获取定位器坐标系下种植手术工具的标定轴向参数，完成轴向标定；
对种植手术工具进行尖端标定包括以下步骤：
S21.当所述种植手术工具上装上钻头且钻头抵接于尖端标定面上时，控制光学定位仪实时采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据，同时获取标定板坐标系和定位器之间的矩阵转换关系；
S22.获取定位器坐标系下钻头安装底端点坐标值，基于标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，获取标定板坐标系下钻头安装底端点坐标值；
S23.基于定位器坐标系下种植手术工具的标定轴向参数和标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，获取标定板坐标系下种植手术工具的标定轴向参数；
S24.通过标定板的位姿状态数据获取标定板坐标系下尖端标定面法向参数和尖端标定面位姿参数；
S25.基于标定板坐标系下的钻头安装底端点坐标值、种植手术工具的标定轴向参数、尖端标定面法向参数以及尖端标定面位姿参数，分析得到标定板坐标系下钻头尖端坐标值；
S26.根据标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，结合标定板坐标系下钻头尖端坐标值分析得到定位器坐标系下的标定尖端参数，完成尖端标定。
2.根据权利要求1所述的一种种植手术工具标定方法，其特征在于，在步骤S11中，通过采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据在标定板坐标系和定位器坐标系之间建立矩阵转换关系具体包括以下步骤：
S111.获取图像数据并提取图像坐标，获取多组标定板图像数据和多组定位器图像数据，基于标定板图像数据提取标定标识点的图像坐标，基于定位器图像数据提取定位标识点的图像坐标；
S112.基于特征匹配算法对不同图像数据进行标识点匹配，通过多组标定板图像数据匹配标定标识点，通过多组定位器图像数据匹配定位标识点，结合光学定位仪的相机参数分析得到标定标识点的空间坐标和定位标识点的空间坐标；
S113.根据标定标识点的图像坐标和空间坐标计算得到标定板的位姿数据，根据定位标识点的图像坐标和空间坐标计算得到定位器的位姿数据；
S114.基于标定板的位姿数据，选择一个特定标定标识点作为原点并选取特定方向作为坐标值，建立标定板坐标系；基于定位器的位姿数据，选择一个特定定位标识点作为原点并选取特定方向作为坐标值，建立定位器坐标系；
S115.分析得到标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系。
3.根据权利要求1所述的一种种植手术工具标定方法，其特征在于，在步骤S15中，根据顶部坐标值集合和中部坐标值集合分别拟合得到连接杆顶部点云和连接杆中部点云，分别选取连接杆顶部点云的中心点和连接杆中部点云的中心点并建立连线具体包括以下步骤：
S151.在标定板坐标系下构建一个空的点云数据结构；
S152.遍历读取顶部坐标值集合和中部坐标值集合中的所有数据，将顶部坐标值集合中的数据添加到点云数据结构中得到连接杆顶部点云，将中部坐标值集合中的数据添加到点云数据结构中得到连接杆中部点云；
S153.分别获取连接杆顶部点云和连接杆中部点云的三维图像数据，对连接杆顶部点云的三维图像数据和连接杆中部点云的三维图像数据进行降噪处理，得到去除噪点数据后的顶部坐标值集合和中部坐标值集合；
S154.对去除噪点数据后的顶部坐标值集合进行累加并除以对应数量，得到连接杆顶部点云的中心点对应的坐标值；对去除噪点数据后的中部坐标值集合进行累加并除以对应数量，得到连接杆中部点云的中心点对应的坐标值；具体分析过程为
；；；
其中，n为对去除噪点数据后坐标值集合中的数据数量，为x轴坐标值，为y轴坐
标值，为z轴坐标值；
S155.以连接杆顶部点云的中心点为起点，向连接杆中部点云的中心点为构建连线作为标定轴并获取标定轴向参数。
4.根据权利要求1所述的一种种植手术工具标定方法，其特征在于，在步骤S25中，分析得到标定板坐标系下钻头尖端坐标值具体包括以下步骤：
S251.获取标定板坐标系下的钻头安装底端点坐标值，以此构建三角原点数据；
S252.获取标定轴向参数和尖端标定面法向参数，以此计算三角倾角数据；
S253.根据尖端标定面位姿参数确定标定面的位置数据；
S254.基于三角原点数据、三角倾角数据和标定面的位置数据，可分析得到三角斜边长度；
S255.结合三角斜边长度和三角原点数据，获取标定板坐标系下钻头尖端坐标值。
5.根据权利要求1所述的一种种植手术工具标定方法，其特征在于，在步骤S26中，分析得到定位器坐标系下的标定尖端参数具体包括以下步骤：
S261.获取标定板坐标系下钻头尖端坐标值；
S262.将标定板坐标系下钻头尖端坐标值代入标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，分析计算得到定位器坐标系下钻头尖端坐标值；
S263.将定位器坐标系下钻头尖端坐标值转化为标定尖端参数。
6.一种种植手术工具标定系统，其特征在于，包括轴向标定模组和尖端标定模组；
所述轴向标定模组包括：
轴向标定数据采集模块，用于当标定板通过连接杆安装于种植手术工具上时，控制光学定位仪实时采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据，通过采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据在标定板坐标系和定位器坐标系之间建立矩阵转换关系；所述标定板上设置有连接杆、尖端标定面和多个标定标识点，所述定位器上设置有多个定位标识点，所述定位器固定设置于种植手术工具上，所述种植手术工具上可拆装地设置有钻头；
轴向标定坐标获取模块，用于通过标定板的位姿状态数据获取在标定板坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值；
轴向标定坐标转化模块，用于基于标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，结合在标定板坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值，获取在定位器坐标系下连接杆的顶部坐标值和中部坐标值；
轴向标定连续采样模块，用于当所述标定板通过连接杆安装于种植手术工具上时，施加外力驱使所述标定板以连接杆为中轴进行旋转，连续捕捉所述标定板在旋转状态下的位姿状态数据；
轴向标定执行模块，用于基于所述标定板在旋转状态下的位姿状态数据，得到顶部坐标值集合和中部坐标值集合，根据顶部坐标值集合和中部坐标值集合分别拟合得到连接杆顶部点云和连接杆中部点云，分别选取连接杆顶部点云的中心点和连接杆中部点云的中心点并建立连线，获取定位器坐标系下种植手术工具的标定轴向参数，完成轴向标定；
所述尖端标定模组包括：
尖端标定数据采集模块，用于当所述种植手术工具上装上钻头且钻头抵接于尖端标定面上时，控制光学定位仪实时采集标定板的位姿状态数据和定位器的位姿状态数据，同时获取标定板坐标系和定位器之间的矩阵转换关系；
尖端标定坐标获取模块，用于获取定位器坐标系下钻头安装底端点坐标值，基于标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，获取标定板坐标系下钻头安装底端点坐标值；
第一参数获取模块，用于基于定位器坐标系下种植手术工具的标定轴向参数和标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，获取标定板坐标系下种植手术工具的标定轴向参数；
第二参数获取模块，用于通过标定板的位姿状态数据获取标定板坐标系下尖端标定面法向参数和尖端标定面位姿参数；
第三参数获取模块，用于基于标定板坐标系下的钻头安装底端点坐标值、种植手术工具的标定轴向参数、尖端标定面法向参数以及尖端标定面位姿参数，分析得到标定板坐标系下钻头尖端坐标值；
尖端标定执行模块，用于根据标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，结合标定板坐标系下钻头尖端坐标值分析得到定位器坐标系下的标定尖端参数，完成尖端标定。
7.根据权利要求6所述的一种种植手术工具标定系统，其特征在于，所述轴向标定模组中的轴向标定数据采集模块具体包括：
图像坐标提取单元，用于获取图像数据并提取图像坐标，获取多组标定板图像数据和多组定位器图像数据，基于标定板图像数据提取标定标识点的图像坐标，基于定位器图像数据提取定位标识点的图像坐标；
标识点匹配单元，用于基于特征匹配算法对不同图像数据进行标识点匹配，通过多组标定板图像数据匹配标定标识点，通过多组定位器图像数据匹配定位标识点，结合光学定位仪的相机参数分析得到标定标识点的空间坐标和定位标识点的空间坐标；
定位器位姿分析单元，用于根据标定标识点的图像坐标和空间坐标计算得到标定板的位姿数据，根据定位标识点的图像坐标和空间坐标计算得到定位器的位姿数据；
坐标系建立单元，用于基于标定板的位姿数据，选择一个特定标定标识点作为原点并选取特定方向作为坐标值，建立标定板坐标系；基于定位器的位姿数据，选择一个特定定位标识点作为原点并选取特定方向作为坐标值，建立定位器坐标系；
矩阵分析单元，用于通过分析得到标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系。
8.根据权利要求6所述的一种种植手术工具标定系统，其特征在于，所述轴向标定模组中的轴向标定执行模块具体包括：
点云构建单元，用于在标定板坐标系下构建一个空的点云数据结构；
遍历处理单元，用于遍历读取顶部坐标值集合和中部坐标值集合中的所有数据，将顶部坐标值集合中的数据添加到点云数据结构中得到连接杆顶部点云，将中部坐标值集合中的数据添加到点云数据结构中得到连接杆中部点云；
降噪处理单元，用于分别获取连接杆顶部点云和连接杆中部点云的三维图像数据，对连接杆顶部点云的三维图像数据和连接杆中部点云的三维图像数据进行降噪处理，得到去除噪点数据后的顶部坐标值集合和中部坐标值集合；
坐标运算单元，用于对去除噪点数据后的顶部坐标值集合进行累加并除以对应数量，得到连接杆顶部点云的中心点对应的坐标值；对去除噪点数据后的中部坐标值集合进行累加并除以对应数量，得到连接杆中部点云的中心点对应的坐标值；具体分析过程为
；；；
其中，n为对去除噪点数据后坐标值集合中的数据数量，为x轴坐标值，为y轴坐
标值，为z轴坐标值；
参数获取单元，用于以连接杆顶部点云的中心点为起点，向连接杆中部点云的中心点为构建连线作为标定轴并获取标定轴向参数。
9.根据权利要求6所述的一种种植手术工具标定系统，其特征在于，所述尖端标定模组中的第三参数获取模块具体包括：
原点构建单元，用于获取标定板坐标系下的钻头安装底端点坐标值，以此构建三角原点数据；
倾角计算单元，用于获取标定轴向参数和尖端标定面法向参数，以此计算三角倾角数据；
位置数据获取单元，用于根据尖端标定面位姿参数确定标定面的位置数据；
长度分析单元，用于基于三角原点数据、三角倾角数据和标定面的位置数据，可分析得到三角斜边长度；
尖端坐标值获取单元，用于结合三角斜边长度和三角原点数据，获取标定板坐标系下钻头尖端坐标值；
所述尖端标定模组中的尖端标定执行模块具体包括：
尖端坐标获取单元，用于获取标定板坐标系下钻头尖端坐标值；
尖端坐标转换单元，用于将标定板坐标系下钻头尖端坐标值代入标定板坐标系和定位器坐标系之间的矩阵转换关系，分析计算得到定位器坐标系下钻头尖端坐标值；
尖端参数分析单元，用于将定位器坐标系下钻头尖端坐标值转化为标定尖端参数。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被处理器执行时，处理器执行权利要求1-5中任一项所述的种植手术工具标定方法。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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