WO2021243977A1 - 医疗机器人导航系统中截骨导板的标定方法、装置、标定设备及计算机可读存储介质 - Google Patents

医疗机器人导航系统中截骨导板的标定方法、装置、标定设备及计算机可读存储介质 Download PDF

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WO2021243977A1
WO2021243977A1 PCT/CN2020/130913 CN2020130913W WO2021243977A1 WO 2021243977 A1 WO2021243977 A1 WO 2021243977A1 CN 2020130913 W CN2020130913 W CN 2020130913W WO 2021243977 A1 WO2021243977 A1 WO 2021243977A1
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guide plate
data
robot
flange
coordinate system
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PCT/CN2020/130913
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杜思傲
许靖
乔天
文理为
荣健
董旭亮
甘博涵
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杭州键嘉机器人有限公司
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/16—Bone cutting, breaking or removal means other than saws, e.g. Osteoclasts; Drills or chisels for bones; Trepans
    • A61B17/17—Guides or aligning means for drills, mills, pins or wires
    • A61B17/1732—Guides or aligning means for drills, mills, pins or wires for bone breaking devices
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots

Definitions

  • This application relates to the field of medical devices, and in particular to a calibration method, device, calibration equipment, and computer-readable storage medium of an osteotomy guide plate in a medical robot navigation system.
  • Osteotomy guide is an important tool in orthopedic surgery. It can help doctors provide a stable cutting plane.
  • Traditional osteotomy guides usually cooperate with auxiliary measurement tools to calculate the position and angle of the osteotomy plane.
  • tibia The front end of the extramedullary positioning rod is an osteotomy guide plate, which determines the section of the tibial plateau through the structure of the tibia; in most cases, the determination of the osteotomy plane requires the doctor to determine the osteotomy position through experience. Therefore, the existing methods have high requirements on the doctor, increase the cost (doctor's learning), and the osteotomy position is not accurate.
  • One of the objectives of this application includes providing a method, device, calibration equipment, and computer-readable storage medium for calibrating an osteotomy guide plate in a medical robot navigation system.
  • This technical solution can improve the robot's automatic calibration of the osteotomy position without requiring a doctor to The judgment reduces the requirements of the doctor, reduces the (learning) cost, and the position of the osteotomy is accurately calibrated and the calibration accuracy is stable.
  • an embodiment of the present application provides a method for calibrating an osteotomy guide in a medical robot navigation system.
  • the method is applied to a medical robot navigation system.
  • the medical robot navigation system includes a robot, an osteotomy guide, and a three-dimensional positioning device.
  • the three-dimensional positioning device includes: a data acquisition probe tip; the method includes the following steps:
  • Step S301 The positions of the three-dimensional positioning device and the robot are relatively fixed, and the conversion matrix between the three-dimensional positioning device and the robot coordinate system is calibrated to obtain the conversion matrix N B Trans between the three-dimensional positioning device and the robot coordinate system;
  • Perform point set matching to obtain the pose data G f Trans of the guide plate relative to the flange;
  • n is an integer greater than or equal to 4, (n is determined by the number of marking points on the surface of the guide plate).
  • the data corresponding to the mark point is converted into data in the end flange coordinate system.
  • the data corresponding to each mark point in the collected data set is converted into the data corresponding to the mark point according to the conversion matrix and the robot end pose data corresponding to the mark point
  • the data in the end flange coordinate system includes:
  • Perform point set matching to obtain the pose data G f Trans of the guide plate relative to the flange which specifically includes:
  • the osteotomy guide plate includes a mounting flange, a guide plate, and a guide plate guide groove, wherein the mounting flange is installed in cooperation with the robot flange and the mounting flange can rotate with the robot flange, One end of the guide plate is fixed with the mounting flange, and the other end is fixed with the guide plate guide groove.
  • the guide plate and the guide plate guide groove have n marking points.
  • an embodiment of the present application provides a calibration device for an osteotomy guide plate in a medical robot navigation system.
  • the calibration device is applied to a medical robot navigation system.
  • the medical robot navigation system includes a robot, an osteotomy guide plate, and three-dimensional positioning.
  • the device, the three-dimensional positioning device includes: a data acquisition probe tip; the calibration device includes:
  • the conversion matrix determination module is configured to relatively fix the positions of the three-dimensional positioning device and the robot, calibrate the conversion matrix between the three-dimensional positioning device and the robot coordinate system, and obtain the conversion matrix N B Trans between the three-dimensional positioning device and the robot coordinate system ;
  • the n is an integer greater than or equal to 4.
  • the methods of T n ⁇ specifically include:
  • the data corresponding to the mark point is converted into data in the end flange coordinate system.
  • the method of data conversion to the data in the end flange coordinate system includes:
  • Perform point set matching to obtain the pose data G f Trans of the guide plate relative to the flange which specifically includes:
  • the osteotomy guide plate includes a mounting flange, a guide plate, and a guide plate guide groove, wherein the mounting flange is installed in cooperation with the robot flange and the mounting flange can rotate with the robot flange, One end of the guide plate is fixed with the mounting flange, and the other end is fixed with the guide plate guide groove.
  • the guide plate and the guide plate guide groove have n marking points.
  • an embodiment of the present application provides a calibration device, including a memory and a processor, the memory stores a computer program that can run on the processor, and the processor implements the foregoing when the computer program is executed.
  • the method provided in the first aspect is a calibration device, including a memory and a processor, the memory stores a computer program that can run on the processor, and the processor implements the foregoing when the computer program is executed.
  • an embodiment of the present application provides a computer-readable storage medium storing a computer program for electronic data exchange, wherein the computer program enables a computer to execute the method provided in the first aspect.
  • the technical solution provided by the present application has the advantage of improving the accuracy of robot coordinate registration, and further has the advantage of improving the operation accuracy of the medical robot.
  • Fig. 1 is a schematic structural diagram of a medical robot navigation system of this application.
  • FIG. 2 is a schematic structural diagram of the osteotomy guide provided by this application.
  • Figure 3 is a schematic flow chart of a calibration method suitable for osteotomy guide plates provided by this application.
  • FIG. 4 is a schematic block diagram of a calibration device for an osteotomy guide plate in a medical robot navigation system provided by an embodiment of the application.
  • Fig. 5 is a schematic block diagram of a calibration device provided by an embodiment of the application.
  • the determination of the osteotomy plane of the existing guide plate requires the doctor to determine the osteotomy position through experience, and the osteotomy guide plate needs to be fixed on the bone surface. Repeated disassembly and drilling will damage the bone quality, and the positioning of the existing guide plate is completely dependent
  • the doctor’s experience has poor accuracy. In a surgical environment that requires high accuracy, it is difficult for the existing osteotomy guide to determine its position relative to the bone.
  • this application proposes a method for obtaining the position and posture of the osteotomy guide plate relative to the end flange of the robot. After obtaining the position and posture of the osteotomy guide plate relative to the flange, the coordinate system The position and posture of the osteotomy guide plate relative to the bone can be obtained by conversion. The guide groove surface and bone can be visualized, and the position and posture of the osteotomy guide plate can be adjusted by the robot's high-precision characteristics to achieve the effect of accurately positioning the cutting surface.
  • this application proposes a calibration method suitable for the osteotomy guide plate.
  • the method can be as follows: the three-dimensional positioning device and the robot are relatively fixed, and the three-dimensional positioning device is moved by the Vega of NDI Company.
  • the medical robot navigation system includes: a robot 1, an osteotomy guide plate 2 and a three-dimensional positioning device 3.
  • the three-dimensional positioning device includes: a data acquisition probe tip 31; the specific operation steps are shown in FIG. 3, including The following steps:
  • Step S301 The positions of the three-dimensional positioning device and the robot are relatively fixed, and the conversion matrix between the three-dimensional positioning device and the robot coordinate system is calibrated to obtain the conversion matrix N B Trans between the three-dimensional positioning device and the robot coordinate system;
  • T 2 ,...T n ⁇ the robot can freely move n times during n acquisitions, and each movement ensures that the tip of the data acquisition probe can collect the data of the marked points smoothly;
  • the implementation method of the foregoing step S302 may specifically include:
  • the robot moves freely once, and the data acquisition probe tip of the three-dimensional positioning device is used to collect the data corresponding to the number of marked points on the surface of the screenshot guide, and repeat n times until all the marked points are collected.
  • the data acquisition probe tip of the three-dimensional positioning device for the second movement, use the data acquisition probe tip of the three-dimensional positioning device to collect the coordinate data of the second marking point on the surface of the osteotomy guide plate
  • the third movement use the data acquisition probe tip of the three-dimensional positioning device to collect the third surface of the osteotomy guide plate.
  • the coordinate data of the marking point, the fourth movement use the data acquisition probe tip of the three-dimensional positioning device to collect the coordinate data of the fourth marking point on the surface of the osteotomy guide plate.
  • n is an integer greater than or equal to 4.
  • the blue coordinate system data set T F ⁇ T F 1 , T F 2 ...T F n ⁇
  • the data set of T F ⁇ T F 1 , T F 2 ...T F n ⁇
  • the pose data G f Trans of the guide plate relative to the flange is obtained.
  • the data corresponding to the mark point is converted into the end according to the conversion matrix and the robot end pose data corresponding to the mark point.
  • the data corresponding to the mark point is converted according to the conversion matrix and the pose data of the robot end corresponding to the mark point
  • the data in the end flange coordinate system specifically includes: T 1 is mapped to the end flange coordinate system through the conversion matrix and R 1 to obtain T F 1 , and T n is mapped to the end flange coordinate system through the conversion matrix and R n To get T F n .
  • the above-mentioned point set matching method can adopt SVD (Singular Value Decomposition, singular value decomposition) decomposition method for matching.
  • SVD decomposition please refer to (Olga Sorkine. Least-Squares Rigid Motion Using Baidu Library). SVD description.
  • the aforementioned data set of n marker points may be coordinate data of the n marker points in the osteotomy guide plate coordinate system. (n is determined by the number of marking points on the surface of the guide).
  • the calibration method of this application takes the osteotomy guide plate in Figure 2 as an example.
  • the osteotomy guide plate includes: a mounting flange 20, a guide plate 21 and a guide plate guide groove 22, wherein the mounting flange 20 is installed in cooperation with the robot flange 11 and the mounting flange 20 can As the robot flange 11 rotates, one end of the guide plate 21 is fixed to the mounting flange 20, and the other end is fixed to the guide plate guide groove 22.
  • the guide plate 21 and the guide plate guide groove 22 have n marking points 25, and the above n is an integer greater than or equal to 4. .
  • FIG. 4 is a block diagram of a calibration device 200 for an osteotomy guide plate in a medical robot navigation system provided by an embodiment of the application.
  • the method is applied to a medical robot navigation system.
  • the medical robot navigation system includes a robot, an osteotomy guide plate and a three-dimensional positioning device, and the three-dimensional positioning device includes a data collection probe tip.
  • the calibration device 200 includes: a conversion matrix determination module 210, a first acquisition module 220, a second acquisition module 230, and a processing module 240.
  • the conversion matrix determination module 210 is configured to relatively fix the positions of the three-dimensional positioning device and the robot, calibrate the conversion matrix between the three-dimensional positioning device and the robot coordinate system, and obtain the conversion matrix between the three-dimensional positioning device and the robot coordinate system N B Trans.
  • the n is an integer greater than or equal to 4.
  • the processing module 240 corresponds to the data corresponding to each mark point in the collected data set, and corresponds to the mark point according to the transformation matrix and the pose data of the robot end corresponding to the mark point.
  • the method of transforming the data in the end flange coordinate system into the data in the end flange coordinate system includes: mapping T 1 to the end flange coordinate system through the transformation matrix and R 1 to obtain T F 1 , and mapping T n through the transformation matrix and R n Go to the end flange coordinate system to get T F n .
  • the osteotomy guide plate includes a mounting flange, a guide plate, and a guide plate guide groove, wherein the mounting flange is installed in cooperation with the robot flange and the mounting flange can rotate with the robot flange, One end of the guide plate is fixed with the mounting flange, and the other end is fixed with the guide plate guide groove.
  • the guide plate and the guide plate guide groove have n marking points.
  • FIG. 5 is a block diagram of a calibration device 100 according to an embodiment of the application.
  • the calibration device 100 may include a memory 110 and a processor 120.
  • the components of the memory 110 and the processor 120 are directly or indirectly electrically connected to each other to realize data transmission or interaction. For example, these components can be electrically connected to each other through one or more communication buses or signal lines.
  • the memory 110 is used to store programs or data.
  • the memory 110 may be, but is not limited to, a random access memory (Random Access Memory, RAM), a read only memory (Read Only Memory, ROM), and a programmable read-only memory (Programmable Read-Only Memory, PROM). Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM), Electric Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM), etc.
  • RAM Random Access Memory
  • ROM read only memory
  • PROM programmable read-only memory
  • PROM Programmable Read-Only Memory
  • EPROM Erasable Programmable Read-Only Memory
  • EEPROM Electric Erasable Programmable Read-Only Memory
  • the processor 120 is used to read/write data or programs stored in the memory 110 and execute corresponding functions.
  • a calibration device 200 is stored in the memory 110, and the calibration device 200 includes at least one software function module that can be stored in the memory 110 in the form of software or firmware.
  • the processor 120 executes various functional applications and data processing by running software programs and modules stored in the memory 110, such as the calibration device 200 in the embodiment of the present application, and realizes the medical robot navigation in the embodiment of the present application.
  • the calibration method of the osteotomy guide plate in the system is used to read/write data or programs stored in the memory 110 and execute corresponding functions.
  • a calibration device 200 is stored in the memory 110, and the calibration device 200 includes at least one software function module that can be stored in the memory 110 in the form of software or firmware.
  • the processor 120 executes various functional applications and data processing by running software programs and modules stored in the memory 110, such as the calibration device 200 in the embodiment of the present application, and realizes the medical robot navigation in the embodiment of the present application.
  • FIG. 5 is only a schematic structural diagram of the calibration device 100, and the calibration device 100 may also include more or less components than those shown in FIG. Configuration.
  • the components shown in Figure 5 can be implemented by hardware, software, or a combination thereof.
  • the embodiment of the present application also provides a computer-readable storage medium that stores a computer program for electronic data exchange, wherein the computer program causes the computer to execute the method
  • This application proposes a calibration method, device, calibration equipment, and computer-readable storage medium suitable for osteotomy guide plates, which are specifically as follows: the three-dimensional positioning device is relatively fixed to the robot, and the three-dimensional positioning device uses the Vega three-dimensional motion capture system of NDI Company as embodiment, refer to FIG.
  • This application proposes a calibration method, device, calibration equipment, and computer-readable storage medium suitable for osteotomy guide plates, which are specifically as follows: the three-dimensional positioning device is relatively fixed to the robot, and the three-dimensional positioning device uses the Vega three-dimensional motion capture system of NDI Company as embodiment, refer to FIG.

Abstract

一种医疗机器人导航系统中截骨导板(21)的标定方法、装置(200)、标定设备(100)及计算机可读存储介质，医疗机器人导航系统中截骨导板(21)的标定方法应用于医疗机器人导航系统，医疗机器人导航系统包括：机器人(1)、截骨导板(2)和三维定位装置(3)，三维定位装置(3)包括：数据采集探针尖端(31)。医疗机器人导航系统中截骨导板(21)的标定方法具有成本低的优点，操作简单、学习成本低、精准等特点。

Description

医疗机器人导航系统中截骨导板的标定方法、装置、标定设备及计算机可读存储介质
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年06月02日提交中国专利局的申请号为202010489348.7、名称为“医疗机器人导航系统中截骨导板的标定方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请涉及医疗器械领域，具体涉及一种医疗机器人导航系统中截骨导板的标定方法、装置、标定设备及计算机可读存储介质。
背景技术
截骨导板是骨科手术中重要的工具，可以帮助医生提供一个稳定的切割平面，传统的截骨导板通常配合一下辅助测量工具计算获取截骨平面的位置和角度，例如全膝关节置换中，胫骨髓外定位杆前端就是一个截骨导板，通过胫骨结构来确定胫骨平台截面；大部分情况截骨平面的确定都需要医生通过经验确定截骨位置。因此现有的方法对医生的要求高，增加了(医生的学习)成本，并且截骨位置不准确。
发明内容
本申请的目的之一包括提供一种医疗机器人导航系统中截骨导板的标定方法、装置、标定设备及计算机可读存储介质，该技术方案具有提高机器人对截骨位置进行自动标定，无需医生来判定，降低了医生的要求，降低了(学习)成本，并且截骨的位置标定准确，标定精度稳定。
为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请实施例提供一种医疗机器人导航系统中截骨导板的标定方法，所述方法应用于医疗机器人导航系统，所述医疗机器人导航系统包括：机器人、截骨导板和三维定位装置，所述三维定位装置包括：数据采集探针尖端；所述方法包括如下步骤：
步骤S301、将三维定位装置和机器人的位置相对固定，对三维定位装置和机器人坐标系之间的转换矩阵进行标定，获得三维定位装置和机器人坐标系之间的转换矩阵 N BTrans；
步骤S302、将截骨导板安装于机器人末端法兰，将机器人调至被动模式；使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截骨导板表面的标记点n次，得到采集数据集T＝{T 1、T 2、…T n}；
步骤S303、每采集一次标记点数据时，记录每次采集时的每个位置的机器人末端位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}；
步骤S304、将T＝{T 1、T 2、…T n}通过转换矩阵 N BTrans和R＝{R 1、R 2、…R n}，转换到末端法兰坐标系获得新的末端法兰坐标系数据集T F＝{T F 1、T F 2…T F n}，将T F＝{T F 1、T F 2…T F n}与截骨导板n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}进行点集匹配，就得到了导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans；
所述n为大于等于4的整数，(n由导板表面标记点数量决定)。
在一种可能的实现方式中，所述使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截骨导板表面的标记点n次，得到采集数据集T＝{T 1、T 2、…T n}具体包括：
截骨导板随所述机器人自由运动一次，使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截图导板表面对应次数标记点的数据，重复n次直至所有的标记点采集完毕即得到采集数据集T＝{T 1、T 2、…T n}。
在一种可能的实现方式中，所述将T＝{T 1、T 2、…T n}通过转换矩阵 N BTrans和R＝{R 1、R 2、…R n}，转换到末端法兰坐标系获得新的末端法兰坐标系数据集T F＝{T F 1、T F 2…T F n}，包括：
针对所述采集数据集中各标记点所对应的数据，根据所述转换矩阵及该标记点对应的机器人末端位姿数据，将该标记点对应的数据转换为末端法兰坐标系下的数据。
在一种可能的实现方式中，所述针对所述采集数据集中各标记点对应的数据，根据所述转换矩阵及该标记点对应的机器人末端位姿数据，将该标记点对应的数据转换为末端法兰坐标系下的数据具体包括：
通过转换矩阵以及R 1将T 1映射到末端法兰坐标系中得到T F 1，通过转换矩阵和R n将T n映射到末端法兰坐标系中得到T F n。
在一种可能的实现方式中，所述将T F＝{T F 1、T F 2…T F n}与截骨导板n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}进行点集匹配，就得到了导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans，具体包括：
采用奇异值分解方式，对T F＝{T F 1、T F 2…T F n}与截骨导板n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}进行点集匹配，获得导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans。
在一种可能的实现方式中，所述n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}为n个标记点在截骨导板坐标系下的坐标数据。
在一种可能的实现方式中，所述截骨导板包括：安装法兰、导板和导板导槽，其中，该安装法兰与机器人法兰配合安装且该安装法兰能够随机器人法兰转动，该导板一端与安装法兰固定，另一端与导板导槽固定，该导板和导板导槽具有n个标记点。
第二方面，本申请实施例提供一种医疗机器人导航系统中截骨导板的标定装置， 所述标定装置应用于医疗机器人导航系统，所述医疗机器人导航系统包括：机器人、截骨导板和三维定位装置，所述三维定位装置包括：数据采集探针尖端；所述标定装置包括：
转换矩阵确定模块，配置成将三维定位装置和机器人的位置相对固定，对三维定位装置和机器人坐标系之间的转换矩阵进行标定，获得三维定位装置和机器人坐标系之间的转换矩阵 N BTrans；
第一采集模块，配置成将截骨导板安装于机器人末端法兰，将机器人调至被动模式；使用三维定位装置的数据采集探针尖端按顺序依次采集截骨导板表面的标记点n次，得到采集数据集T＝{T 1、T 2、…T n}；
第二采集模块，配置成每采集一次标记点数据时，记录每次采集时的每个位置的机器人末端位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}；
处理模块，配置成将T＝{T 1、T 2、…T n}通过转换矩阵 N BTrans和R＝{R 1、R 2、…R n}，转换到末端法兰坐标系获得新的末端法兰坐标系数据集T F＝{T F 1、T F 2…T F n}，将T F＝{T F 1、T F 2…T F n}与截骨导板n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}进行点集匹配，就得到了导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans；
所述n为大于等于4的整数。
在一种可能的实现方式中，所述第一采集模块使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截骨导板表面的标记点n次，得到采集数据集T＝{T 1、T 2、…T n}的方式具体包括：
截骨导板随所述机器人自由运动一次，使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截图导板表面对应次数标记点的数据，重复n次直至所有的标记点采集完毕即得到采集数据集T＝{T 1、T 2、…T n}。
在一种可能的实现方式中，所述处理模块将T＝{T 1、T 2、…T n}通过转换矩阵 N BTrans和R＝{R 1、R 2、…R n}，转换到末端法兰坐标系获得新的末端法兰坐标系数据集T F＝{T F 1、T F 2…T F n}的方式，包括：
针对所述采集数据集中每个标记点对应的数据，根据所述转换矩阵及该标记点对应的机器人末端位姿数据，将该标记点对应的数据转换为末端法兰坐标系下的数据。
在一种可能的实现方式中，所述处理模块针对所述采集数据集中每个标记点对应的数据，根据所述转换矩阵及该标记点对应的机器人末端位姿数据，将该标记点对应的数据转换为末端法兰坐标系下的数据的方式，具体包括：
通过转换矩阵以及R 1将T 1映射到末端法兰坐标系中得到T F 1，通过转换矩阵和R n将T n映射到末端法兰坐标系中得到T F n。
在一种可能的实现方式中，所述将T F＝{T F 1、T F 2…T F n}与截骨导板n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}进行点集匹配，就得到了导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans，具体包括：
采用奇异值分解方式，对T F＝{T F 1、T F 2…T F n}与截骨导板n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}进行点集匹配，获得导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans。
在一种可能的实现方式中，所述n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}为n个标记点在截骨导板坐标系下的坐标数据。
在一种可能的实现方式中，所述截骨导板包括：安装法兰、导板和导板导槽，其中，该安装法兰与机器人法兰配合安装且该安装法兰能够随机器人法兰转动，该导板一端与安装法兰固定，另一端与导板导槽固定，该导板和导板导槽具有n个标记点。
第三方面，本申请实施例提供一种标定设备，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面提供的方法。
第四方面，本申请实施例提供提供一种计算机可读存储介质，存储用于电子数据交换的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行第一方面提供的方法。
本申请提供的技术方案具有提高机器人坐标注册精度的优点，进而具有提高医疗机器人的操作精度优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一种医疗机器人导航系统的结构示意图。
图2为本申请提供的截骨导板的结构示意图。
图3为本申请提供的适用于截骨导板的标定方法流程示意图。
图4为本申请实施例提供的一种医疗机器人导航系统中截骨导板的标定装置的方框示意图。
图5为本申请实施例提供的一种标定设备的方框示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例是本申请一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，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、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
现有导板的截骨平面的确定都需要医生通过经验确定截骨位置，且需要将截骨导板固定在骨表面，反复的拆卸打孔对骨质有一定损伤，而且现有导板的定位完全依赖医生的经验，精度较差，在对精度要求较高的手术环境，现有的截骨导板难以确定其相对于骨骼的位姿。
为了至少解决现有截骨导板定位不准确的问题，本申请提出一种获取截骨导板相对于机器人末端法兰位姿的方法，获取截骨导板相对于法兰的位姿后，通过坐标系转换即可获取截骨导板相对于骨骼的位姿，可以对导槽面和骨骼进行可视化处理，并依靠机器人高精度的特点调整截骨导板的位姿，达到精确定位切割面的效果。
针对将截骨导板作为机器人末端工具的情况，本申请提出一种适用于截骨导板的标定方法，该方法可如下：将三维定位装置与机器人相对固定，三维定位装置以NDI公司的Vega三维运动捕捉系统为例，参阅图1；对三维定位装置和机器人坐标系进行标定，获得三维定位装置坐标系与机器人坐标系的转换矩阵 N BTrans；将截骨导板安装于机器人末端法兰，将机器人调整至手动模式，方便拖动采点；使用三维定位装置的数据采集探针，采集截骨导板表面的标记点，每次采集记录三维定位装置中探针的数据T＝{T 1、T 2、…T n}和机器人末端位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}；通过导板标记点的参数M＝{M 1、M 2、…M n}、T＝{T 1、T 2、…T n}和R＝{R 1、R 2、…R n}即可计算出导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans。
参阅图1，所述医疗机器人导航系统包括：机器人1、截骨导板2和三维定位装置3，所述三维定位装置包括：数据采集探针尖端31；具体的操作步骤如图3所示，包括如下步骤：
步骤S301、将三维定位装置和机器人的位置相对固定，对三维定位装置和机器人坐标系之间的转换矩阵进行标定，获得三维定位装置和机器人坐标系之间的转换矩阵 N BTrans；
步骤S302、将截骨导板安装于机器人末端法兰，将机器人调至被动模式；使用三维定 位装置的数据采集探针尖端采集截骨导板表面的标记点n次，得到采集数据集T＝{T 1、T 2、…T n}，n次采集期间机器人可自由运动n次，每次运动保证数据采集探针尖端能顺利采集标记点的数据即可；
上述步骤S302的实现方法具体可以包括：
机器人自由运动一次，使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截图导板表面对应次数标记点的数据，重复n次直至所有的标记点采集完毕。
下面以一个实际的例子来说明，如图2所示，n＝4,第一次运动，使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截骨导板表面第一标记点的坐标数据，同理，第二次运动，使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截骨导板表面第二标记点的坐标数据，第三次运动，使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截骨导板表面第三标记点的坐标数据，第四次运动，使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截骨导板表面第四标记点的坐标数据。
上述n为大于等于4的整数。
步骤S303、每采集一次标记点数据时，记录每次采集时的每个位置的机器人末端位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}；
步骤S304、将T＝{T 1、T 2、…T n}通过转换矩阵 N BTrans和R＝{R 1、R 2、…R n}，转换到末端法兰坐标系获得新的末端法兰坐标系数据集T F＝{T F 1、T F 2…T F n}，将T F＝{T F 1、T F 2…T F n}与截骨导板n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}进行点集匹配，就得到了导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans。
在一种可能的实现方式中，针对所述采集数据集中各标记点所对应的数据，根据所述转换矩阵及该标记点对应的机器人末端位姿数据，将该标记点对应的数据转换为末端法兰坐标系下的数据。由此，可通过转换矩阵 N BTrans和R＝{R 1、R 2、…R n}，将T＝{T 1、T 2、…T n}转换到末端法兰坐标系获得新的末端法兰坐标系数据集T F＝{T F 1、T F 2…T F n}。
在一种可能的实现方式中，所述针对所述采集数据集中各标记点所对应的数据，根据所述转换矩阵及该标记点对应的机器人末端位姿数据，将该标记点对应的数据转换为末端法兰坐标系下的数据具体包括：通过转换矩阵以及R 1将T 1映射到末端法兰坐标系中得到T F 1，通过转换矩阵和R n将T n映射到末端法兰坐标系中得到T F n。
在一种可选的方案中，上述点集匹配的方式可以采用SVD(Singular Value Decomposition，奇异值分解)分解方式进行匹配，该SVD分解可以参见百度文库的(Olga Sorkine.Least-Squares Rigid Motion Using SVD的描述。
上述n个标记点的数据集可以为n个标记点在截骨导板坐标系下的坐标数据。(n由导板表面标记点数量决定)。
本申请标定方法以图2中截骨导板为例。
参阅图2，如图2所示，该截骨导板包括：安装法兰20、导板21和导板导槽22，其中，该安装法兰20与机器人法兰11配合安装且该安装法兰20能够随机器人法兰11转动，该导板21一端与安装法兰20固定，另一端与导板导槽22固定，该导板21和导板导槽22具有n个标记点25，上述n为大于等于4的整数。
请参照图4，图4为本申请实施例提供的一种医疗机器人导航系统中截骨导板的标定装置200的方框示意图。所述方法应用于医疗机器人导航系统，所述医疗机器人导航系统包括：机器人、截骨导板和三维定位装置，所述三维定位装置包括：数据采集探针尖端。所述标定装置200包括：转换矩阵确定模块210、第一采集模块220、第二采集模块230及处理模块240。
所述转换矩阵确定模块210，配置成将三维定位装置和机器人的位置相对固定，对三维定位装置和机器人坐标系之间的转换矩阵进行标定，获得三维定位装置和机器人坐标系之间的转换矩阵 N BTrans。
所述第一采集模块220，配置成将截骨导板安装于机器人末端法兰，将机器人调至被动模式；使用三维定位装置的数据采集探针尖端按顺序依次采集截骨导板表面的标记点n次，得到采集数据集T＝{T 1、T 2、…T n}。
所述第二采集模块230，配置成每采集一次标记点数据时，记录每次采集时的每个位置的机器人末端位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}。
所述处理模块240，配置成将T＝{T 1、T 2、…T n}通过转换矩阵 N BTrans和R＝{R 1、R 2、…R n}，转换到末端法兰坐标系获得新的末端法兰坐标系数据集T F＝{T F 1、T F 2…T F n}，将T F＝{T F 1、T F 2…T F n}与截骨导板n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}进行点集匹配，就得到了导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans。
所述n为大于等于4的整数。
在一种可能的实现方式中，所述第一采集模块220使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截骨导板表面的标记点n次，得到采集数据集T＝{T 1、T 2、…T n}的方式具体包括：截骨导板随所述机器人自由运动一次，使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截图导板表面对应次数标记点的数据，重复n次直至所有的标记点采集完毕即得到采集数据集T＝{T 1、T 2、…T n}。
在一种可能的实现方式中，所述处理模块240将T＝{T 1、T 2、…T n}通过转换矩阵 N BTrans和R＝{R 1、R 2、…R n}，转换到末端法兰坐标系获得新的末端法兰坐标系数据集T F＝{T F 1、T F 2…T F n}的方式，包括：针对所述采集数据集中每个标记点对应的数据，根据所述转换矩阵及该标记点对应的机器人末端位姿数据，将该标记点对应的数据转换为末 端法兰坐标系下的数据。
在一种可能的实现方式中，所述处理模块240针对所述采集数据集中每个标记点对应的数据，根据所述转换矩阵及该标记点对应的机器人末端位姿数据，将该标记点对应的数据转换为末端法兰坐标系下的数据的方式，具体包括：通过转换矩阵以及R 1将T 1映射到末端法兰坐标系中得到T F 1，通过转换矩阵和R n将T n映射到末端法兰坐标系中得到T F n。
在一种可能的实现方式中，所述处理模块240将T F＝{T F 1、T F 2…T F n}与截骨导板n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}进行点集匹配，就得到了导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans，具体包括：采用奇异值分解方式，对T F＝{T F 1、T F 2…T F n}与截骨导板n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}进行点集匹配，获得导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans。
在一种可能的实现方式中，所述n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}为n个标记点在截骨导板坐标系下的坐标数据。
在一种可能的实现方式中，所述截骨导板包括：安装法兰、导板和导板导槽，其中，该安装法兰与机器人法兰配合安装且该安装法兰能够随机器人法兰转动，该导板一端与安装法兰固定，另一端与导板导槽固定，该导板和导板导槽具有n个标记点。
请参照图5，图5为本申请实施例提供的一种标定设备100的方框示意图。所述标定设备100可以包括存储器110及处理器120。所述存储器110及处理器120各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。
其中，存储器110用于存储程序或者数据。所述存储器110可以是，但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。
处理器120用于读/写存储器110中存储的数据或程序，并执行相应地功能。比如，存储器110中存储有标定装置200，所述标定装置200包括至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器110中的软件功能模块。所述处理器120通过运行存储在存储器110内的软件程序以及模块，如本申请实施例中的标定装置200，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现本申请实施例中的医疗机器人导航系统中截骨导板的标定方法。
应当理解的是，图5所示的结构仅为标定设备100的结构示意图，所述标定设备100还可包括比图5中所示更多或者更少的组件，或者具有与图5所示不同的配置。图5中所 示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，存储用于电子数据交换的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行所述的方法
本申请提出一种适用于截骨导板的标定方法、装置、标定设备及计算机可读存储介质，具体如下：将三维定位装置与机器人相对固定，三维定位装置以NDI公司的Vega三维运动捕捉系统为例，参阅图1；对三维定位装置和机器人坐标系进行标定，获得三维定位装置坐标系与机器人坐标系的转换矩阵 N BTrans；将截骨导板安装于机器人末端法兰，将机器人调整至手动模式，方便拖动采点；使用三维定位装置的数据采集探针，采集截骨导板表面的标记点，每次采集记录三维定位装置中探针的数据T＝{T 1、T 2、…T n}和机器人末端位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}；通过导板标记点的参数M＝{M 1、M 2、…M n}、T＝{T 1、T 2、…T n}和R＝{R 1、R 2、…R n}即可计算出导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans；这样即能够通过该 G fTrans实现截骨导板的自动标定，无需医疗人员依据经验进行确认，降低了医疗人员的经验要求，降低了(学习)成本，提高了准确性。
以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
工业实用性
本申请提出一种适用于截骨导板的标定方法、装置、标定设备及计算机可读存储介质，具体如下：将三维定位装置与机器人相对固定，三维定位装置以NDI公司的Vega三维运动捕捉系统为例，参阅图1；对三维定位装置和机器人坐标系进行标定，获得三维定位装置坐标系与机器人坐标系的转换矩阵 N BTrans；将截骨导板安装于机器人末端法兰，将机器人调整至手动模式，方便拖动采点；使用三维定位装置的数据采集探针，采集截骨导板表面的标记点，每次采集记录三维定位装置中探针的数据T＝{T 1、T 2、…T n}和机器人末端位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}；通过导板标记点的参数M＝{M 1、M 2、…M n}、T＝{T 1、T 2、…T n}和R＝{R 1、R 2、…R n}即可计算出导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans；这样即能够通过该 G fTrans实现截骨导板的自动标定，无需医疗人员依据经验进行确认，降低了医疗人员的经验要求，降低了(学习)成本，提高了准确性。

Claims (16)

  1. 一种医疗机器人导航系统中截骨导板的标定方法，其特征在于，所述方法应用于医疗机器人导航系统，所述医疗机器人导航系统包括：机器人、截骨导板和三维定位装置，所述三维定位装置包括：数据采集探针尖端；所述方法包括如下步骤：
    步骤S301、将三维定位装置和机器人的位置相对固定，对三维定位装置和机器人坐标系之间的转换矩阵进行标定，获得三维定位装置和机器人坐标系之间的转换矩阵 N BTrans；
    步骤S302、将截骨导板安装于机器人末端法兰，将机器人调至被动模式；使用三维定位装置的数据采集探针尖端按顺序依次采集截骨导板表面的标记点n次，得到采集数据集T＝{T 1、T 2、…T n}；
    步骤S303、每采集一次标记点数据时，记录每次采集时的每个位置的机器人末端位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}；
    步骤S304、将T＝{T 1、T 2、…T n}通过转换矩阵 N BTrans和R＝{R 1、R 2、…R n}，转换到末端法兰坐标系获得新的末端法兰坐标系数据集T F＝{T F 1、T F 2…T F n}，将T F＝{T F 1、T F 2…T F n}与截骨导板n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}进行点集匹配，就得到了导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans；
    所述n为大于等于4的整数。
  2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截骨导板表面的标记点n次，得到采集数据集T＝{T 1、T 2、…T n}具体包括：
    截骨导板随所述机器人自由运动一次，使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截图导板表面对应次数标记点的数据，重复n次直至所有的标记点采集完毕即得到采集数据集T＝{T 1、T 2、…T n}。
  3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将T＝{T 1、T 2、…T n}通过转换矩阵 N BTrans和R＝{R 1、R 2、…R n}，转换到末端法兰坐标系获得新的末端法兰坐标系数据集T F＝{T F 1、T F 2…T F n}，包括：
    针对所述采集数据集中各标记点所对应的数据，根据所述转换矩阵及该标记点对应的机器人末端位姿数据，将该标记点对应的数据转换为末端法兰坐标系下的数据。
  4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述针对所述采集数据集中各标记点所对应的数据，根据所述转换矩阵及该标记点对应的机器人末端位姿数据，将该标记点对应的数据转换为末端法兰坐标系下的数据具体包括：
    通过转换矩阵以及R 1将T 1映射到末端法兰坐标系中得到T F 1，通过转换矩阵和R n将T n映射到末端法兰坐标系中得到T F n。
  5. 根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于，所述将T F＝{T F 1、T F 2…T F n}与截骨导板n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}进行点集匹配，就得到了导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans，具体包括：
    采用奇异值分解方式，对T F＝{T F 1、T F 2…T F n}与截骨导板n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}进行点集匹配，获得导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans。
  6. 根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}为n个标记点在截骨导板坐标系下的坐标数据。
  7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述截骨导板包括：安装法兰、导板和导板导槽，其中，该安装法兰与机器人法兰配合安装且该安装法兰能够随机器人法兰转动，该导板一端与安装法兰固定，另一端与导板导槽固定，该导板和导板导槽具有n个标记点。
  8. 一种医疗机器人导航系统中截骨导板的标定装置，其特征在于，所述标定装置应用于医疗机器人导航系统，所述医疗机器人导航系统包括：机器人、截骨导板和三维定位装置，所述三维定位装置包括：数据采集探针尖端；所述标定装置包括：
    转换矩阵确定模块，配置成将三维定位装置和机器人的位置相对固定，对三维定位装置和机器人坐标系之间的转换矩阵进行标定，获得三维定位装置和机器人坐标系之间的转换矩阵 N BTrans；
    第一采集模块，配置成将截骨导板安装于机器人末端法兰，将机器人调至被动模式；使用三维定位装置的数据采集探针尖端按顺序依次采集截骨导板表面的标记点n次，得到采集数据集T＝{T 1、T 2、…T n}；
    第二采集模块，配置成每采集一次标记点数据时，记录每次采集时的每个位置的机器人末端位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}；
    处理模块，配置成将T＝{T 1、T 2、…T n}通过转换矩阵 N BTrans和R＝{R 1、R 2、… R n}，转换到末端法兰坐标系获得新的末端法兰坐标系数据集T F＝{T F 1、T F 2…T F n}，将T F＝{T F 1、T F 2…T F n}与截骨导板n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}进行点集匹配，就得到了导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans；
    所述n为大于等于4的整数。
  9. 根据权利要求8所述的标定装置，其特征在于，所述第一采集模块使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截骨导板表面的标记点n次，得到采集数据集T＝{T 1、T 2、…T n}的方式具体包括：
    截骨导板随所述机器人自由运动一次，使用三维定位装置的数据采集探针尖端采集截图导板表面对应次数标记点的数据，重复n次直至所有的标记点采集完毕即得到采集数据集T＝{T 1、T 2、…T n}。
  10. 根据权利要求8所述的标定装置，其特征在于，所述处理模块将T＝{T 1、T 2、…T n}通过转换矩阵 N BTrans和R＝{R 1、R 2、…R n}，转换到末端法兰坐标系获得新的末端法兰坐标系数据集T F＝{T F 1、T F 2…T F n}的方式，包括：
    针对所述采集数据集中每个标记点对应的数据，根据所述转换矩阵及该标记点对应的机器人末端位姿数据，将该标记点对应的数据转换为末端法兰坐标系下的数据。
  11. 根据权利要求10所述的标定装置，其特征在于，所述处理模块针对所述采集数据集中每个标记点对应的数据，根据所述转换矩阵及该标记点对应的机器人末端位姿数据，将该标记点对应的数据转换为末端法兰坐标系下的数据的方式，具体包括：
    通过转换矩阵以及R 1将T 1映射到末端法兰坐标系中得到T F 1，通过转换矩阵和R n将T n映射到末端法兰坐标系中得到T F n。
  12. 根据权利要求8-11中任意一项所述的标定装置，其特征在于，所述将T F＝{T F 1、T F 2…T F n}与截骨导板n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}进行点集匹配，就得到了导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans，具体包括：
    采用奇异值分解方式，对T F＝{T F 1、T F 2…T F n}与截骨导板n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}进行点集匹配，获得导板相对于法兰的位姿数据 G fTrans。
  13. 根据权利要求8-12中任意一项所述的标定装置，其特征在于，所述n个标记点的数据集M＝{M 1、M 2、…M n}为n个标记点在截骨导板坐标系下的坐标数据。
  14. 根据权利要求8所述的标定装置，其特征在于，所述截骨导板包括：安装法兰、导板和导板导槽，其中，该安装法兰与机器人法兰配合安装且该安装法兰能够随机器人法兰转动，该导板一端与安装法兰固定，另一端与导板导槽固定，该导板和导板导槽具有n个标记点。
  15. 一种标定设备，其特征在于，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7中任一项所述的方法。
  16. 一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储用于电子数据交换的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行如权利要求1-7任一项所述的方法。
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