机器人与影像设备的空间注册方法、装置及电子设备制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种机器人与影像设备的空间注册方法、装置及电子设备，其中方法包括：基于标记物组建立中间坐标系，对透视图像进行处理生成透视图像坐标系，确定透视图像坐标系和中间坐标系的相对位姿关系；确定机器人坐标系和中间坐标系的相对位姿关系，进而确定机器人坐标系和透视图像坐标系的相对位姿关系；基于透视扫描区域的圆心建立影像设备坐标系，并确定透视图像坐标系和影像设备坐标系的相对位姿关系；确定机器人坐标系和影像设备坐标系的相对位姿关系，实现机器人与影像设备的空间注册；本发明专利技术提供的空间注册方法减小了注册误差，医生进行基本医学影像设备操作和影像分析即可实现手术机器人与医学影像设备的快速、高精度空间注册。

【技术实现步骤摘要】
机器人与影像设备的空间注册方法、装置及电子设备
本专利技术涉及机器人领域，具体涉及一种机器人与影像设备的空间注册方法、装置及电子设备。
技术介绍
手术机器人具有定位精准、可重复性高、能有效提升医生手术操作能力等优点，已经被越来越广泛应用于临床手术实施。使用手术机器人对患者实施手术的前提是确定患者空间与机器人操作空间的相对位置关系，患者空间通常通过医学影像设备例如CT扫描CT影像来确定，为了在确定患者空间的同时避免手术机器人碰撞医学影像设备，需要确定机器人操作空间与医学影像设备空间的相对位置关系，即实现手术机器人与医学影像设备的空间注册。目前常用的一种技术手段是利用光学或电磁定位设备确定手术机器人、医学影像设备和患者空间的相对位置关系。具体实施时，在机器人和患者上安装光学或电磁定位标记，用光学或电磁定位设备追踪定位标记确定机器人操作空间和患者空间的相对位置关系，通过医学影像设备扫描患者上安装的定位标记确定医学影像设备空间和患者空间的相对位置关系，进一步实现手术机器人与医学影像设备的空间注册。另一种技术手段是采用手术机器人触碰标记点的方法确定机器人操作空间和医学影像设备空间的相对位置关系。具体实施时，在患者上安装标记点，通过机器人触碰标记点确定机器人操作空间和患者空间的相对位置关系，通过医学影像设备扫描患者上安装的标记点确定医学影像设备空间和患者空间的相对位置关系，进一步实现手术机器人与医学影像设备的空间注册。上述两种技术手段虽然能够实现手术机器人与医学影像设备的空间注册，但是存在以下问题：>1、光学或电磁定位设备容易受到光线遮挡、手术器械铁磁干扰等不良影响，这会直接导致注册误差甚至造成注册失败；且定位设备价格昂贵，其安装对手术室有特殊要求；2、采用手术机器人触碰标记点的方法需要医生手动操控机器人触碰多个标记点，医生操作繁琐；标记点的中心位置、被触碰时标记点移动、医生手动操控机器人触碰标记点误差等均会导致注册误差；3、注册时间较长，进一步增加了整个手术时间；且鉴于医生普遍只对影像设备的操作和影像分析具有深入研究，所使用定位设备和注册方法对医生的学习能力和操作技能的要求较高。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种机器人与影像设备的空间注册方法、装置及电子设备，以解决现有机器人与影像设备的空间注册容易导致注册误差、注册时间长、操作复杂繁琐对医生要求高且成本高的问题。为了实现上述目的，根据本专利技术的第一方面，提供了一种机器人与影像设备的空间注册方法，包括：将机器人的标记物组移动至影像设备透视范围内，基于所述标记物组建立中间坐标系；获取影像设备对标记物组进行扫描得到的透视图像，对所述透视图像进行处理生成透视图像坐标系，确定透视图像坐标系和中间坐标系的相对位姿关系；接收预先设置的机器人坐标系，确定所述机器人坐标系和所述中间坐标系的相对位姿关系；确定机器人坐标系和透视图像坐标系的相对位姿关系；获取影像设备的透视扫描区域，基于所述透视扫描区域的圆心建立影像设备坐标系，并确定透视图像坐标系和影像设备坐标系的相对位姿关系；确定机器人坐标系和影像设备坐标系的相对位姿关系，实现机器人与影像设备的空间注册。可选地，所述基于所述标记物组建立中间坐标系包括：所述标记物组包括至少三个标记物；基于任意两个标记物之间形成两条相交垂线，以所述两条相交垂线的垂点为原点建立中间坐标系。可选地，所述确定透视图像坐标系和中间坐标系的相对位姿关系包括：对标记物组的透视图像进行处理，获取标记物组中各标记物的形心在透视图像坐标系中的坐标；根据各标记物的形心在透视图像坐标系中的坐标，采用最小二乘法确定中间坐标系原点在透视图像坐标系中的坐标；根据各标记物的形心和中间坐标系原点在透视图像坐标系中的坐标，确定透视图像坐标系和中间坐标系之间的坐标转换矩阵。可选地，所述确定所述机器人坐标系和所述中间坐标系的相对位姿关系，包括：根据机器人正运动学，确定标记物组中各标记物的形心在机器人坐标系中的坐标；根据各标记物的形心在机器人坐标系中的坐标，采用最小二乘法确定中间坐标系原点在机器人坐标系中的坐标；根据各标记物的形心和中间坐标系原点在机器人坐标系中的坐标，确定机器人坐标系和中间坐标系之间的坐标转换矩阵。可选地，所述确定机器人坐标系和透视图像坐标系的相对位姿关系包括：根据透视图像坐标系和中间坐标系之间的坐标转换矩阵、机器人坐标系和中间坐标系之间的坐标转换矩阵，通过中间坐标系进行关联，确定机器人坐标系和透视图像坐标系之间的坐标转换矩阵。可选地，所述基于所述透视扫描区域的圆心建立影像设备坐标系，并确定透视图像坐标系和影像设备坐标系的相对位姿关系，包括：以透视扫描区域的圆心为原点，建立各坐标轴方向与透视图像坐标系各坐标轴方向相同的影像设备坐标系；对透视图像进行处理，获取透视扫描区域的圆心在透视图像坐标系中的坐标；根据透视扫描区域的圆心在透视图像坐标系中的坐标，确定透视图像坐标系和影像设备坐标系之间的坐标转换矩阵。可选地，所述确定机器人坐标系和影像设备坐标系的相对位姿关系，实现机器人与影像设备的空间注册，包括：根据机器人坐标系和透视图像坐标系之间的坐标转换矩阵、透视图像坐标系和影像设备坐标系之间的坐标转换矩阵，通过透视图像坐标系进行关联，确定机器人坐标系和影像设备坐标系之间的坐标转换矩阵。根据本专利技术的第二方面，提供了一种机器人与影像设备的空间注册装置，包括：第一建立单元，用于将机器人的标记物组移动至影像设备透视范围内，基于所述标记物组建立中间坐标系；第一确定单元，用于获取影像设备对标记物组进行扫描得到的透视图像，对所述透视图像进行处理生成透视图像坐标系，确定透视图像坐标系和中间坐标系的相对位姿关系；第二确定单元，用于接收预先设置的机器人坐标系，确定所述机器人坐标系和所述中间坐标系的相对位姿关系；第三确定单元，用于确定机器人坐标系和透视图像坐标系的相对位姿关系；第二建立单元，用于获取影像设备的透视扫描区域，基于所述透视扫描区域的圆心建立影像设备坐标系，并确定透视图像坐标系和影像设备坐标系的相对位姿关系；实现单元，用于确定机器人坐标系和影像设备坐标系的相对位姿关系，实现机器人与影像设备的空间注册。根据本专利技术的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行第一方面任意一项提供的机器人与影像设备的空间注册方法。根据本专利技术的第四方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行第一方面任意一项提供的机器人与影像设备的空间注册方法。本专利技术实施例提供的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人与影像设备的空间注册方法，其特征在于，所述方法包括：/n将机器人的标记物组移动至影像设备透视范围内，基于所述标记物组建立中间坐标系；/n获取影像设备对标记物组进行扫描得到的透视图像，对所述透视图像进行处理生成透视图像坐标系，确定透视图像坐标系和中间坐标系的相对位姿关系；/n接收预先设置的机器人坐标系，确定所述机器人坐标系和所述中间坐标系的相对位姿关系；/n确定机器人坐标系和透视图像坐标系的相对位姿关系；/n获取影像设备的透视扫描区域，基于所述透视扫描区域的圆心建立影像设备坐标系，并确定透视图像坐标系和影像设备坐标系的相对位姿关系；/n确定机器人坐标系和影像设备坐标系的相对位姿关系，实现机器人与影像设备的空间注册。/n

【技术特征摘要】
1.一种机器人与影像设备的空间注册方法，其特征在于，所述方法包括：
将机器人的标记物组移动至影像设备透视范围内，基于所述标记物组建立中间坐标系；
获取影像设备对标记物组进行扫描得到的透视图像，对所述透视图像进行处理生成透视图像坐标系，确定透视图像坐标系和中间坐标系的相对位姿关系；
接收预先设置的机器人坐标系，确定所述机器人坐标系和所述中间坐标系的相对位姿关系；
确定机器人坐标系和透视图像坐标系的相对位姿关系；
获取影像设备的透视扫描区域，基于所述透视扫描区域的圆心建立影像设备坐标系，并确定透视图像坐标系和影像设备坐标系的相对位姿关系；
确定机器人坐标系和影像设备坐标系的相对位姿关系，实现机器人与影像设备的空间注册。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述标记物组建立中间坐标系包括：
所述标记物组包括至少三个标记物；
基于任意两个标记物之间形成两条相交垂线，以所述两条相交垂线的垂点为原点建立中间坐标系。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定透视图像坐标系和中间坐标系的相对位姿关系包括：
对标记物组的透视图像进行处理，获取标记物组中各标记物的形心在透视图像坐标系中的坐标；
根据各标记物的形心在透视图像坐标系中的坐标，采用最小二乘法确定中间坐标系原点在透视图像坐标系中的坐标；
根据各标记物的形心和中间坐标系原点在透视图像坐标系中的坐标，确定透视图像坐标系和中间坐标系之间的坐标转换矩阵。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述机器人坐标系和所述中间坐标系的相对位姿关系，包括：
根据机器人正运动学，确定标记物组中各标记物的形心在机器人坐标系中的坐标；
根据各标记物的形心在机器人坐标系中的坐标，采用最小二乘法确定中间坐标系原点在机器人坐标系中的坐标；
根据各标记物的形心和中间坐标系原点在机器人坐标系中的坐标，确定机器人坐标系和中间坐标系之间的坐标转换矩阵。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定机器人坐标系和透视图像坐标系的相对位姿关系包括：
根据透视图像坐标系和中间坐标系之间的坐标转换矩阵、机器人坐标系和中间坐标系之间的坐标转换矩阵，通过中间坐标系进行关联，确定机器人坐标系和透视图像坐标系之间的坐标转换矩阵。

【专利技术属性】
技术研发人员：段星光，何睿，潘月，李浩源，贾晓波，周珅珅，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11