一种口腔种植牙手术的钻头自动定位装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种口腔种植牙手术钻头自动定位装置及方法，所述装置包括：红外双目相机、口腔夹具、机械臂、探针、末端组件、按钮模块、种植手机、钻头、术中种植牙导航系统。所述方法包括以下步骤：设备准备；进行牙颌配准；在所述种植手机末端安装所述钻头，获取所述钻头的位姿；获取目标位置在机械臂坐标系下的旋转矢量参数；所述机械臂带动所述钻头自动定位至目标位置；所述机械臂沿着所述钻头的轴线进行定线运动，植入所述种植体；验证种植精度。本发明专利技术采用导航相机和机械臂结合的方式，将术前规划、术中配准、钻头自动定位以及定线打磨运动高度集成，术中实时显示种植精度，避免了人为误差，且操作便捷，在临床上具有极高的使用价值。值。值。

【技术实现步骤摘要】
一种口腔种植牙手术的钻头自动定位装置及方法


[0001]本专利技术涉及口腔种植牙手术领域，具体涉及一种口腔种植牙手术的钻头自动定位装置及方法。

技术介绍

[0002]目前种植牙手术已成为修复牙齿缺损或缺失的常规治疗方式之一，且已成为当今国际口腔医学界公认的缺牙首选修复方式，另外随着机器人技术的飞速发展，在口腔种植领域使用机器人辅助手术的需求日益升高。口腔种植牙机器人在让手术结果变得更加精准的同时，还可以降低医生的学习成本，让手术的过程标准化和简单化。但由于种植牙手术是在狭小的口腔内局部进行的精密操作，口腔内空间狭小，观察困难，且受医生经验影响，容易产生钻头定位不准确的问题，造成手术失败，另外如果在钻定位或钻孔过程中产生侧向力，容易产生钻头偏移、甚至偏离颌骨的问题，从而导致严重后果。
[0003]专利号为CN109077822B的专利公开了一种基于视觉测量的牙科种植手机标定系统及方法，该专利技术能够获得较为准确的牙科种植手机末端的钻头在牙科种植手机光学标记坐标系中的位置标定结果，但是该专利技术提供的方法只能进行标定，不能避免在实际钻孔过程中钻头受到偏向力时产生偏移的误差。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述
技术介绍
中描述的现有技术的缺点，提供一种口腔种植牙手术的钻头自动定位装置及方法，该方法通过双目相机和机械臂实现自动定位的方式提高了定位的精度，且通过机械臂定线模式避免了钻在受到偏向力时产生偏移的误差，从而辅助医生更精准、更高效的完成种植牙手术。
[0005]为实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种口腔种植牙手术的钻头自动定位装置，该装置包括：红外双目相机、口腔夹具、机械臂、探针、末端组件、按钮模块、种植手机、钻头、术中种植牙导航系统。
[0006]其中，所述红外双目相机包含左右两个镜头，作为视觉导航仪。
[0007]所述口腔夹具一端装有反光球，作为第一视觉标记，另一端呈现字母U的形状，与患者口腔佩戴适配。
[0008]所述探针头部装有反光球，作为第二视觉标记，所述探针末端呈现锥状。
[0009]所述机械臂末端装有反光球，作为第三视觉标记，且所述机械臂末端法兰与所述末端组件连接。
[0010]所述末端组件一端连接所述机械臂末端法兰，另一端连接所述种植手机，连接所述种植手机的部分设置有按钮模块，通过按钮可操作所述机械臂进入示教模式、定位模式、定线模式。
[0011]所述种植手机一端连接所述末端组件，另一端连接打磨用的钻头。
[0012]所述术中种植牙导航系统可精确地将手术场景中的物体及其相对位置实时可视
化，并实时反馈钻头位置和目标位置之间的相对位置关系。
[0013]另外，本专利技术还提供了一种口腔种植牙手术的钻头自动定位方法，包括以下步骤：进行设备准备，获取所述机械臂末端和所述种植手机末端的相对位置关系；牙颌配准，获取红外双目相机坐标系和患者口腔CT坐标系的转换关系；在所述种植手机末端安装合适的钻头，进行钻头末端标定；获取所述机械臂末端工具的当前位姿，即所述钻头的当前位姿；根据各坐标系之间的转换关系获取目标种植体位置至机械臂坐标系的旋转矩阵，并转化为所述机械臂运动指令所需要的旋转矢量参数；所述机械臂带动所述钻头运动，自动定位至目标位置；定位完成后，按下所述末端组件上的定线模式按钮，所述机械臂沿着所述钻头的轴线进行定线运动，植入所述种植体；验证种植精度，判断当前种植体是否植入到位。
[0014]进一步地，所述进行设备准备，获取所述机械臂末端和所述种植手机末端的相对位置关系，包括：启动所述术中种植牙导航系统，并在导航系统中确认所述红外双目相机可稳定识别第一视觉标记、第二视觉标记、第三视觉标记；利用所述探针标定所述种植手机的末端，得到所述红外双目相机和所述种植手机末端的转换关系；所述红外双目相机识别所述机械臂末端上的第三视觉标记，得到所述机械臂末端至所述红外双目相机的转换关系；计算得到所述机械臂末端和所述种植手机末端的转换关系。
[0015]进一步地，所述进行牙颌配准，获取红外双目相机坐标系和患者口腔CT坐标系的转换关系，包括：将所述口腔夹具佩戴于患者口腔中合适位置；建立红外双目相机坐标系：所述红外双目相机坐标系XYZ以相机左眼为坐标中心，平行于相机面的水平轴线为X轴，垂直于相机面向外为Z轴；根据CBCT扫描设备确定CT坐标系，所述CT坐标系与所述口腔夹具上的第一视觉标识的相对位置关系是固定的，且所述红外双目相机可识别所述口腔夹具上的第一视觉标记；配准所述红外双目相机坐标系和所述患者口腔CT坐标系，获取两个坐标系之间的关系，转换矩阵记为Matrix_ndi2ct，可表示为：进一步地，所述获取所述机械臂末端工具的当前位姿，即所述钻头的当前位姿，包括：设备启动后机械臂控制器实时向所述术中种植牙导航系统中以旋转矢量的格式发送所述机械臂末端工具的当前位姿；通过计算将旋转矢量转换成旋转矩阵，记为Matrix_tool2base。
[0016]进一步地，所述通过计算将旋转矢量转换成旋转矩阵，记为Matrix_tool2base，包括：获取机械臂末端工具的当前位姿；根据位姿中的计算得到位姿表示方法中轴角表达式中的，其中，，，；根据罗德里格斯公式，其中K表示为矩阵：将kx，ky，kz以及θ的值代入公式中得到完整的R；根据x，y，z和R构建四阶齐次矩阵，得到Matrix_tool2base。
[0017]进一步地，所述根据各坐标系之间的转换关系获取目标种植体位置至机械臂坐标系的旋转矩阵，并转化为所述机械臂运动指令所需要的旋转矢量参数，包括：由术前拍摄的口腔CBCT规划缺牙位所需要安装的种植体型号与位置，得到所述种植体与所述CT坐标系的转换矩阵，记为Matrix_implant2ct；由第三视觉标记得到所述机械臂末端至所述红外双目相机坐标系的转换矩阵Matrix_flange2ndi，通过钻头标定功能计算得出所述钻头末端到机械臂末端坐标系之间的转换矩阵，记为Matrix_tool2flange，由此计算得到所述钻头末端至所述红外双目相机坐标系的转换矩阵，记为Matrix_tool2ndi，进而得到所述钻头末端至所述CT坐标系的转换矩阵，记为Matrix_tool2ct；由所述钻头末端至所述CT坐标系的转换矩阵Matrix_tool2ct和所述种植体与所述CT坐标系的转换矩阵Matrix_implant2ct得到所述目标种植体至所述钻头末端的转换矩阵，记为Matrix_implant2tool；由所述目标种植体至所述钻头末端的转换矩阵Matrix_implant2tool、所述钻头末端至所述机械臂坐标系的转换矩阵Matrix_tool2base得到所述目标种植体至所述机械臂坐标系的旋转矩阵，记为Matrix_implant2base；将旋转矩阵Matrix_implant2base转化为机械臂运动指令所需要的旋转矢量参数。
[0018]进一步地，所述将旋转矩阵Matrix_implant2base转化为机械臂运动指令所需要本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种口腔种植牙手术的钻头自动定位装置，其特征在于，包括：红外双目相机、口腔夹具、机械臂、探针、末端组件、按钮模块、种植手机、钻头、术中种植牙导航系统；其中，所述红外双目相机包含左右两个镜头，作为视觉导航仪；所述口腔夹具一端装有反光球，作为第一视觉标记，另一端呈现字母U的形状，与患者口腔佩戴适配；所述探针头部装有反光球，作为第二视觉标记，所述探针末端呈现锥状；所述机械臂末端装有反光球，作为第三视觉标记，且所述机械臂末端法兰与所述末端组件连接；所述末端组件一端连接所述机械臂末端法兰，另一端连接所述种植手机，连接所述种植手机的部分设置有按钮模块，通过按钮可操作所述机械臂进入示教模式、定位模式、定线模式；所述种植手机一端连接所述末端组件，另一端连接打磨用的钻头；所述术中种植牙导航系统可精确地将手术场景中的物体及其相对位置实时可视化，并实时反馈钻头位置和目标位置之间的相对位置关系。2.一种口腔种植牙手术的钻头自动定位方法，其特征在于，包括以下步骤：S101，进行设备准备，获取所述机械臂末端和所述种植手机末端的相对位置关系；S102，牙颌配准，获取红外双目相机坐标系和患者口腔CT坐标系的转换关系；S103，在所述种植手机末端安装合适的钻头，进行钻头末端标定；S104，获取所述机械臂末端工具的当前位姿，即所述钻头的当前位姿；S105，根据各坐标系之间的转换关系获取目标种植体位置至机械臂坐标系的旋转矩阵，并转化为所述机械臂运动指令所需要的旋转矢量参数；S106，所述机械臂带动所述钻头运动，自动定位至目标位置；S107，定位完成后，按下所述末端组件上的定线模式按钮，所述机械臂沿着所述钻头的轴线进行定线运动，植入所述种植体；S108，验证种植精度，判断当前种植体是否植入到位。3.根据权利要求2所述的一种口腔种植牙手术的钻头自动定位方法，其特征在于，所述S101中进行设备准备，获取所述机械臂末端和所述种植手机末端的相对位置关系，包括：启动所述术中种植牙导航系统，并在导航系统中确认所述红外双目相机可稳定识别第一视觉标记、第二视觉标记、第三视觉标记；利用所述探针标定所述种植手机的末端，得到所述红外双目相机和所述种植手机末端的转换关系；所述红外双目相机识别所述机械臂末端上的第三视觉标记，得到所述机械臂末端至所述红外双目相机的转换关系；计算得到所述机械臂末端和所述种植手机末端的转换关系。4.根据权利要求2所述的一种口腔种植牙手术的钻头自动定位方法，其特征在于，所述S102中牙颌配准，获取红外双目相机坐标系和患者口腔CT坐标系的转换关系，包括：将所述口腔夹具佩戴于患者口腔中合适位置；建立红外双目相机坐标系：所述红外双目相机坐标系XYZ以相机左眼为坐标中心，平行于相机面的水平轴线为X轴，垂直于相机面向外为Z轴；
根据CBCT扫描设备确定CT坐标系，所述CT坐标系与所述口腔夹具上的第一视觉标识的相对位置关系是固定的，且所述红外双目相机可识别所述口腔夹具上的第一视觉标记；配准所述红外双目相机坐标系和所述患者口腔CT坐标系，获取两个坐标系之间的关系，转换矩阵记为Matrix_ndi2ct，可表示为：。5.根据权利要求2所述的一种口腔种植牙手术的钻头自动定位方法，其特征在于，所述S104中获取所述机械臂末端工具的当前位姿，即所述钻头的当前位姿，包括：设备启动后机械臂控制器实时向所述术中种植牙导航系统中以旋转矢量的格式发送所述机械臂末端工具的当前位姿；通过计算将旋转矢量转换...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杭，詹慧文，王捷，陈盛，
申请(专利权)人：杭州键嘉机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：