一种手术机器人的手术针注册的方法和装置制造方法及图纸

本申请公开了一种手术机器人的手术针注册的方法和装置，方法包括：通过光学设备获取光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的平移关系、光学设备坐标系到末端执行器上多个特征孔坐标系的平移关系以及光学设备坐标系到第一光学标记物坐标系的空间变换关系；通过光学设备坐标系到末端执行器上多个特征孔坐标系的平移关系确定光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系；根据光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的平移关系和旋转关系确定光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的空间变换关系，再根据光学设备坐标系到第一光学标记物坐标系的空间变换关系确定第一光学标记物坐标系到手术针针尖坐标系的空间变换关系。到手术针针尖坐标系的空间变换关系。到手术针针尖坐标系的空间变换关系。

【技术实现步骤摘要】
一种手术机器人的手术针注册的方法和装置


[0001]本申请涉及信息处理领域，尤指手术机器人的手术针注册的方法和装置。

技术介绍

[0002]随着计算机技术、定位导航技术和机器人技术的发展，三者结合而成的手术机器人应用越来越广泛。经皮介入手术是进行诊断和治疗最常用的方式，而为了提高手术的精度和安全性，采用手术机器人辅助手术在逐步开展。在开展机器人辅助导航手术中，对于手术器械，也就是手术针的位置及姿态的获取，就是其中一个非常重要的步骤，一般称作手术针的注册。
[0003]现有常用的机器人导航方法中，一般会有两大类方法，分别是基于电磁和基于光学的导航定位方法。在电磁导航中，常用的手术针注册方法，是将一个小的磁极标记物植入到手术针的针体内，一般是放在靠近针尖的位置，从而通过磁场发射器来对磁极进行定位，也就间接获得了手术针的位置。但是该方法需要对手术针进行特制，成本及其昂贵。基于光学的导航定位设备，也是将一个光学标记物与手术针尾部相连，然后通过手动旋转手术针和标记物的方式来测量出手术针的坐标，从而间接跟踪手术针。但是该方法不仅需要特制与手术针相对应的标记物，注册的精度也会因为手法不同产生差异，而且注册过程中会破坏无菌的环境。
[0004]为了解决以上问题，本专利技术设计了一种能操作简便、无需对手术针改进、注册精度高、且不会破坏无菌环境的手术针注册方法和装置。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本申请提供了一种手术机器人的手术针注册的方法和装置，实现一种能操作简便、无需对手术针改进、注册精度高、且不会破坏无菌环境的手术针注册方法。
[0006]为了达到本申请目的，本申请提供了一种手术机器人的手术针注册的方法，方法包括：
[0007]通过光学设备获取光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的平移关系、末端执行器上多个特征孔的位置数据以及光学设备坐标系到第一光学标记物坐标系的；
[0008]通过光学设备坐标系到多个特征孔坐标系的平移关系确定光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系；
[0009]根据所述光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的平移关系和所述光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系确定光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的空间变换关系；
[0010]根据所述光学设备坐标系到第一光学标记物坐标系的空间变换关系和所述光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的空间变换关系确定第一光学标记物坐标系到手术针针尖坐标系的空间变换关系。
[0011]一种示例性的实施例中，所述手术机器人的手术针注册应用于包括所述手术机器人、所述光学设备、末端执行器、导向块和探针的系统；
[0012]所述手术机器人包括法兰环、机械臂，所述法兰环为连接所述机械臂最后一个关节和所述末端执行器的连接部件，所述第一光学标记物连接在所述末端执行器上，所述第一光学标记物和所述末端执行器为刚性连接；
[0013]在所述末端执行器的底部设置所述导向块，并通过所述末端执行器的夹爪固定所述导向块；
[0014]所述探针为安装有第二光学标记物的一种刚体。
[0015]一种示例性的实施例中，所述光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的平移关系是将所述探针放置于所述导向块的底部，通过所述光学设备获取光学设备坐标系到探针尖端坐标系的平移关系而间接获取的；
[0016]所述光学设备坐标系到末端执行器上每个特征孔坐标系的平移关系是将所述探针放置于相应的特征孔上，通过所述光学设备获取光学设备坐标系到所述探针尖端坐标系的平移关系而间接获取的。
[0017]一种示例性的实施例中，所述通过光学设备坐标系到多个特征孔坐标系的平移关系确定光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系，包括：
[0018]将与第一特征孔到第二特征孔形成的空间向量同向的单位向量作为手术针针尖坐标系的X轴，根据光学设备坐标系到第一特征孔坐标系的平移关系、光学设备坐标系到第二特征孔坐标系的平移关系，采用X轴计算公式确定光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系的x列向量；
[0019]所述X轴计算公式如下：
[0020][0021]上述公式中，为光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系的x列向量，为光学设备坐标系到第一特征孔坐标系的平移关系，为光学设备坐标系到第二特征孔坐标系的平移关系，Normalize为向量的归一化处理；
[0022]其中，所述第一特征孔到第二特征孔形成的空间向量是与手术针穿刺的方向平行、但方向相反的向量。
[0023]一种示例性的实施例中，所述通过光学设备坐标系到末端执行器上多个特征孔坐标系的平移关系确定光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系，包括：
[0024]将与x列向量垂直的向量作为手术针针尖坐标系的Y轴；
[0025]根据光学设备坐标系到第一特征孔坐标系的的平移关系、光学设备坐标系到第三特征孔的平移关系以及x列向量采用Y轴计算公式确定光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系的y列向量
[0026]所述Y轴计算公式如下：
[0027][0028]上述公式中，为光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系的y列向量，为光学设备坐标系到第三特征孔坐标系的平移关系；式中，
[0029][0030][0031]一种示例性的实施例中，所述与x列向量垂直的向量为：
[0032]在多个特征孔所确定的平面上，所述第一特征孔到第三特征孔形成的空间向量在该平面上的投影作为y列向量的方向。
[0033]一种示例性的实施例中，所述通过光学设备坐标系到末端执行器上多个特征孔坐标系的平移关系确定光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系，包括：
[0034]根据所述光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系的x列向量、所述光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系的y列向量，采用Z轴计算公式确定光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系的z列向量；
[0035]所述Z轴计算公式如下：
[0036][0037]上述公式中，为光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系的z列向量。
[0038]一种示例性的实施例中，所述光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的空间变换关系为：
[0039][0040]上述公式中，为光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的空间变换关系，为光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系，为光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的平移关系。
[0041]一种示例性的实施例中，所述确定第一光学标记物坐标系到手术针针尖坐标系的空间变换关系后，方法还包括：通过定制特征工具判断该手术针注册是否满足预设的精度阈值；如果不满足，则重新调整所述第一光学标记物坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系或平移关系。
[0042]一种示例性的实施例中，所述通过定制特征工具判断该手术针注册是否满足预设的精度阈值，包括：
[0043]根据所述机器人坐标系到光学设备坐标系第一光学标记物坐标系到法兰环坐标系的空间变换关本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种手术机器人的手术针注册的方法，其特征在于，方法包括：通过光学设备获取光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的平移关系、光学设备坐标系到末端执行器上多个特征孔的平移关系以及光学设备坐标系到第一光学标记物坐标系的空间变换关系；通过光学设备坐标系到多个特征孔坐标系的平移关系确定光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系；根据所述光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的平移关系和所述光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系确定光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的空间变换关系；根据所述光学设备坐标系到第一光学标记物坐标系的空间变换关系和所述光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的空间变换关系确定第一光学标记物坐标系到手术针针尖坐标系的空间变换关系。2.根据权利要求1所述的手术机器人的手术针注册的方法，其特征在于，所述手术机器人的手术针注册应用于包括所述手术机器人、所述光学设备、末端执行器、导向块和探针的系统；所述手术机器人包括法兰环、机械臂，所述法兰环为连接所述机械臂最后一个关节和所述末端执行器的连接部件，所述第一光学标记物连接在所述末端执行器上，所述第一光学标记物和所述末端执行器为刚性连接；在所述末端执行器的底部设置所述导向块，并通过所述末端执行器的夹爪固定所述导向块；所述探针为安装有第二光学标记物的一种刚体。3.根据权利要求2所述的手术机器人的手术针注册的方法，其特征在于，所述光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的平移关系是将所述探针放置于所述导向块的底部，通过所述光学设备获取光学设备坐标系到探针尖端坐标系的平移关系而间接获取的；所述光学设备坐标系到末端执行器上每个特征孔坐标系的平移关系是将所述探针放置于相应的特征孔上，通过所述光学设备获取光学设备坐标系到所述探针尖端坐标系的的平移关系而间接获取的。4.根据权利要求3所述的手术机器人的手术针注册的方法，其特征在于，所述通过光学设备坐标系到多个特征孔坐标系的平移关系确定光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系，包括：将与第一特征孔到第二特征孔形成的空间向量同向的单位向量作为手术针针尖坐标系的X轴，根据光学设备坐标系到第一特征孔坐标系的平移关系、光学设备坐标系到第二特征孔坐标系的平移关系，采用X轴计算公式确定光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系的x列向量；所述X轴计算公式如下：上述公式中，为光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系的x列向
量，为光学设备坐标系到第一特征孔坐标系的平移关系，为光学设备坐标系到第二特征孔坐标系的平移关系，Normalize为向量的归一化处理；其中，所述第一特征孔到第二特征孔形成的空间向量是与手术针穿刺的方向平行、但方向相反的向量。5.根据权利要求4所述的手术机器人的手术针注册的方法，其特征在于，所述通过光学设备坐标系到末端执行器上多个特征孔坐标系的平移关系确定光学设备坐标系到手术针针尖坐标系的旋转关系，包括：将与x列向量垂直的向量作为手术针针尖坐标系的Y轴；根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈东阳，李卓，崔枭，罗熹平，
申请(专利权)人：深圳市箴石医疗设备有限公司，
类型：发明
国别省市：