末端工具位姿的實時修正方法、系統(tǒng)以及手術(shù)機器人與流程
末端工具位姿的實時修正方法、系統(tǒng)以及手術(shù)機器人
1.本技術(shù)是申請?zhí)枮?02110778767.7的發(fā)明專利申請的分案申請，其原申請文件的申請日為2021年07月09日，發(fā)明名稱為末端工具位姿的實時修正方法、系統(tǒng)以及手術(shù)機器人。
技術(shù)領(lǐng)域
2.本發(fā)明實施例涉及醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種末端工具位姿的實時修正方法、系統(tǒng)以及手術(shù)機器人。
背景技術(shù)：
3.全髖節(jié)置換術(shù)的目的是用關(guān)節(jié)假體替換病變的髖關(guān)節(jié)，手術(shù)的要求是假體的安裝位姿應(yīng)盡量精準，比如關(guān)節(jié)假體(即髖臼杯)的安裝位置、外展角、前傾角，當然，實際情況還需根據(jù)病人的生理結(jié)構(gòu)而定，通常由術(shù)前規(guī)劃確定。
4.在實際的髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，為了將髖臼杯精準地打入髖臼窩，在打杯過程中，需要保持髖臼杯中心軸與髖臼窩(簡稱髖臼窩)中心軸是重合的。但在醫(yī)生執(zhí)行打杯操作時，髖臼杯與髖臼窩相互作用，髖臼窩因為髖臼杯的作用而發(fā)生位姿變化，從而使其與髖臼杯的中心軸不再是重合的。因此，為了保證打杯的準確性，需要在每次執(zhí)行完打杯操作后，對髖臼杯進行位姿調(diào)整，使其調(diào)整后的中心軸與髖臼窩中心軸再次重合。
5.因此，現(xiàn)有技術(shù)中，醫(yī)生僅能依靠臨床經(jīng)驗手動調(diào)整末端工具的位姿來應(yīng)對髖關(guān)節(jié)的位姿變化，位姿調(diào)整效率較低，而低下的位姿調(diào)整效率延長了髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的整個手術(shù)時間。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
6.本發(fā)明實施例提供了一種末端工具位姿的實時修正方法、系統(tǒng)以及手術(shù)機器人，解決了現(xiàn)有技術(shù)中，醫(yī)生僅能依靠臨床經(jīng)驗手動調(diào)整末端工具的位姿來應(yīng)對髖關(guān)節(jié)位姿變化的問題。
7.第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種末端工具位姿的實時修正方法，包括：
8.獲取末端工具與對應(yīng)主動隨動區(qū)之間的初始位姿對應(yīng)關(guān)系所對應(yīng)的初始位姿偏移量；
9.檢測到所述主動隨動區(qū)的位姿發(fā)生變化時，獲取所述主動隨動區(qū)的對象位姿偏移量，其中，所述對象位姿偏移量為所述主動隨動區(qū)的當前位姿相對于所述初始位姿對應(yīng)關(guān)系中的所述主動隨動區(qū)的初始對象位姿的位姿偏移量；
10.根據(jù)所述初始位姿偏移量和所述對象位姿偏移量控制所述末端工具運動，以使末端工具與所述主動隨動區(qū)的位姿對應(yīng)關(guān)系恢復(fù)至所述初始位姿對應(yīng)關(guān)系。
11.第二方面，本發(fā)明實施例還提供了一種手術(shù)機器人，包括：
12.第一位姿獲取裝置，設(shè)置于目標對象上并與目標對象的主動隨動區(qū)保持固定的對應(yīng)關(guān)系，用于獲取所述主動隨動區(qū)的位姿；
13.第二位姿獲取裝置，設(shè)置于用于攜帶末端工具運動的機械臂上，用于獲取所述末端工具的位姿；
14.控制器，用于獲取末端工具與對應(yīng)主動隨動區(qū)之間的初始位姿對應(yīng)關(guān)系；在檢測到所述主動隨動區(qū)的位姿發(fā)生變化時，獲取所述主動隨動區(qū)的對象位姿偏移量；根據(jù)所述初始位姿偏移量和所述對象位姿偏移量控制所述末端工具運動，以使末端工具與所述主動隨動區(qū)的位姿對應(yīng)關(guān)系恢復(fù)至所述初始位姿對應(yīng)關(guān)系，其中，所述對象位姿偏移量為所述主動隨動區(qū)的當前位姿相對于所述初始位姿對應(yīng)關(guān)系中的所述主動隨動區(qū)的初始對象位姿的位姿偏移量。
15.第三方面，本發(fā)明實施例還提供了一種末端工具位姿的實時修正系統(tǒng)，包括處理器和存儲器，所述存儲器存儲有計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時用于執(zhí)行任意實施例所述的末端工具位姿的實時修正方法。
16.本發(fā)明實施例提供的一種末端工具位姿的實時修正方法的技術(shù)方案，相較于現(xiàn)有技術(shù)，獲取末端工具與對應(yīng)主動隨動區(qū)之間的初始位姿對應(yīng)關(guān)系所對應(yīng)的初始位姿偏移量；在檢測到主動隨動區(qū)的位姿發(fā)生變化時，獲取主動隨動區(qū)的對象位姿偏移量；根據(jù)該初始位姿偏移量和對象位姿偏移量控制末端工具運動，使末端工具與主動隨動區(qū)的位姿對應(yīng)關(guān)系恢復(fù)至初始位姿對應(yīng)關(guān)系；由于根據(jù)對象位姿偏移量和初始位姿對應(yīng)關(guān)系所對應(yīng)的初始位姿偏移量可確定末端工具的位姿調(diào)整量，根據(jù)該位姿調(diào)整量控制末端工具運動，即可使末端工具在該運動結(jié)束時完成跟隨運動，屆時其與主動隨動區(qū)的位姿對應(yīng)關(guān)系恢復(fù)至初始位姿對應(yīng)關(guān)系，有助于提高末端工具位姿調(diào)整的效率和準確性，從而提高關(guān)節(jié)置換術(shù)的效率和成功率。
附圖說明
17.為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖做一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
18.圖1是本發(fā)明一個實施例提供的一種末端工具位姿的實時修正方法的流程圖；
19.圖2是本發(fā)明一個實施例提供的手術(shù)機器人的示意圖；
20.圖3是本發(fā)明一個實施例提供的主動隨動區(qū)的示意圖；
21.圖4是本發(fā)明一個實施例提供的機械臂與末端工具的關(guān)系示意圖；
22.圖5是本發(fā)明另一個實施例提供的手術(shù)機器人的結(jié)構(gòu)框圖；
23.圖6是本發(fā)明另一個實施例提供的手術(shù)機器人的示意圖。
具體實施方式
24.為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，以下將參照本發(fā)明實施例中的附圖，通過實施方式清楚、完整地描述本發(fā)明的技術(shù)方案，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
25.圖1是本發(fā)明一個實施例提供的一種末端工具位姿的實時修正方法的流程圖。本
實施例的技術(shù)方案適用于控制手術(shù)機器人根據(jù)髖關(guān)節(jié)的位姿變化實時修正末端的位姿，從而將末端工具與髖臼窩之間的位姿對應(yīng)關(guān)系恢復(fù)至初始位姿對應(yīng)關(guān)系的情況。該方法可以由本發(fā)明實施例提供的手術(shù)機器人的控制器來執(zhí)行，該控制器可以采用軟件和/或硬件的方式實現(xiàn)。
26.如圖2所示，為本發(fā)明一個實施例提供的手術(shù)機器人的示意圖，該手術(shù)機器人包括設(shè)置于目標對象01髖關(guān)節(jié)的第一光學(xué)陣列11、設(shè)置在用于帶動末端工具4運動的機械臂2的第二光學(xué)陣列12、設(shè)置在用于固定機械臂2的基座3的第三光學(xué)陣列13，以及連接該第一光學(xué)陣列11、第二光學(xué)陣列12和第三光學(xué)陣列13的控制器。機械臂2的末端用于安裝末端工具，機械臂2可在控制器的控制下攜帶末端工具運動。控制器可設(shè)置在機器人主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，也可以為獨立于機器人主體結(jié)構(gòu)的處理器，例如，在機器人主體結(jié)構(gòu)外單獨設(shè)置的處理器、服務(wù)器或者計算機設(shè)備。
27.該方法具體包括如下步驟：
28.s101、獲取末端工具與對應(yīng)主動隨動區(qū)之間的初始位姿對應(yīng)關(guān)系所對應(yīng)的初始位姿偏移量。
29.其中，主動隨動區(qū)的范圍可由用戶根據(jù)具體情況和/或個人習(xí)慣預(yù)先進行設(shè)置，比如，主動隨動區(qū)02可以僅包括圖3中的錐形虛擬區(qū)域021；也可以同時包括圖3中的錐形虛擬區(qū)域021及其上方預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的圓柱形區(qū)域022，此時圖3中的虛線上方的圓柱形區(qū)域022可以對應(yīng)于手術(shù)對象的皮膚部分。主動隨動區(qū)的姿態(tài)隨著相應(yīng)的目標手術(shù)區(qū)域的位姿變化而變化。本實施例以目標手術(shù)區(qū)域是髖關(guān)節(jié)為例進行技術(shù)方案的說明。在目標手術(shù)區(qū)域為髖關(guān)節(jié)時，圖3中的錐形虛擬區(qū)域的頂點與髖臼窩023的中心重合。另外，主動隨動區(qū)也可以對應(yīng)其他的目標手術(shù)區(qū)域，只要其需要與末端工具保持固定的位姿對應(yīng)關(guān)系即可。
30.其中，末端工具是與目標手術(shù)區(qū)域?qū)?yīng)的手術(shù)工具。如果目標手術(shù)區(qū)域為髖關(guān)節(jié)，那么末端工具為髖臼杯或髖臼銼。
31.其中，初始位姿對應(yīng)關(guān)系為本發(fā)明實施例需要保持的末端工具與對應(yīng)主動隨動區(qū)之間的位姿對應(yīng)關(guān)系，比如二者中心軸重合。
32.本實施例中，如果末端工具為髖臼杯，那么處于初始位姿對應(yīng)關(guān)系的末端工具的中心軸優(yōu)選與主動隨動區(qū)的中心軸重合；如果末端工具為髖臼銼，處于初始位姿對應(yīng)關(guān)系的末端工具的中心軸可與主動隨動區(qū)的中心軸重合，也可根據(jù)實際需要自行設(shè)置。
33.其中，在末端工具為髖臼杯時，初始位姿對應(yīng)關(guān)系的確定方法，包括：控制器在檢測到主動隨動區(qū)的中心軸與末端工具的中心軸重合時生成記錄信號，并根據(jù)該記錄信號記錄主動隨動區(qū)的位姿與末端工具的位姿；在檢測到位姿跟隨信號時，將最新記錄的主動隨動區(qū)的位姿和末端工具的位姿之間的對應(yīng)關(guān)系，作為末端工具與對應(yīng)主動隨動區(qū)之間的初始位姿對應(yīng)關(guān)系。
34.其中，在末端工具為髖臼銼時，初始位姿對應(yīng)關(guān)系的確定方法，包括：在檢測到記錄信號時，記錄主動隨動區(qū)的位姿與末端工具的位姿，其中，記錄信號由用戶輸入；在檢測到位姿跟隨信號時，將最新記錄的主動隨動區(qū)的位姿和末端工具的位姿之間的對應(yīng)關(guān)系，作為末端工具與對應(yīng)主動隨動區(qū)之間的初始對應(yīng)關(guān)系。可以理解的是，用戶可以在不同時刻輸入至少兩個記錄信號直至得到期望的位姿對應(yīng)關(guān)系，然后輸入位姿跟隨信號，控制器根據(jù)該位姿跟隨信號將最后一個記錄信號對應(yīng)的位姿對應(yīng)關(guān)系，即用戶期望的位姿對應(yīng)關(guān)
系作為初始位姿對應(yīng)關(guān)系。當然，用戶也可以在不同時刻輸入至少兩個記錄信號之后，將其中一個記錄信號對應(yīng)的位姿對應(yīng)關(guān)系標記為期望的位姿對應(yīng)關(guān)系，然后輸入位姿跟隨信號，控制器根據(jù)該位姿跟隨信號將該期望的位姿對應(yīng)關(guān)系作為初始位姿對應(yīng)關(guān)系。
35.示例性的，在髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)的打杯操作之前，通常需要將髖臼杯(末端工具)移動至主動隨動區(qū)的預(yù)設(shè)打杯處，髖臼杯在該預(yù)設(shè)打杯處時，其中心軸與主動隨動區(qū)的中心軸重合，髖臼杯在達到該預(yù)設(shè)打杯處時，其中心軸與主動隨動區(qū)也有可能重合過。控制器在髖臼杯移動至預(yù)設(shè)打杯處的過程中實時檢測髖臼杯與髖臼窩之間的位姿對應(yīng)關(guān)系，在檢測到髖臼杯中心軸與髖臼窩中心軸重合時生成記錄信號，并根據(jù)該記錄信號自動記錄主動隨動區(qū)的位姿與末端工具的位姿，以及在檢測到醫(yī)生通過腳踏板輸入的位姿跟隨信號時，將最新記錄的主動隨動區(qū)的位姿和末端工具的位姿分別作為初始對象位姿和初始工具位姿，以及將該初始對象位姿與初始工具位姿之間的對應(yīng)關(guān)系作為初始位姿對應(yīng)關(guān)系。
36.示例性的，在髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)的打杯操作之前，需要先使用髖臼銼(末端工具)對髖臼窩進行磨骨操作，在使用髖臼銼對髖臼窩進行磨骨操作之前，需要將髖臼銼拖動至主動隨動區(qū)02內(nèi)，比如圖3中的圓柱形區(qū)域022；然后調(diào)整髖臼銼的位姿以使髖臼銼與髖臼窩的位姿對應(yīng)關(guān)系為期望的位姿對應(yīng)關(guān)系，然后做髖臼窩磨骨的準備工作，比如，準備手術(shù)器械等。為了防止因患者髖關(guān)節(jié)位姿在該準備工作期間發(fā)生變化，從而導(dǎo)致髖臼銼與髖臼窩之間的位姿對應(yīng)關(guān)系發(fā)生變化，用戶輸入記錄信號，控制器在檢測到該記錄信號時，根據(jù)該記錄信號獲取髖臼銼和髖臼窩的位姿，并將髖臼銼的位姿作為初始工具位姿，將髖臼窩的位姿作為初始對象位姿，以及將該初始工具位姿和初始對應(yīng)位姿之間的對應(yīng)關(guān)系作為初始位姿對應(yīng)關(guān)系。其中，用戶通過踩踏機器人的腳踏板輸入記錄信號。
37.其中，主動隨動區(qū)02的初始對象位姿通過設(shè)置于目標對象(患者髖部)的第一位姿獲取裝置獲取，比如第一光學(xué)陣列11，末端工具4的初始工具位姿通過設(shè)置在用于帶動末端工具4運動的機械臂2上的第二位姿獲取裝置獲取，比如第二光學(xué)陣列12。可以理解的是，第一光學(xué)陣列11與主動隨動區(qū)02保持固定的位姿對應(yīng)關(guān)系，第二光學(xué)陣列12與機械臂2保持固定的位姿對應(yīng)關(guān)系。
38.在獲取到初始位姿對應(yīng)關(guān)系的初始對象位姿與初始工具位姿之后，根據(jù)以下公式確定初始位姿偏移量：
39.object
t
tool
＝inverse(st
maker1_static
)
×st
maker2_static
40.其中，inverse(st
maker1_static
)為st
maker1_static
的逆矩陣，st
maker1_static
為主動隨動區(qū)的初始對象位姿，st
maker2_static
為末端工具的初始工具位姿，
object
t
tool
為初始位姿偏移量，可以理解的是，該初始位姿偏移量為初始工具位姿相對于初始對象位姿的位姿偏移量。在實際使用時，也可以將初始對象位姿相對于初始工具位姿的位姿偏移量作為初始位姿偏移量。
41.s102、在檢測到主動隨動區(qū)的位姿發(fā)生變化時，獲取主動隨動區(qū)的對象位姿偏移量，其中，對象位姿偏移量為主動隨動區(qū)的當前位姿相對于初始位姿對應(yīng)關(guān)系中的主動隨動區(qū)的初始對象位姿的位姿偏移量。
42.控制器在檢測到位姿跟隨信號，同時檢測到主動隨動區(qū)的當前位姿相較于初始對象位姿發(fā)生變化時，通過第一光學(xué)陣列11獲取主動隨動區(qū)02的當前位姿。本實施例中，末端工具的位姿修正頻率大于或等于250次/s，相應(yīng)的，第一光學(xué)陣列獲取主動隨動區(qū)的當前位
姿的頻率也大于或等于250次/s。
43.通過以下公式確定主動隨動區(qū)的當前位姿相對于其初始對象位姿的對象位姿偏移量：
44.maker1_static
t
maker1_dynamic
＝inverse(st
maker1_static
)
×st
maker1_dynamic
45.其中，inverse(st
maker1_static
)為st
maker1_static
的逆矩陣；st
maker1_static
為主動隨動區(qū)的初始對象位姿，st
maker1_dynamic
為主動隨動區(qū)的當前位姿，
maker1_static
t
maker1_dynamic
為對象位姿偏移量。
46.s103、根據(jù)初始位姿偏移量和對象位姿偏移量控制末端工具運動，使末端工具與主動隨動區(qū)的位姿對應(yīng)關(guān)系恢復(fù)至初始位姿對應(yīng)關(guān)系。
47.在確定了初始位姿對應(yīng)關(guān)系對應(yīng)的初始位姿偏移量以及主動隨動區(qū)的當前位姿相對于其初始對象位姿的對象位姿偏移量時，根據(jù)該初始位姿偏移量和對象位姿偏移量確定將末端工具調(diào)整至目標位姿所需的位姿調(diào)整量。其中，目標位姿為末端工具完成當前次的位姿跟隨操作時的位姿。
48.其中，位姿調(diào)整量的計算公式如下：
49.tool_static
t
tool_dynamic
＝inverse(
object
t
tool
)
×
maker1_static
t
maker1_dynamic
×
object
t
tool
50.其中，inverse(
object
t
tool
)為
object
t
tool
的逆矩陣，
tool_static
t
tool_dynamic
為末端工具的位姿調(diào)整量。
51.可以理解的是，位姿調(diào)整量對應(yīng)的是末端工具的運動量，而末端工具的運動是在機械臂帶動的，因此控制器是通過控制機械臂的運動來帶動末端工具的運動。為此，本實施例根據(jù)末端工具對應(yīng)的坐標系與基準坐標系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將該位姿調(diào)整量轉(zhuǎn)換至基準坐標系，從而確定用于攜帶末端工具的機械臂在基準坐標系中的位姿改變量，以及根據(jù)該位姿改變量控制機械臂帶動末端工具運動，以使機械臂在完成該位姿改變量的運動時，末端工具完成位姿調(diào)整量的運動，同時末端工具與主動隨動區(qū)的位姿對應(yīng)關(guān)系恢復(fù)至初始位姿對應(yīng)關(guān)系。
52.其中，基準坐標系對應(yīng)于第三光學(xué)陣列13；該第三光學(xué)陣列設(shè)置在用于連接機械臂2的基座3上。
53.其中，末端工具對應(yīng)的坐標系即為第二光學(xué)陣列對應(yīng)的坐標系，該坐標系與基準坐標系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可由機械臂的各個關(guān)節(jié)位置的正運動學(xué)推算出來。
54.其中，機械臂在基準坐標系統(tǒng)中的位姿改變量的計算公式如下：
55.b
t
tool_dynamic
＝bt
tool_static
×
tool_static
t
tool_dynamic
56.其中，bt
tool_static
為末端工具與主動隨動區(qū)處于初始位姿對應(yīng)關(guān)系時，末端工具對應(yīng)的坐標系與基準坐標系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，bt
tool_dynamic
為機械臂在基準坐標系中的位姿改變量。該bt
tool_dynamic
實際上包括bt
tool
和
tool
t
marker2
，前者為機械臂的實際控制量，后者用于限定機械臂與末端工具之間的運動對應(yīng)關(guān)系。由于機械臂帶動末端工具的運動方式有多種，因此需要通過該運動對應(yīng)關(guān)系唯一地限定機械臂帶動末端工具的運動方式，從而通過確定機械臂的運動來唯一地確定末端工具的運動，實現(xiàn)通過機械臂帶動末端工具進行任意所需的位姿調(diào)整。需要說明的是，該運動對應(yīng)關(guān)系需提前進行標定，相應(yīng)的，基座與機械臂之間的運動對應(yīng)關(guān)系也需提前進行標定。
57.在一些實施例中，控制器在檢測到末端工具完成位姿調(diào)整量的運動時，輸出位姿
跟隨完成信號。該位姿跟隨完成信號可以通過設(shè)置于機械臂上的閃爍燈輸出，也可以通過與控制器相連的顯示裝置輸出，本實施例不對位姿完成信號的具體形式進行限定。
58.在一些實施例中，控制器在檢測到跟隨停止信號時，停止檢測并獲取主動隨動區(qū)的當前位姿，此時主動隨動區(qū)變?yōu)樽杂蓞^(qū)，末端工具與主動隨動區(qū)的位姿對應(yīng)關(guān)系可以是任意的位姿對應(yīng)關(guān)系。
59.示例性工作過程：參見圖4、圖5和圖6，在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的打杯操作之前，需要將末端工具(髖臼杯)移動至預(yù)設(shè)打杯處并對其執(zhí)行位姿鎖定操作，此時位于該預(yù)設(shè)打杯處的髖臼杯的中心軸與主動隨動區(qū)(或者髖臼窩)中心軸重合。控制器在檢測到髖臼杯中心軸與主動隨動區(qū)中心軸重合時，通過第二光學(xué)陣列 12自動記錄末端工具的位姿以及通過第一光學(xué)陣列11自動記錄主動隨動區(qū)的位姿，并將記錄的末端工具的位姿與主動隨動區(qū)的位姿之間的位姿對應(yīng)關(guān)系作為初始位姿對應(yīng)關(guān)系。醫(yī)生通過敲擊圖3中連桿41上方的髖臼杯敲擊柄42對髖臼杯執(zhí)行打杯操作，髖臼杯在被打擊之后與髖臼窩發(fā)生碰撞，從而導(dǎo)致髖臼窩的位姿發(fā)生改變。由于髖臼窩位姿的改變，使得末端工具與主動隨動區(qū)之間位姿關(guān)系不再是初始位姿對應(yīng)關(guān)系，如果此時繼續(xù)執(zhí)行打杯操作，容易出現(xiàn)手術(shù)失敗的情況。此時，醫(yī)生可通過腳踏板的預(yù)設(shè)踩踏方式輸入位姿跟隨信號，控制器在檢測到位姿跟隨信號時，執(zhí)行上述s101-s103，從而在髖臼窩位姿發(fā)生變化時，及時調(diào)整末端工具的位姿，并在末端工具的位姿調(diào)整完成之后自動執(zhí)行位姿鎖定操作，以及輸出用于表示位姿跟隨完成的提示信號。可以理解的是，調(diào)整后的末端工具的中心軸與髖臼窩的中心軸重合，醫(yī)生根據(jù)該提示信號再次執(zhí)行打杯操作。可以理解的是，每次打杯操作之后，髖臼杯會與髖臼窩的內(nèi)壁發(fā)生碰撞，該碰撞使得髖臼杯與主動隨動區(qū)(髖臼窩)之間的位姿對應(yīng)關(guān)系發(fā)生變化，而控制器會在檢測到位姿對應(yīng)關(guān)系發(fā)生變化時執(zhí)行位姿跟隨操作。為了提高打杯操作的準確性，用戶需在控制器執(zhí)行完位姿跟隨操作之后，才能進行下一次的打杯操作，直至將髖臼杯完全打入髖臼窩。可以理解的是，連桿的中心軸與末端工具4的中心軸重合，參見圖4。
60.又一示例性工作過程：在末端工具為髖臼銼時，醫(yī)生需要將末端工具拖動至圖3中虛線上方的圓柱形區(qū)域022，并調(diào)整好其與主動隨動區(qū)02的位姿對應(yīng)關(guān)系，然后做髖臼窩磨骨的準備工作，比如準備手術(shù)器械等。為了防止由于患者髖關(guān)節(jié)位姿在醫(yī)生做準備工作期間發(fā)生變化，而導(dǎo)致髖臼銼與髖臼窩之間的位姿對應(yīng)關(guān)系發(fā)生變化，醫(yī)生通過腳踏板的第一踩踏方式輸入記錄信號，以使控制器根據(jù)該記錄信號獲取末端工具的位姿與主動隨動區(qū)的位姿。然后通過腳踏板的第二踩踏方式輸入位姿跟隨信號，控制器根據(jù)該位姿跟隨信號分別將髖臼銼與髖臼窩的當前位姿作為初始工具位姿與初始對象位姿，將二者之間的位姿對應(yīng)關(guān)系作為初始位姿對應(yīng)關(guān)系，以及確定該初始工具位姿相對于該初始對象位姿的初始位姿偏移量。在檢測到髖關(guān)節(jié)的位姿相對于其初始對象位姿發(fā)生變化時，獲取髖關(guān)節(jié)的當前位姿相對于其初始對象位姿的對象位姿偏移量，并根據(jù)該初始位姿偏移量和對象位姿偏移量確定末端工具的位姿調(diào)整量，以及根據(jù)該位姿調(diào)整量控制末端工具運動，以使末端工具在該運動完成時，在顯示裝置上輸出用于表示位姿跟隨完成的提示信號，此時末端工具與髖關(guān)節(jié)之間的位姿對應(yīng)關(guān)系恢復(fù)至該初始位姿對應(yīng)關(guān)系。
61.本發(fā)明實施例提供的末端工具位姿的實時修正方法的技術(shù)方案，相較于現(xiàn)有技術(shù)，獲取末端工具與對應(yīng)主動隨動區(qū)之間的初始位姿對應(yīng)關(guān)系所對應(yīng)的初始位姿偏移量；在檢測到主動隨動區(qū)的位姿發(fā)生變化時，獲取主動隨動區(qū)的對象位姿偏移量；根據(jù)該初始
位姿偏移量和對象位姿偏移量控制末端工具運動，以使該運動結(jié)束時，末端工具與主動隨動區(qū)的位姿對應(yīng)關(guān)系恢復(fù)至初始位姿對應(yīng)關(guān)系；由于根據(jù)對象位姿偏移量和初始位姿對應(yīng)關(guān)系所對應(yīng)的初始位姿偏移量可確定末端工具的位姿調(diào)整量，根據(jù)該位姿調(diào)整量控制末端工具運動，即可使末端工具在該運動結(jié)束時完成跟隨運動，屆時其與主動隨動區(qū)的位姿對應(yīng)關(guān)系恢復(fù)至初始位姿對應(yīng)關(guān)系，有助于提高末端工具位姿調(diào)整的效率和準確性，從而提高關(guān)節(jié)置換術(shù)的效率和成功率。
62.圖5是本發(fā)明另一實施例提供的手術(shù)機器人的結(jié)構(gòu)框圖。參見圖5和圖6，該手術(shù)機器人包括第一位姿獲取裝置11、第二位姿獲取裝置12以及控制器14；第一位姿獲取裝置11設(shè)置于目標對象01上并與目標對象01的主動隨動區(qū)02 保持固定的對應(yīng)關(guān)系，用于獲取主動隨動區(qū)的位姿；第二位姿獲取裝置12設(shè)置于用于攜帶末端工具4運動的機械臂2上，用于獲取末端工具4的位姿；控制器14用于獲取末端工具4與對應(yīng)主動隨動區(qū)02之間的初始位姿對應(yīng)關(guān)系所對應(yīng)的初始位姿偏移量；在檢測到主動隨動區(qū)的位姿發(fā)生變化時獲取主動隨動區(qū) 02的對象位姿偏移量；根據(jù)該初始位姿偏移量和對象位姿偏移量控制末端工具運動，以使末端工具與主動隨動區(qū)的位姿對應(yīng)關(guān)系恢復(fù)至初始位姿對應(yīng)關(guān)系，其中，對象位姿偏移量為主動隨動區(qū)的當前位姿相對于初始位姿對應(yīng)關(guān)系中的主動隨動區(qū)的初始對象位姿。
63.在一個實施例中，該手術(shù)機器人還包括第三位姿獲取裝置13，該第三位姿獲取裝置設(shè)置于用于固定機械臂的基座上，用于提供機械臂運動所基于的基準坐標系。且第一位姿獲取裝置為第一光學(xué)陣列，第二位姿獲取裝置為第二光學(xué)陣列，第三位姿獲取裝置為第三光學(xué)陣列。
64.其中，主動隨動區(qū)的范圍可由用戶根據(jù)具體情況和/或個人習(xí)慣預(yù)先進行設(shè)置，比如，主動隨動區(qū)02可以僅包括圖3中的錐形虛擬區(qū)域021；也可以同時包括圖3中的錐形虛擬區(qū)域021及其上方預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的圓柱形區(qū)域022，此時圖3中的虛線上方的圓柱形區(qū)域021可以對應(yīng)于手術(shù)對象的皮膚部分。主動隨動區(qū)的姿態(tài)隨著相應(yīng)目標手術(shù)區(qū)域的位姿變化而變化。本實施例以目標手術(shù)區(qū)域是髖關(guān)節(jié)為例進行技術(shù)方案的說明。需要說明的是，在目標手術(shù)區(qū)域為髖關(guān)節(jié)時，錐形虛擬區(qū)域021的頂點與髖臼窩023的中心重合。另外，主動隨動區(qū)也可以對應(yīng)其他的目標手術(shù)區(qū)域，只要其需要與末端工具保持固定的位姿對應(yīng)關(guān)系即可。目標對象為接收相應(yīng)手術(shù)的患者。
65.其中，末端工具是與目標手術(shù)區(qū)域?qū)?yīng)的手術(shù)工具。如果手術(shù)區(qū)域?qū)?yīng)髖關(guān)節(jié)，那么末端工具為髖臼杯或髖臼銼。
66.其中，初始位姿對應(yīng)關(guān)系為本發(fā)明實施例需要保持的末端工具與對應(yīng)主動隨動區(qū)之間的固定位姿對應(yīng)關(guān)系，比如二者中心軸重合。
67.本實施例中，如果末端工具為髖臼杯，那么處于初始位姿對應(yīng)關(guān)系的末端工具的中心軸優(yōu)選與主動隨動區(qū)的中心軸重合；如果末端工具為髖臼銼，處于初始位姿對應(yīng)關(guān)系的末端工具的中心軸可與主動隨動區(qū)的中心軸重合，也可根據(jù)實際需要自行設(shè)置。
68.其中，在末端工具為髖臼杯時，初始位姿對應(yīng)關(guān)系的確定方法，包括：控制器在檢測到主動隨動區(qū)的中心軸與末端工具的中心軸重合時生成記錄信號，并根據(jù)該記錄信號記錄主動隨動區(qū)的位姿與末端工具的位姿；在檢測到位姿跟隨信號時，將最新記錄的主動隨動區(qū)的位姿和末端工具的位姿之間的對應(yīng)關(guān)系，作為末端工具與對應(yīng)主動隨動區(qū)之間的初始對應(yīng)關(guān)系。
69.其中，在末端工具為髖臼銼時，初始位姿對應(yīng)關(guān)系的確定方法，包括：在檢測到記錄信號時，記錄主動隨動區(qū)的位姿與末端工具的位姿，其中，記錄信號由用戶輸入；在檢測到位姿跟隨信號時，將最新記錄的主動隨動區(qū)的位姿和末端工具的位姿之間的對應(yīng)關(guān)系，作為末端工具與對應(yīng)主動隨動區(qū)之間的初始對應(yīng)關(guān)系。可以理解的是，用戶可以在不同時刻輸入至少兩個記錄信號直至得到期望的位姿對應(yīng)關(guān)系，然后輸入位姿跟隨信號，控制器根據(jù)該位姿跟隨信號將最后一個記錄信號對應(yīng)的位姿對應(yīng)關(guān)系，即用戶期望的位姿對應(yīng)關(guān)系作為初始位姿對應(yīng)關(guān)系。當然，用戶也可以在不同時刻輸入至少兩個記錄信號之后，將其中一個記錄信號對應(yīng)的位姿對應(yīng)關(guān)系標記為期望的位姿對應(yīng)關(guān)系，然后輸入位姿跟隨信號，控制器根據(jù)該位姿跟隨信號將該期望的位姿對應(yīng)關(guān)系作為初始位姿對應(yīng)關(guān)系。
70.示例性的，在髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)的打杯操作之前，通常需要將髖臼杯(末端工具)移動至主動隨動區(qū)的預(yù)設(shè)打杯處，髖臼杯在該預(yù)設(shè)打杯處時，其中心軸與主動隨動區(qū)的中心軸重合，髖臼杯在達到該預(yù)設(shè)打杯處時，其中心軸與主動隨動區(qū)也有可能重合過。控制器在髖臼杯移動至預(yù)設(shè)打杯處的過程中實時檢測髖臼杯與髖臼窩之間的位姿對應(yīng)關(guān)系，在檢測到髖臼杯中心軸與髖臼窩中心軸重合時生成記錄信號，并根據(jù)該記錄信號自動記錄主動隨動區(qū)的位姿與末端工具的位姿，以及在檢測到醫(yī)生通過腳踏板輸入的位姿跟隨信號時，將最新記錄的主動隨動區(qū)的位姿和末端工具的位姿分別作為初始對象位姿和初始工具位姿，以及將該初始對象位姿與初始工具位姿之間的對應(yīng)關(guān)系作為初始位姿對應(yīng)關(guān)系。
71.示例性的，在髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)的打杯操作之前，需要先使用髖臼銼(末端工具)對髖臼窩進行磨骨操作，在使用髖臼銼對髖臼窩進行磨骨操作之前，需要將髖臼銼拖動至主動隨動區(qū)02內(nèi)，比如圖3中的圓柱形區(qū)域022，然后調(diào)整髖臼銼的位姿以使髖臼銼與髖臼窩的位姿對應(yīng)關(guān)系為期望的初始位姿對應(yīng)關(guān)系，然后做髖臼窩磨骨的最后準備工作，比如，準備手術(shù)器械等。為了防止因患者髖關(guān)節(jié)位姿在該準備工作期間發(fā)生變化，從而導(dǎo)致髖臼銼與髖臼窩之間的位姿對應(yīng)關(guān)系發(fā)生變化，用戶輸入記錄信號，控制器在檢測到該記錄信號時，根據(jù)該記錄信號獲取髖臼銼和髖臼窩的位姿，并將髖臼銼的位姿作為初始工具位姿，將髖臼窩的位姿作為初始對象位姿，以及將該初始工具位姿和初始對應(yīng)位姿之間的對應(yīng)關(guān)系作為初始位姿對應(yīng)關(guān)系。其中，用戶通過踩踏機器人的腳踏板輸入記錄信號。
72.其中，主動隨動區(qū)02的初始對象位姿通過設(shè)置于目標對象(患者髖部)的第一光學(xué)陣列11獲取，末端工具4的初始工具位姿通過設(shè)置在用于帶動末端工具4運動的機械臂2上的第二光學(xué)陣列12獲取。可以理解的是，第一光學(xué)陣列 11與主動隨動區(qū)02保持固定的位姿對應(yīng)關(guān)系，第二光學(xué)陣列12與機械臂2保持固定的位姿對應(yīng)關(guān)系。
73.在獲取到初始位姿對應(yīng)關(guān)系的初始對象位姿與初始工具位姿之后，根據(jù)以下公式確定初始位姿偏移量：
74.object
t
tool
＝inverse(st
maker1_static
)
×st
maker2_static
75.其中，inverse(st
maker1_static
)為st
maker1_static
的逆矩陣，st
maker1_static
為主動隨動區(qū)的初始對象位姿，st
maker2_static
為末端工具的初始工具位姿，
object
t
tool
為初始位姿偏移量，可以理解的是，該初始位姿偏移量為初始工具位姿相對于初始對象位姿的位姿偏移量。在實際使用時，也可以將初始對象位姿相對于初始工具位姿的位姿偏移量作為初始位姿偏移量。
76.控制器在檢測到位姿跟隨信號，同時檢測到主動隨動區(qū)的當前位姿相較于初始對
象位姿發(fā)生變化時，通過第一光學(xué)陣列11獲取主動隨動區(qū)02的當前位姿。
77.通過以下公式確定主動隨動區(qū)的當前位姿相對于其初始對象位姿的對象位姿偏移量：
78.maker1_static
t
maker1_dynamic
＝inverse(st
maker1_static
)
×st
maker1_dynamic
79.其中，inverse(st
maker1_static
)為st
maker1_static
的逆矩陣，st
maker1_static
為主動隨動區(qū)的初始對象位姿，st
maker1_dynamic
為主動隨動區(qū)的當前位姿，
maker1_static
t
maker1_dynamic
為對象位姿偏移量。
80.在確定了初始位姿對應(yīng)關(guān)系對應(yīng)的初始位姿偏移量以及主動隨動區(qū)的當前位姿相對于其初始對象位姿的對象位姿偏移量時，根據(jù)該初始位姿偏移量和對象位姿偏移量確定將末端工具調(diào)整至目標位姿所需的位姿調(diào)整量。其中，目標位姿為末端工具完成當前次的位姿跟隨操作時的位姿。
81.其中，位姿調(diào)整量的計算公式如下：
82.tool_static
t
tool_dynamic
＝inverse(
object
t
tool
)
×
maker1_static
t
maker1_dynamic
×
object
t
tool
83.其中，
tool_static
t
tool_dynamic
為末端工具的位姿調(diào)整量。
84.由于根據(jù)初始位姿偏移量和對象位姿偏移量確定的末端工具的位姿調(diào)整量，為末端工具從初始工具位姿調(diào)整為目標位姿所需的運動量，因此根據(jù)該位姿調(diào)整量控制末端工具運動，即可使末端工具在完成該位姿調(diào)整量時，將其與主動隨動區(qū)的位姿對應(yīng)關(guān)系恢復(fù)至初始位姿對應(yīng)關(guān)系。
85.可以理解的是，位姿調(diào)整量對應(yīng)的是末端工具的運動量，而末端工具的運動是在機械臂帶動的，因此控制器是通過控制機械臂的運動來帶動末端工具的運動。為此，本實施例根據(jù)末端工具對應(yīng)的坐標系與基準坐標系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將該位姿調(diào)整量轉(zhuǎn)換至基準坐標系，從而確定用于攜帶末端工具的機械臂在基準坐標系中的位姿改變量，以及根據(jù)該位姿改變量控制機械臂帶動末端工具運動，以使機械臂在完成該位姿改變量的運動時，末端工具完成位姿調(diào)整量的運動，同時末端工具與主動隨動區(qū)的位姿對應(yīng)關(guān)系恢復(fù)至初始位姿對應(yīng)關(guān)系。
86.其中，基準坐標系對應(yīng)于第三光學(xué)陣列13；該第三光學(xué)陣列設(shè)置在用于連接機械臂2的基座3上。
87.其中，末端工具對應(yīng)的坐標系即為第二光學(xué)陣列對應(yīng)的坐標系，該坐標系與基準坐標系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可由機械臂的各個關(guān)節(jié)位置的正運動學(xué)推算出來。
88.其中，機械臂在基準坐標系統(tǒng)中的位姿改變量的計算公式如下：
89.b
t
tool_dynamic
＝bt
tool_static
×
tool_static
t
tool_dynamic
90.其中，bt
tool_static
為末端工具與主動隨動區(qū)處于初始位姿對應(yīng)關(guān)系時，末端工具對應(yīng)的坐標系與基準坐標系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，bt
tool_dynamic
為機械臂在基準坐標系中的位姿改變量。該bt
tool_dynamic
實際上包括bt
tool
和
tool
t
marker2
，前者為機械臂的實際控制量，后者用于限定機械臂與末端工具之間的運動對應(yīng)關(guān)系。由于機械臂帶動末端工具的運動方式有多種，因此需要通過該運動對應(yīng)關(guān)系唯一地限定機械臂帶動末端工具的運動方式，從而通過確定機械臂的運動來唯一地確定末端工具的運動，實現(xiàn)通過機械臂帶動末端工具進行任意所需的位姿調(diào)整。需要說明的是，該運動對應(yīng)關(guān)系需提前進行標定，相應(yīng)的，基座與機械臂之間的運動對應(yīng)關(guān)系也需提前進行標定。
91.在一些實施例中，控制器在檢測到末端工具完成位姿調(diào)整量的運動時，輸出位姿跟隨完成信號。該位姿跟隨完成信號可以通過設(shè)置于機械臂上的閃爍燈輸出，也可以通過與控制器相連的顯示裝置6輸出，本實施例不對位姿完成信號的具體形式進行限定。
92.在一些實施例中，控制器在檢測到跟隨停止信號時，停止檢測并獲取主動隨動區(qū)的當前位姿，此時主動隨動區(qū)變?yōu)樽杂蓞^(qū)，末端工具與主動隨動區(qū)的位姿對應(yīng)關(guān)系可以是任意的位姿對應(yīng)關(guān)系。
93.在一些實施例中，參見圖4、圖5和圖6，機械臂2通過連桿41帶動髖臼杯或髖臼銼運動，連桿41一端安裝有髖臼杯或髖臼銼。在末端工具為髖臼杯時，連桿41的另一端設(shè)置有臼杯敲擊柄42。醫(yī)生通過該臼杯敲擊柄42對髖臼杯執(zhí)行打杯操作。由圖5還可看出，髖臼杯的中心軸與連桿41中心軸重合。
94.在一些實施例中，參見圖6所示，該手術(shù)機器人還包括光學(xué)相機5，該光學(xué)相機5用于檢測第一光學(xué)陣列11與第二光學(xué)陣列12的位置，從而間接檢測髖臼窩與髖臼杯的位姿。
95.在一些實施例中，該手術(shù)機器人還包括顯示裝置6，該顯示裝置6至少用于顯示末端工具與主動隨動區(qū)之間的當前位姿對應(yīng)關(guān)系，優(yōu)選地，該顯示裝置還用于輸出當前位姿對應(yīng)關(guān)系與初始位姿對應(yīng)關(guān)系之間的變化信息。比如，相對于初始位姿對應(yīng)關(guān)系，末端工具的當前位姿偏離信息，即末端工具的位姿調(diào)整量。優(yōu)選地，該顯示裝置6還用于輸出位姿調(diào)整完成信號。
96.本發(fā)明實施例提供的手術(shù)機器人的技術(shù)方案，相較于現(xiàn)有技術(shù)，控制器獲取末端工具與對應(yīng)主動隨動區(qū)之間的初始位姿對應(yīng)關(guān)系所對應(yīng)的初始位姿偏移量；在檢測到主動隨動區(qū)的位姿發(fā)生變化時，獲取主動隨動區(qū)的對象位姿偏移量；根據(jù)該初始位姿偏移量和對象位姿偏移量控制末端工具運動，以使該運動結(jié)束時，末端工具與主動隨動區(qū)的位姿對應(yīng)關(guān)系恢復(fù)至初始位姿對應(yīng)關(guān)系；由于根據(jù)對象位姿偏移量和初始位姿對應(yīng)關(guān)系所對應(yīng)的初始位姿偏移量可確定末端工具的位姿調(diào)整量，因此根據(jù)該位姿調(diào)整量控制末端工具運動，即可使末端工具在該運動結(jié)束時完成跟隨運動，屆時其與主動隨動區(qū)的位姿對應(yīng)關(guān)系恢復(fù)至初始位姿對應(yīng)關(guān)系，有助于提高末端工具位姿調(diào)整的效率和準確性，從而提高關(guān)節(jié)置換術(shù)的效率和成功率。
97.本發(fā)明實施例所提供的手術(shù)機器人的控制器可執(zhí)行本發(fā)明任意實施例所提供的末端工具位姿的實時修正方法，具備執(zhí)行方法相應(yīng)的功能模塊和有益效果。
98.本發(fā)明實施例還提供了一種自動調(diào)整髖臼杯位姿的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括處理器和存儲器，所述存儲器存儲有計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時用于執(zhí)行末端工具位姿的實時修正方法，該方法包括：
99.獲取末端工具與對應(yīng)主動隨動區(qū)之間的初始位姿對應(yīng)關(guān)系所對應(yīng)的初始位姿偏移量；
100.在檢測到所述主動隨動區(qū)的位姿發(fā)生變化時，獲取所述主動隨動區(qū)的對象位姿偏移量，其中，所述對象位姿偏移量為所述主動隨動區(qū)的當前位姿相對于所述初始位姿對應(yīng)關(guān)系中的所述主動隨動區(qū)的初始對象位姿的位姿偏移量；
101.根據(jù)所述初始位姿偏移量和所述對象位姿偏移量控制所述末端工具運動，使所述末端工具與所述主動隨動區(qū)的位姿對應(yīng)關(guān)系恢復(fù)至所述初始位姿對應(yīng)關(guān)系。
102.當然，本發(fā)明實施例所提供的自動調(diào)整髖臼杯位姿的系統(tǒng)，其計算機程序不限于
如上所述的方法操作，還可以執(zhí)行本發(fā)明任意實施例所提供的一種末端工具位姿的實時修正方法中的相關(guān)操作。
103.通過以上關(guān)于實施方式的描述，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到，本發(fā)明可借助軟件及必需的通用硬件來實現(xiàn)，當然也可以通過硬件實現(xiàn)，但很多情況下前者是更佳的實施方式。基于這樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計算機軟件產(chǎn)品可以存儲在計算機可讀存儲介質(zhì)中，如計算機的軟盤、只讀存儲器(read-only memory，簡稱rom)、隨機存取存儲器(random access memory，簡稱ram)、閃存(flash)、硬盤或光盤等，包括若干指令用以使得一臺計算機設(shè)備(可以是個人計算機，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實施例所述的一種末端工具位姿的實時修正方法。
104.注意，上述僅為本發(fā)明的較佳實施例及所運用技術(shù)原理。本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解，本發(fā)明不限于這里所述的特定實施例，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說能夠進行各種明顯的變化、重新調(diào)整和替代而不會脫離本發(fā)明的保護范圍。因此，雖然通過以上實施例對本發(fā)明進行了較為詳細的說明，但是本發(fā)明不僅僅限于以上實施例，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下，還可以包括更多其他等效實施例，而本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求范圍決定。
