一种光学导航的牙种植机器人系统及其标定方法与流程

1.本发明涉及牙种植的技术领域，尤其是指一种光学导航的牙种植机器人系 统及其标定方法。


背景技术：

2.牙种植手术是常见的牙齿修复方式之一，其成败由牙槽骨上窝洞制备的精 度决定。如果种植体的实际植入位置与术前方案的偏差较大，就有可能会引起 种植体松动或发生机械断裂，从而引起一系列并发症；对于颌骨区域较薄的部 分患者来说，如果窝洞制备出现严重误差，不仅会导致手术失败，还会造成不 可逆的邻近牙根和下颌神经管损伤，增加手术的风险。
3.目前的牙种植手术高度依赖于医生的临床经验。一方面，培养一个合格的 牙科医生周期漫长、费用高昂；另一方面，长时间的手术操作会导致医生的腕 部疲劳，从而引起人为误差。因此，我们需要一种牙种植手术机器人系统，使 手术更智能化和自动化。
4.当前，牙种植机器人面临的主要问题在于缺乏精准的定位技术，导致牙种 植手术机器人无法适用于狭小、复杂的口腔内部环境。一方面，缺乏精准的定 位工具和夹持工具，不能为系统提供精确的空间位置信息；另一方面，缺乏鲁 棒性较高的可移动手眼标定算法，一旦机器人和导航系统的相对空间位置发生 改变，则不能实现两者间坐标的精确转换。


技术实现要素：

5.本发明目的在于克服现有技术的不足与缺点，为牙种植手术提供了一种光 学导航的牙种植机器人系统及其标定方法，实质是一种自动化、高精度的机器 人辅助手术实现方案，设计了光学位置示踪器，实现影像空间和手术空间的精 确配准，提高手术注册的精度和导航系统的精度；其标定方法能够保证机械臂 与导航系统之间协同的稳定性和鲁棒性，在两者相对位置发生改变下仍能精确 配准。
6.为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种光学导航的牙种植机 器人系统，包括光学位置示踪器、六自由度机械臂、机械臂法兰盘末端夹持定 位工具、牙种植手机、叉形工具、近红外光学定位系统和手术导航控制系统； 所述光学位置示踪器由牙槽骨固定槽、第一连接杆、五点标记球固定板和光学 标记球组成，所述第一连接杆的一端连接牙槽骨固定槽，另一端连接五点标记 球固定板的中心处，所述五点标记球固定板由其中心沿五个不同的方向延伸有 五个悬臂，每个悬臂末端均安装一个光学标记球，相邻两个光学标记球之间的 距离大于预设值，用来建立患者ct影像空间与实际手术空间的配准关系；所述 六自由度机械臂的末端通过机械臂法兰盘末端夹持定位工具夹持牙种植手机， 通过六自由度机械臂驱动牙种植手机；所述机械臂法兰盘末端夹持定位工具由 法兰连接片、第二连接杆、四点标记球固定板、光学标记球和牙种植手机夹持 工具组成，所述法兰连接片通过螺丝固定在六自由度机械臂末端的法兰盘上并 与第二连接杆的一端相连，所述第二连
接杆的另一端与牙种植手机夹持工具相 连，所述四点标记球固定板安装在第二连接杆的中部并设有四个悬臂，每个悬 臂末端均安装一个光学标记球，相邻两个光学标记球之间的距离大于预设值； 所述牙种植手机用来执行窝洞制备，由牙种植手机夹持工具所夹持；所述叉形 工具由其中心沿四个不同的方向延伸有四个悬臂，每个悬臂末端均安装一个光 学标记球，相邻两个光学标记球之间的距离大于预设值；所述近红外光学定位 系统用来实时获取各光学标记球的位置信息，确定患者口腔、六自由度机械臂 末端和牙种植手机的车针针尖的位置；所述手术导航控制系统用来实时接收近 红外光学定位系统发送的位置信息，进行口腔图像分割和三维重建及可视化的 路径规划和运动控制，实现术中的手术导航。
7.进一步，所述牙槽骨固定槽通过与第一连接杆之间的固定螺丝嵌在患者的 牙槽骨上，形状按照病人口腔大小进行匹配定制。
8.进一步，所述机械臂法兰盘末端夹持定位工具用来夹持牙种植手机并表征 六自由度机械臂末端工具的位置信息。
9.进一步，所述叉形工具的中心在术前垂直抵住牙种植手机的车针上，用于 提供车针的精确位置。
10.本发明也提供了上述光学导航的牙种植机器人系统的标定方法，包括以下 步骤：
11.s1、由机器人内部参数得到机器人基座坐标系与六自由度机械臂末端坐标 系的转换关系；通过计算六自由度机械臂初始位姿到偏移位姿的单位向量，求 出机器人基座坐标系与近红外光学定位系统坐标系、六自由度机械臂末端坐标 系与近红外光学定位系统坐标系、牙种植手机坐标系与近红外光学定位系统坐 标系之间的转换关系；
12.s2、基于牙种植手机坐标系与近红外光学定位系统坐标系之间的转换关系， 使用奇异值分解，求出牙种植手机坐标系与牙种植手机车针末端坐标系之间的 转换关系；
13.s3、基于牙种植手机坐标系与近红外光学定位系统坐标系、牙种植手机坐 标系与牙种植手机车针末端坐标系之间的转换关系，计算出牙种植手机车针末 端坐标系与近红外光学定位系统坐标系之间的转换关系；
14.s4、基于机器人基座坐标系与六自由度机械臂末端坐标系、六自由度机械 臂末端坐标系与牙种植手机坐标系、牙种植手机坐标系与牙种植手机车针末端 坐标系之间的转换关系，近红外光学定位系统实时捕获机械臂法兰盘末端夹持 定位工具上任意三个光学标记点的位置，利用奇异值分解，实时求解出牙种植 手机坐标系与近红外光学定位系统坐标系之间的转换关系，并更新闭合回路中 所有坐标系间的转换关系。
15.进一步，所述s1包括以下步骤：
16.s101、以机械臂法兰盘末端夹持定位工具上任意一个光学标记点为基准， 控制六自由度机械臂末端分别沿机器人基座坐标系的三个坐标轴作单位正向运 动；近红外光学定位系统捕捉该光学标记点运动前后的位置，计算近红外光学 定位系统坐标系下六自由度机械臂末端从初始位姿到偏移位姿的单位向量，得 到机器人基座坐标系与近红外光学定位系统坐标系的转换关系；
17.s102、以机械臂法兰盘末端夹持定位工具上任意一个光学标记点为基准， 控制六自由度机械臂末端分别沿六自由度机械臂末端坐标系的三个坐标轴作单 位正向运动；近红外光学定位系统捕捉该光学标记点运动前后的位置，计算近 红外光学定位系统坐标系下六自由度机械臂末端从初始位姿到偏移位姿的单位 向量，得六自由度机械臂末端坐标
系与近红外光学定位系统坐标系的旋转矩阵；
18.s103、利用机械臂法兰盘末端夹持定位工具上任意三个光学标记点建立牙 种植手机坐标系；近红外光学定位系统捕捉六自由度机械臂到达初始位姿时这 三个光学标记点的位置信息，计算出牙种植手机坐标系与近红外光学定位系统 坐标系的转换关系。
19.进一步，所述s2包括以下步骤：
20.s201、将叉形工具置于牙种植手机的车针针尖处，近红外光学定位系统实 现捕捉叉形工具上四个光学标记点的位置；
21.s202、基于牙种植手机坐标系与近红外光学定位系统坐标系之间的转换关 系，将四个光学标记点在近红外光学定位系统坐标系下的位置信息转换为在牙 种植手机坐标系下的位置信息；
22.s203、利用叉形工具上任意三个光学标记点建立牙种植手机车针末端坐标 系，基于四个光学标记点在种植手机坐标系下的位置信息，利用奇异值分解法， 求出牙种植手机坐标系与牙种植手机车针末端坐标系之间的转换关系。
23.进一步，所述s3包括以下步骤：
24.s301、建立手术空间中任意一点在牙种植手机车针末端坐标系下与在近红 外光学定位系统坐标系下位置信息的转换关系：
[0025][0026]
其中，p
o
和p
p
分别表示该点在牙种植手机车针末端坐标系下和在近红外光 学定位系统坐标系下位置信息，r
po
和t
po
分别表示牙种植手机车针末端坐标系 与近红外光学定位系统坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵，r
to
和t
to
分别表示牙 种植手机坐标系与近红外光学定位系统坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵，r
pt
和t
pt
分别表示牙种植手机车针末端坐标系与牙种植手机坐标系的旋转矩阵和平 移矩阵；
[0027]
s302、利用s301建立的转换关系求出牙种植手机车针末端坐标系与近红外 光学定位系统坐标系之间的转换关系。
[0028]
进一步，术前利用步骤s1
‑
s3进行标定，当手术机器人与近红外光学定位 系统的相对位置发生改变时，利用步骤s4进行闭合回路转换关系的更新，完成 新一轮的标定。
[0029]
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0030]
1、本发明设计的光学位置示踪器结构精巧，可实现定制化；通过3d打印 制造，价格便宜。与其它采用二维棋盘格的光学位置示踪器不同，本发明采用 的光学标记球具有更高的光学定位精度，可达0.12mm。
[0031]
2、本发明设计的机械臂法兰盘末端夹持定位工具结构简单可靠，便于加工 制造；可以实现手术工具的实时定位跟踪；安装方便，通过螺丝固定在六自由 度机械臂末端的法兰盘上即可。
[0032]
3、本发明设计的叉形工具使用方便，只需置于牙种植手机车针针尖处即可 使用，结构简单精巧，具有较高可靠性，匹配精度高。
[0033]
4、本发明设计的标定方法精度高、使用场景广，适用于多种复杂手术场景； 能够以较少的输入数据实现快速的机器人与导航系统的标定；导航系统与手术 机器人系统既能够保持位置关系的相对独立又能够相互协同工作，具有较高的 鲁棒性。
附图说明
[0034]
图1为光学导航的牙种植机器人系统的整体示意图。
[0035]
图2为光学位置示踪器的结构示意图。
[0036]
图3为机械臂法兰盘末端夹持定位工具的结构示意图。
[0037]
图4为叉形工具的结构示意图。
具体实施方式
[0038]
下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明，但本发明的实施方式不限 于此。
[0039]
参见图1至图4所示，本实施例公开了一种光学导航的牙种植机器人系统， 包括光学位置示踪器1、六自由度机械臂2、机械臂法兰盘末端夹持定位工具3、 牙种植手机4、叉形工具5、近红外光学定位系统6和手术导航控制系统7；所 述光学位置示踪器1由牙槽骨固定槽101、第一连接杆102、五点标记球固定板 103、光学标记球104组成，所述牙槽骨固定槽101通过与第一连接杆102之间 的固定螺丝嵌在患者的牙槽骨上，形状按照病人口腔大小进行匹配定制，所述 第一连接杆102的一端连接牙槽骨固定槽101，另一端连接五点标记球固定板 103的中心处，所述五点标记球固定板103由其中心沿五个不同的方向延伸有五 个悬臂，每个悬臂末端均装有一个光学标记球104，相邻两个光学标记球104之 间的距离大于4cm，用来建立患者ct影像空间与实际手术空间的配准关系；所 述六自由度机械臂2的末端通过机械臂法兰盘末端夹持定位工具3夹持牙种植 手机4，通过六自由度机械臂2驱动牙种植手机4；所述机械臂法兰盘末端夹持 定位工具3由法兰连接片301、第二连接杆302、四点标记球固定板303、光学 标记球304和牙种植手机夹持工具305组成，用以表征六自由度机械臂末端工 具的位置信息，所述法兰连接片301通过螺丝306固定在六自由度机械臂2末 端的法兰盘201上并与第二连接杆302的一端相连，所述第二连接杆302的另 一端与牙种植手机夹持工具305相连，所述四点标记球固定板303安装在第二 连接杆302的中部并设有四个悬臂，每个悬臂末端均装有一个光学标记球304， 相邻两个光学标记球304之间的距离大于4cm；所述牙种植手机4用来执行窝 洞制备，由机械臂法兰盘末端夹持定位工具3所夹持；所述叉形工具5由中心 沿四个不同的方向延伸有四个悬臂，每个悬臂末端均装有一个光学标记球501， 相邻两个光学标记球501之间的距离大于4cm，所述叉形工具5的中心在术前 垂直抵住牙种植手机4的车针41上，用于提供车针41的精确位置；所述近红 外光学定位系统6用来实时获取各光学标记球的位置信息，确定患者口腔、六 自由度机械臂末端和牙种植手机的车针41针尖的位置；所述手术导航控制系统 7用来实时接收近红外光学定位系统发送的位置信息，进行口腔图像分割和三维 重建及可视化的路径规划和运动控制，实现术中的手术导航。
[0040]
下面为本实施例上述光学导航的牙种植机器人系统的标定方法，包括以下 步骤：
[0041]
s1、由机器人内部参数得到机器人基座坐标系与六自由度机械臂末端坐标 系的转换关系；通过计算六自由度机械臂初始位姿到偏移位姿的单位向量，求 出机器人基座坐标系与近红外光学定位系统坐标系、六自由度机械臂末端坐标 系与近红外光学定位系统坐标系、牙种植手机坐标系与近红外光学定位系统坐 标系之间的转换关系；其包括以下步骤：
[0042]
s101、以机械臂法兰盘末端夹持定位工具上任意一个光学标记点为基准， 控制六
自由度机械臂末端分别沿机器人基座坐标系的三个坐标轴作单位正向运 动；近红外光学定位系统捕捉该光学标记点运动前后的位置，计算近红外光学 定位系统坐标系下六自由度机械臂末端从初始位姿到偏移位姿的单位向量，得 到机器人基座坐标系与近红外光学定位系统坐标系的转换关系；
[0043]
s102、以机械臂法兰盘末端夹持定位工具上任意一个光学标记点为基准， 控制六自由度机械臂末端分别沿六自由度机械臂末端坐标系的三个坐标轴作单 位正向运动；近红外光学定位系统捕捉该光学标记点运动前后的位置，计算近 红外光学定位系统坐标系下六自由度机械臂末端从初始位姿到偏移位姿的单位 向量，得六自由度机械臂末端坐标系与近红外光学定位系统坐标系的旋转矩阵；
[0044]
s103、利用机械臂法兰盘末端夹持定位工具上任意三个光学标记点建立牙 种植手机坐标系；近红外光学定位系统捕捉六自由度机械臂到达初始位姿时这 三个光学标记点的位置信息，计算出牙种植手机坐标系与近红外光学定位系统 坐标系的转换关系。
[0045]
s2、基于牙种植手机坐标系与近红外光学定位系统坐标系之间的转换关系， 使用奇异值分解，求出牙种植手机坐标系与牙种植手机车针末端坐标系之间的 转换关系；其包括以下步骤：
[0046]
s201、将叉形工具置于牙种植手机的车针针尖处，近红外光学定位系统实 现捕捉叉形工具上四个光学标记点的位置；
[0047]
s202、基于牙种植手机坐标系与近红外光学定位系统坐标系之间的转换关 系，将四个光学标记点在近红外光学定位系统坐标系下的位置信息转换为在牙 种植手机坐标系下的位置信息；
[0048]
s203、利用叉形工具上任意三个光学标记点建立牙种植手机车针末端坐标 系，基于四个光学标记点在种植手机坐标系下的位置信息，利用奇异值分解法， 求出牙种植手机坐标系与牙种植手机车针末端坐标系之间的转换关系。
[0049]
s3、基于牙种植手机坐标系与近红外光学定位系统坐标系、牙种植手机坐 标系与牙种植手机车针末端坐标系之间的转换关系，计算出牙种植手机车针末 端坐标系与近红外光学定位系统坐标系之间的转换关系；其包括以下步骤：
[0050]
s301、建立手术空间中任意一点在牙种植手机车针末端坐标系下与在近红 外光学定位系统坐标系下位置信息的转换关系：
[0051][0052]
其中，p
o
和p
p
分别表示该点在牙种植手机车针末端坐标系下和在近红外光 学定位系统坐标系下位置信息，r
po
和t
po
分别表示牙种植手机车针末端坐标系 与近红外光学定位系统坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵，r
to
和t
to
分别表示牙 种植手机坐标系与近红外光学定位系统坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵，r
pt
和t
pt
分别表示牙种植手机车针末端坐标系与牙种植手机坐标系的旋转矩阵和平 移矩阵；
[0053]
s302、利用s301建立的转换关系求出牙种植手机车针末端坐标系与近红外 光学定位系统坐标系之间的转换关系。
[0054]
s4、基于机器人基座坐标系与六自由度机械臂末端坐标系、六自由度机械 臂末端坐标系与牙种植手机坐标系、牙种植手机坐标系与牙种植手机车针末端 坐标系之间的转
换关系，近红外光学定位系统实时捕获机械臂法兰盘末端夹持 定位工具上任意三个光学标记点的位置，利用奇异值分解，实时求解出牙种植 手机坐标系与近红外光学定位系统坐标系之间的转换关系，并更新闭合回路中 所有坐标系间的转换关系。
[0055]
术前利用步骤s1
‑
s3进行标定，当手术机器人与近红外光学定位系统的相 对位置发生改变时，利用步骤s4进行闭合回路转换关系的更新，完成新一轮的 标定。
[0056]
下面为本实施例上述光学导航的牙种植机器人系统的标定方法在牙种植手 术中的应用流程，包括：
[0057]
步骤一：患者佩戴光学位置示踪器进行ct扫描，对得到的ct图像进行图 像分割等处理，在手术导航控制系统上进行三维重建；
[0058]
步骤二：在手术导航控制系统上的三维可视化界面上进行路径规划，设定 车针运动轨迹、安全点和靶点，避开牙髓内重要的神经和血管等组织；
[0059]
步骤三：利用标定方法建立六自由度机械臂与近红外光学定位系统的手眼 协同关系；使用叉形工具进行工具注册，确定车针针体方向以及针尖在机器人 基座坐标系下的空间位置；
[0060]
步骤四：通过光学位置示踪器上的五个光学标记球，手术导航控制系统实 现影像空间与手术空间的匹配并发送指令给手术机器人；
[0061]
步骤五：六自由度机械臂带动所夹持的牙种植手机运动到靶区牙齿正上方， 达到安全点，精准调整车针针尖位置及针体方向，六自由度机械臂末端沿针体 方向达到靶点。
[0062]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。