一种光学导航的牙种植机器人系统及其标定方法与流程

技术特征：
1.一种光学导航的牙种植机器人系统，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种光学导航的牙种植机器人系统，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的一种光学导航的牙种植机器人系统，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述的一种光学导航的牙种植机器人系统，其特征在于：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。5.权利要求1
‑
4任意一项所述光学导航的牙种植机器人系统的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：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；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；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；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。6.根据权利要求5所述的光学导航的牙种植机器人系统的标定方法，其特征在于，所述s1包括以下步骤：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；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；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。7.根据权利要求5所述的光学导航的牙种植机器人系统的标定方法，其特征在于，所述s2包括以下步骤：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；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；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。8.根据权利要求5所述的光学导航的牙种植机器人系统的标定方法，其特征在于，所述s3包括以下步骤：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：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；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。9.根据权利要求5所述的光学导航的牙种植机器人系统的标定方法，其特征在于，术前利用步骤s1
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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。

技术总结
本发明公开了一种光学导航的牙种植机器人系统及其标定方法，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；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，六自由度机械臂末端安装有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，夹持有牙种植手机，叉形工具提供车针的精确位置，近红外光学定位系统获取各光学标记球位置信息，手术导航控制系统用以信息数据处理。本发明通过设计光学位置示踪器等结构，提出标定方法，提高了精度和系统稳定性。稳定性。稳定性。


技术研发人员：杨荣骞 晏猋 梁可思 张文龙
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2021.07.30
技术公布日：2021/11/14