机器人末端坐标系切换方法、装置、机器人及存储介质与流程

1.本发明涉及机器人控制领域，尤其涉及一种机器人末端坐标系切换方法、装置、机器人及存储介质。


背景技术：

2.在口腔种植手术中，医生必须按照规定流程进行4到7种的钻头更换，并且进行相应的打磨以及种植流程，涉及到的钻头总类大致有：球钻，先锋钻(l33)，先锋钻(l41)，扩孔钻(l33)，扩孔钻(bl l41)，成型钻(bl l26)，成型钻(bl l35)，攻丝钻(bl)，种植体8mm长度规格，种植体10mm长度规格，种植体12mm长度规格。设备不同长度，不同直径，不同类别的钻头错综复杂，在机器人定位导航系统中，如果每一个钻头都进行相应的坐标配准处理，就会浪费大量的时间、精力，并且会增加程序设计的冗余复杂性，也给使用者带来相应的使用负担。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本技术提供一种机器人末端坐标系切换方法，包括：
4.计算手术机器人基座到手术机器人末端的转移矩阵；
5.根据给定的标定杆，计算手术机器人末端和所述标定杆之间的位置关系矩阵；
6.确认当前实际使用的钻头的长度数据，并根据所述长度数据，确定偏移矩阵；
7.根据所述转移矩阵、所述位置关系矩阵和偏移矩阵计算当前实际使用的钻头的手术机器人末端工作坐标系，以更新当前手术机器人末端工具坐标系。
8.进一步的，更换的当前使用的钻头时，还包括：
9.计算更换后的钻头长度与所述标定杆的误差，根据所述误差，更新当前手术机器人末端工具坐标系。
10.进一步的，根据给定的标定杆，计算手术机器人末端和所述标定杆之间的位置关系矩阵包括：
11.通过激光标定，测量出所述标定杆末端相对所述手术机器人法兰的位置关系，根据所述位置关系，计算所述位置关系矩阵。
12.进一步的，根据所述长度数据，确定偏移矩阵包括：
13.计算当前实际使用的钻头长度与所述标定杆的长度之差，并将所述长度之差作为偏移量；基于所述偏移量确定偏移矩阵；
14.所述偏移矩阵的表达式如下：
15.16.式中，d为所述偏移量，matrix
offset
为所述偏移矩阵。
17.进一步的，确认当前实际使用的钻头的长度数据包括：
18.确定当前所使用钻头的钻头类型，根据所述钻头类型，在数据库中查找到对应的型号数据，从所述型号数据中获取对应的长度数据。
19.进一步的，所述标定杆的长度范围在30至40mm之间。
20.进一步的，所述手术机器人末端工作坐标系的计算公式如下：
[0021][0022]
式中，matrix
final
为所述手术机器人末端工具坐标系，为所述转移矩阵，b代表所述手术机器人基底坐标系，p代表所述手术机器人末端坐标系，matrix
offset
为所述偏移矩阵，marix
flange2vertex
为所述位置关系矩阵。
[0023]
进一步的，本技术还提供一种机器人末端坐标系切换装置，包括：
[0024]
转移模块，用于计算手术机器人基座到手术机器人末端的转移矩阵；
[0025]
标定模块，用于根据给定的标定杆，计算手术机器人末端和所述标定杆之间的位置关系矩阵；
[0026]
偏移模块，用于确认当前实际使用的钻头的长度数据，根据所述长度数据，确定偏移矩阵；
[0027]
切换模块，用于根据所述转移矩阵、所述位置关系矩阵和偏移矩阵计算当前实际使用的钻头的手术机器人末端工作坐标系。
[0028]
进一步的，本技术还提供一种手术机器人，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序在所述处理器上运行时执行所述的机器人末端坐标系切换方法。
[0029]
进一步的，本技术还提供一种可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序在处理器上运行时执行所述的机器人末端坐标系切换方法。
[0030]
本发明实施例公开了一种机器人末端坐标系切换方法、装置、机器人及存储介质，该方法包括：计算手术机器人基座到手术机器人末端的转移矩阵；根据给定的标定杆，计算手术机器人末端和所述标定杆之间的位置关系矩阵；确认当前实际使用的钻头的长度数据，并根据所述长度数据，确定偏移矩阵；根据所述转移矩阵、所述位置关系矩阵和偏移矩阵计算当前实际使用的钻头的手术机器人末端工作坐标系，以更新当前手术机器人末端工具坐标系。通过表顶杆确定一个基础坐标系，然后只计算钻头长度带来的影响，来计算实际使用的钻头的坐标系，简化了计算步骤，避免了多个不同钻头之间进行坐标系的配准，降低了计算难度和实现步骤。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。
[0032]
图1示出了本技术一种机器人末端坐标系切换方法流程示意图；
[0033]
图2示出了本技术一种机器人末端坐标系示意图；
[0034]
图3示出了本技术一种机器人末端坐标系切换装置示意图。
具体实施方式
[0035]
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0036]
通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
[0038]
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0039]
除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
[0040]
本技术的技术方案应用于牙科手术机器人，在牙科手术当中，往往会多次更换工具，而不同的手术工具，其坐标系是完全不同的，而为了控制的精确，往往需要对参与了手术的工具进行配准，而配准需要摄像头、反光球甚至探针等工具，来帮助机器人进行坐标系的配准，因此配准的过程会占据大量的时间和算力，对整个手术流程和患者来讲并不友好。
[0041]
在执行手术前，手术机器人和手术中涉及到的单位都会进行一次配准操作，以找准各个工具和患者的位置以及坐标系，建立起坐标系之间的转换关系，以确保医师操作机器人时的精确，本技术的技术方案便是在第一次配准之后进行的机器人末端坐标系切换方法。
[0042]
接下来以具体实施例来解释本技术的技术方案。
[0043]
实施例1
[0044]
如图1所示，为本技术一种机器人末端坐标系切换方法流程示意图，该方法包括以下步骤：
[0045]
步骤s100，计算手术机器人基座到手术机器人末端的转移矩阵。
[0046]
手术机器人一般设置在一个基座上，手术时底座位置不会变动，以确保整体的稳定性，手术机器人会有多个轴以控制机器人的运动，因此可以根据手术机器人的各个轴之间的连带关系，来计算转移矩阵。
[0047]
以6轴机器人为例，从基座到手术机器人末端会经过6个轴的转换，t为相应的平移
变化。为基座到1轴的平移变化，为1轴到2轴的平移变化，为2轴到3轴的平移变化，为3轴到4轴的平移变化，为4轴到5轴的平移变化，为5轴到6轴的平移变化。随着数字增加，相应轴离基座越远。
[0048]
由此可以计算得到基座到手术机器人末端的转移矩阵
[0049][0050]
然后将该转移矩阵转换为相应的4*4的矩阵。
[0051][0052]
n为绕x旋转的向量，o为绕y轴旋转的向量，a为绕z旋转的向量，p
x
,py,pz分别为笛卡尔坐标下x，y，z的坐标。
[0053]
步骤s200，根据给定的标定杆，计算手术机器人末端和所述标定杆之间的位置关系矩阵。
[0054]
在系统中会设定一个标定杆，该标定杆不是真实使用的钻头，而是一个设定好精确长度的一个模型。
[0055]
通过激光标定，测量出所述标定杆末端相对所述手术机器人法兰的位置关系，根据所述位置关系，计算所述位置关系矩阵。
[0056]
本实施例以33mm的标定杆为例，则通过激光标定，确定该标定杆末端位于手术机器人末端法兰直线距离33mm处，机器人末端法兰的位置和标定杆末端的位置已知，则可以求出位置关系矩阵marix
flange2vertex
。
[0057][0058]
矩阵中，下标f2v指从法兰到标定杆末端的变化，以此区别于转移矩阵的参数。
[0059]
根据该位置关系矩阵和步骤s100中求出的转移矩阵可以得到标定杆的坐标系。而标定杆并不是实际使用的钻头，而是一个虚拟出来的坐标系，该坐标系在本实施例中作为一个基础坐标系被记录，更换其他钻头时所产生的坐标系都可以视为该标定杆坐标系经过平移变换得到的产物。
[0060]
步骤s300，确认当前实际使用的钻头的长度数据，并根据所述长度数据，确定偏移矩阵。
[0061]
对于手术机器人使用的打磨钻，不同的钻头有不同的直径、长度、钻纹等差别，但是实际打磨工作中，影响控制精度的只有钻孔的长度，因此可以不考虑直径和钻纹这些变量，只考虑长度的差别。
[0062]
不同的钻头类型，会有固定的长度数据，是按照固定规格制造的，在安装钻头的时候，操作人员和手术机器人必然是知道所安装的钻头的类型，为此，可以将钻头的长度数据和类型对应存储在手术机器人的程序中，可以存储在数据库通过联网的方式查询，这样在实际使用过程中，手术机器人可以通过当前安装的钻头型号，直接获得钻头的长度信息。
[0063]
若当前使用的钻头是成型钻，则通过查询数据库，可以得知成型钻是26mm的长度，而则该钻头和标定杆之间有7mm的差距，也就是意味着，当前使用的钻头其坐标系相对于标定杆的坐标系，在钻头长度方向有一个7mm的偏移，由此，可以得到一个偏移矩阵。
[0064]
具体如图2所示，为手术机器人末端的坐标系示意图，本实施例中，钻头长度方向为坐标系的z轴，前后方位y轴，左右方向为x轴，其中y和x轴的具体方向可以依靠左手定则来确定，也可以根据实际使用时，使用者的偏好来确定。
[0065]
因此，根据上述实施例，成型钻相较于标定杆，在z轴方向上有一个7mm的偏移，因此可以得到如下的偏移矩阵。
[0066][0067]
其中，d为偏移量，在本实施例中，成型钻比标定杆短7mm，按照图2中z轴正方向朝向的是钻头基部的，则该d值为-7。根据所建立的坐标系方向不同，例如z轴的方向是朝向钻头尖端，d也可以是7。
[0068]
步骤s400，根据所述转移矩阵、所述位置关系矩阵和偏移矩阵计算当前实际使用的钻头的手术机器人末端工作坐标系，以更新当前手术机器人末端工具坐标系。
[0069]
得到偏移矩阵后，便可以计算得到当前手术机器人末端工具坐标系，该坐标系的计算表达式为：
[0070][0071]
式中，matrix
final
为所述手术机器人末端工具坐标系，为所述转移矩阵，b代表所述手术机器人基底坐标系，p代表所述手术机器人末端坐标系，matrix
offset
为所述偏移矩阵，marix
flange2vertex
为所述位置关系矩阵。
[0072]
在实际手术过程中，会遇到多次更换钻头的情况，然而因为标定杆的存在，使得上述公式中的marix
flange2vertex
与两项是不会变动的，而根据更换后的钻头长度和标定杆的长度对比求差，可以求出偏移矩阵matrix
offset
，也就是说，每次更换钻头时，只需要计算一次偏移矩阵，然后就可以得到该钻头的坐标系，实现对手术机器人末端工具坐标系的快速切换。整个计算步骤过程简单，不需要再执行配准操作。
[0073]
因此，在更换了当前使用的钻头时，只需要计算更换后的钻头长度与所述标定杆的误差，就可以根据所述误差，更新当前手术机器人末端工具坐标系。
[0074]
本实施例提供了一种机器人末端坐标系切换方法，通过设置一个虚拟的标定杆，以标定杆的坐标系为基础，通过计算所使用钻头和标定杆之间的长度差别，来计算偏移矩阵，进而将钻头的坐标系作为标定杆坐标系的平移变换，来快捷的计算得到，因为标定杆坐标系是经过激光定位精确获得和计算得到的，相当于进行了高精度的配准，而影响坐标系变换的，只有钻头的长度这一个因素，因此可以精确获得，本技术的方法使得医生可以简便地校准机械臂使用的所有坐标系，使其不需要对庞大的数据库中所有的工具经行逐个的一一校准。同时可以通过提取钻头的关键信息，简化使用者以及编程者的编写以及操作流程。
[0075]
本技术实施例还提供一种机器人末端坐标系切换装置，如图3所示，包括：
[0076]
转移模块10，用于计算手术机器人基座到手术机器人末端的转移矩阵；
[0077]
标定模块20，用于根据给定的标定杆，计算手术机器人末端和所述标定杆之间的位置关系矩阵；
[0078]
偏移模块30，用于确认当前实际使用的钻头的长度数据，根据所述长度数据，确定偏移矩阵；
[0079]
切换模块40，用于根据所述转移矩阵、所述位置关系矩阵和偏移矩阵计算当前实际使用的钻头的手术机器人末端工作坐标系。
[0080]
本技术实施例还提供一种手术机器人，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序在所述处理器上运行时执行上述实施例中任一所述的机器人末端坐标系切换方法。
[0081]
本技术实施例还提供一种可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序在处理器上运行时执行上述实施例中任一所述的机器人末端坐标系切换方法。
[0082]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0083]
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。
[0084]
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的
介质。
[0085]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。