一种机器人辅助骨折复位导航系统及方法

1.本发明涉及骨折复位技术领域，具体而言，涉及一种机器人辅助骨折复位导航系统及方法。


背景技术：

2.胫骨骨折、桡骨骨折等骨折占创伤骨科疾病的比重非常大，临床中较为常见，其发生几率大且恢复周期长。骨折复位手术是治疗该类骨折最为有效的方法。
3.目前，传统的骨折复位手术需要多名医生对患者的肌肉进行牵拉，通过借助术中的x光影像，以了解复位过程中的断骨的状态，其对于状态的判断主要依赖于医生的经验，存在手术精度不高的问题，且费时费力；并且由于医生和患者长期暴露在x光线下，易受到辐射影响，不利于医生和患者的身体健康。而利用机器人辅助骨折复位手术进行的，存在术中无法实时了解机器人状态的问题，会增加的手术的风险。


技术实现要素：

4.本发明解决的问题是：如何在结合机器人实施骨折复位手术时，实时了解机器人状态，提升骨折复位手术的精度与安全性。
5.为解决上述问题，本发明提供一种机器人辅助骨折复位导航系统，包括静平台、动平台、第一定位机构、第二定位机构、复位牵引机构和光学跟踪机构，所述静平台和所述第一定位机构用于固定在断骨近端，所述动平台和所述第二定位机构用于固定在所述断骨远端，且所述第一定位机构和所述第二定位机构位于所述静平台和所述动平台之间；所述光学跟踪机构用于监测所述静平台、所述动平台、所述第一定位机构、所述第二定位机构和复位牵引机构的位置信息，所述复位牵引机构连接所述静平台与所述动平台并用于根据所述位置信息驱动所述动平台相对所述静平台运动。
6.可选地，所述机器人辅助骨折复位导航系统还包括三维扫描成像机构，所述三维扫描成像机构用于三维扫描所述断骨、所述静平台、所述动平台、所述第一定位机构和所述第二定位机构，以构建关于所述断骨与所述静平台、所述动平台、所述第一定位机构、所述第二定位机构位置关系的三维图像。
7.可选地，所述静平台包括静平台本体和第一靶点，所述动平台包括动平台本体和第二靶点，所述静平台本体与所述动平台本体通过所述复位牵引机构连接，所述第一靶点设置在所述静平台本体远离所述动平台本体的一端，所述第二靶点设置在所述动平台本体远离所述静平台本体的一端。
8.可选地，所述第一定位机构包括第一固定结构和第三靶点，所述第一固定结构的一端与所述断骨近端连接，另一端与所述第三靶点连接；所述第二定位机构包括第二固定结构和第四靶点，所述第二固定结构的一端与所述断骨远端连接，另一端与所述第四靶点连接。
9.为解决上述问题，本发明还提供一种机器人辅助骨折复位导航方法，采用上述的
机器人辅助骨折复位导航系统，包括：
10.规划断骨的复位路径；
11.通过所述机器人辅助骨折复位导航系统的光学跟踪机构监测静平台、动平台、第一定位机构、第二定位机构和复位牵引机构的位置信息；
12.根据所述复位路径和所述位置信息，控制所述复位牵引机构驱动所述动平台相对所述静平台运动，以实现所述断骨的复位。
13.可选地，所述规划断骨的复位路径包括：
14.获取关于所述断骨和设置在所述断骨处的所述机器人辅助骨折复位导航系统的三维图像；
15.根据所述三维图像，规划所述断骨复位时所述动平台、所述第二定位机构、所述复位牵引机构的运动路径。
16.可选地，所述根据所述三维图像，规划所述断骨复位时所述动平台、所述第二定位机构、所述复位牵引机构的运动路径包括：
17.基于所述三维图像建立基坐标系；
18.基于所述三维图像中的所述静平台建立第一坐标系，确定所述第一坐标系相对于所述基坐标系的第一变换矩阵；
19.基于所述三维图像中的所述动平台建立第二坐标系，确定所述第二坐标系相对于所述基坐标系的第二变换矩阵；
20.在所述三维图像中基于所述基坐标系规划所述断骨的所述复位路径，确定所述断骨远端相对于所述断骨近端复位的路径系列位姿点以及所述第二坐标系相对于所述第一坐标系运动的第一目标位姿；
21.基于所述复位牵引机构的第一端建立第三坐标系，确定所述第三坐标系相对于所述第一坐标系的第三变换矩阵，其中，所述复位牵引机构具有与所述静平台连接的所述第一端以及与所述动平台连接的第二端；
22.基于所述复位牵引机构的所述第二端建立第四坐标系，确定所述第四坐标系相对于所述第二坐标系的第四变换矩阵；
23.转换所述第一目标位姿，确定所述第四坐标系相对于所述第三坐标系运动的第二目标位姿。
24.可选地，所述静平台包括设置在静平台本体上的第三靶座和设置在所述第三靶座上的第五靶点，所述动平台包括动设置在动平台本体上的第四靶座和设置在所述第四靶座上的第六靶点；所述根据所述复位路径和所述位置信息，控制所述复位牵引机构驱动所述动平台相对所述静平台运动，以实现所述断骨的复位包括：
25.基于所述三维图像中的所述第五靶点建立第五坐标系，确定所述第五坐标系相对于所述第三坐标系的第五变换矩阵；基于所述三维图像中的所述第六靶点建立第六坐标系，确定所述第六坐标系相对于所述第四坐标系的第六变换矩阵；
26.根据所述第二目标位姿，确定所述第六坐标系相对于所述第五坐标系运动的第三目标位姿；
27.对比所述第二目标位姿和所述第三目标位姿，当所述动平台相对所述静平台的运动超出所述断骨的所述复位路径时，所述光学跟踪机构指引所述复位牵引机构进行所述动
平台相对所述静平台运动的第一误差补偿。
28.可选地，所述所述光学跟踪机构指引所述复位牵引机构进行所述动平台相对所述静平台运动的第一误差补偿之后，所述根据所述复位路径和所述位置信息，控制所述复位牵引机构驱动所述动平台相对所述静平台运动，以实现所述断骨的复位还包括：
29.当连接所述断骨远端与所述动平台的骨针和/或连接所述断骨近端与所述静平台的骨针发生变形时，所述光学跟踪机构指引所述复位牵引机构进行所述动平台相对所述静平台运动的第二误差补偿。
30.可选地，所述获取关于所述断骨和设置在所述断骨处的所述机器人辅助骨折复位导航系统的三维图像之后，所述根据所述三维图像，规划所述断骨复位时所述动平台、所述第二定位机构、所述复位牵引机构的运动路径之前，所述规划断骨的复位路径还包括：
31.配准所述三维图像。
32.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：这样，相对于传统的骨折复位手术需要至少两名医生对患者肌肉进行牵引等而言，本实施例中的机器人辅助骨折复位导航系统通过静平台、动平台与复位牵引机构构成例如并联机器人的机器人，以实现动平台相对静平台的六自由度的运动，保证断骨能够在机器人的牵引下准确复位，省时省力且便于操控。通过在断骨近端、远端分别设置第一定位机构和第二定位机构，能够在动平台和静平台的相对位置无法准确示出断骨复位运动路径的情况下，通过第一定位机构和第二定位机构来准确反映第一定位机构所在的断骨近端与第二定位机构所在的断骨远端的相对位置以及断骨远端的复位路径，能够提升断骨复位的精度及可靠性；且第一定位机构和第二定位机构的相对位置可与静平台和动平台的相对位置相互印证，便于检测相应手术器械(例如连接平台与断骨的骨针，如克氏针)的适用性。通过设置光学跟踪机构以实时监测静平台、动平台、第一定位机构和第二定位机构的位置信息，以实时了解机器人及断骨的状态；通过将相应位置信息与事先规划的断骨复位路径对比，从而判断断骨远端相对断骨近端的运动是否复合规划，且能够对复位牵引机构的运动起到指引作用，保证断骨复位的准确性。另外，相对于现有技术中医生需在术中较长时间借助x光影像进行骨折复位手术而言，本实施例中，在规划断骨复位路径时用到x光等影像即可，后续即可将光学跟踪机构实时监测的静平台、动平台、第一定位机构、第二定位机构的位置信息转换到相应影像中以指引断骨的复位，可有效避免医生长期暴露在x光等射线下而危害医生健康的情况发生。
附图说明
33.图1为本发明实施例中机器人辅助骨折复位导航系统的结构示意图；
34.图2为本发明实施例中机器人辅助骨折复位导航系统另一视角的结构示意图；
35.图3为本发明实施例中机器人辅助骨折复位导航系统又一视角的结构示意图；
36.图4为本发明实施例中第一定位机构的结构示意图；
37.图5为本发明实施例中标定靶座的结构示意图；
38.图6为本发明实施例中机器人辅助骨折复位导航方法的流程图；
39.图7为本发明实施例中步骤100的子流程图；
40.图8为本发明实施例中步骤130的子流程图；
41.图9为本发明实施例中步骤300的子流程图；
42.图10为本发明另一实施例中步骤100的子流程图。
43.附图标记说明：
44.1-静平台，11-静平台本体，12-第一靶点，13-第三靶座，14-第五靶点；2-动平台，21-动平台本体，22-第二靶点，23-第四靶座，24-第六靶点；3-复位牵引机构；4-第一定位机构，41-第一固定结构，42-第三靶点，43-第一靶座；5-第二定位机构，51-第二固定结构，52-第四靶点，53-第二靶座；6-标定靶座，61-第七靶点，62-圆锥孔；7-断骨。
具体实施方式
45.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
46.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
47.结合图1-图3所示，本发明实施例提供一种机器人辅助骨折复位导航系统，包括静平台1、动平台2、第一定位机构4、第二定位机构5、复位牵引机构3和光学跟踪机构，静平台1和第一定位机构4用于固定在断骨7近端，动平台2和第二定位机构5用于固定在断骨7远端，且第一定位机构4和第二定位机构5位于静平台1和动平台2之间；光学跟踪机构用于监测静平台1、动平台2、第一定位机构4、第二定位机构5和复位牵引机构3的位置信息，复位牵引机构3连接静平台1与动平台2并用于根据位置信息驱动动平台2相对静平台1运动。
48.本实施例中，机器人辅助骨折复位导航系统用于患者骨折的复位等场景。具体地，机器人辅助骨折复位导航系统的静平台1用于固定在患者断骨7的近端(如断骨7断成两部分，其中离心脏较近的一部分记为断骨7的近端，另一部分则记为断骨7的远端)，动平台2用于固定在断骨7的远端，复位牵引机构3用于连接和驱动动平台2和静平台1；由于静平台1相对患者躯干固定(且静平台1一般与手术床固定)，复位牵引机构3则主要起到驱动动平台2相对静平台1运动(如俯仰、侧倾、偏航六自由度的运动)，从而实现动平台2所在的断骨7远端相对静平台1所在的断骨7近端的精确复位。其中，静平台1、动平台2与复位牵引机构3构成例如并联机器人的机器人，以便实现动平台2相对静平台1的六自由度的运动；且静平台1、动平台2均优选呈环状，以便静平台1和动平台2套在断骨7处从而便于与断骨7稳定连接；通过采用机器人辅助患者断骨复位，能够提高手术操作的精度，且使得患者创伤较小，能够减少手术相应并发症。
49.第一定位机构4用于固定在断骨7近端，第二定位机构5用于固定在断骨7远端，且第一定位机构4和第二定位机构5位于静平台1和动平台2之间，第一定位机构4和第二定位机构5不与静平台1、动平台2和复位牵引机构3构成的机器人接触，也就是说，静平台1、第一定位机构4、第二定位机构5、动平台2依次间隔设置，以避免第一定位机构4和第二定位机构5干涉到并联机器人的运动。由于在机器人辅助断骨7骨折复位过程中，可能由于断骨7肌肉与机器人抗衡的牵拉作用，会造成与平台(静平台1和/或动平台2)固连的骨针(平台通过骨针与断骨7连接)的变形，造成复位过程中，动平台2和静平台1的相对位置以及动平台2的运动路径无法准确反映断骨7远端的运动路径，因此，通过设置不与静平台1、动平台2和复位
牵引机构3构成的机器人接触，且运动分别受到断骨7近端、远端影响的第一定位机构4和第二定位机构5，来准确反映第一定位机构4所在的断骨7近端与第二定位机构5所在的断骨7远端的相对位置以及断骨7远端的复位路径，能够提升断骨7复位的准确性(或精度)、可靠性。
50.光学跟踪机构用于实时监测静平台1、动平台2、第一定位机构4、第二定位机构5和复位牵引机构3的位置信息，以通过将相应位置信息与事先规划的断骨7复位路径对比，从而判断断骨7远端相对断骨7近端的运动是否复合规划，且能够对复位牵引机构3的运动起到指引作用，即复位牵引机构3根据光学跟踪机构实时监测得到的相应位置信息驱动动平台2按照事先规划的断骨7复位路径相对静平台1运动。其中，若光学跟踪机构监测到断骨7远端的运动偏离事先规划的断骨7复位路径，可指引复位牵引机构3纠正断骨7远端相对断骨7近端的运动，以使得断骨7远端相对断骨7近端的运动回到事先规划的断骨7复位路径上，保证断骨7复位的准确性。
51.这样，相对于传统的骨折复位手术需要至少两名医生对患者肌肉进行牵引等而言，本实施例中的机器人辅助骨折复位导航系统通过静平台1、动平台2与复位牵引机构3构成例如并联机器人的机器人，以实现动平台2相对静平台1的六自由度的运动，保证断骨7能够在机器人的牵引下准确复位，省时省力且便于操控。通过在断骨7近端、远端分别设置第一定位机构4和第二定位机构5，能够在动平台2和静平台1的相对位置无法准确示出断骨7复位运动路径的情况下，通过第一定位机构4和第二定位机构5来准确反映第一定位机构4所在的断骨7近端与第二定位机构5所在的断骨7远端的相对位置以及断骨7远端的复位路径，能够提升断骨7复位的精度及可靠性；且第一定位机构4和第二定位机构5的相对位置可与静平台1和动平台2的相对位置相互印证，便于检测相应手术器械(例如连接平台与断骨7的骨针，如克氏针)的适用性。通过设置光学跟踪机构以实时监测静平台1、动平台2、第一定位机构4和第二定位机构5的位置信息，以实时了解机器人及断骨7的状态；通过将相应位置信息与事先规划的断骨7复位路径对比，从而判断断骨7远端相对断骨7近端的运动是否复合规划，且能够对复位牵引机构3的运动起到指引作用，保证断骨7复位的准确性。另外，相对于现有技术中医生需在术中较长时间借助x光影像进行骨折复位手术而言，本实施例中，在规划断骨7复位路径时用到x光等影像即可，后续即可将光学跟踪机构实时监测的静平台1、动平台2、第一定位机构4、第二定位机构5的位置信息转换到相应影像中以指引断骨7的复位，可有效避免医生长期暴露在x光等射线下而危害医生健康的情况发生。
52.可选地，机器人辅助骨折复位导航系统还包括三维扫描成像机构，三维扫描成像机构用于三维扫描断骨7、静平台1、动平台2、第一定位机构4和第二定位机构5，以构建关于断骨7与静平台1、动平台2、第一定位机构4、第二定位机构5位置关系的三维图像。
53.本实施例中，三维扫描成像机构包括ct机等能够扫描得到具备机器人辅助骨折复位导航系统及患者断骨7的空间三维坐标信息的三维图像的机构。下面以三维扫描成像机构采用ct机(例如cbct、螺旋ct等)为例进行说明，在机器人辅助骨折复位导航系统在患者断骨7处安装完成后，通过ct机扫描患者断骨7处，其后通过三维扫描成像机构(或其他设备)对得到的ct图像进行三维重建，即可得到关于断骨7与静平台1、动平台2、第一定位机构4、第二定位机构5位置关系的三维图像，以用于患者断骨7复位路径的规划(其中，断骨7复位路径的规划可通过规划静平台1、动平台2、第一定位机构4、第二定位机构5的运动路径实
现)。
54.可选地，结合图1-图3所示，静平台1包括静平台本体11和第一靶点12，动平台2包括动平台本体21和第二靶点22，静平台本体11与动平台本体21通过复位牵引机构3连接，第一靶点12设置在静平台本体11远离动平台本体21的一端，第二靶点22设置在动平台本体21远离静平台本体11的一端。
55.本实施例中，第一靶点12和第二靶点22分别设置在静平台本体11和动平台本体21上，且沿断骨7延伸方向，第一靶点12和第二靶点22分居机器人两端。通过设置第一靶点12和第二靶点22，以便于在三维扫描成像机构构建关于断骨7与静平台1、动平台2、第一定位机构4、第二定位机构5位置关系的三维图像中，基于第一靶点12和第二靶点22分别建立相应坐标系，从而基于这两个坐标系规划动平台2相对静平台1的运动，实现断骨7路径的规划。
56.可选地，第一靶点12和第二靶点22均采用球状结构(如钢球)，动平台本体21上的钢球与动平台本体21可拆卸连接(例如通过紧固件连接)，静平台本体11上的钢球与静平台本体11可拆卸连接(例如通过紧固件连接)，以便于第一靶点12和第二靶点22在相应平台上调整位置，以适应不同需求。且第一靶点12和第二靶点22均设有至少三个，三个第一靶点12不能共线或者近似共线，且两两之间在静平台本体11上相距距离尽可能远，以便于基于第一靶点12建立相应坐标系(后文介绍)，并减少相应标定误差的放大；三个第二靶点22同样不能共线或者近似共线，且两两之间在静平台本体11上相距距离尽可能远，以便于基于第二靶点22建立相应坐标系(后文介绍)，并减少相应标定误差的放大。在一些实施例中，第一靶点12和第二靶点22均设有四个，其中，第四个第一靶点12(第二靶点22)能够对基于其他三个第一靶点12(第二靶点22)构建的相应坐标系及三维图像的配准等起到验证作用。其中，第一靶点12和第二靶点22均采用呈球状的钢球，其优势有两个，一是便于通过设计圆锥型的标定靶座6实现钢球与光学跟踪机构的标定；二是球状的钢球，能够通过数学方法，如最小二乘法等，减小球心标定过程中的误差，提高球心的识别误差，从而提高系统的精度。
57.可选地，结合图1-图4所示，第一定位机构4包括第一固定结构41和第三靶点42，第一固定结构41的一端与断骨7近端连接，另一端与第三靶点42连接；第二定位机构5包括第二固定结构51和第四靶点52，第二固定结构51的一端与断骨7远端连接，另一端与第四靶点52连接。
58.本实施例中，第一定位机构4和第二定位机构5均沿垂直于断骨7延伸方向的方向固定在断骨7上，以使得第三靶点42和第四靶点52均位于机器人侧面，便于光学跟踪机构实时监测第一定位机构4和第二定位机构5的位置及运动，以监测断骨7远端相对断骨7近端的运动及位置。其中，第一固定结构41和第二固定结构51可采用例如骨针等适于固定在断骨7上的结构，也可采用适于夹持在断骨7上的夹持结构。
59.可选地，结合图1-图4所示，第一定位机构4还包括第一靶座43，第一靶座43设置在第一固定结构41远离断骨7近端的一端，多个第三靶点42设置在第一靶座43远离第一固定结构41的端部；第二定位机构5还包括第二靶座53，第二靶座53设置在第二固定结构51远离断骨7远端的一端，多个第四靶点52设置在第二靶座53远离第二固定结构51的端部。第三靶点42和第四靶点52均优选呈球状，以便于光学跟踪机构通过视觉识别球面点，从而提升球心点坐标标定的精度，从而便于根据第三靶点42和第四靶点52分别建立相应坐标系以结合
三维图像验证断骨7复位路径。
60.可选地，结合图1-图3所示，静平台1还包括动设置在静平台本体11上的第三靶座13和设置在第三靶座13上的第五靶点14，动平台2还包括设置在动平台本体21上的第四靶座23和设置在第四靶座23上的第六靶点24。
61.复位牵引机构3具有与静平台1连接的第一端以及与动平台2连接的第二端。本实施例中，第三靶座13和第四靶座23分别与静平台本体11和动平台本体21可拆卸连接，第五靶点14设置在第三靶座13远离静平台本体11的一端，第六靶点24设置在第四靶座23远离动平台本体21的一端，且第五靶点14和第六靶点24均位于机器人侧面，便于光学跟踪机构实时监测第五靶点14和第六靶点24的位置及运动，以监测静平台1及与静平台1连接的复位牵引机构3的第一端的位置及运动，以及监测动平台2及与动平台2连接的复位牵引机构3的第二端的位置及运动。通过设置第五靶点14和第六靶点24，且第五靶点14和第一靶点12均相对静平台1固定，以便确定基于第五靶点14建立的坐标系相对基于第一靶点12建立的坐标系的变换关系(变换矩阵)，以通过监测第五靶点14的运动来反映静平台1、第一靶点12及复位牵引机构3的第一端的运动；第六靶点24和第二靶点22均相对动平台2固定，以便确定基于第六靶点24建立的坐标系相对基于第二靶点22建立的坐标系的变换关系(变换矩阵)，以通过监测第六靶点24的运动来反映动平台2、第二靶点22及复位牵引机构3的第二端的运动。
62.可选地，结合图1-图3所示，复位牵引机构3的第一端与静平台1通过铰链转动连接，第二端与动平台2通过铰链转动连接，以便于实现机器人的动平台2相对静平台1的六自由度的运动。
63.结合图1-图3和图6所示，本发明另一实施例提供一种机器人辅助骨折复位导航方法，采用上述的机器人辅助骨折复位导航系统，包括以下步骤：
64.步骤100、规划断骨7的复位路径。
65.具体地，在机器人辅助骨折复位导航系统在患者断骨7处安装完成后，通过三维扫描成像机构扫描患者断骨7处，以得到关于断骨7与静平台1、动平台2、第一定位机构4、第二定位机构5位置关系的三维图像；从而基于三维图像规划断骨7的复位路径，提升断骨7复位路径规划的便利性。
66.步骤200、通过机器人辅助骨折复位导航系统的光学跟踪机构监测静平台1、动平台2、第一定位机构4、第二定位机构5和复位牵引机构3的位置信息。
67.具体地，光学跟踪机构用于实时监测静平台1、动平台2、第一定位机构4、第二定位机构5和复位牵引机构3的位置信息，以通过静平台1、动平台2、第一定位机构4、第二定位机构5和复位牵引机构3等的位置及运动等信息来反映断骨7复位的相应状态。
68.步骤300、根据复位路径和位置信息，控制复位牵引机构3驱动动平台2相对静平台1运动，以实现断骨7的复位。
69.本步骤中，根据规划断骨7的复位路径与光学跟踪机构实时监测得到的静平台1、动平台2、第一定位机构4和第二定位机构5的位置信息，控制复位牵引机构3驱动动平台2相对静平台1运动。具体地，通过将相应位置信息与事先规划的断骨7复位路径对比，以判断断骨7远端相对断骨7近端的运动是否复合规划，以对复位牵引机构3的运动起到指引作用，即复位牵引机构3根据光学跟踪机构实时监测得到的相应位置信息驱动动平台2按照事先规
划的断骨7复位路径相对静平台1运动；其中，若光学跟踪机构监测到断骨7远端的运动偏离事先规划的断骨7复位路径，可指引复位牵引机构3纠正断骨7远端相对断骨7近端的运动，以使得断骨7远端相对断骨7近端的运动回到事先规划的断骨7复位路径上，保证断骨7复位的准确性，从而实现断骨7的精准复位。
70.可选地，结合图6、图7所示，步骤100具体包括以下步骤：
71.步骤110、获取关于断骨7和设置在断骨7处的机器人辅助骨折复位导航系统的三维图像；
72.步骤130、根据三维图像，规划断骨7复位时动平台2、第二定位机构5、复位牵引机构3的运动路径。
73.具体地，在机器人辅助骨折复位导航系统在患者断骨7处安装完成后，通过例如ct机的三维扫描成像机构扫描患者断骨7处，以得到关于断骨7与静平台1、动平台2、第一定位机构4、第二定位机构5位置关系的三维图像。其后，基于三维图像规划断骨7的复位路径，例如，通过规划静平台1、动平台2、第一定位机构4、第二定位机构5的运动路径实现断骨7复位路径的规划。如此，以提升断骨7复位路径规划的便利性。
74.可选地，结合图7、图8所示，步骤130具体包括以下步骤：
75.步骤131、基于三维图像建立基坐标系。
76.具体地，在三维图像中建立基坐标系(基准坐标系)。
77.步骤132、基于三维图像中的静平台1建立第一坐标系，确定第一坐标系相对于基坐标系的第一变换矩阵。
78.具体地，在三维图像中通过静平台本体11上的第一靶点12建立第一坐标系cf
ct_base
，确定(标定)第一坐标系相对于三维图像的基坐标系的变换(第一变换矩阵)为
79.步骤133、基于三维图像中的动平台2建立第二坐标系，确定第二坐标系相对于基坐标系的第二变换矩阵。
80.具体地，在三维图像中通过动平台本体21上的第二靶点22建立第二坐标系cf
ct_move
，确定(标定)第二坐标系相对于三维图像的基坐标系的变换(第二变换矩阵)为
81.步骤134、在三维图像中基于基坐标系规划断骨7的复位路径，确定断骨7远端相对于断骨7近端复位的路径系列位姿点以及第二坐标系相对于第一坐标系运动的第一目标位姿。
82.具体地，基于三维图像对断骨7进行复位路径规划，以得到断骨7远端相对于断骨7近端复位的路径的系列位姿点t
target
；根据t
target
，确定动平台2第二靶点22坐标系(即第二坐标系)相对于静平台1第一靶点12坐标系(即第一坐标系)运动的第一目标位姿t
target_ct
，有
[0083][0084]
步骤135、复位牵引机构3具有与静平台1连接的第一端以及与动平台2连接的第二端，基于复位牵引机构3的第一端建立第三坐标系，确定第三坐标系相对于第一坐标系的第三变换矩阵。
[0085]
具体地，在三维图像中通过与静平台本体11连接的复位牵引机构3的第一端建立第三坐标系cf
robot_base
，例如基于三维图像中第一端处的用于连接复位牵引机构3与静平台本体11的铰链的中心点建立第三坐标系cf
robot_base
；通过常用的配准方法，得到三维图像中第一坐标系cf
ct_base
相对于第三坐标系cf
robot_base
的变换关系(第三变换矩阵)
robot_base
t
ct_base
，有
[0086]
robot_base
t
ct_base
＝
robot_base
t
ball_baseball_base
t
ct_base
。
[0087]
步骤136、基于复位牵引机构3的第二端建立第四坐标系，确定第四坐标系相对于第二坐标系的第四变换矩阵。
[0088]
具体地，在三维图像中通过与动平台本体21连接的复位牵引机构3的第二端建立第四坐标系cf
robot_move
，例如基于三维图像中第二端处的用于连接复位牵引机构3与动平台本体21的铰链的中心点建立第四坐标系cf
robot_move
；通过常用的配准方法，得到三维图像中第二坐标系cf
ct_move
相对于第四坐标系cf
robot_move
的变换关系(第四变换矩阵)
robot_move
t
ct_move
，有
robot_move
t
ct_move
＝
robot_move
t
ball_moveball_move
t
ct_move
。
[0089]
步骤137、转换第一目标位姿，确定第四坐标系相对于第三坐标系运动的第二目标位姿。
[0090]
具体地，将第一目标位姿t
target_ct
转换到三维图像中的机器人坐标系(其基于第三坐标系和第四坐标系)，得到三维图像中机器人的第四坐标系相对于第三坐标系运动的第二目标位姿t
target_robot
，有
[0091]
t
target_robot
＝
robot_base
t
ct_base
·
t
target_ct
·
(
robot_move
t
ct_move
)-1
。
[0092]
如此，即通过规划机器人根据二目标位姿运动，实现断骨7复位路径的规划。
[0093]
可选地，结合图6、图9所示，步骤300包括以下步骤:
[0094]
步骤310、基于三维图像中的第五靶点14建立第五坐标系，确定第五坐标系相对于第三坐标系的第五变换矩阵；基于三维图像中的第六靶点24建立第六坐标系，确定第六坐标系相对于第四坐标系的第六变换矩阵。
[0095]
具体地，在三维图像中通过静平台1上的第五靶点14建立第五坐标系cf
ndi_base
，通过动平台2上的第六靶点24建立第六坐标系cf
ndi_move
；确定(标定)第五坐标系相对于第三坐标系的变换(第五变换矩阵)
robot_base
t
ndi_base
，确定(标定)第六坐标系相对于第四坐标系的变换(第六变换矩阵)
robot_move
t
ndi_move
。
[0096]
步骤320、根据第二目标位姿，确定第六坐标系相对于第五坐标系运动的第三目标位姿。
[0097]
具体地，结合第五靶点14和第六靶点24，并根据机器人的第二目标位姿t
target_robot
，确定第六坐标系相对于第五坐标系运动的实时位姿关系(第三目标位姿)t'
target_robot
，有
[0098]
t'
target_robot
＝
robot_base
t
ndi_base
·
ndi_base
t
ndi_move
·
(
robot_move
t
ndi_move
)-1
；
[0099]
如此，机器人在复位运动过程中，通过光学跟踪机构实时获取机器人动平台2上的第六靶点24相对于机器人静平台1上的第五靶点14的位姿
ndi_base
t
ndi_move
，即可将此位姿矩阵转换为机器人实时位姿关系(第三目标位姿)，也就是说，通过光学跟踪机构实时监测第六靶点24相对第五靶点14的运动及位置，即可准确得到断骨7复位程中实时的机器人运动及断骨7复位的运动及位置，以便于对比第三目标位姿与第二目标位姿，从而及时发现断骨
7复位过程中产生的误差并及时对其进行运动补偿。
[0100]
步骤330、对比第二目标位姿和第三目标位姿，当动平台2相对静平台1的运动超出断骨7的复位路径时，光学跟踪机构指引复位牵引机构3进行动平台2相对静平台1运动的第一误差补偿。
[0101]
具体地，比较机器人的实时t'
target_robot
与机器人的规划(期望)目标位姿t
target_robot
的误差大小，判断其是否超出规划位姿的误差范围(误差范围可根据实际需求进行设置)，从而对机器人的复位操作进行实时的检测，并采用pid控制完成系统的视觉闭环。具体地，将机器人的第二目标位姿参数t
target_robot
和第三目标位姿参数t'
target_robot
中位姿参数通过绕xyz轴旋转的三个四元数q＝[q
1 q
2 q3]
t
表示，其中q1＝w
x
a
x
i，q2＝wy byj，q3＝wz czk。则第二目标位姿参数t
target_robot
由位置部分pd和四元数表示的姿态部分qd组成，第三目标位姿参数t'
target_robot
由位置部分pa和四元数表示的姿态部分qa组成。则平移部分的误差为期望位置与实际位置之差，其为：
[0102][0103]
姿态四元数的误差可以表示为实际姿态的广义逆矩与期望姿态的积：
[0104][0105]
则旋转的角度部分的误差为：
[0106][0107]
需要控制的机器人的误差e包含e
t
和er，通过pid的控制命令ψ(n)即可实现复位机器人的视觉闭环控制：
[0108]
ψ(n)＝k
p
·
e(n) ki·ei
(n) kd·
ed(n)。
[0109]
可选地，结合图6、图9所示，步骤330之后，步骤300还包括:
[0110]
步骤340、当连接断骨7远端与动平台2的骨针和/或连接断骨7近端与静平台1的骨针发生变形时，光学跟踪机构指引复位牵引机构3进行动平台2相对静平台1运动的第二误差补偿。
[0111]
在机器人辅助断骨7骨折复位过程中，由于断骨7肌肉与机器人抗衡的牵拉作用，会造成与平台(静平台1和/或动平台2)固连的骨针的变形，造成复位过程中，断骨7不能按规划的位置完成复位动作，即造成动平台2和静平台1的相对位置以及动平台2的运动路径无法准确反映断骨7远端的运动路径。本步骤中中，通过实施骨针变形第二误差补偿以对复位过程中相应骨针产生变形所导致的断骨7复位误差进行实时补偿。具体地，机器人的静平台1和动平台2上分别固连第五靶点14和第六靶点24，第三靶点42和第四靶点52分别通过相应结构与断骨7近端和断骨7远端连接；在规划断骨7的复位路径之后，实施断骨7复位过程之前，通过光学跟踪系统，可以获取得到机器人动平台2的第六靶点24坐标系(基于第六靶
点24构建的坐标系，记为cf
mark_move
)相对于静平台1的第五靶点14坐标系(基于第五靶点14构建的坐标系，记为cf
mark_base
)的变换关系
mark_base
t
mark_move
；并获取得到设置在断骨7远端的第四靶点52坐标系(基于第四靶点52构建的坐标系，记为cf
mark_remote
)相对于设置在断骨7近端的第三靶点42坐标系(基于第三靶点42构建的坐标系，记为cf
mark_proximal
)的变换关系
mark_proximal
t
mark_remote
。在断骨7复位过程中，通过比较机器人位姿变换后的
mark_proximal
t
mark_remote
和
mark_base
t
mark_move
，从而能够了解到连接平台与断骨7的骨针的变形情况及断骨7复位运动相对所规划的断骨7复位路径(或相应目标位姿)的误差，并能够将相应误差值补偿到机器人的运动中以指引机器人的运动。在一些实施例中，可以将光学跟踪系统获取得到的第三靶点42、第四靶点52、第五靶点14、第六靶点24的相应坐标系变换到三维图像中再分析处理骨折的变形以及断骨7复位的第二误差补偿。
[0112]
可选地，结合图7、图10所示，步骤110之后，步骤120之前，步骤100还包括以下步骤：
[0113]
步骤120、配准三维图像。
[0114]
机器人动平台2上固连四个第二靶点22，静平台1上固连四个第一靶点12，第二靶点22和第一靶点12分别用来获取三维图像中断骨7远端相对于动平台2的关系和断骨7近端相对于静平台1的关系。本步骤中，配准三维图像的目的在于建立三维图像数据—患者—机器人之间的映射关系(或映射矩阵)，从而确定三维图像与机器人的关系，便于通过控制机器人对患者进行相应操作。下面以静平台1与断骨7近端为例进行说明，三维图像数据到机器人关系的转换(三维图像的配准注册)分为两个过程：坐标系的建立和第一靶点12的配准。
[0115]
对于坐标系的建立，安装在机器人静平台1上的第一靶点12通过q＝{q1,q2,q3,q4}表示，通过三维扫描成像机构扫描获取的第一靶点12在三维图像中的影像点通过q'＝{q'1,q'2,q'3,q'4}表示。分别通过q'和q建立三维图像中坐标系cf
ct_static
(或cf
ct_base
)和cf
ball_base
，通过机器人静平台1与复位牵引机构3的第一端的铰链点(如连接复位牵引机构3第一端与静平台1的铰链中心点)bi(i＝1,2,...,6)确定坐标系cf
robot_base
，其中，复位牵引机构3包括六个伸缩杆，伸缩杆的两端分别与静平台1、动平台2通过铰链铰接。
[0116]
其中，通过q建立cf
ball_base
，具体过程如下：计算第一靶点12qi,i＝1,2,3的重心q0，以此作为坐标系的原点，沿方向建立x轴，由和叉乘的方向建立z轴，z轴和x轴叉乘确定y轴方向并建立y轴。三维图像中，利用q'采取同样的方式建立坐标系cf
ct_static
，利用铰链点在三维图像中对应的影像点可确定相应坐标系(如cf
robot_base
)。其中，铰链点代表的为机器人的主要参数，表征机器人的位姿关系；在机器人系统中，铰链点的位置精度，为机器人空间运动位姿精度的因素。
[0117]
机器人静平台1铰链点bi(i＝1,2,...,6)确定的坐标系为cf
robot_base
，其中坐标系cf
ball_base
与cf
robot_base
的转换关系
robot_base
t
ball_base
通过机械加工保证。第一靶点12建立的坐标系cf
ball_base
与三维图像中建立的对应坐标系cf
ct_static
的关系通过第一靶点12的标定实现。
[0118]
对于第一靶点12的配准，其是将三维图像中的第一靶点12图像与机器人静平台1上第一靶点12进行配准的过程，利用现有常用的配准方法，求取变换矩阵
ball_base
t
ct_static
。平台上第一靶点12q＝{q1,q2,q3,q4}，其中点q4用来便于识别区分第一靶点12和配准精度验
证，q1、q2和q3用来完成配准。对于变换矩阵
ball_base
t
ct_static
，其有α,β,γ,t
x
,ty,yz六个配准参数，需要通过九个线性方程组进行求解，可以通过q1、q2和q3三个第一靶点12完全确定；通过三个第一靶点12可以求解出变换关系
ball_base
t
ct_static
。在
ball_base
t
ct_static
求取之后通过点q4和q'4可求取钢球配准误差：ε＝||
ball_baserct_static
q'4
ball_base
t
ct_static-q4||2。
[0119]
可选地，机器人辅助骨折复位导航系统还包括标定靶座6，标定靶座6的一端设有第七靶点61，另一端设有与第一靶点12相适配的圆锥孔62。
[0120]
第五靶点14和第六靶点24分别设置在静平台1和动平台2，用于通过光学跟踪机构检测机器人的运动过程。下面以静平台1为例进行说明，在第五靶点14与静平台本体11通过第三靶座13固定连接之后，对第五靶点14与第一靶点12的关系(
mark_base
t
ball_base
)进行标定。示例性地，标定方法如下：通过标定靶座6对第一靶点12的球心进行标定。首先对第一靶点12球心在第五靶点14坐标系(基于第五靶点14建立的坐标系)的位置进行标定，在得到球心相对于第五靶点14坐标系的位置参数trans(x
t
,y
t
,z
t
)之后，即可借助标定靶座6完成静平台1上第五靶点14与第一靶点12的标定。其中，可利用最小二乘法求取第一靶点12球心在第五靶点14坐标系中的位置。标定靶座6在标定第一靶点12时进行旋转(通过其圆锥孔62套在相应第一靶点12上进行旋转)，标定靶座6上第七靶点61坐标系原点在球面附近进行运动，球面方程可以表示为：(x-x0)2 (y-y0)2 (z-z0)2＝r2，采用最小二乘法，即可获取相应第一靶点12的球心点(x0,y0,z0)和半径。在通过最小二乘法计算得到第一靶点12的球心在第五靶点14坐标系的坐标位置后，即可得到第一靶点12坐标系cf
ball_base
相对于第五靶点14坐标系cf
mark_base
的变换关系
mark_base
t
ball_base
。动平台2采用同样的方法进行标定，即完成了导航的注册的过程。
[0121]
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。