一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法及系统

1.本发明涉及机械臂应用技术领域，特别涉及一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法及系统。


背景技术：

2.在全髋关节置换术中，髋臼磨锉角度在全髋关节置换术中至关重要，为了保证关节假体结构的正确安放，需要根据术前规划的磨锉角度精准地进行磨锉髋臼。当采用机械臂通过手眼标定的方法对髋臼进行磨锉时，机械臂需要术中多次通过观测数据进行实时调整，手眼标定的精度会影响机械臂运动的精度，术前规划的磨锉的角度与实际上控制机械臂到达的角度可能存在一定的误差，在手术过程中较难实时地准确地判断髋臼磨锉的角度。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法及系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
4.本发明解决其技术问题的解决方案是：提供一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法及系统。
5.根据本发明的第一方面的实施例，提供了一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法，包括：建立机械臂对应的机械臂基坐标系和光学定位仪对应的光学系统坐标系，其中，机械臂的末端设有执行器和角度校准器，所述角度校准器平行安装于执行器上，位于光学定位仪的可视范围内；
6.获取规划的机械臂初始角度和第一角度增量，根据所述初始角度和第一角度增量，机械臂和光学定位仪通过角度校准器进行角度的手眼标定，并输出最优的手眼转换矩阵；
7.将所述机械臂和光学定位仪进行角度初始化，获取第二角度增量，根据所述最优的手眼转换矩阵，构建最优手眼转换关系；
8.根据所述第二角度增量和最优手眼转换关系，机械臂和光学定位仪进行角度校准，调节执行器的位姿，直至满足反馈调节条件，完成角度校准。
9.进一步，所述将所述机械臂和光学定位仪进行角度初始化具体包括：
10.将机械臂末端的执行器运动至所设的初始位姿；
11.将光学定位仪对角度校准器追踪定位，获取光学系统坐标系下的初始角度信息。
12.进一步，根据所述第二角度增量和最优手眼转换关系，机械臂和光学定位仪进行角度校准，调节执行器的位姿，直至满足反馈调节条件，完成角度校准具体包括：
13.根据所述第二角度增量，得到光学定位仪期望输出的第一角度信息，其中，所述第一角度信息为初始角度信息与第二角度增量的和；
14.将第一角度信息输入至最优手眼转换关系，求解得到角度校准器在机械臂基坐标
系下的理论角度信息；
15.根据所述理论角度信息，调节机械臂末端的执行器的位姿，光学定位仪对角度校准器追踪定位，得到第二角度信息；
16.根据所述第一角度信息和第二角度信息，得到角度差值，判断角度差值是否小于所设角度差阈值；
17.若是，则完成角度校准，输出所述第一角度信息，若否，则更新输入至最优手眼转换关系的角度信息，再次进行角度校准
18.进一步，所述更新输入至最优手眼转换关系的角度信息，再次进行角度校准具体包括：将所述第一角度信息加上角度差值得到第三角度信息，将所述第三角度信息输入至最优手眼转换关系中，再次进行角度校准。
19.进一步，所述获取规划的机械臂初始角度和第一角度增量，根据所述初始角度和第一角度增量，机械臂和光学定位仪通过角度校准器进行角度的手眼标定，并输出最优的手眼转换矩阵具体包括：
20.获取规划的机械臂初始角度和第一角度增量，根据所述初始角度和第一角度增量，控制机械臂末端的执行器转动；
21.在执行器转动过程中，获取所述角度校准器在光学系统坐标系下的若干个角度信息并采样形成第一角度对点集，以及在机械臂基坐标系下的若干个角度信息并采样形成第二角度对点集；
22.基于改进svd算法对所述第一角度对点集和第二角度对点集进行处理，得到手眼转换矩阵；
23.根据所述手眼转换矩阵，利用所述第一角度对点集进行反演得到角度校准器在机械臂坐标系下理论角度点集，以及通过所述第二角度对点集和理论角度点集进行误差计算，根据误差计算结果判断所述手眼转换矩阵是否为最优解；
24.若否，则根据所述误差计算结果对所述第一角度对点集和第二角度对点集进行更新，再返回重新计算新的手眼转换矩阵；
25.若是，则直接输出最优的手眼转换矩阵。
26.根据本发明的第二方面的实施例，提供了一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准系统，应用于本发明第一方面实施例的一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法,包括：光学定位仪、执行器、角度校准器和机械臂；
27.所述执行器安装于机械臂的末端，用于对髋臼进行磨锉，所述角度校准器安装于执行器上，与所述执行器平行，所述角度校准器位于所述光学定位仪的可视范围内；
28.所述光学定位仪用于对角度校准器进行追踪定位，获取所述角度校准器的角度信息，所述机械臂用于调节执行器的位姿。
29.进一步，所述角度校准器包括：三个标定球、固定支架和固定杆；
30.所述三个标定球均通过螺纹固定于固定支架的顶部，所述固定支架的底部通过固定杆与执行器连接，所述三个标定球均位于所述光学定位仪的可视范围内。
31.进一步，一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准系统还包括：三角固定架；所述三角固定架的顶部与光学定位仪的底部连接，所述三角固定架对光学定位仪进行固定支撑。
32.本发明的有益效果是：通过求取最优的手眼转换矩阵，构建最优的手眼转换关系，
再根据规划的第二角度增量调整执行器，在磨锉过程实时测量磨锉角度，并实时根据反馈误差调整执行器，进行角度校准。加入角度反馈调节，进一步提高髋臼磨锉角度精度，减少误差，本发明简单且有效地解决机械臂在术中自主调整角度至接近期望值的问题。同时避免现有机械臂需要术中多次通过观测数据实时调整的困难。
附图说明
33.图1是本发明一个实施例提供的一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法示意性流程图；
34.图2是本发明另一个实施例提供的一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法示意性流程图；
35.图3是本发明另一个实施例提供的一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法示意性流程图；
36.图4是本发明一个实施例提供的一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准系统的结构示意图；
37.图5是本发明另一个实施例提供的一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准系统的结构示意图。
38.附图标记：100、光学定位仪，200、执行器，300、角度校准器，310、标定球，320、固定支架，330、固定杆，400、机械臂，500、三角固定架。
具体实施方式
39.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，而不能理解为对本发明的限制。
40.需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以不同于系统中的模块划分或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。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。
41.本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义的理解，所属技术领域的技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明的具体含义。
42.参照图1，在本发明第一方面的一些实施例中，一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法包括以下步骤：
43.s100，建立机械臂对应的机械臂基坐标系和光学定位仪对应的光学系统坐标系，其中，机械臂的末端设有执行器和角度校准器，角度校准器平行安装于执行器上，位于光学定位仪的可视范围内；
44.在这一实施例中，机械臂与光学定位仪之间保持着一定的距离。机械臂的末端设有执行器和角度校准器，执行器用于对髋臼进行磨锉，角度校准器处于光学定位仪的可视范围内，角度校准器设计为非对称的结构，平行安装于执行器上。光学定位仪能够追踪定位角度校准器，获取角度校准器的角度信息，角度校准器包括：三个标定球、固定支架和固定
杆，由固定支架上的三个非对称的标定球来建立刚体坐标系，得到刚体的欧拉角数据，也就是说，光学定位仪能够追踪定位标定球，实时获取标定球的角度信息。由三个非线性的刚体标定球建立坐标系，随着执行器转动时，标定球受光学定位仪捕捉视野范围广。角度校准器平行安放在末端执行器上，结构简单，校准过程易操作实施，在光学定位系统下实时输出角度信息。
45.机械臂内置的控制器同样可以通过标定球的尺寸参数、固定支架的长度和固定杆的长度等刚体部件获取标定球在机械臂基坐标系下的角度值，通过刚体结构校准有助于提高校准工作的精度。
46.s200，获取规划的机械臂初始角度和第一角度增量，根据初始角度和第一角度增量，机械臂和光学定位仪通过角度校准器进行角度的手眼标定，并输出最优的手眼转换矩阵；
47.在这一实施例中，规划机械臂运动的初始角度和机械臂运动的第一角度增量。获取规划的初始角度和第一角度增量，外部的计算机对机械臂内置的控制器发送操作指令，控制机械臂末端的执行器从初始角度按照第一角度增量转动。例如：当机械臂末端的执行器运动至平行与水平面时，将此时的角度设置为初始角度，并通过外部的计算机对机械臂内置的控制器发送操作指令，让机械臂按照规划角度增量运动，根据执行器的转动过程，机械臂和光学定位仪通过角度校准器进行角度的手眼标定，输出最优的手眼转换矩阵。
48.s300，将机械臂和光学定位仪进行角度初始化，获取第二角度增量，根据最优的手眼转换矩阵，构建最优手眼转换关系；
49.在这一实施例中，当机械臂和光学定位仪完成角度的手眼标定之后，两者的位姿不变，根据此时的位姿，规划髋臼的磨锉角度，将机械臂和光学定位仪进行角度初始化，根据规划髋臼的磨锉角度，获取第二角度增量。通过s200中得到的最优的手眼转换矩阵，构建最优手眼转换关系。其中，手眼转换矩阵表示机械臂基坐标系和光学系统坐标系之间的转换关系，实际上是由旋转矩阵r和平移矩阵t构成的。根据最优的旋转矩阵r和平移矩阵t，构建最优的手眼转换关系bj＝ai×
r t。
50.s400，根据第二角度增量和最优手眼转换关系，机械臂和光学定位仪进行角度校准，调节执行器的位姿，直至满足反馈调节条件，完成角度校准。
51.在这一实施例中，根据得到的第二角度增量和最优手眼转换关系，机械臂和光学定位仪通过角度校准器进行角度校准，控制机械臂调节执行器的位姿，直至满足反馈调节条件，执行器不再发生调整，完成角度的校准。
52.机械臂末端的执行器完成角度标定后，结合光学定位仪实时追踪角度校准器，得到角度信息，根据第二角度增量，让执行器到达期望的磨锉角度并进行调整，在角度标定的前提下进一步提高精度，解决现有手动拖拽机械臂多次调整的复杂性。同时避免现有机械臂需要术中多次通过观测数据实时调整的困难。
53.参照图2，在本发明第一方面的一些实施例中，在s200，获取规划的机械臂初始角度和第一角度增量，根据初始角度和第一角度增量，机械臂和光学定位仪通过角度校准器进行角度的手眼标定，并输出最优的手眼转换矩阵具体包括：
54.s210，获取规划的机械臂初始角度和第一角度增量，根据初始角度和第一角度增量，控制机械臂末端的执行器转动；
55.在这一实施例中，规划机械臂的初始角度，外部的计算机对机械臂内置的控制器发送操作指令，控制机械臂末端的执行器从初始角度开始按照第一角度增量绕机械臂基座坐标系的x,y,z轴转动。例如：机械臂末端的执行器运动至平行与水平面时，将此时的角度设置为初始角度，并通过外部的计算机对机械臂内置的控制器发送操作指令，让机械臂末端的执行器在执行器的磨锉头位置不变下，按照第一角度增量绕机械臂基座坐标系的x,y,z轴转动。
56.s220，在执行器转动过程中，获取角度校准器在光学系统坐标系下的若干个角度信息并采样形成第一角度对点集，以及获取在机械臂基坐标系下的若干个角度信息并采样形成第二角度对点集；
57.在这一实施例中，在执行器转动过程中，获取此时角度校准器在光学系统坐标系下的若干个角度信息并采样形成第一角度对点集ai＝{a1,a2,
…
,ai}，以及获取在机械臂基坐标系下的若干个角度信息并采样形成第二角度对点集bi＝{b1,b2,
…
,bi}，其中，i＝1,2,...,n；n为本发明设置的采样的角度信息数量，n为正整数且n≥4。
58.s230，基于改进svd算法对第一角度对点集和第二角度对点集进行处理，得到手眼转换矩阵；
59.在这一实施例中，将第一角度对点集ai＝{a1,a2,
…
,ai}和第二角度对点集bi＝{b1,b2,
…
,bi}代入去中心化公式：
[0060][0061]
式中，pi为源对点集，pj为去中心化后的点集。将第一角度对点集ai＝{a1,a2,
…
,ai}代入去中心化公式，得到第一加权平均中心再通过第一加权平均中心和第一角度对点集ai＝{a1,a2,
…
,ai}得到第一角度标定点集aj＝{a1,a2,
…
,aj}；将第二角度对点集bi＝{b1,b2,
…
,bi}代入去中心化公式，得到第二加权平均中心再通过第二加权平均中心和第二角度对点集bi＝{b1,b2,
…
,bi}得到第二角度标定点集bj＝{b1,b2,
…
,bj}。
[0062]
基于改进svd算法，利用去中心化处理后数据进行求解，得到手眼转换矩阵，其中，手眼转换矩阵表征着机械臂基坐标系和光学系统坐标系之间的转换关系，实际上是由旋转矩阵r和平移矩阵t构成的。利用中心化处理后的数据，基于svd算法求解旋转矩阵r和平移矩阵t属于现有技术，在本实施例中不再赘述。
[0063]
s240，根据手眼转换矩阵，利用第一角度对点集进行反演得到角度校准器在机械臂坐标系下理论角度点集，以及通过第二角度对点集和理论角度点集进行误差计算，判断手眼转换矩阵是否为最优解；
[0064]
在这一实施例中，根据手眼转换矩阵，利用角度校准器在光学系统坐标系下的第一角度对点集ai＝{a1,a2,
…
,ai}进行反演得到角度校准器在机械臂坐标系下理论角度点集bj＝{b1,b2,
…
,bj}，通过第二角度对点集bi＝{b1,b2,
…
,bi}与理论角度点集bj＝{b1,b2,
…
,bj}进行误差计算，得到误差点集e，e＝b
j-bi，根据误差计算判断手眼转换矩阵是否为最优解，判断结果包括：若误差点集e中存在一个或者多个差值大于预设误差阈值β，则判断手眼转换矩阵并非为最优解，此时继续执行步骤s250；若误差点集e中所包含的所有差值
均小于等于预设误差阈值β，则判断手眼转换矩阵为最优解，此时跳转执行步骤s260。
[0065]
s250，若否，则根据误差计算结果对第一角度对点集和第二角度对点集进行更新，再返回重新计算新的手眼转换矩阵；
[0066]
在这一实施例中，从误差点集e筛选出不合格的差值，不合格的差值为大于所预设误差阈值β，将第一角度对点集和第二角度对点集中有不合格的差值有关系的角度值删除，完成更新，利用更新后的第一角度对点集和第二角度对点集，再返回重新计算新的手眼转换矩阵。
[0067]
s260，若是，则直接输出最优的手眼转换矩阵。
[0068]
通过采集多组在光学定位仪和机械臂基座坐标系下的角度样本点。在传统svd算法中加入误差阈值筛选进行手眼转换矩阵的运算，进行角度的手眼标定，提高初校准精度，再通过角度反馈，进一步提高角度校准执行精度。解决现有手动拖拽机械臂多次调整的复杂性。同时避免现有机械臂需要术中多次通过观测数据实时调整的困难。
[0069]
参照图3，在本发明第一方面的一些实施例中，在s300中，将机械臂和光学定位仪进行角度初始化具体包括：
[0070]
s310，将机械臂末端的执行器运动至所设的初始位姿；
[0071]
在这一实施例中，当机械臂和光学定位仪完成角度的手眼标定之后，两者的位姿不变，根据此时的位姿，规划髋臼的磨锉角度。机械臂自主运动，使得机械臂末端的执行器运动至规划好的初始位姿处。完成机械臂的角度初始化。
[0072]
s320，将光学定位仪对角度校准器追踪定位，获取光学系统坐标系下的初始角度信息。
[0073]
在这一实施例中，执行器已经运动至初始位姿，光学定位仪对角度校准器进行追踪定位，获取在光学系统坐标系下角度校准器的初始角度信息a0。完成光学定位仪的角度初始化。
[0074]
参照图3，在本发明第一方面的一些实施例中，在s400中，根据第二角度增量和最优手眼转换关系，机械臂和光学定位仪进行角度校准，调节执行器的位姿，直至满足反馈调节条件，完成角度校准具体包括：
[0075]
s410，根据第二角度增量，得到光学定位仪期望输出的第一角度信息，其中，第一角度信息为初始角度信息与第二角度增量的和；
[0076]
在这一实施例中，当根据规划的第二角度增量s，执行器运动后，光学定位仪对角度校准器进行追踪定位，预计输出第一角度信息a1，其中，第一角度信息a1为初始角度信息与第二角度增量的和，a1＝a0 s。
[0077]
例如：初始角度信息a0为磨锉前倾角15
°
和磨锉外展角35
°
，医生规划第二增量s为磨锉前倾角增加3
°
，磨锉外展角增加2
°
，则预计光学定位仪在执行器运动后，对角度校准器进行追踪定位，输出的第一角度信息a1为磨锉前倾角18
°
和磨锉外展角37
°
。
[0078]
s420，将第一角度信息输入至最优手眼转换关系，求解得到角度校准器在机械臂基坐标系下的理论角度信息；
[0079]
在这一实施例中，将预计得到的第一角度信息a1输入至最优手眼转换关系中，其中，最优手眼转换关系为：
[0080]bj
＝ai×
r t，
[0081]
式中，bj为角度校准器在机械臂基坐标系下理论角度点集bj＝{b1,b2,
…
,bj}，ai为角度校准器在光学系统坐标系下的第一角度对点集ai＝{a1,a2,
…
,ai}，r为最优的旋转矩阵，t为最优的平移矩阵，通过最优手眼转换关系将第一角度信息a1转换至机械臂基坐标系进行表示，得到理论角度信息b1，即求解得到在机械臂基坐标系下角度校准器理论到达的理论角度信息b1。
[0082]
s430，根据理论角度信息，调节机械臂末端的执行器的位姿，光学定位仪对角度校准器追踪定位，得到第二角度信息；
[0083]
在这一实施例中，根据理论角度信息b1，调节机械臂末端的执行器的位姿，使得执行器上到达理论角度信息b1对应的位姿，即角度校准器在机械臂基坐标系下的角度信息为理论角度信息b1。当机械臂末端的执行器位姿调整后，光学定位仪对角度校准器追踪定位，获取角度校准器在光学坐标系下的第二角度信息a2。
[0084]
s440，根据第一角度信息和第二角度信息，得到角度差值，判断角度差值是否小于所设角度差阈值；
[0085]
在这一实施例中，对第一角度信息a1和第二角度信息a2进行差值计算，得到角度差值e，其中，角度差值e为在光学坐标系下角度校准器预计到达的第一角度信息a1与实际到达的第二角度信息a2之间的角度值。将角度差值e与所设角度差阈值α进行对比，判断角度差值e是否小于技术人员所设定的预设角度差阈值α。
[0086]
例如：当预计角度校准器在光学坐标系下到达的第一角度信息a1为磨锉前倾角18
°
和磨锉外展角37
°
时，执行器根据第二增量s调整位姿，使得角度校准器在光学坐标系下到达的第二角度信息a2为磨锉前倾角17
°
和磨锉外展角36
°
，则角度差值e包括前倾角差1
°
和外展角差1
°
，与技术人员所设定的预设角度差阈值α作对比，判断此时的角度差值e是否小于技术人员所设定的预设角度差阈值α。
[0087]
s450，若是，则完成角度校准，输出第一角度信息，若否，则更新输入至最优手眼转换关系的角度信息，再次进行角度校准。
[0088]
在这一实施例中，相应的判断结果包括：当角度差值e小于技术人员所设定的预设角度差阈值α时，则认为角度校准完成，将第一角度信息a1输出至外部计算机中；当角度差值e大于技术人员所设定的预设角度差阈值α时，则认为角度校准未完成，角度校准器在光学坐标系下角度校准器预计到达的第一角度信息a1与实际到达的第二角度信息a2之间的角度值差距较大，此时假体植入容易给患者造成影响。因此，更新输入至最优手眼转换关系的角度信息，再次进行角度校准。
[0089]
在这一实施例中，更新输入至最优手眼转换关系的角度信息，再次进行角度校准具体包括：将第一角度信息加上角度差值得到第三角度信息，将第三角度信息输入至最优手眼转换关系中。也就是说，将第一角度信息a1加上角度差值e更新得到第三角度信息a3，将第三角度信息a3输入至最优手眼转换关系的角度信息，再次进行角度校准。
[0090]
机械臂的末端执行器完成角度标定后，医生规划手术进刀角度，根据期望输入的角度信息通过角度手眼转换计算，可得到机械臂理论到达的角度信息。当机械臂调节机械臂末端的执行器的位姿后，即可完成粗校准，结合光学定位仪实时追踪角度校准器实时输出的实际角度信息，通过实际角度信息与期望输入的角度信息进一步验证误差，若两者的误差超出技术人员所设定的预设角度差阈值，自动地反馈调节输入角度信息，满足要求为
止。在手术中加入角度反馈，进一步提高角度校准执行精度，减少手术中执行调整角度至实时观测合理角度范围内，缩短手术时间。
[0091]
参照图4和图5，根据本发明的第二方面的实施例，提供了一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准系统，应用于本发明第一方面实施例的一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法,一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准系统包括：光学定位仪100、执行器200、角度校准器300和机械臂400。执行器200安装于机械臂400的末端，执行器200用于对髋臼进行磨锉，角度校准器300安装于执行器200上，角度校准器300与执行器200平行，角度校准器300位于光学定位仪100的可视范围内。光学定位仪100用于对角度校准器300进行追踪定位，获取角度校准器300的角度信息，其中，光学定位仪100采用的是双目红外光学定位技术。机械臂400用于调节执行器200的位姿。机械臂400与光学定位仪100之间保持着一定的距离，满足角度校准器300在光学定位仪100的可视范围内。本系统采用光学定位仪100在手术中实时追踪角度校准器300上的标记点，并输出对应的角度信息，与现有技术相比，操作较为高效。
[0092]
参照图4，根据本发明的第二方面中的一些实施例，角度校准器300包括：三个标定球310、固定支架320和固定杆330。三个标定球310均通过螺纹固定于固定支架320的顶部，固定支架320的底部通过固定杆330与执行器200连接，三个标定球310均位于光学定位仪100的可视范围内。角度校准器300设计为非对称的结构，平行安装于执行器200上。由固定支架320上的三个非对称的标定球310来建立刚体坐标系，得到刚体的欧拉角数据，也就是说，光学定位仪100能够追踪定位标定球310，实时获取标定球310的角度信息。由三个非线性的刚体标定球310建立坐标系，随着执行器200转动时，标定球310受光学定位仪100捕捉视野范围广，可有效避免因转动不同的角度容易引起的光学定位重叠造成对工具追踪效果的影响，而且该结构拆装的方式简单实用，校准过程易操作实施，在光学定位系统下实时输出角度信息。角度校准器300设计、加工成本较低，且标定球310拓展可调性强。
[0093]
参照图5，根据本发明的第二方面中的一些实施例，一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准系统还包括：三角固定架500；三角固定架500的顶部与光学定位仪100的底部连接，三角固定架500对光学定位仪100进行固定支撑。在本实施例中，还可以通过调节三角固定架500的高度，使得角度校准器300落入光学定位仪100的可视范围内。
[0094]
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。