一种机械臂姿态误差补偿方法、装置、设备及存储介质与流程

1.本发明涉及医疗技术领域，具体涉及一种机械臂姿态误差补偿方法、装置、设备及存储介质。


背景技术：

2.现有基于机械臂的关节置换手术大多包含机器人系统及视觉系统两大部分，且在进行作业之前均需要进行系统的标定，主要包括：相机标定、机器人标定、机器人与相机相对位置标定。其中鉴于导航相机精度较高，往往不进行相机标定，而针对机器人的标定结果往往存在误差。
3.目前常用的机械臂姿态补偿方法大多通过装置操纵机械臂运动，并记录对应机械臂实际运动的前后关节角度值，从而计算出运动过程中的偏差并记录。
4.专利号为cn107263469a的专利提供了一种机械臂姿态补偿方法，该方法提供牵引所述操纵部件控制机械臂运动的过程中，实时检测关节运动角度，根据运动角度修正机械臂坐标系和操纵部件坐标系之间的对应关系，这种通过装置控制机械臂运动的方法在实际操作时较为繁琐，不可能在术中随时随地地进行补偿操作，且在测量机械臂运动的实际角度时也易引入误差。另外该方法只能补偿机械臂末端法兰的位姿误差，当在法兰上安装实际手术所需的末端工具时，并不能补偿在末端工具坐标系中的位姿误差。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述背景技术中描述的现有技术的缺点，提供一种机械臂姿态误差补偿方法、装置、设备及存储介质。本发明通过对机械臂末端工具标定、机械臂与导航相机相对位置标定后引入的误差导致的机械臂末端工具位姿误差进行补偿，能够使机械臂更加精准地运动到手术规划给定的目标位姿。
6.本发明通过以下技术方案予以实现：第一方面，本发明提供一种机械臂姿态误差补偿方法，包括以下步骤：进行机械臂末端工具标定、机械臂与导航相机相对位置标定；通过探针采集末端工具特征点在机械臂法兰坐标系下的位姿；计算标定引入的误差值，并将所述误差值转移到法兰坐标系，补偿到末端工具在机械臂坐标系下的标定结果中。
7.进一步地，所述进行机械臂末端工具标定、机械臂与导航相机相对位置标定，包括：对安装在机械臂法兰的末端工具进行标定，得到所述末端工具在机械臂法兰坐标系中的位姿；以手眼标定的方法标定机械臂基座在导航相机坐标系下的位姿；为机械臂所在台车安装能被所述导航相机识别的反光阵列；得到机械臂基座在机械臂台车坐标系下的位姿。
8.进一步地，所述通过探针采集末端工具特征点在机械臂法兰坐标系下的位姿，包括：将带有反光阵列的探针注册在所述导航相机下；使用所述探针在所述机械臂末端工具上按照预先规定的路径进行位姿采集，得到末端工具特征点在导航相机坐标系下的位姿；记录对应的台车阵列在导航相机坐标系下的位姿以及法兰在机械臂基座坐标系下的位姿。
9.进一步地，所述计算标定引入的误差值，并将所述误差值转移到法兰坐标系，补偿到末端工具在机械臂坐标系下的标定结果中，包括：通过机械臂标定后得到的所述末端工具在法兰坐标系下的位姿、记录得到的法兰在机械臂基座坐标系下的位姿，以及所述机械臂与所述导航相机标定后得到的机械臂基座在台车阵列坐标系下的位姿、记录得到的所述台车阵列在导航相机坐标系下的位姿，计算得到在机械臂系统中当前末端在导航相机坐标系下的位姿；通过记录的探针采集数据、预先给定的采集路径在所述末端工具中的机械加工参数，得到实际导航相机系统中的机械臂末端在导航相机坐标系下的位姿；计算得到两者的偏移值；将所述偏移值转移到法兰坐标系，并补偿到所述末端工具在机械臂坐标系下的标定结果中。
10.第二方面，本发明提供了一种机械臂姿态误差补偿装置，该装置包括：标定模块，用于机械臂末端工具标定、机械臂与导航相机相对位置标定；采集数据模块，用于通过探针采集末端工具特征点在机械臂法兰坐标系下的位姿；误差补偿模块，用于计算标定引入的误差值，并将所述误差值转移到法兰坐标系，补偿到末端工具在机械臂坐标系下的标定结果中。
11.第三方面，本发明提供了一种机械臂姿态误差补偿设备，所述设备包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序指令，其中，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序指令，以实现上述所述的机械臂姿态误差补偿方法。
12.第四方面，本发明还提供一种机械臂姿态误差补偿存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述所述的机械臂姿态误差补偿方法。
13.本发明提供的机械臂姿态误差补偿方法通过使用探针采集末端工具上的特征路径，对末端工具在机械臂系统中的标定结果进行补偿，从而得到更为精准的标定结果，使得手术结果最大程度的符合规划方案。同时本发明提供的方法无需借助其他第三方工具，节约成本，且便捷快速，无需花费大量的时间，可在术中实时进行，实时反馈，故可在评估补偿结果后判断是否需要多次补偿，另外本发明所述补偿方法更依赖于导航相机的数据，相对于机械臂数据及机械臂加工参数有着更高的精度。
附图说明
14.下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。
15.图1是本发明实施例提供的机械臂姿态误差补偿方法流程示意图；图2是本发明实施例提供的机械臂姿态误差补偿装置示意图；图3是本发明实施例提供的一种计算设备的结构示意图。
具体实施方式
16.下面将详细描述本公开的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本公开 的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本公开进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本公开， 而不是限定本公开。对于本领域技术人员来说，本公开可以在不需要这些具体 细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本 公开的示例来提供对本公开更好的理解。
17.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将 一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些 实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
18.为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
19.图1是本发明实施例提供的机械臂姿态误差补偿方法流程示意图。
20.如图1所示，本发明提供了一种机械臂姿态误差补偿方法，包括以下步骤：s101，进行机械臂末端工具标定、机械臂与导航相机相对位置标定；s102，通过探针采集末端工具特征点在机械臂法兰坐标系下的位姿；s103，计算标定引入的误差值，并将所述误差值转移到法兰坐标系，补偿到末端工具在机械臂坐标系下的标定结果中。
21.作为一种可选的实施方式，s101中所述进行机械臂末端工具标定、机械臂与导航相机相对位置标定，包括：对安装在机械臂法兰的末端工具进行标定，得到所述末端工具在机械臂法兰坐标系中的位姿；以手眼标定的方法标定机械臂基座在导航相机坐标系下的位姿；为机械臂所在台车安装能被所述导航相机识别的反光阵列；得到机械臂基座在机械臂台车坐标系下的位姿。
22.作为一种可选的实施方式，s102中所述通过探针采集末端工具特征点在机械臂法兰坐标系下的位姿，包括：将带有反光阵列的探针注册在所述导航相机下；使用所述探针在所述机械臂末端工具上按照预先规定的路径进行位姿采集，得到末端工具特征点在导航相机坐标系下的位姿；记录对应的台车阵列在导航相机坐标系下的位姿以及法兰在机械臂基座坐标系
下的位姿。
23.作为一种可选的实施方式，s103中所述计算标定引入的误差值，并将所述误差值转移到法兰坐标系，补偿到末端工具在机械臂坐标系下的标定结果中，包括：通过机械臂标定后得到的所述末端工具在法兰坐标系下的位姿、记录得到的法兰在机械臂基座坐标系下的位姿，以及所述机械臂与所述导航相机标定后得到的机械臂基座在台车阵列坐标系下的位姿、记录得到的所述台车阵列在导航相机坐标系下的位姿，计算得到在机械臂系统中当前末端在导航相机坐标系下的位姿；通过记录的探针采集数据、预先给定的采集路径在所述末端工具中的机械加工参数，得到实际导航相机系统中的机械臂末端在导航相机坐标系下的位姿；计算得到两者的偏移值；将所述偏移值转移到法兰坐标系，并补偿到所述末端工具在机械臂坐标系下的标定结果中。
24.图2是本发明实施例提供的机械臂姿态误差补偿装置示意图，如图2所示，该装置包括：标定模块201，用于机械臂末端工具标定、机械臂与导航相机相对位置标定；采集数据模块202，用于通过探针采集末端工具特征点在机械臂法兰坐标系下的位姿；误差补偿模块203，用于计算标定引入的误差值，并将所述误差值转移到法兰坐标系，补偿到末端工具在机械臂坐标系下的标定结果中。
25.图2所示装置中的各个模块/单元具有实现图1中各个步骤的功能，并能达到其相应的技术效果，为简洁描述，在此不再赘述。
26.如图3所示，本发明还提供了一种机械臂姿态误差补偿设备，所述设备包括：处理器301、存储器302以及存储在所述存储器302中并可在所述处理器301上运行的计算机程序指令，其中，所述处理器301用于执行所述存储器302中存储的计算机程序指令，以实现上述所述的机械臂姿态误差补偿方法。
27.具体地，上述处理器301可以包括中央处理器(central processing unit，cpu)，或者特定集成电路(application specific integrated circuit，asic)，或者可以被配置成实施本发明的一个或多个集成电路。
28.存储器302可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器可包括硬盘驱动器(hard disk drive，hdd)、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(universal serial bus，usb)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。
29.在一个实例中，存储器302可以包括可移除或不可移除(或固定)的介质，或者存储器是非易失性固态存储器。存储器可在综合网关容灾设备的内部或外部。
30.在一个实例中，存储器302可以是只读存储器(read only memory，rom)。在一个实例中，该rom可以是掩模编程的rom、可编程rom(prom)、可擦除prom(eprom)、电可擦除prom(eeprom)、电可改写rom(earom) 或闪存或者两个或更多个以上这些的组合。
31.在一个实例中，存储器302可以包括只读存储器(rom)，随机存取存储器(ram)，磁盘存储介质设备，光存储介质设备，闪存设备，电气、光学或其他物理/有形的存储器存储设备。因此，通常，存储器包括一个或多个编码有包括计算机可执行指令的软件的有形(非暂
态)计算机可读存储介质(例如，存储器设备)，并且当该软件被执行(例如，由一个或多个处理器)时，其可操作来执行参考根据本公开的一方面的方法所描述的操作。
32.处理器301通过读取并执行存储器302中存储的计算机程序指令，以实现图1所示实施例中的方法/步骤，并能达到其相应的技术效果，为简洁描述在此不再赘述。
33.在一个实施例中，计算设备还可包括通信接口303和总线304。如图3所示，处理器301、存储器302、通信接口303通过总线304连接并完成相互间的通信。
34.通信接口303，主要用于实现本发明中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。
35.总线304包括硬件、软件或两者，将在线数据流量计费设备的部件彼此耦接在一起。举例来说而非限制，总线可包括加速图形端口(accelerated graphics port，agp)或其他图形总线、增强工业标准架构(extended industry standard architecture，eisa)总线、前端总线(front side bus，fsb)、超传输(hyper transport，ht)互连、工业标准架构(industry standard architecture，isa)总线、无限带宽互连、低引脚数(lpc)总线、存储器总线、微信道架构(mca) 总线、外围组件互连(pci)总线、pci-express(pci-x)总线、串行高级技术附件(sata)总线、视频电子标准协会局部(vlb)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线可包括一个或多个总线。尽管本发明描述和示出了特定的总线，但本公开考虑任何合适的总线或互连。
36.另外，结合上述实施例中所述机械臂姿态误差补偿方法，本发明还提供了一种计算机存储介质来实现。所述计算机存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器301执行时实现上述所述的机械臂姿态误差补偿方法。
37.本发明实施例提供的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于：电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
38.本发明提供的机械臂姿态误差补偿方法通过使用探针采集末端工具上的特征路径，对末端工具在机械臂系统中的标定结果进行补偿，从而得到更为精准的标定结果，使得手术结果最大程度的符合规划方案。同时本发明提供的方法无需借助其他第三方工具，节约成本，且便捷快速，无需花费大量的时间，可在术中实时进行，实时反馈，故可在评估补偿结果后判断是否需要多次补偿，另外本发明所述补偿方法更依赖于导航相机的数据，相对于机械臂数据及机械臂加工参数有着更高的精度。
39.需要明确的是，本公开并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和 处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中， 描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本公开的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本公开的精神后，做出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
40.以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它 们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路 (application specificintegrated circuit，asic)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本公开的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。相关技术人员可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如java、smalltalk、c ，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。另外程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。机器可读介质可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、rom、闪存、可擦除rom(erom)、软盘、cd-rom、光盘、硬盘、光纤介质、射频(radio frequency，rf)链路，等等。
41.上面参考根据本公开的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各方面。应当理解，流程图和/或框图中的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可被提供给通用计算机、专用计算机、或其它可编程数据处理装置的处理器，以产生一种机器，使得经由计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行的这些指令使能对流程图和/或框图的一个或多个方框中指定的功能/动作的实现。这种处理器可以是但不限于是通用处理器、专用处理器、特殊应用处理器或者现场可编程逻辑电路。还可理解，框图和/或流程图中的每个方框以及框图和/或流程图中的方框的组合，也可以由执行指定的功能或动作的专用硬件来实现，或可由专用硬件和计算机指令的组合来实现。
42.以上所述，仅为本公开的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地 了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过 程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本公开的保护范围之内。