CN112618017B - 导航手术***、计算机可读存储介质及电子设备 - Google Patents

导航手术***、计算机可读存储介质及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种导航手术***、计算机可读存储介质及电子设备，包括通信连接的机器人***、导航***和控制单元，机器人***包括机械臂，机器人***具有在机械臂上的机器人坐标系；导航***包括导航跟踪设备和骨靶标，导航***具有能够被导航跟踪设备识别的基坐标系和校验靶标坐标系；基坐标系与机器人坐标系具有预定的第一转换关系，校验靶标坐标系与基坐标系之间具有预定的第二转换关系；控制单元识别校验靶标坐标系，根据骨靶标的坐标系确定机械臂处于预期位姿时机械臂在校验靶标坐标系下的位置；根据机械臂在校验靶标坐标系下的位置、第二转换关系及第一转换关系得到机械臂在机器人***坐标系下的期望位置，确保手术精度，扩大术中操作空间。

Description

导航手术***、计算机可读存储介质及电子设备
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种导航手术***计算机可读存储介质及电子设备。
背景技术
膝关节骨性关节炎是一种常见骨科疾病，临床主要表现为膝关节肿痛、肿胀、僵硬等。膝关节骨性关节炎的诱因较多，患者若不能得到及时有效的医治，易引发肌肉萎缩、膝关节畸形等一系列并发症，严重影响患者的身心健康及生活质量。全膝关节置换术(totalknee arthroplasty，TKA)是目前治疗晚期膝关节骨性关节炎最有效的手段，其可以缓解患者的膝关节疼痛、恢复膝关节活动度，极大地改善患者的术后生活质量。
现有技术中，通常采用骨科手术机器人***进行全膝关节置换术，并利用工具靶标、基座靶标等多个靶标来确定手术机器人与导航***之间的坐标系关系，但仍存在机器人之机械臂在术中定位不准确的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导航手术***、计算机可读存储介质及电子设备，旨在提高术中机器人***之机械臂的定位准确性，进而提升手术精度。
为实现上述目的，本发明提供的一种导航手术***，其特征在于，包括通信连接的机器人***、导航***和控制单元，其中；
所述机器人***包括机械臂，且所述机器人***具有限定在所述机械臂上的机器人坐标系；
所述导航***包括导航跟踪设备和骨靶标，所述骨靶标用于设置在患者身体上的指定位置，且所述导航***具有能够被所述导航跟踪设备所识别的基坐标系和校验靶标坐标系；所述基坐标系与所述机器人坐标系具有预定的第一转换关系，所述校验靶标坐标系与所述基坐标系之间具有预定的第二转换关系；
所述控制单元被配置为：接收所述校验靶标坐标系，并根据所述骨靶标的坐标系确定当所述机械臂处于预期位姿时，所述机械臂在所述校验靶标坐标系下的位置；根据所述机械臂在所述校验靶标坐标系下的位置、所述第二转换关系及所述第一转换关系，得到所述机械臂在所述机器人***坐标系下的期望位置。
可选地，所述导航***还包括基座靶标和校验靶标，所述基座靶标用于构建所述基坐标系，所述校验靶标用于构建所述校验靶标坐标系；
所述基座靶标与所述校验靶标分别固定在不同位置处，且所述校验靶标较所述基座靶标距离用于承载患者的支撑装置更近；和/或，
所述校验靶标的体积较所述基座靶标的体积更小。
可选地，所述控制单元还被配置为：识别所述基座靶标，并根据所述骨靶标的坐标系确定当所述机械臂处于所述预期位姿时所述机械臂在所述基坐标系下的位置，且根据所述机械臂在所述基坐标系下的位置和所述第一转换关系得到所述机械臂在所述机器人坐标系下的所述期望位置。
可选地，所述导航***还包括工具靶标，用于设置在所述机械臂的末端所挂载的末端工具上；
所述控制单元被配置为：驱使所述机械臂运动，同时识别所述工具靶标，并判断所述机械臂是否抵达所述期望位置。
可选地，所述导航跟踪设备为光学跟踪设备。
可选地，所述导航跟踪设备用于跟踪所述机械臂的末端在空间中的位置；所述控制单元根据所述机械臂的末端在空间中的位置对所述机械臂执行运动学模型标定，并根据标定后的所述机械臂的模型获取所述基坐标系与机器人坐标系之间的所述第一转换关系。
为实现上述目的，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，当所述程序被执行时，所述程序执行如下步骤：
在机械臂上建立机器人坐标系，以及在导航手术***中建立能够被导航跟踪设备识别的基坐标系和校验靶标坐标系；其中，所述基坐标系与所述机器人坐标系之间具有预定的第一转换关系，所述校验靶标坐标系与所述基坐标系之间具有预定的第二转换关系；
识别所述校验靶标坐标系，并根据设置在患者身体上的骨靶标的坐标系确定当所述机械臂处于预期位姿时，所述机械臂在所述校验靶标坐标系下的位置；根据所述第二转换关系及所述第一转换关系，将所述机械臂在所述校验靶标坐标系下的位置转换为在所述机械臂在所述机器人坐标系下的期望位置。
可选地，所述程序还执行如下步骤：
识别所述基坐标系，并根据所述骨靶标的坐标系确定当所述机械臂处于所述预期位姿时所述机械臂在所述基坐标系下的位置；
根据所述第一转换关系，将所述机械臂在所述基坐标系下的位置转换为所述机械臂在所述机器人坐标系下的所述期望位置。
可选地，所述程序还执行如下步骤：根据所述机械臂的末端在空间中的位置对所述机械臂执行运动学模型标定，并根据标定后的所述机械臂的模型获取所述基坐标系与机器人坐标系之间的所述第一转换关系。
可选地，所述机械臂的末端挂载有末端工具，所述末端工具上设有工具靶标；
所述程序还执行如下步骤：驱使所述机械臂运动，同时识别所述工具靶标，并判断所述机械臂是否抵达所述预期位置。
为实现上述目的，本发明还提供了一种电子产品，包括处理器和如前任一项所述的计算机可读存储介质，所述处理器用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。
与现有技术相比，本发明的导航手术***、计算机可读存储介质及电子产品具有如下优点：
第一、前述的导航手术***包括通信连接的机器人***、导航***和控制单元，其中；所述机器人***包括机械臂，且所述机器人***具有限定在所述机械臂上的机器人坐标系；所述导航***包括导航跟踪设备和骨靶标，所述骨靶标用于设置在患者身体上的指定位置，且所述导航***具有能够被所述导航跟踪设备所识别的基坐标系和校验靶标坐标系；所述基坐标系与所述机器人坐标系具有预定的第一转换关系，所述校验靶标坐标系与所述基坐标系之间具有预定的第二转换关系；所述控制单元被配置为：识别所述校验靶标坐标系，并根据所述骨靶标的坐标系确定当所述机械臂处于预期位姿时，所述机械臂在所述校验靶标坐标系下的位置；根据所述机械臂在所述校验靶标坐标系下的位置、所述第二转换关系及所述第一转换关系，得到所述机械臂在所述机器人***坐标系下的期望位置。利用校验靶标坐标系进行定位，避免基坐标系术中失效而引起定位不准的问题，有效保障机械臂的定位精度。而且，利用所述校验靶标进行定位，还可扩大实际手术中医生的操作空间，减少术中干扰，提高手术便利性；
第二、实际手术时，可根据实际情况选用多种定位方式，以进行冗余校对，确保所述机械臂的定位准确性；在利用机械臂在校验靶标坐标系下的位置和所述工具靶标的位置进行数据融合的方式进行定位，或利用所述机械臂在所述基坐标系下的位置和所述工具靶标的位置进行数据融合的方式进行定位，可进一步提高机械臂的定位精度。
附图说明
附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是本发明根据一实施例所提供的导航手术***的结构示意图；
图2是本发明根据一实施例所提供的导航手术***的结构示意图，图示中的虚线框表示机械臂注册时的虚拟边框；
图3是本发明根据一实施例所提供的导航手术***在进行机械臂注册时的整体流程图；
图4是本发明根据一实施例所提供的导航手术***在进行机械臂注册时的详细流程图；
图5是本发明根据第一实施例所提供的导航手术***在进行机械臂的定位时的示意图；
图6是本发明根据第一实施例所提供的导航手术***在进行机械臂的定位时的流程图；
图7是本发明根据第二实施例所提供的导航手术***在进行机械臂的定位时的示意图；
图8是本发明根据第二实施例所提供的导航手术***在进行机械臂的定位时的流程图；
图9是本发明根据第三实施例所提供的导航手术***在进行机械臂的定位时的示意图；
图10是本发明根据第三实施例所提供的导航手术***在进行机械臂的定位时的流程图；
图11是本发明根据第四实施例所提供的导航手术***在进行机械臂的定位时的示意图；
图12是本发明根据第四实施例所提供的导航手术***在进行机械臂的定位时的流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，以下说明内容的各个实施例分别具有一或多个技术特征，然此并不意味着使用本发明者必需同时实施任一实施例中的所有技术特征，或仅能分开实施不同实施例中的一部或全部技术特征。换句话说，在实施为可能的前提下，本领域技术人员可依据本发明的公开内容，并视设计规范或实作需求，选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地实施多个实施例中部分或全部的技术特征的组合，借此增加本发明实施时的弹性。
如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，复数形式“多个”包括两个以上的对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外，以及术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
图1示出了一实施例所提供的导航手术***的结构示意图。如图1所示，所述导航手术***包括通信连接的机器人***、导航***和控制单元。所述机器人***包括机械臂110，且所述机器人***具有限定在所述机械臂110上的机器人坐标系。所述导航***包括导航跟踪设备210，所述导航***具有能够被所述导航跟踪设备210所识别的基坐标系。所述导航手术***被配置为：所述导航跟踪设备210跟踪所述机械臂110的末端在空间中的位置；所述控制单元根据所述机械臂110的末端在空间中的位置对所述机械臂110执行运动学模型标定，并根据标定后的所述机械臂110的模型获取所述基坐标系与所述机器人坐标系之间的第一转换关系。
换言之，本发明实施例在对所述机械臂110进行注册(获取所述基坐标系与所述机器人坐标系之间的转换关系)时，先对所述机械臂110进行运动学模型标定，以提高所述机械臂110的绝对定位精度，从而可获取更为准确的所述第一转换关系，有利于在术中达到更高的定位准确性，进而提高截骨精度，本实施例中，在对机械臂执行运动学模型标定后，可使得截骨面的位置精度提高至1.5mm以内，截骨面角度的偏差减小至小于1°。
请继续参考图1，本领域技术人员应知晓，所述导航***还包括导航台车220，所述导航跟踪设备210直接固定在所述导航台车220上。所述导航台车220上还可以设置人机交互接口设备，例如显示器，用于为施术者提供手术期间使用的图像。不仅如此，所述导航***还包括多个能够被所述导航跟踪设备210所识别的靶标。较佳地，所述导航跟踪设备210可为光学跟踪设备，例如ND I光学定位仪，相比于其他导航跟踪设备，其测量精度高，可有效提高所述机械臂110的定位精度。与之相应地，所述靶标为光学靶标，例如球形反光标记或贴纸型反光标记等。所述控制单元设置在所述导航台车220上的控制器内。
多个所述靶标包括基座靶标230和工具靶标240。其中，所述基座靶标230用于构建所述基坐标系，所述基座靶标230可以设置在所述机器人***的基座上，或设置在其他任意合适固定的位置，本领域技术人员知晓如何根据所述基座靶标230构建所述基坐标系。所述工具靶标240用于设置在所述机械臂110末端所挂载的末端工具101上，这样做使得所述导航跟踪设备210可通过识别所述工具靶标240来跟踪所述机械臂110的末端在空间中的位置。
所述导航手术***可用于执行相应的手术操作，例如膝关节置换术。应知晓，当所述导航手术***用于膝关节置换术时，所述末端工具101是针对关节外科的手术工具，在此，所述导航***还包括骨靶标250，用于设置在患者身体上的指定位置例如股骨和/或胫骨上，用于构建骨靶标坐标系，且所述骨靶标坐标系与所述基坐标系之间具有预定的第三转换关系。需要说明的是，所述导航手术***还可用于其他手术，此时，所述末端工具101应视具体的手术类型选择。
利用所述导航手术***行膝关节置换术时大致包括如下操作：
首先，将所述机械臂110及所述导航台车移动至病床旁边的合适位置。
然后，安装所述基座靶标230、所述工具靶标240及所述骨靶标250(根据实际需要还安装后文中述及的校验靶标260)、末端工具101(具体是截骨工具，例如摆锯、钻孔工具)以及其他相关部件例如无菌袋。
之后，施术者将患者的骨头CT/MR扫描模型导入所述控制单元进行术前规划，得到截骨方案，该截骨方案例如包括截骨平面坐标、假体的型号以及假体的安装方位等信息。具体地，根据CT/MR扫描得到的患者膝关节影像数据，创建三维膝关节数字模型，进而根据三维膝关节数字模型创建截骨方案，以便施术者根据截骨方案进行术前评估。更具体地，基于三维膝关节数字模型，并结合得到的假体的尺寸规划以及截骨板的安装位置等确定截骨方案。其中，所述三维膝关节数字模型可通过所述显示器显示。
接着，施术者使用靶标笔在患者的骨头上标定特征点(例如，施术者于患者的骨头表面上标定多个股骨解剖特征点)，并通过所述导航跟踪设备210以所述骨靶标250为基准，记录患者骨头上所有特征点的位置，并将所有所述特征点的位置信息发送至所述控制单元，然后所述控制单元通过特征匹配算法得到骨头的实际方位，并与骨头的CT/MR扫描图像方位配准，得到CT/MR扫描图像三维重建后的坐标系与所述骨靶标坐标系之间的转换关系(即转换矩阵)，所述控制单元可根据该转换关系规划各个截骨平面在所述骨靶标坐标系下的位置。
随后，所述控制单元可对所述机械臂110进行注册(即对所述机械臂110进行运动学模型标定及获取所述基坐标系和所述机器人坐标系之间的关系)，并对所述机械臂110进行空间的定位。
最后，利用所述导航手术***的所述机器人***执行截骨及钻孔操作。
在一个揭示性的实施例中，所述机械臂110的注册方法如图3所示，包括如下步骤：
步骤S10：在所述机械臂上建立机器人坐标系，以及在所述导航***中建立能够被所述导航跟踪设备识别的基坐标系。本步骤中，所述基坐标系由所述控制单元根据所述导航跟踪设备所识别的所述基座靶标230建立。
步骤S20:机械臂运动，同时所述导航跟踪设备通过跟踪所述工具靶标来跟踪所述机械臂的末端在空间中的位置，且所述控制单元根据所述机械臂的末端在空间中的位置对所述机械臂执行运动学模型标定。
步骤S30：所述控制单元根据标定后的所述机械臂的模型确定所述机器人坐标系与所述基坐标系之间的所述第一转换关系。
更为详细地，请参考图4，所述步骤S20具体包括：
步骤S21：所述控制单元下发指令至所述机器人***，以驱使所述机械臂运动，并使所述机械臂的末端经过空间中的多个预定位点。在一个具体的实施例中，所述预定位点的数量为八个。
步骤S22：所述控制单元得到当所述机械臂的末端在经过每个所述预定位点时所述机械臂的末端在所述基坐标系下的位置。
步骤S23：所述控制单元得到当所述机械臂的末端在经过每个所述预定位点时所述机械臂的末端在所述机器人坐标系中的位置。
步骤S24：以空间中的第二指定点为观察点，所述控制单元根据所述机械臂的末端在所述基坐标系及所述机器人坐标系下的位置得到所述机械臂的末端基于所述机器人坐标系的绝对位置。所述第二指定点可以是多个所述预定位点中的第一个预定位点。
步骤S25：所述控制单元根据所述机械臂的实际关节角位置以及所述机械臂的末端的所述绝对位置来校正所述机械臂的关节(机械臂包括多个关节和用于连接各个关节的关节)的运动学模型。至此，所述机械臂110的运动学模型标定完成。所述控制单元存储标定后的所述机械臂110的模型。
在所述步骤S22中，在获取所述机械臂110的末端在所述基坐标系下的位置时，所述导航追踪设备210跟踪所述工具靶标240，故，所述步骤S22包括：
步骤S22a：所述控制单元获取所述工具靶标240在所述基坐标系下的位置。
步骤S22b：所述控制单元将所述工具靶标240在所述基坐标系下的位置转换为所述机械臂110的末端在所述基坐标系下的位置。
本领域技术人员应知晓，所述工具靶标240可构建一工具靶标坐标系，且在安装所述工具靶标240时，所述工具靶标240与所述机械臂110的末端的位置关系固定且已知，故而所述工具靶标坐标系与所述机械臂110的末端之间的关系已知，因此所述控制单元可将所述工具靶标240在所述基坐标系下的位置转换为所述机械臂110的末端在所述基坐标系下的位置。
在所述步骤S25中，所述控制单元通过最小二乘法进行迭代收敛的方法来校正所述机械臂110的关节的运动学模型。本发明实施例中所采用的运动学模型可以是DH模型，在替代性的实施例中，所述运动学模型还可以是S模型、CPC模型、POE模型中的任意一种。根据所述机械臂110的具体结构，可采用N*4个关节参数以及六个末端工具参数进行校正，N为所述机器人***的轴，例如当所述机器人***为五轴机器人***时，N为五；当所述机器人***为六轴机器人***时，N则为六。具体参数如下表1及表2所示：
表1运动学模型标定使用的关节参数
Figure GDA0003552720180000101
Figure GDA0003552720180000111
表二运动学模型标定时使用的末端工具参数
X轴偏移 X轴旋转 Y轴偏移 Y轴旋转 Z轴偏移 Z轴旋转
X<sub>d</sub> X<sub>β</sub> Y<sub>d</sub> Y<sub>β</sub> Z<sub>d</sub> Z<sub>β</sub>
以所述机械臂110的一个关节例如基关节上的一个点为坐标原点建立直角坐标系，该直角坐标系中Z轴的方向为所述基关节的电机的输出轴方向，选择间距合适且与Z轴垂直的方向作为X轴的方向。此时，表一中，α表示连接所述基关节与机械臂110的第二关节的关节绕X轴的旋转角度，A表示该关节沿X轴方向的平移距离，θ表示该关节绕Z轴的旋转角度，D表示该关节沿Z轴方向的平移距离。表二中，Xd表示末端工具沿X轴方向的偏移距离，Xβ表示末端工具绕X轴的旋转角度，Yd表示末端工具沿Y轴方向的偏移距离，Yβ表示末端工具绕Y轴的旋转角度，Zd表示末端工具沿Z轴方向的偏移距离，Zβ表示末端工具绕Z轴的旋转角度。
请继续参考图4，所述步骤S30具体为：所述控制单元根据标定后的所述机械臂的模型计算所述工具靶标在所述机器人坐标下的计算位置，并对所述工具靶标的所述计算位置和所述导航跟踪设备所跟踪的所述基座靶标的实际位置进行刚体配准，以得到所述基坐标系与所述机器人坐标系之间的所述第一转换关系。
在对所述机械臂110进行定位时，所述控制单元被配置用于：根据所述机械臂110的预期位姿(包括预期位置和预期姿态)获取所述机械臂110在所述机器人坐标系下的期望位置。具体来说，是所述机械臂110上的多个点的期望位置，当所述机械臂110上的所有点均抵达各自的期望位置时，所述机械臂110处于所述预期位姿，并驱使所述机械臂110运动至所述期望位置。本领域技术人员可理解，所述控制单元驱使所述机械臂110运动的过程是，所述控制单元下发运动指令至所述机器人***，然后所述机械臂110按照所述运动指令运动。
在本发明实施例中，所述导航手术***可根据实际需要选择不同的方法对所述机械臂110进行定位。
接下去，本文通过具体实施例说明所述导航手术***的不同定位方式。
图5示出了本发明第一实施例所提供的机械臂110的定位示意图。请参考图5，本实施例中，所述导航手术***通过所述基座靶标230来对所述机械臂110进行定位。因此，在完成所述机械臂110的注册之后，施术者可将所述工具靶标240从所述末端工具101上拆卸下来。如此，所述机械臂110定位之后的手术操作更为灵活。
请参考图6，本实施例的机械臂110的定位方法包括：
步骤A1：所述控制单元根据所述骨靶标坐标系确定当所述机械臂处于所述预期位姿时所述机械臂在所述基坐标系下的位置。具体地，首先所述控制单元根据所述骨靶标坐标系确定当所述机械臂处于所述骨靶标坐标系下的位置，然后再结合所述骨靶标坐标系与所述基坐标系之间的所述第三转换关系，得到所述机械臂处于所述基坐标系下的位置。
步骤A2：所述控制单元根据所述基坐标系与所述机器人坐标系之间的所述第一转换关系，将所述机械臂处于所述基坐标系下的位置转换为所述机械臂处于所述机器人坐标系下的期望位置。
步骤A3：所述控制单元将所述机械臂处于所述机器人坐标系下的期望位置发送至所述机器人***，以驱使所述机械臂运动，进行所述机械臂的定位。
之后，在所述机械臂运动至所述预期位姿后(即完成定位)，施术者可利用所述导航手术***执行截骨手术。
本实施例的适用条件为，在手术的全部过程中，所述基座靶标230及手术平台之间保持相对固定，以使所述导航跟踪设备210可始终跟踪所述基座靶标230并使所述基坐标系保持不变。
图7示出了本发明第二实施例所提供的机械臂110的定位示意图。如图7所示，本实施例与第一实施例的区别之处在于，所述导航手术***同时利用所述基坐标系和所述工具靶标对所述机械臂110进行定位。也即，此时所述机械臂110的末端的所挂载的所述末端工具101上设置有所述工具靶标240(如图7所示)。同时，本实施例中，所述机械臂110在所述机器人坐标系下的期望位置包括第一期望位置和第二期望位置。
请参考图8，本实施例对所述机械臂110进行定位的过程包括：
步骤A10：所述控制单元根据所述骨靶标确定当所述机械臂处于所述预期位姿时，所述机械臂和所述工具靶标在所述基坐标系下的位置。具体地，所述控制单元先确定所述机械臂和所述工具靶标在所述骨靶标坐标系下的位置，然后根据所述骨靶标坐标系与所述基坐标系之间的所述第三转换关系，得到所述机械臂和所述工具靶标在所述基坐标系下的位置。
步骤A20：所述控制单元根据所述基坐标系与所述机器人坐标系之间的所述第一转换关系，将所述机械臂在所述基坐标系下的位置转换为在所述机器人坐标系下的所述第一期望位置。
步骤A30：所述控制单元根据所述基坐标系与所述机器人坐标系之间的所述第一转换关系，将所述工具靶标在所述基坐标系中的位置转换为所述末端工具上的第一指定点在所述机器人坐标系下的位置。可理解，所述工具靶标240安装在所述末端工具101上，两者之间的相对位置固定，所述第一指定点是所述末端工具101上的一个确定点，因此所述工具靶标240与所述第一指定点之间的位置关系亦确定，因此，在同一个坐标系中，容易根据所述工具靶标240的位置确定所述第一指定点的位置。所述第一指定点由施术者根据实际需要确定。
步骤A40：所述控制单元对所述机械臂在所述机器人坐标系下的第一期望位置和所述第一指定点在所述机器人坐标系下的位置执行数据融合处理，以得到所述机械臂在所述机器人坐标系下的第二期望位置。
步骤A50：所述控制单元将所述机械臂在所述机器人坐标系下的第二期望位置发送至所述机器人***，以驱使所述机械臂运动至所述第二期望位置，进行空间定位。
本实施例所提供的机械臂110的定位方法较第一实施例更为精确，有利于进一步提高手术精度。
图9示出了本发明第三实施例所提供的机械臂110的定位示意图。本实施例可适用于所述基座靶标230被碰撞而移位，或手术平台被重新摆位的情形。应理解，本实施例中，所述基坐标系由所述基座靶标230的初始位置确定，其不受所基座靶标230的移位而影响。也就是说，如图10所示，在本实施例中，在对所述机械臂110进行定位时，所述基座靶标230可被拆除。
请继续参考图9，所述导航***还包括校验靶标260，且所述导航手术***利用所述校验靶标260对所述机械臂110进行定位，如此在定位时所述工具靶标240也可被拆除。所述校验靶标260设置在一指定位置处，例如所述机械臂110的基座上，所述校验靶标260与所述基坐标系之间具有预定的第二转换关系。所述校验靶标260的安装位置可在对所述机械臂110进行注册之前确定(即在进行机械臂注册前，即安装所述校验靶标260，并以此时的安装位置作为所述校验靶标260的指定位置)，或在所述机械臂110注册之后但所述基座靶标230被碰撞以及所述手术平台重新摆位之前确定，只要能够确保所述校验靶标260安装在该位置时，其与所述基坐标系之间具有所述第二转换关系即可。
请参考图10，当所述基座靶标230碰撞移位，或所述手术平台被重新摆位后，所述机械臂110的定位方法包括：
步骤A100：基于预先确定的位置，安装所述校验靶标。
步骤A200：所述控制单元根据所述骨靶标坐标系确定当所述机械臂处于所述预期位姿时，所述机械臂在所述校验靶标坐标系下的位置。由于所述骨靶标250和所述校验靶标260的安装位置均固定，故所述骨靶标坐标系与所述校验靶标坐标系之间具有已知的第四转换关系，因此所述控制单元先确定所述机械臂在所述骨靶标坐标系下的位置，再根据所述第四转换关系得到所述机械臂在所述校验靶标坐标系下的位置。
步骤A300：所述控制单元根据所述校验靶标坐标系与所述基坐标系之间的所述第二转换关系，以及所述基坐标系与所述机器人坐标系之间的所述第一转换关系，将所述机械臂在所述校验靶标坐标系下的位置转换为所述机械臂在所述机器人坐标系下的所述期望位置。
步骤A400：所述控制单元将所述机械臂处于所述机器人坐标系下的期望位置发送至所述机器人***，以驱使所述机械臂运动至所述预期位姿，进行所述机械臂的定位。
本实施例中，利用所述校验靶标260进行定位，并可拆除所述基座靶标230。所述校验靶标260具有比所述基座靶标230小的体积，占用的空间环境亦较小，因此可扩大手术中医生的操作空间，提高手术便利性。不仅于此，在安装所述校验靶标260和所述基座靶标230时，所述校验靶标260比所述基座靶标230更靠近用于支撑患者的支撑装置(例如病床)，从而在术中所述校验靶标260较所述基座靶标230更加远离医生，降低医生碰撞所述校验靶标260的风险。本领域技术人员可理解，所述校验靶标260和所述基座靶标230的具体安装位置可根据实际需要进行合理选择，只要保证在手术中所述校验靶标260较所述基座靶标230距离医生更远即可。
另外，需要说明的是，本实施例所提供的机械臂110的定位方法不仅适用于所述基座靶标230失效(例如基座靶标230被碰撞移位、或被遮挡、或自身故障而无法被识别)的情形。也适用于工具靶标240失效(例如被碰撞移位、或被遮挡、或自身故障而无法被识别)的情形。图11示出了本发明第四实施例所提供的所述机械臂110的定位示意图。如图12所示，本实施例与第三实施例的区别之处在于，所述导航手术***同时利用所述校验靶标260和所述工具靶标240进行定位。并且，所述机械臂110在所述机器人坐标系中的期望位置包括第一期望位置和第二期望位置。
图12示出了本实例所提供的机械臂110的定位过程，包括：
步骤A1000：所述控制单元根据所述骨靶标坐标系确定当所述机械臂处于所述预期姿态时，所述机械臂和所述工具靶标在所述校验靶标坐标系下的位置。
步骤A2000：所述控制单元根据所述校验靶标坐标系与所述基坐标系之间的所述第二转换关系，以及所述基坐标系与所述机器人坐标系之间的所述第一转换关系，将所述机械臂在所述校验靶标坐标系下的位置转换为所述机械臂在所述机器人坐标系下的第一期望位置。
步骤A3000：所述控制单元根据所述校验靶标坐标系与所述基坐标系之间的所述第二转换关系，以及所述基坐标系与所述机器人坐标系之间的所述第一转换关系，将所述工具靶标在所述校验靶标坐标系下的位置转换为所述末端工具上的第一指定点在所述机器人坐标系下的位置。
步骤A4000：所述控制单元对所述机械臂在所述机器人坐标系下的所述第一期望位置和所述第一指定点在所述机器人坐标系下的位置执行数据融合处理，以得到所述机械臂在所述机器人坐标系下的所述第二期望位置。
步骤A5000：所述控制单元将所述机械臂在所述机器人坐标系下的所述第二期望位置发送至所述机器人***，以使所述机械臂运动，进行空间定位。
事实上，在所述基座靶标230及所述工具靶标240均能够正常使用的情况下，上述四个实施例所提供的机械臂110的定位方法可以组合使用，以提供冗余的位置跟踪，例如同时执行实施例一和实施例二提供的定位方法，或同时执行实施例一和实施例三提供的定位方法等。
此外，虽然本文中所述的机械臂定位过程以所述机械臂110注册时执行运动学模型标定为例进行说明，以提供手术精度以及容错率，但实践中也可采用常规方法获取所述基坐标系和所述机器人坐标系之间的所述第一转换关系。
进一步地，本发明实施例还提供了一种导航手术***的注册方法，用于对所述机械臂进行注册。
更进一步地，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，当所述程序被执行时，所述程序执行前文所述的控制单元所执行的所有步骤。即，所述程序执行所述导航手术***的注册方法的所有步骤，以及执行对所述机械臂定位时的所有步骤。
以及，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器和如前所述的计算机可读存储介质，所述处理器用于执行所述计算机可读存储介质上所存储的程序。
虽然本发明披露如上，但并不局限于此。本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种导航手术***，其特征在于，包括通信连接的机器人***、导航***和控制单元，其中；
所述机器人***包括机械臂，且所述机器人***具有限定在所述机械臂上的机器人坐标系；
所述导航***包括导航跟踪设备和骨靶标，所述骨靶标用于设置在患者身体上的指定位置，且所述导航***具有能够被所述导航跟踪设备所识别的基坐标系和校验靶标坐标系；所述基坐标系与所述机器人坐标系具有预定的第一转换关系，所述校验靶标坐标系与所述基坐标系之间具有预定的第二转换关系；
所述控制单元被配置为：接收所述校验靶标坐标系，并根据所述骨靶标的坐标系确定当所述机械臂处于预期位姿时，所述机械臂在所述校验靶标坐标系下的位置；根据所述机械臂在所述校验靶标坐标系下的位置、所述第二转换关系及所述第一转换关系，得到所述机械臂在所述机器人***坐标系下的期望位置。
2.根据权利要求1所述的导航手术***，其特征在于，所述导航***还包括基座靶标和校验靶标，所述基座靶标用于构建所述基坐标系，所述校验靶标用于构建所述校验靶标坐标系；
所述基座靶标与所述校验靶标分别固定在不同位置处，且所述校验靶标较所述基座靶标距离用于承载患者的支撑装置更近；和/或，
所述校验靶标的体积较所述基座靶标的体积更小。
3.根据权利要求2所述的导航手术***，其特征在于，所述控制单元还被配置为：识别所述基座靶标，并根据所述骨靶标确定当所述机械臂处于所述预期位姿时所述机械臂在所述基坐标系下的位置，且根据所述机械臂在所述基坐标系下的位置和所述第一转换关系得到所述机械臂在所述机器人坐标系下的所述期望位置。
4.根据权利要求1所述的导航手术***，其特征在于，所述导航***还包括工具靶标，用于设置在所述机械臂的末端所挂载的末端工具上；
所述控制单元被配置为：驱使所述机械臂运动，同时识别所述工具靶标，并判断所述机械臂是否抵达所述期望位置。
5.根据权利要求1所述的导航手术***，其特征在于，所述导航跟踪设备为光学跟踪设备。
6.根据权利要求1所述的导航手术***，其特征在于，所述导航跟踪设备用于跟踪所述机械臂的末端在空间中的位置；所述控制单元根据所述机械臂的末端在空间中的位置对所述机械臂执行运动学模型标定，并根据标定后的所述机械臂的模型获取所述基坐标系与机器人坐标系之间的所述第一转换关系。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，当所述程序被执行时，所述程序执行如下步骤：
在机械臂上建立机器人坐标系，以及在导航手术***中建立能够被导航跟踪设备识别的基坐标系和校验靶标坐标系；其中，所述基坐标系与所述机器人坐标系之间具有预定的第一转换关系，所述校验靶标坐标系与所述基坐标系之间具有预定的第二转换关系；
识别所述校验靶标坐标系，并根据设置在患者身体上的骨靶标的坐标系确定当所述机械臂处于预期位姿时，所述机械臂在所述校验靶标坐标系下的位置；根据所述第二转换关系及所述第一转换关系，将所述机械臂在所述校验靶标坐标系下的位置转换为在所述机械臂在所述机器人坐标系下的期望位置。
8.根据权利要求7所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述程序还执行如下步骤：
识别所述基坐标系，并根据所述骨靶标的坐标系确定当所述机械臂处于所述预期位姿时所述机械臂在所述基坐标系下的位置；
根据所述第一转换关系，将所述机械臂在所述基坐标系下的位置转换为所述机械臂在所述机器人坐标系下的所述期望位置。
9.根据权利要求7所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述程序还执行如下步骤：根据所述机械臂的末端在空间中的位置对所述机械臂执行运动学模型标定，并根据标定后的所述机械臂的模型获取所述基坐标系与机器人坐标系之间的所述第一转换关系。
10.根据权利要求7所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述机械臂的末端挂载有末端工具，所述末端工具上设有工具靶标；
所述程序还执行如下步骤：驱使所述机械臂运动，同时识别所述工具靶标，并判断所述机械臂是否抵达所述期望位置。
11.一种电子产品，其特征在于，包括处理器和如权利要求7至10中任一项所述的计算机可读存储介质，所述处理器用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。
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