CN117281615B - 穿刺手术机器人的运动学建模方法及设备 - Google Patents

穿刺手术机器人的运动学建模方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种穿刺手术机器人的运动学建模方法及设备，所述方法包括获取机器人结构参数，包括关键部件的尺寸信息和关键点的位置信息；根据所述结构参数确定机器人的上层末端关键点在基坐标系中的投影位置信息；根据所述投影位置信息、上层末端关键点的三维位置信息、下层末端关键点的三维位置信息计算上层末端关键点与下层末端关键点之间连线的关键角度信息；根据所述关键角度信息、所述尺寸信息和所述三维位置信息计算从基座坐标系到由基座视觉定位坐标系推导出的末端针尖位置坐标系的转换矩阵。

Description

穿刺手术机器人的运动学建模方法及设备
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种穿刺手术机器人的运动学建模方法及设备。
背景技术
中国专利文件CN114469286B公开了一种小型化穿刺机器人，该机器人用于安装穿刺针，在光学定位***的辅助下自动执行穿刺手术。在投入到实际应用场景时，需要在穿刺机器人的某些部位安装定位标志物，以使定位***能够捕捉到定位标志物的空间位置，结合定位标志物与穿刺针末端针尖位置的关系，确定末端针尖位置，此过程涉及坐标系转换操作，需要获得相应的坐标系转换矩阵。
通过坐标系转换矩阵得到末端针尖位置的方式不止一种，如图1所示，比如可以通过计算从光学定位坐标系O0到末端针尖位置坐标系O4的转换矩阵T04，进而确定针尖位置，这里的末端针尖位置坐标系O4是由末端视觉定位坐标系推导出的末端针尖位置坐标系，所以必须在靠近穿刺针的位置设置定位标志物，具体可以在末端处(比如CN114469286B记载的直线导轨或者连接关节)设置定位标志物，图1中的两个竖直排列的球状物。
然而对于小型化穿刺机器人而言，末端处可设置定位标志物的空间十分有限，并且在手术过程中机器人末端需要转动、摆动等，在末端处设置的定位标记物可能会影响到手术过程，所以就需要在远离末端处设置定位标记物，进而获得相应的坐标系转换矩阵。
对于CN114469286B公开的小型化穿刺机器人，将定位标志物设置在顶板上是一种可行的方式，图1中三个布置在同一平面上的球状物，相应的坐标系是图1所示的基座视觉定位坐标系O1。从光学定位坐标系O0到末端针尖位置坐标系O5的转换矩阵T05是无法测量得到的，需要设计合适的正向运动学算法计算得到。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种穿刺手术机器人的运动学建模方法，包括：
获取机器人结构参数，包括关键部件的尺寸信息和关键点的位置信息；
根据所述结构参数确定机器人的上层末端关键点在基坐标系中的投影位置信息；
根据所述投影位置信息、上层末端关键点的三维位置信息、下层末端关键点的三维位置信息计算上层末端关键点与下层末端关键点之间连线的关键角度信息；
根据所述关键角度信息、所述尺寸信息和所述三维位置信息计算从基座坐标系到由基座视觉定位坐标系推导出的末端针尖位置坐标系的转换矩阵T25。
可选地，所述结构参数具体包括上下层分布的两个驱动组件的关键尺寸、末端穿刺针固定部的关键尺寸，以及基于所述关键尺寸和相应平面坐标系所确定的关键点的位置信息和关键点之间连线的夹角；所述两个末端关键点为上层驱动组件与末端的连接关节和下层驱动组件与末端的连接关节；
根据所述结构参数确定机器人的上层末端关键点在基坐标系中的投影位置信息，具体包括：
以下层驱动部件上的点为原点建立坐标系OL0，坐标系OL0与基座坐标系重合，获得下层连接关节FL在坐标系OL0中的二维位置信息(py_L,px_L)；
基于二维位置信息(py_L,px_L)获得下层连接关节FL在基座坐标系中的三维位置信息(py_L,px_L，0)；
以上层驱动部件上的点为原点建立坐标系OH0，获得上层连接关节FH在坐标系OH0中的二维位置信息(py_H,px_H)；
基于二维位置信息(py_H,px_H)获得上层连接关节FH在基座坐标系中的三维位置信息(py_L,px_L，Len1)，其中Len1为上层与下层之间的高度；
根据下层连接关节FL和上层连接关节FH的三维位置信息确定上层连接关节FH在基座坐标系的xoy平面的投影位置信息(qx，qy)。
可选地，坐标系OL0的原点为下层驱动机构的两个直线驱动机构的固定端AL与BL的中点；坐标系OH0的原点为上层驱动机构的两个直线驱动机构的固定端AH与BH的中点。
可选地，计算上层末端关键点与下层末端关键点之间连线的关键角度信息具体包括：
根据下层连接关节FL和上层连接关节FH的三维位置信息计算下层连接关节FL与上层连接关节FH之间连线的长度Len_1；
根据投影位置信息(qx，qy)和长度Len_1计算关键角度信息。
可选地，采用如下方式计算关键角度信息θz和θx：
可选地，所述末端穿刺针固定部的关键尺寸包括关键尺寸包括指穿刺针与连接关节在水平方向的坐标轴上的距离Len4和指固定穿刺针用的固定部件底端与下层连接关节在竖直方向的坐标轴上的距离Len2。
可选地，采用如下方式计算转换矩阵T25：
T25＝Trans(px_L,py_L,0)·RoteZ(θz)·RoteX(θx)·Trans(Len4,0,-Len2)，其中RoteZ和RoteX表示欧拉角旋转转换，Trans表示平移转换。
可选地，在得到转换矩阵T25之后还包括：
利用转换矩阵T25计算从光学定位坐标系O0到由基座视觉定位坐标系推导出的末端针尖位置坐标系O5的转换矩阵T05。
可选地，采用如下方式计算转换矩阵T05：
T05＝T01T12T25
其中T01是从光学定位***获得从光学定位坐标系O0到基座视觉定位坐标系O1的转换矩阵；T12是通过三坐标仪确定的从基座视觉定位坐标系O1到基座坐标系O2的转换矩阵。
相应地，本发明还提供一种穿刺手术机器人的运动学建模设备，包括：处理器以及与所述处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器执行上述穿刺手术机器人的运动学建模方法。
根据本发明提供的运动学建模方法及设备，基于穿刺手术机器人的已知结构参数，可以计算出上层末端关键点在基座坐标系中的二维投影位置，并结合上、下层末端关键点的三维位置，可以计算出上、下层末端关键点的连线在基座坐标系中的关键角度信息，利用角度信息和关键部件的尺寸信息以及关键点的三维位置信息即可计算出穿刺针针尖对于基座坐标系的坐标系关系即转换矩阵，此转换矩阵可以用于手术导航***中的视觉定位***根据基座上的定位标记物的空间位置直接计算出穿刺针针尖位置，不再需要在靠近穿刺针的末端处设置定位标记物。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为穿刺手术机器人及视觉定位***涉及的坐标系的示意图；
图2为穿刺手术机器人的驱动组件及连接关节的关键点示意图；
图3为针对图2所示内容的简易图；
图4为穿刺手术机器人的末端部位的关键点示意图；
图5为针对图4所示内容的简易图；
图6为计算投影位置信息和关键角度信息的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供一种穿刺手术机器人的运动学建模方法，由计算机或服务器等电子设备执行。穿刺手术机器人的结构可参考本申请的说明书附图以及专利文件CN114469286B公开的小型化穿刺机器人。
如图1所示，本方法涉及到的坐标系定义如下：
坐标系O0代表双目摄像头坐标系；坐标系O1代表基座视觉定位坐标系；坐标系O2代表基座坐标系；坐标系O3代表末端视觉定位坐标系；坐标系O4代表由末端视觉定位坐标系推导出的末端针尖位置坐标系；坐标系O5代表由基座视觉定位坐标系推导出的末端针尖位置坐标系。
运动学建模方法所要涉及的部件主要是CN114469286B记载的第一固定部、第二固定部、送针机构和上下分布的两个驱动组件，其中前三个部件所在的部分被称为末端。
运动学建模方法包括如下操作：
S1，获取机器人结构参数，包括关键部件的尺寸信息和关键点的位置信息。
S2，根据结构参数确定机器人的上层末端关键点在基坐标系中的投影位置信息；
S3，根据投影位置信息、上层末端关键点的三维位置信息、下层末端关键点的三维位置信息计算上层末端关键点与下层末端关键点之间连线的关键角度信息；
S4，根据关键角度信息、尺寸信息和三维位置信息计算从基座坐标系到由基座视觉定位坐标系推导出的末端针尖位置坐标系的转换矩阵T25。
在优选实施例中，步骤S1中的结构参数具体包括上下层分布的两个驱动组件的关键尺寸、末端穿刺针固定部的关键尺寸，以及基于所述关键尺寸和相应平面坐标系所确定的关键点的位置信息和关键点之间连线的夹角；所述两个末端关键点为上层驱动组件与末端的连接关节和下层驱动组件与末端的连接关节。
步骤S2具体包括如下操作：
S21，以下层驱动部件上的点为原点建立坐标系OL0，坐标系OL0与基座坐标系重合，获得下层连接关节FL在坐标系OL0中的二维位置信息(py_L,px_L)。坐标系OL0的原点为下层驱动机构的两个直线驱动机构的固定端AL与BL的中点；
S21，基于二维位置信息(py_L,px_L)获得下层连接关节FL在基座坐标系中的三维位置信息(py_L,px_L，0)；
S22，以上层驱动部件上的点为原点建立坐标系OH0，获得上层连接关节FH在坐标系OH0中的二维位置信息(py_H,px_H)；坐标系OH0的原点为上层驱动机构的两个直线驱动机构的固定端AH与BH的中点。
S23，基于二维位置信息(py_H,px_H)获得上层连接关节FH在基座坐标系中的三维位置信息(py_L,px_L，Len1)，其中Len1为上层与下层之间的高度；
S24，根据下层连接关节FL和上层连接关节FH的三维位置信息确定上层连接关节FH在基座坐标系的xoy平面的投影位置信息(qx，qy)。
如图2-3所示，机器人的上、下层驱动组件结构相同，图2示出的是上层驱动组件，图3中位于右侧的是上层驱动组件简易图，位于左侧的是下层驱动组件简易图。图中所示的各个点均为关键点，其中驱动组件上的关键点之间的距离和连线夹角是已知的，由部件尺寸所决定，与末端的连接关节FL和FH的位置是不确定的，需要进行计算。
以点AL与BL中点为原点建立坐标系OL0方向如图所示(该坐标系与图1中的基座坐标系O2重合)；以点AH与BH中点为原点建立坐标系OH0方向如图所示。其中dLl代表下层驱动组件的左侧电缸的长度，dLr代表下层驱动组件的右侧电缸的长度，dHl代表上层驱动组件的左侧电缸的长度，dHr代表上层驱动组件的右侧电缸的长度。先求解点FL与点FH分别相对于坐标系OL0与OH0的位置,即根据图2-3求解得到py_L、px_L、py_H、px_H的值。
如图4-5所示，本实施例中将连接关节FH与FL在竖直方向上的距离作为上层与下层之间的高度Len1，需要说明的是FH与FL在竖直方向上的距离是不变的，但在另外两个维度上的距离是可变的，需要区分FL与FH之间连线的长度Len_1与高度Len1，Len_1是需要计算的可变值，Len1是预设值。
如图6所示，以坐标系O2重为原点可以计算出FL的空间位置为(py_L、px_L，0)，FH的空间坐标系为(py_H、px_H，Len1)，在此坐标系中很容易得到FH在基座坐标系的xoy平面的投影位置信息(qx，qy)。
进一步地，步骤S3具体包括如下操作：
S31，根据下层连接关节FL和上层连接关节FH的三维位置信息计算下层连接关节FL与上层连接关节FH之间连线的长度Len_1。基于图6所构造的三角形，在已知FH、FL及FH投影点位置信息的情况下，利用三角函数即可计算出FH与FL连线的长度Len_1。
S32，根据投影位置信息(qx，qy)和长度Len_1计算关键角度信息。在本实施例中关键角度为图6中所示的角度θz和θx，计算方式如下：
本方案还需要获取末端穿刺针固定部的关键尺寸，也就是图4-5中的一些距离。在本实施例中是Len4和Len2，Len4是指穿刺针与连接关节在水平方向的坐标轴上的距离，Len2是指固定穿刺针用的固定部件底端与下层连接关节在竖直方向的坐标轴上的距离，这两个距离由部件尺寸决定，是不随机器人姿态变化的固定值。
更进一步的，在得到上述各种参数后，即可计算转换矩阵T25，具体计算方式如下：
T25＝Trans(px_L,py_L,0)·RoteZ(θz)·RoteX(θx)·Trans(Len4,0,-Len2)，其中RoteZ和RoteX表示欧拉角旋转转换，Trans表示平移转换。
在实际控制机器人的过程中，可以利用转换矩阵T25计算从光学定位坐标系O0到由基座视觉定位坐标系推导出的末端针尖位置坐标系O5的转换矩阵T05。由此实现在光学定位***引导下准确计算出末端针尖的位置。
针对图1所示的设定，可采用如下方式计算转换矩阵T05：
T05＝T01T12T25
其中T01是从光学定位***获得从光学定位坐标系O0到基座视觉定位坐标系O1的转换矩阵，由双目摄像头光学定位***提供；T12是通过三坐标仪确定的从基座视觉定位坐标系O1到基座坐标系O2的转换矩阵，可以通过三坐标仪测量得到。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种穿刺手术机器人的运动学建模方法，其特征在于，包括：
获取机器人结构参数，包括关键部件的尺寸信息和关键点的位置信息，具体包括上下层分布的两个驱动组件的关键尺寸、末端穿刺针固定部的关键尺寸，以及基于所述关键尺寸和相应平面坐标系所确定的关键点的位置信息和关键点之间连线的夹角，所述关键点包括上层驱动组件与末端的连接关节和下层驱动组件与末端的连接关节；
根据所述结构参数确定机器人的上层末端关键点在基坐标系中的投影位置信息，具体包括以下层驱动部件上的点为原点建立坐标系OL0，坐标系OL0与基座坐标系重合，获得下层连接关节FL在坐标系OL0中的二维位置信息（py_L,px_L）；基于二维位置信息（py_L,px_L）获得下层连接关节FL在基座坐标系中的三维位置信息（py_L,px_L，0）；以上层驱动部件上的点为原点建立坐标系OH0，获得上层连接关节FH在坐标系OH0中的二维位置信息（py_H,px_H）；基于二维位置信息（py_H,px_H）获得上层连接关节FH在基座坐标系中的三维位置信息（py_L,px_L，Len1），其中Len1为上层与下层之间的高度；根据下层连接关节FL和上层连接关节FH的三维位置信息确定上层连接关节FH在基座坐标系的xoy平面的投影位置信息（qx，qy）；
根据所述投影位置信息、上层末端关键点的三维位置信息、下层末端关键点的三维位置信息计算上层末端关键点与下层末端关键点之间连线的关键角度信息，具体包括根据下层连接关节FL和上层连接关节FH的三维位置信息计算下层连接关节FL与上层连接关节FH之间连线的长度Len_1；根据投影位置信息（qx，qy）和长度Len_1计算关键角度信息：、/>；
根据所述关键角度信息、所述尺寸信息和所述三维位置信息计算从基座坐标系到由基座视觉定位坐标系推导出的末端针尖位置坐标系的转换矩阵T25，具体采用如下方式计算转换矩阵T25：
，其中和/>表示欧拉角旋转转换，Trans表示平移转换，Len4为穿刺针与连接关节在水平方向的坐标轴上的距离、Len2为固定穿刺针用的固定部件底端与下层连接关节在竖直方向的坐标轴上的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，坐标系OL0的原点为下层驱动机构的两个直线驱动机构的固定端AL与BL的中点；坐标系OH0的原点为上层驱动机构的两个直线驱动机构的固定端AH与BH的中点。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在得到转换矩阵T25之后还包括：
利用转换矩阵T25计算从光学定位坐标系O0到由基座视觉定位坐标系推导出的末端针尖位置坐标系O5的转换矩阵T05。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，采用如下方式计算转换矩阵T05：
;
其中是从光学定位***获得从光学定位坐标系O0到基座视觉定位坐标系O1的转换矩阵；/>是通过三坐标仪确定的从基座视觉定位坐标系O1到基座坐标系O2的转换矩阵。
5.一种穿刺手术机器人的运动学建模设备，其特征在于，包括：处理器以及与所述处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器执行如权利要求1-4中任意一项所述的穿刺手术机器人的运动学建模方法。
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