一种骨科手术机器人降低操作误差的方法技术

本发明专利技术公开了一种骨科手术机器人降低操作误差的方法，涉及手术机器人领域，能够利用误差补偿算法补偿系统精度。本发明专利技术包括：建立手术机器人系统的各坐标系及之间的关系；计算工具坐标系、用户坐标系相对于真实坐标系的变换矩阵，通过变换矩阵计算得到导航仪给出的相对坐标，求得变换矩阵的实际形式；通过微分运动矢量的一阶全微分形式和误差系数矩阵估计变换矩阵的实际形式，再利用变换矩阵的实际形式和变换矩阵的理论形式之间的关系，求得估计误差，对估计误差进行补偿，消除系统误差。

【技术实现步骤摘要】
一种骨科手术机器人降低操作误差的方法
本专利技术涉及手术机器人领域，尤其涉及一种骨科手术机器人降低操作误差的方法。
技术介绍
骨科手术机器人的工作方式与工业机器人相似，只需要将手术目标固定好并进行准确标定，就可以通过计算机编程方式对执行器的运动轨迹进行规划，从而可以让机械臂自动执行该规划好的运动轨迹，从而完成相应的手术任务。骨科机器人手术切割的系统误差补偿方法在实际操作中有很大意义。在手术进行过程中，影响手术精度的因素主要有两个：机械臂运动误差和导航仪测量误差。由于系统由伺服电机编码器和导航仪各自获得了末端执行器位姿信息，这就涉及到信息融合问题，为提高系统精度和可靠性，需要进行系统误差统一建模及自动补偿。一般而言机器人作为串联机构，其重复精度较高而绝对精度较低，可以用导航仪对机器人进行自动标定，使其在手术目标附近获得较高的局部绝对精度，满足手术需要。而影响导航仪测量精度的主要因素为标识体的姿态以及与摄像机之间的距离，某些特殊位姿会造成导航仪测量误差很大。而且在不同的位姿和测量条件下两路信息的置信度是不同的，各自的误差分布特征也不尽相同。
技术实现思路
本专利技术提供一种骨科手术机器人降低操作误差的方法，能够利用误差补偿算法补偿系统精度。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种骨科手术机器人降低操作误差的方法，包括：S1、建立手术机器人系统的工具坐标系、用户坐标系、真实坐标系，及各坐标系之间的关系；S2、计算工具坐标系、用户坐标系分别相对于真实坐标系的变换矩阵，通过变换矩阵计算得到导航仪给出的相对坐标；S3、考虑误差因素，得到变换矩阵的实际形式；S4、采用变换矩阵实的际形式和D(TN)共同表示变换矩阵的理论形式，采用Δt表示相对于坐标系t的微分变换，结合变换矩阵的实际形式和变换矩阵的理论形式之间的关系，得到Δt的具体表达式。TN为变换矩阵的理论形式，T为变换矩阵的实际形式，d(TN)为TN对时间的导数，用于计算暂态值。S5、将Δt标记为微分运动矢量，通过微分运动矢量的一阶全微分形式和误差系数矩阵估计变换矩阵的实际形式，再利用变换矩阵的实际形式和变换矩阵的理论形式之间的关系，求得估计误差；S6、对所述估计误差进行补偿，消除系统误差。进一步的，在所述S1中，所述工具坐标系、用户坐标系、真实坐标系之间的关系为：其中，为手术机器人的变换矩阵，为工具坐标系矩阵，为导航仪采集的相对坐标；为基坐标系0相对于用户坐标系U的变换矩阵，t表示用户坐标系，u表示工具坐标系，7表示机器人具有7个自由度。进一步的，在所述S3中，所述变换矩阵的实际形式为：其中，αt,βt,γt是工具坐标系三个维度的坐标，Δαt,Δβt,Δγt是工具坐标系三个维度坐标随着时间变换的导数，xt,yt,zt为真实坐标系{W}下对于t的坐标，Δxt,Δyt,Δzt是真实坐标系t的三个维度坐标随着时间变换的导数，TR是工具坐标系到真实坐标系的关系矩阵。αu,βu,γu是用户坐标系三个维度的坐标，Δαu,Δβu,Δγu是用户坐标系三个维度坐标随着时间变换的导数，xu,yu,zu是真实坐标系{W}下对于u的坐标，Δxu,Δyu,Δzu是真实坐标系u的三个维度坐标随着时间变换的导数，UR是用户坐标系到真实坐标系的关系矩阵。进一步的，在所述S4中，所述变换矩阵的理论形式的表达式为，TR≈TN+d(TN)TN为变换矩阵的理论形式，TR为变换矩阵的实际形式，d(TN)为TN对时间的导数，用于计算暂态值。其中，α,β,γ是工具坐标系三个维度轴，x,y,z是真实坐标系三个维度轴。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过建立导航系统和手术辅助机器人系统的误差模型，通过计算出来的误差反馈给控制，得到更为精确的位置坐标，从而使得机器人执行器末端位姿的控制精度得到比较理想的提高。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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它的附图。图1是导航仪的有效测量范围示意图；图2是误差分析示意图；图3是补偿前后实测结果。具体实施方式为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。手术机器人系统的执行精度主要由机器人本体的定位精度以及光学导航仪系统的探测精度决定，力反馈系统中的操作端的遥控操作器和力反馈设备并不影响机器人的执行精度，所以本专利技术这里只讨论前两个子系统的相关精度。本实施例中，导航系统和机器人系统的精度分别为：1、光学导航系统中比较关键的观测和测量仪器为PST公司的光学三维跟踪系统，其位置测量误差约为：0.25mm，测量范围如图1所示。2、机器人本体中的机械臂的重复定位精度约为：0.15mm。按照目标设定的要求，在规划的手术刀运动轨迹上，执行器即刀具末端的运动精度需要达到0.5mm以内。本实施例提供了一种骨科手术机器人降低操作误差的方法，具体包括：建立手术机器人系统坐标系，如图2所示，图中标识出了系统建立过程中所有主要的坐标系及大致方位。各转换矩阵之间的关系为：其中，机械臂有7个自由度，即7轴机械臂，T是变换矩阵T，U为变换矩阵U，为手术机器人的变换矩阵，直接关系到机械臂的重复定位精度，主要影响因素为各个连杆参数的几何误差，此外还有热变形以及力变形的影响等。为工具坐标系矩阵，在不更换手术刀具的前提下，此转换矩阵是一个定值。为矩阵变换关系，由导航仪直接给出，有测量误差。设定相应的工具坐标系以及用户坐标系分别相对于真实坐标系W的变换矩阵和则初步标定时可以不考虑其测量误差，作为预估其他各个矩阵的已知项。如果需精确计算各误差模型及参数，就需要对该矩阵予以一定的误差分析和补偿。指的是基坐标系0相对于用户坐标系U的变换矩阵，在用户坐标固定的情形下，U是一个常量。手术实际操作的时候，为减小误差，一般是实时变化或者需要频繁标定的，标定方法很直观，直接通过方程式T计算一次即可。此外，如果实际手术过程中病人目标截骨面频繁移动，就会引起目标坐标系相对于机器人坐标系的变化，那么就需要设计实时自动标定方法保证规划轨迹在机器人坐标系中的正确映射。现有的手术机器人系统下，主要是通过光学导航仪获取机械臂执行器端点当前相对于用户坐标系的初始位姿并充当上位机的角色，给出目标点的规划位姿，作为目标位姿然后发送给机械臂的控制系统(下位机)，由下位机程序反解出目标位置的关节角，然后驱使机械臂开始向目标点运动。如图2所示，我们定义点1为执行器即手术刀的初始位姿，点3为目标点位姿，而点2为机械臂执行来自上位机的指令之后所实际达到的位姿。点2和点3之间的位姿偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种骨科手术机器人降低操作误差的方法，其特征在于，包括：/nS1、建立手术机器人系统的工具坐标系、用户坐标系、真实坐标系，及各坐标系之间的关系；/nS2、计算工具坐标系、用户坐标系分别相对于真实坐标系的变换矩阵，通过变换矩阵计算得到导航仪给出的相对坐标；/nS3、考虑误差因素，得到变换矩阵的实际形式；/nS4、采用变换矩阵实际形式和d(T

【技术特征摘要】
1.一种骨科手术机器人降低操作误差的方法，其特征在于，包括：
S1、建立手术机器人系统的工具坐标系、用户坐标系、真实坐标系，及各坐标系之间的关系；
S2、计算工具坐标系、用户坐标系分别相对于真实坐标系的变换矩阵，通过变换矩阵计算得到导航仪给出的相对坐标；
S3、考虑误差因素，得到变换矩阵的实际形式；
S4、采用变换矩阵实际形式和d(TN)共同表示变换矩阵的理论形式，采用Δt表示相对于坐标系t的微分变换，结合变换矩阵的实际形式和变换矩阵的理论形式之间的关系，得到Δt的具体表达式,其中，TN为变换矩阵的理论形式，T为变换矩阵的实际形式，d(TN)为TN对时间的导数；
S5、将Δt标记为微分运动矢量，通过微分运动矢量的一阶全微分形式和误差系数矩阵估计变换矩阵的实际形式，再利用变换矩阵的实际形式和变换矩阵的理论形式之间的关系，求得估计误差；
S6、对所述估计误差进行补偿，消除系统误差。


2.根据权利要求1所述的骨科手术机器人降低操作误差的方法，其特征在于，在所述S1中，所述工具坐标系、用户坐标系、真实坐标系之间的关系为：



其中，为手术机器人的变换矩阵，为工具坐标系矩阵，为导航仪采集的相对坐标；为基坐标系0相对于用户坐标系U的变换矩阵，t表示用户坐标系，u...

【专利技术属性】
技术研发人员：芦颖僖，侯礼春，朱江水，
申请(专利权)人：南京凌华微电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32