CN116077183A

CN116077183A - 手术导航定位方法及系统、手术机器人系统

Info

Publication number: CN116077183A
Application number: CN202310063627.0A
Authority: CN
Inventors: 请求不公布姓名
Original assignee: Suzhou Xiaowei Changxing Robot Co ltd
Current assignee: Suzhou Xiaowei Changxing Robot Co ltd
Priority date: 2023-01-12
Filing date: 2023-01-12
Publication date: 2023-05-09

Abstract

本发明提供了一种手术导航定位方法及系统、手术机器人系统，手术导航定位方法至少用于获取靶标的位姿，靶标设于目标物上，且靶标随目标物一起绕一旋转中心旋转，其包括如下步骤：获取旋转中心的位置信息；获取设置在靶标上的惯性传感器的坐标系与所述靶标的坐标系之间的第一转换矩阵；判断光学定位装置在当前时刻是否采集靶标的第二位姿信息，若是，则以靶标在当前时刻的第二位姿信息作为靶标的当前位姿；若否，则获取惯性传感器在当前时刻采集的惯性传感器的第一位姿信息，并根据所述位置信息、当前时刻的第一位姿信息及第一转换矩阵获取靶标的当前位姿。该手术导航定位方法可以在光学定位装置短暂失效的情况下仍有效定位，确保手术顺利进行。

Description

手术导航定位方法及系统、手术机器人系统

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及手术导航定位方法及系统、手术机器人系统。

背景技术

在机器人辅助膝关节手术中，需要能够实时地测量股骨的位姿，并根据股骨的位姿控制机械臂运动以使得安装于机械臂末端的工具能够对骨头进行打磨或执行截骨操作。

现有技术中通常采用在股骨上设置靶标，利用光学定位装置采集靶标的图像信息，然后结合图像处理的方式来对股骨进行定位。这种定位方式受光线影响较大，而且在手术过程中，还容易发生医生或手术器械遮挡，导致光学定位装置无法对采集到靶标的图像的情况，此时无法对股骨进行定位，对手术的执行产生不利影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种手术导航定位方法及系统、手术机器人系统，以在光学定位装置失效的情况下仍能够获取目标对象的位置信息，确保手术的顺利进行。

为实现上述目的，本发明提供了一种手术导航定位方法，至少用于获取靶标的位姿，所述靶标设置于一目标对象上，所述目标对象能够绕一旋转中心旋转以带动所述靶标绕所述旋转中心旋转，所述手术导航定位方法包括如下步骤：

获取所述旋转中心的位置信息；

获取设置在所述靶标上的惯性传感器的坐标系与所述靶标的坐标系之间的第一转换矩阵；

判断光学定位装置在当前时刻是否采集所述靶标的第二位姿信息，若是，则以所述靶标在当前时刻的所述第二位姿信息作为所述靶标的当前位姿；若否，则获取所述惯性传感器在当前时刻采集的所述惯性传感器的第一位姿信息，并根据所述旋转中心的位置信息、当前时刻的所述第一位姿信息及所述第一转换矩阵获取所述靶标的当前位姿。

可选地，根据所述惯性传感器采集的所述第一位姿信息以及所述光学定位装置采集的所述靶标的第二位姿信息获取所述第一转换矩阵，以及，根据所述第二位姿信息获取所述旋转中心的所述位置信息。

可选地，获取所述第一转换矩阵的步骤包括：

在所述靶标绕所述旋转中心旋转时，分别获取n个时刻下对应的n个所述第一位姿信息以及n个所述第二位姿信息；

根据n个所述第一位姿信息及n个所述第二位姿信息获取所述第一转换矩阵。

可选地，所述第二转换矩阵保持恒定；

所述手术导航定位方法包括：

实时获取所述第一位姿信息及所述第二位姿信息；

实时地对所述第一转换矩阵进行更新；

根据实时的所述第一位姿信息及更新的所述第一转换矩阵获取所述靶标的当前位姿。

可选地，实时地对所述第一转换矩阵进行更新的方法为：

根据当前时刻的所述第一位姿信息和当前时刻的所述第二位姿信息对所述第一转换矩阵进行更新；或者，

根据当前时刻的所述第一位姿信息和前一时刻的所述第二位姿信息对所述第一转换矩阵进行更新。

可选地，根据所述第二位姿信息获取所述旋转中心的位置信息的步骤包括：

在所述靶标绕所述旋转中心旋转时，获取所述光学定位装置在不同时刻采集的多个所述第二位姿信息；

根据多个所述第二位姿信息获取所述旋转中心的所述位置信息。

可选地，当所述光学定位装置在当前时刻不能获取所述靶标的第二位姿信息时，所述手术导航定位方法还包括：

根据所述惯性传感器采集的所述第一位置信息判断所述靶标是否发生运动，若是，则计算所述靶标的当前位姿，若否，则以所述靶标在上一时刻的位姿作为所述靶标的当前位姿。

可选地，所述手术导航定位方法还包括：

获取机械臂的当前位姿；

根据所述靶标的当前位姿以及所述靶标与机械臂的预设的相对位姿关系，获取所述机械臂的目标位姿；

判断所述机械臂的当前位姿与所述目标位姿的偏差是否在误差范围内，若否，则对所述机械臂进行路径规划，使得所述机械臂沿规划的路径运动时，能够抵达所述目标位姿。

为实现上述目的，本发明还提供了一种手术导航定位方法，至少用于对靶标进行定位，所述靶标设置于一目标对象上，所述目标对象能够绕一旋转中心旋转以带动所述靶标绕所述旋转中心旋转，所述手术导航定位方法包括如下步骤：

获取所述旋转中心的位置信息；

获取所述惯性传感器采集的所述惯性传感器在当前时刻的第一位姿信息；以及，

根据所述旋转中心的所述位置信息、当前时刻的所述第一位姿信息及所述第一转换矩阵获取所述靶标的当前位姿。

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，执行如前任一项所述的手术导航定位方法。

为实现上述目的，本发明还提供了一种手术导航定位系统，包括：

靶标，用于设置在一目标对象上，所述目标对象能够绕一旋转中心旋转，以带动所述靶标绕所述旋转中心旋转；

惯性传感器，设置在所述靶标上，所述惯性传感器用于采集所述惯性传感器的第一位姿信息；

光学定位装置，用于识别所述靶标，并采集所述靶标的第二位姿信息；以及，

控制单元，与所述惯性传感器及所述光学定位装置通信连接，所述控制单元被配置用于执行如前任一项所述的手术导航定位方法。

为实现上述目的，本发明还提供了一种手术机器人系统，其特征在于，包括：

机械臂；

导航设备，包括靶标、惯性传感器及光学定位装置，所述惯性传感器设置在所述靶标上，所述靶标设置在一目标对象上，所述光学定位装置能够识别所述靶标；以及，

控制单元，所述控制单元与所述机械臂、所述惯性传感器及所述光学定位装置通信连接，且所述控制单元被配置用于执行如前中任一项所述的手术导航定位方法，且用于根据所述靶标的位姿控制所述机械臂运动。

与现有技术相比，本发明的手术导航定位方法及系统、手术机器人系统具有如下优点：

所述手术导航定位方法至少用于获取靶标的位姿，所述靶标设置于一目标物上，所述目标物能够绕一旋转中心旋转以带动所述靶标绕所述旋转中心旋转。所述手术导航定位方法包括如下步骤：获取所述旋转中心的位置信息；获取设置在所述靶标上的惯性传感器的坐标系与所述靶标的坐标系之间的第一转换矩阵；判断光学定位装置在当前时刻是否获取所述靶标的第二位姿信息，若是，则以所述靶标的当前时刻的所述第二位姿信息作为所述靶标的当前位姿；若否，则获取所述惯性传感器在当前时刻采集的所述惯性传感器的第一位姿信息，并根据所述旋转中心的位置信息、当前时刻的所述第一位姿信息及所述第一转换矩阵获取所述靶标的当前位姿。该手术导航定位方法可以直接利用光学定位装置来获取所述靶标的位姿，还可以在光学定位装置短暂失效时利用惯性传感器来获取所述靶标的位姿，或直接利用惯性传感器获取所述靶标的位姿，定位方法灵活，且还可减少光线对定位的干扰，同时也不会发生因靶标与光学定位设备之间存在遮挡导致光学定位设备无法对靶标进行定位的问题。

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手术机器人的应用场景示意图；

图2是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的靶标、惯性传感器及目标对象的连接关系示意图；

图3是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的靶标与惯性传感器的连接关系示意图；

图4是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的惯性传感器、光学定位装置、机械臂及控制单元的通信连接关系示意图；

图5是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的整体框架示意图；

图6是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的整体框架示意图，图6与图5的区别在于，图6中示出人机交互单元；

图7是本发明根据一实施例所提供的手术机器人辅助执行手术的流程示意图；

图8是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元所执行的手术导航定位方法的整体流程图；

图9是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统在对靶标进行定位时，获取旋转中心的第一位置的流程图；

图10是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统在对靶标进行定位时获取靶标的坐标系与惯性传感器的坐标系的第一转换矩阵、及获取光学定位装置的坐标系与大地坐标系的第二转换矩阵的流程图；

图11是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元所执行的手术导航定位方法的部分步骤示意图图，图11与图8的区别之处在于，图11中示出步骤S433。

图12是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统中靶标由点P₁旋转至点P₂时的示意图；

图13是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元所执行的手术导航定位方法的部分步骤示意图，图13中示出步骤S440。

图14是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元所执行的手术导航定位方法的部分步骤示意图，图14中示出步骤S450。

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。

本发明的目的之一在于提供一种手术机器人系统，手术机器人系统用于辅助执行手术。图1示出了手术机器人系统辅助执行手术时的示意图，如图1所示，手术机器人系统包括机械臂110，机械臂110的末端安装有用于执行手术操作的器械200，器械200的种类根据实际情况选择，例如是截骨工具或打磨工具。通过控制机械臂110运动来带动器械200对病床上的目标对象300执行手术操作。进一步地，手术机器人系统还包括导航设备，导航设备用于对目标对象300进行定位，进而可以基于目标对象300的位姿来引导机械臂100运动以实现手术操作。

于本发明一实施例中，导航设备可包括靶标120、惯性传感器130和光学定位装置140，其中，如图1及图2所示，靶标120用于设置在目标对象300上，目标对象可以绕一旋转中心旋转，从而靶标120可以跟随目标对象一并绕旋转中心旋转。目标对象300可以是人的股骨，或者人体模型中的股骨模型，相应地，旋转中心为髋臼的中心或髋臼模型的中心。如图3所示，惯性传感器130设置在靶标120上，并与靶标120保持相对静止，也即惯性传感器130随靶标120一起绕旋转中心旋转。通常，靶标120包括支架121和反光体122，反光体122设置在支架121上。在一个非限制性的实现方式中，支架121通常为平行四边形结构(包括矩形结构)，反光体122的数量可以是四个，且四个所述反光体122分别位于所述平行四边形结构的四个顶点处。惯性传感器130可以设置在支架121的中心点处，也可以设置在所述支架121的其他任意合适的位置，惯性传感器130输出的是惯性传感器130的第一位姿信息。光学定位装置140用于识别靶标120上的反光体122，进而采集靶标120的图像信息。本领域技术人员公知，在光学定位装置140采集靶标120的图像信息后，通过对图像信息进行相应的处理就可以得到靶标120的第二位姿信息，因此本文中将光学定位装置140采集靶标120的图像信息描述为光学定位装置140采集靶标120的第二位姿信息。

此外，如图4至图6所示，手术机器人系统还进一步包括控制单元150，控制单元150与惯性传感器130及光学定位装置140通信连接，并用于接收第一位姿信息和第二位姿信息，且根据接收的第一位姿信息和第二位姿信息执行手术导航定位方法，从而可以获取靶标120的当前位姿。

需要说明的是，本文中所述及的位置信息及位姿信息(包括所述第一位姿信息、所述第二位姿信息、靶标120的当前位姿、后文中述及的机械臂100的当前位姿、机械臂100的目标位姿)均是指在大地坐标系下的位置信息及位姿信息。

利用手术机器人系统执行膝关节手术(也即目标对象300为人的股骨)时，手术的流程包括如图7所示的步骤：

步骤S100：获取患者的CT图像。该步骤可以任意合适的方法执行，例如通过网络传输、或者通过手术机器人系统的人机交互单元160(如图6所示)进行手动输入等。人机交互单元160可以是键盘或鼠标或显示装置中的虚拟按钮。

步骤S200：根据CT图像进行骨注册及术前规划。该步骤可参照现有技术执行，其与本发明改进点无关，此处不详述。

步骤S300：将惯性传感器安装至靶标120，并将靶标120固定连接至目标对象上。然后调整光学定位装置140的位姿，使得光学定位装置能够识别靶标120。

步骤S400：利用惯性传感器130采集第一位姿信息和/或利用光学定位装置140采集第二位姿信息，并由控制单元150执行手术导航定位方法，以辅助医生完成手术操作。其中，利用惯性传感器所130采集的第一位姿信息来导航，可以解决手术过程中光线对光学定位装置的影响，以及避免发生因靶标120被遮挡而导致的无法导航的问题。

接下去，本文将对控制单元150所执行的手术导航定位方法做详细介绍。

如图8所示，在一个典型性的实施例中，手术导航定位方法包括如下步骤：

步骤S410：获取旋转中心的位置信息。

步骤S420：获取惯性传感器130的坐标系与靶标120的坐标系之间的第一转换矩阵。

步骤S430：获取靶标120的当前位姿。具体包括步骤S431：判断光学定位装置140在当前时刻是否获取靶标120的第二位姿信息，若是，则以靶标120在当前时刻的第二位姿信息作为所述靶标120的当前位姿，若否，则执行步骤S432。所述步骤S432包括：获取惯性传感器130在当前时刻采集的惯性传感器130的第一位姿信息，并根据旋转中心的位置信息、当前时刻的第一位姿信息及第一转换矩阵获取靶标120的当前位姿。

其中，在执行所述步骤S410时，控制单元150可以根据光学定位装置140采集的靶标120的第二位姿信息来获取旋转中心的位置信息。具体过程如图9所示，包括：

步骤S411：当股骨旋转以使得靶标120绕旋转中心旋转时，获取光学定位装置140在不同时刻采集的多个第二位姿信息。

步骤S412：根据多个第二位姿信息获取旋转中心的位置信息。具体是将多个第二位姿信息分别带入如下的公式(1)，通过对公式(1)进行求解，以获得旋转中心的位置信息。公式(1)为：

式中，x₁和x₂分别表示任意两个不同时刻的第二位姿信息中对应于x轴的坐标，y₁和y₂分别表示任意两个不同时刻的第二位姿信息中对应于y轴的坐标，z₁和z₂分别表示任意两个不同时刻的第二位姿信息中对应于z轴的坐标。O_x表示旋转中心在x轴的坐标，O_y表示旋转中心在y轴的坐标，O_z表示旋转中心在z轴的坐标。本领域技术人员可以理解，步骤S411中采集的第二位姿信息越多，最终得到的旋转中心的位置信息就越准确。

在执行步骤S420时，控制单元150可根据惯性传感器130采集的惯性传感器130的第一位姿信息及光学定位装置140采集的靶标130的第二位姿信息获取惯性传感器130的坐标系与靶标120的坐标系之间的第一转换矩阵。具体方法包括如图10所示的步骤S421及步骤S422。

步骤S421为：在靶标120旋转的过程中，分别在n个时刻获取对应的n个所述第一位姿信息和n个第二位姿信息。也即，分别在第一时刻获取第一位姿信息和第二位姿信息，在第二时刻获取第一位姿信息和第二位姿信息……以及，在第n时刻获取第一位姿信息及第二位姿信息。

步骤S422为：根据n个第一位姿信息和n个第二位姿信息获取惯性传感器130的坐标系与靶标120的坐标系之间的第一转换矩阵。具体是将n个第一位姿信息和n个第二位姿信息带入如下的公式(2)来计算惯性传感器130的坐标系与靶标120的坐标系之间的第一转换矩阵。公式(2)为：

式中，

表示光学定位装置140的坐标系与大地坐标系之间的第二转换矩阵，

表示惯性传感器130的第二位姿信息，

表示惯性传感器130的第一位姿信息，

表示惯性传感器130的坐标系与靶标120的坐标系之间的第一转换矩阵。

本领域技术人员应理解，可以采用优化算法例如最小二乘法对公式(2)进行求解，在得到第一转换矩阵的同时，还得到第二转换矩阵。在整个手术过程中认为第二转换矩阵保持恒定。

在正常情况下，光学定位装置140可以一直识别靶标120并采集靶标120的图像信息，从而得到第二位姿信息。但在某些情况，例如医生移动至靶标120与光学定位装置140之间，导致短时间内遮挡靶标120。在这种情况下，控制单元150通过执行步骤S432来获取靶标120的当前位姿。

在一个优选的实施例中，如图11所示，在执行步骤S431之后，以及步骤S432之前，控制单元150还执行步骤S433：根据惯性传感器130采集的第一位姿信息判断靶标120是否发生运动，若是，则计算靶标120的当前位姿，若否，则以靶标120在上一时刻的位姿作为靶标120的当前位姿。也即，若靶标120未发生运动，则直接调用靶标120在上一时刻的位姿作为靶标的当前位姿，从而无需执行步骤S432，这样的操作，可以减少控制单元150的运算量。需要说明的是，此处的“上一时刻”是当前时刻之前的最近的一次获取靶标120的位姿的时刻，光学定位装置140在上一时刻可能能够采集靶标120的第二位姿信息，也可能不能采集靶标120的第二位姿信息。

在一种非限制性的实现方式中，控制单元150内预先设置了惯性传感器130在相邻两个时刻所采集的第一位姿信息的差值的阈值，通过对惯性传感器130在当前时刻采集的第一位姿信息与上一时刻采集的第一位姿信息的差值与阈值进行比较来判断靶标120是否运动。具体是若惯性传感器130在当前时刻采集的第一位姿信息与上一时刻采集的第一位姿信息的差值在阈值范围内，则判定靶标120未运动，若惯性传感器130在当前时刻采集的第一位姿信息与上一时刻采集的第一位姿信息的差值超出阈值范围，则认为靶标120发生运动。

此外，靶标120与惯性传感器130刚性连接，从理论上来说，靶标120的坐标系与惯性传感器130的坐标系之间的第一转换矩阵应当是固定不变的。但实践中，由于第一转换矩阵是根据光学定位装置140采集的第二位姿信息及惯性传感器130采集的第一位姿信息计算得来，而惯性传感器130不可避免地存在角度漂移导致惯性传感器130存在一定的误差，使得惯性传感器130在不同时刻采集的第一位姿信息可能存在不同的误差值。若始终使用固定不变的第一转换矩阵来计算靶标120的位姿，将会导致计算得到的靶标120的位姿与实际的位姿存在较大误差。

有鉴于此，在一个较佳的实施例中，导航定位方法还包括：实时地对第一转换矩阵进行更新(图中未示出)。当光学定位装置140不能采集靶标120的第二位姿信息，以及靶标120发生运动时，控制单元150根据更新的第一转换矩阵来获取靶标120的当前位姿，以提高计算得到的靶标120的位姿的准确性。

因此，控制单元150实时地获取第一位姿信息和第二位姿信息，并据此来更新第一转换矩阵。应理解，实时地获取第二位姿信息是指只要光学定位装置140能够采集靶标120的第二位姿信息，控制单元150就获取第二位姿信息。而当光学定位装置140不能采集靶标120的第二位姿信息时，控制单元150也相应地无法获取第二位姿信息。因此，在光学定位装置140能够采集第二位姿信息时，控制单元150根据当前时刻的第二位姿信息和当前时刻的第一位姿信息对第一转换矩阵进行更新。当光学定位装置140不能采集第二位姿信息时，控制单元150根据当前时刻的第一位姿信息及前一时刻的第二位姿信息对第一转换矩阵进行更新。此处的“前一时刻”是指光学定位装置140不能采集第二位姿信息之前的最近一次采集第二位姿信息的时刻。应理解，控制单元150仍采用前述的公式(2)及优化算法例如最小二乘法对第一转换矩阵进行更新计算。

接下去以一个具体的实例说明在光学定位装置140不能采集第二位姿信息时，控制单元150获取靶标120的当前位姿的计算过程。

图12示出了靶标120从点P₁旋转至点P₂时的示意图，O为旋转中心。其中，当靶标120位于点P1时，光学定位装置140可以采集第二位姿信息，而当靶标120位于点P₂时，光学定位装置140不能采集到第二位姿信息。因此，控制单元150获取靶标120在点P₂时的位姿的具体计算过程如下：

OP₁＝^ndiP₁-^ndiO (3)，

^ndiP₂＝^ndiO+OP₂ (5)，

^ndiP₁表示光学定位装置140采集的靶标120在P₁点的第一位姿信息。^ndiO表示在步骤S412计算得到的旋转中心的位置信息。

表示靶标120在P₂点处时的第一位姿信息的转置，

表示靶标120在P₁点处时的第一位姿信息。

表示靶标120在点P₁处时的第一转换矩阵，其根据公式(2)计算得到，也即

为靶标120在点P1时的第一位姿信息的转置，

在步骤S422中计算得到，

为靶标120在点P1处时的第二位姿信息的转置。

表示靶标120在P₂点时的第一转换矩阵的转置，靶标120在P₂点时的第一转换矩阵同样由公式(2)计算得到，但由于在P₂点时光学定位装置已经不能采集第二位姿信息，因而此处采用前一时刻也即靶标120在P₁点时的第二位姿信息进行计算，由此，靶标120在P₂点时的第一转换矩阵为：

其中的

表示靶标120在点P₂时的第一位姿信息。^ndiP₂表示靶标120在点P2时的位姿，也即所要计算的当前位姿。

在进一步的方案中，如图13所示，控制单元150还与机械臂110通信连接，在获取靶标120的当前位姿之后，控制单元150还执行步骤S440(也即手术导航定位方法还包括步骤S440)：对机械臂110进行导航。具体过程包括：

步骤S441：获取机械臂110的当前位姿。应理解，机械臂110的当前位姿可通过安装于机械臂110各个关节上的各类传感器获得。

步骤S442：根据靶标120的当前位姿及靶标120与机械臂110的预设的相对位姿关系，获取机械臂110的目标位姿。

步骤S443：判断机械臂110的当前位姿与目标位姿的偏差是否在允许的误差范围内，若是，则控制机械臂110保持静止，若否，则执行步骤S444。

步骤S444：对机械臂110进行路径规划，以使得当机械臂110沿规划的路径运动时能够抵达目标位姿。本步骤中所涉及的路径规划是本领域技术人员可以习知的内容，此处不赘述。

进一步地，步骤S440还可以包括步骤S445：根据规划的路径驱使机械臂110运动，以使机械臂110抵达目标位姿。

进一步地，请参考图14，手术导航定位方法还包括步骤S450，步骤S450包括对第一位姿信息、第二位姿信息及机械臂110的当前位姿中的至少一者进行低通滤波，以降低传感器的噪音，提高定位精度。应理解，第二位姿信息实际是由图像传感器(即光学定位装置140实际上是一种图像传感器)获取。因此，步骤S450应在步骤S442之前执行，具体执行时机根据需要选择，执行时机可以是步骤S441之后及步骤S442之前(如图14所示)，或者是步骤S411之后以及步骤S412之前(图中未示出)，或者步骤S421之后以及步骤S422之前(图中未示出)，或者每一次更新第一转换矩阵之前(图中未示出)等。

需要说明的是，当控制单元150不通过光学定位装置140采集的靶标的第二位姿信息来获取第一转换矩阵及第一位置信息，而是采用其他合适的方式来获取第一转换矩阵及第一位置信息时，光学定位装置可以被省略。在此情况下，控制单元150只能根据第一转换矩阵及当前的第一位姿信息获取靶标120的当前位姿。也即，手术导航定位方法不包括步骤S431，而是在步骤S420之后，直接执行步骤S432。

进一步地，本发明实施例还提供了一种手术导航定位方法，其包括前述控制单元所执行的所有操作。

需要说明的是，手术导航定位方法是一种根据预设的控制逻辑并执行的方法，其实质是手术自主的类别选择，并非用于对对象进行识别。可以理解的是，由于并不需要对手术床上的对象进行识别，即使手术床上的是人体模型或其它的物体，其同样可以执行这些操作。因此，这里的手术，并非特指针对患者所进行外科手术操作，而仅仅是根据预设的控制逻辑所执行的一套操作步骤，例如可用于模拟训练(此时目标对象为人体模型或其他物)等应用场景。

再进一步地，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，当程序被执行时，执行前述的导航定位方法。

更进一步地，本发明实施例还提供了一种手术导航定位系统，其包括靶标、惯性传感器、光学定位装置及控制单元。靶标用于设置在一目标对象上，目标对象能够绕一旋转中心旋转，以带动靶标绕旋转中心旋转。惯性传感器设置在靶标上，惯性传感器用于采集惯性传感器的第一位姿信息。光学定位装置用于识别靶标，并采集靶标的第二位姿信息；控制单元与惯性传感器及光学定位装置通信连接，控制单元被配置用于执行如前的手术导航定位方法。

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

1.一种手术导航定位方法，至少用于获取靶标的位姿，所述靶标设置于一目标对象上，所述目标对象能够绕一旋转中心旋转以带动所述靶标绕所述旋转中心旋转，其特征在于，所述手术导航定位方法包括如下步骤：

获取所述旋转中心的位置信息；

2.根据权利要求1所述的手术导航定位方法，其特征在于，根据所述惯性传感器采集的所述第一位姿信息以及所述光学定位装置采集的所述靶标的第二位姿信息获取所述第一转换矩阵，以及，根据所述第二位姿信息获取所述旋转中心的所述位置信息。

3.根据权利要求2所述的手术导航定位方法，其特征在于，获取所述第一转换矩阵的步骤包括：

在所述靶标绕所述旋转中心旋转时，获取n个时刻下对应的n个所述第一位姿信息以及n个所述第二位姿信息；

4.根据权利要求3所述的手术导航定位方法，其特征在于，所述第二转换矩阵保持恒定；

所述手术导航定位方法包括：

实时获取所述第一位姿信息及所述第二位姿信息；

实时地对所述第一转换矩阵进行更新；

5.根据权利要求4所述的手术导航定位方法，其特征在于，实时地对所述第一转换矩阵进行更新的方法为：

6.根据权利要求3所述的手术导航定位方法，其特征在于，根据所述第二位姿信息获取所述旋转中心的位置信息的步骤包括：

7.根据权利要求1-6中任一项所述的手术导航定位方法，其特征在于，当所述光学定位装置在当前时刻不能获取所述靶标的第二位姿信息时，所述手术导航定位方法还包括：

8.根据权利要求1-6中任一项所述的手术导航定位方法，其特征在于，所述手术导航定位方法还包括：

获取机械臂的当前位姿；

9.一种手术导航定位方法，至少用于对靶标进行定位，所述靶标设置于一目标对象上，所述目标对象能够绕一旋转中心旋转以带动所述靶标绕所述旋转中心旋转，其特征在于，所述手术导航定位方法包括如下步骤：

获取所述旋转中心的位置信息；

10.一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，执行如权利要求1-9中任一项所述的手术导航定位方法。

11.一种手术导航定位系统，其特征在于，包括：

控制单元，与所述惯性传感器及所述光学定位装置通信连接，所述控制单元被配置用于执行如权利要求1-9中任一项所述的手术导航定位方法。

12.一种手术机器人系统，其特征在于，包括：

机械臂；

控制单元，所述控制单元与所述机械臂、所述惯性传感器及所述光学定位装置通信连接，且所述控制单元被配置用于执行如权利要求1-9中任一项所述的手术导航定位方法，且用于根据所述靶标的位姿控制所述机械臂运动。