导航仪位姿确定方法和手术机器人系统控制方法与流程

本说明书涉及医疗设备领域，特别涉及一种导航仪的位姿确定方法和系统。

背景技术：

1、手术精度对于各类型的手术至关重要，为了满足临床需求，各种类型的手术机器人相继出现，相对于传统手术，手术机器人能显著地提升手术精度。然而，在使用手术机器人之前，需要通过导航仪对手术机器人进行空间注册，以获取手术机器人中的机械臂与导航仪之间的空间转换关系以及导航仪与术前影像(也即病灶)之间的空间转换关系，进而最终获取机械臂与术前影像(也即病灶)之间的空间转换关系。为了实现空间注册，通常需要操作人员根据经验将导航仪的位姿调整到期望的状态，增加了医务人员的工作负担，且准确度和效率较低。

技术实现思路

1、有鉴于此，本说明书实施例中提供了一种导航仪位姿确定方法、装置和系统，以及手术机器人系统的控制方法、装置和系统，以解决手术机器人空间注册准确度和效率较低的问题。

2、本说明书实施例之一提供一种导航仪的位姿确定方法，所述方法包括：根据基础范围和处于当前位姿下的导航仪的视野范围，确定导航仪在当前位姿下的初始可行域范围，其中，基础范围与手术机器人的机械臂末端的运动范围相关；根据初始可行域范围和预设要求，确定导航仪的目标位姿。

3、在一些实施例中，所述预设要求包括可行域范围的体积要求，所述根据所述初始可行域范围和预设要求，确定所述导航仪的目标位姿，包括：判断所述初始可行域范围的体积是否满足所述体积要求；若是，则将所述导航仪的当前位姿确定为所述目标位姿；否则，根据所述体积要求调整所述初始可行域范围，得到目标可行域范围，并根据所述目标可行域范围确定所述导航仪的目标位姿。

4、在一些实施例中，所述判断所述初始可行域范围的体积是否满足所述体积要求，包括：判断所述初始可行域范围的体积是否小于体积下限阈值；若是，则判定所述初始可行域范围的体积不满足所述体积要求；否则，确定所述初始可行域范围的体积满足所述体积要求；所述根据所述体积要求调整所述初始可行域范围，得到目标可行域范围，包括：确定所述基础范围与所述初始可行域范围之间的差集范围；在所述差集范围内确定所述初始可行域范围的目标邻域范围；判断所述初始可行域范围与所述目标邻域范围的并集范围的体积是否大于或等于所述体积下限阈值；若是，则将所述并集范围确定作为所述目标可行域范围。

5、在一些实施例中，所述根据所述初始可行域范围和预设要求，确定所述导航仪的目标位姿，包括：在所述初始可行域范围内确定注册位姿，并确定所述注册位姿的数量；判断所述初始可行域范围内的注册位姿的数量是否满足所述注册位姿数量要求；若是，则将所述导航仪的当前位姿确定为所述目标位姿；否则，根据所述注册位姿数量要求调整所述初始可行域范围，得到目标可行域范围，并根据所述目标可行域范围确定所述导航仪的目标位姿。

6、在一些实施例中，所述判断所述初始可行域范围内的注册位姿的数量是否满足所述注册位姿数量要求，包括：判断所述初始可行域范围内的所述注册位姿的数量是否小于所述注册位姿数量下限阈值；若是，则判定所述初始可行域范围内的注册位姿的数量不满足所述注册位姿数量要求；否则，确定所述初始可行域范围内的注册位姿的数量满足所述注册位姿数量要求。

7、在一些实施例中，所述根据所述注册位姿数量要求调整所述初始可行域范围，得到目标可行域范围，包括：在所述基础范围内确定临近位姿，将所述初始可行域范围内的所述注册位姿和所述基础范围内的临近位姿组成位姿集合；判断所述位姿集合内所有位姿的数量是否大于或等于所述注册位姿数量下限阈值，若是，则在所述基础范围内，确定包含所述位姿集合的范围为所述目标可行域范围。

8、在一些实施例中，所述根据所述注册位姿数量要求调整所述初始可行域范围，得到目标可行域范围，包括：在所述基础范围内确定临近位姿，将所述初始可行域范围内的注册位姿和所述基础范围内的临近位姿组成位姿集合；判断所述位姿集合内所有位姿的数量是否大于或等于所述注册位姿数量下限阈值；若所述位姿集合内所有位姿的数量大于或等于所述注册位姿数量下限阈值，则判断所述位姿集合内是否存在不满足离散度要求的位姿；若所述位姿集合内存在不满足所述离散度要求的位姿，则将不满足所述离散度要求的位姿进行剔除，并判断所述位姿集合中的剩余位姿的数量是否大于或等于所述注册位姿数量下限阈值；若所述位姿集合中的剩余位姿的数量大于或等于所述注册位姿数量下限阈值，则在所述基础范围内，确定包含所述剩余位姿的范围为所述目标可行域范围。

9、在一些实施例中，所述在所述基础范围内确定临近位姿，包括：基于所述初始可行域范围内的注册位姿，在所述基础范围内确定临近位姿。

10、本说明书实施例之一提供一种手术机器人系统的控制方法，包括：根据基础范围和处于当前位姿下的导航仪的视野范围，确定所述导航仪在当前位姿下的初始可行域范围，其中，所述基础范围与机械臂末端的运动范围相关；判断所述初始可行域范围是否满足预设要求，若否，则根据所述预设要求调整所述初始可行域范围，得到目标可行域范围，并根据所述目标可行域范围确定所述导航仪的目标位姿；根据所述导航仪的目标位姿，控制所述导航仪进行摆位。

11、在一些实施例中，所述根据所述导航仪的目标位姿，控制所述导航仪进行摆位，包括：根据所述目标位姿，基于逆运动学对所述导航仪对应的执持机构的各关节角进行求解；若求解结果包含至少一组候选关节角集合，则根据路径规划算法，判断所述至少一组候选关节角集合中是否存在满足避障要求的目标关节角集合；若是，则根据所述目标关节角集合控制所述执持机构进行摆位。

12、在一些实施例中，所述根据基础范围和处于当前位姿下的导航仪的视野范围，确定所述导航仪在当前位姿下的初始可行域范围，之前还包括：控制所述机械臂末端摆位至预设的原点位姿，在所述机械臂末端位于所述原点位姿的情况下，确定所述导航仪的当前位姿；根据所述导航仪的当前位姿，确定所述机械臂末端的期望位姿，控制所述机械臂末端从所述原点位姿摆位至所述期望位姿。

13、在一些实施例中，所述根据所述导航仪的起始位姿，确定所述机械臂末端的期望位姿，包括：根据所述导航仪的起始位姿，确定包含所述导航仪和所述机械臂末端的当前场景的分类；基于所述当前场景的分类，从预设位姿关系表中确定所述机械臂末端的期望位姿；所述预设位姿关系表反映不同场景与位姿之间的对应关系。

14、本说明书实施例之一提供一种导航仪的位姿确定装置，包括：范围确定模块，用于根据基础范围和处于当前位姿下的导航仪的视野范围，确定所述导航仪在当前位姿下的初始可行域范围，其中，所述基础范围与机械臂末端的运动范围相关；位姿确定模块，用于根据所述初始可行域范围及预设要求，确定所述导航仪的目标位姿。

15、本说明书实施例之一提供一种手术机器人系统的控制装置，包括：运动范围确定模块，用于根据基础范围和处于当前位姿下的导航仪的视野范围，确定所述导航仪在当前位姿下的初始可行域范围，其中，所述基础范围与机械臂末端的运动范围相关；位姿调节模块，用于判断所述初始可行域范围是否满足预设要求，若否，则根据所述预设要求调整所述初始可行域范围，得到目标可行域范围，并根据所述目标可行域范围确定所述导航仪的目标位姿；控制模块，用于根据所述导航仪的目标位姿，控制所述导航仪进行摆位。

16、本说明书实施例之一提供一种手术机器人系统，包括机械臂、导航仪和处理设备。所述处理设备用于：根据基础范围和处于当前位姿下的所述导航仪的视野范围，确定所述导航仪在当前位姿下的初始可行域范围，其中，所述基础范围与机械臂末端的运动范围相关；根据所述初始可行域范围和预设要求，确定所述导航仪的目标位姿。

17、本说明书实施例之一提供一种手术机器人系统，包括机械臂、导航仪和处理设备。所述处理设备用于：根据基础范围和处于当前位姿下的导航仪的视野范围，确定所述导航仪在当前位姿下的初始可行域范围，其中，所述基础范围与机械臂末端的运动范围相关；判断所述初始可行域范围是否满足预设要求，若否，则根据所述预设要求调整所述初始可行域范围，得到目标可行域范围，并根据所述目标可行域范围确定所述导航仪的目标位姿；根据所述导航仪的目标位姿，控制所述导航仪进行摆位。

18、本说明书实施例之一提供一种电子设备，包括处理器，所述处理器用于执行上述的导航仪的位姿确定方法和/或手术机器人系统的控制方法。

19、本说明书实施例之一提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储计算机指令，当计算机读取存储介质中的计算机指令后，计算机执行上述的导航仪的位姿确定方法和/或手术机器人系统的控制方法。

20、本说明书实施例中提供的导航仪的位姿确定方法，先根据基础范围和处于当前位姿下的导航仪的视野范围，确定航仪在当前位姿下的初始可行域范围，然后根据初始可行域范围和预设要求，确定导航仪的目标位姿以控制导航仪进行摆位，可以使得后续手术机器人进行空间注册时具有足够多的注册位姿，避免手术机器人空间注册失败，提高了注册准确度。同时，该方法能够自动执行，不需要操作人员根据经验将导航仪的位姿调整到期望的状态，减轻了医务人员的工作负担，在提高了注册准确度的同时还能提高注册效率。

21、本说明书实施例中提供的手术机器人系统的控制方法，通过在进行空间注册前，控制机械臂末端摆位至预设的原点位姿，在机械臂末端位于原点位姿的情况下，确定导航仪的当前位姿，根据导航仪的当前位姿确定机械臂末端的期望位姿，控制机械臂末端从原点位姿摆位至期望位姿，可以使得后续手术机器人进行空间注册时，导航仪和机械臂末端处于较佳位姿，导航仪能够更加清楚准确地追踪手术机器人的机械臂末端的位置。同时，根据基础范围和处于当前位姿下的导航仪的视野范围，确定导航仪在当前位姿下的初始可行域范围，根据初始可行域范围和预设要求确定导航仪的目标位姿，并根据导航仪的目标位姿控制导航仪进行摆位，可以使得手术机器人机械臂末端上的标记物和患者支撑装置上的患者的待手术部位上的标记物始终位于可行域范围内，使得导航仪可以获取机械臂末端上的器械和患者的待手术部位的位姿，避免手术机器人空间注册失败。