本發(fā)明涉及機器人，尤其涉及一種截骨機器人輔助作業(yè)軌跡生成方法、系統(tǒng)及存儲介質。

背景技術：

1、截骨手術是因事故創(chuàng)傷、關節(jié)疾病、骨骼發(fā)育不良、發(fā)育畸形等原因而出現骨骼畸形時進行的手術，可以在身體的不同部位進行，例如膝關節(jié)、髖關節(jié)、頜骨、脊柱等。通過截骨手術，將變形的骨頭切割并重新定位對齊和修復，實現矯正以減輕病痛。

2、隨著機器人技術的蓬勃發(fā)展，手術機器人在臨床得到越來越廣泛地應用。在截骨手術中，截骨機器人可以幫助醫(yī)生按照術前規(guī)劃執(zhí)行截骨任務的手術機器人，相對于傳統(tǒng)的截骨手術器械，例如擺鋸，具有精度可控、對周圍組織損傷小等優(yōu)點。而截骨機器人能否精準地執(zhí)行截骨任務，與術前輔助作業(yè)路徑的準確規(guī)劃息息相關，目前雖然存在不少生成輔助作業(yè)路徑的方式，但生成的準確性卻不盡如意。因此，如何提高生成截骨機器人輔助作業(yè)軌跡的精準度，是當前亟待解決的技術問題。

技術實現思路

1、本發(fā)明的主要目的在于提供一種截骨機器人輔助作業(yè)軌跡生成方法、系統(tǒng)及存儲介質，旨在解決現有技術中如何提高生成截骨機器人輔助作業(yè)軌跡的精準度的技術問題。

2、為實現上述目的，本發(fā)明提供一種截骨機器人輔助作業(yè)軌跡生成方法，所述截骨機器人輔助作業(yè)軌跡生成包括：

3、獲取待截骨骨骼的三維模型，并基于所述三維模型獲取所述待截骨骨骼的截骨軌跡，以及確定所述截骨軌跡在三維影像坐標系中的影像坐標值；

4、基于與所述截骨機器人對應的視覺導航裝置獲取所述待截骨骨骼的術中圖像，并根據所述術中圖像生成所述三維影像坐標系與所述視覺導航裝置所對應導航坐標系之間的第一轉換矩陣；

5、生成所述導航坐標系與所述截骨機器人中基座坐標系之間的第二轉換矩陣，并獲取所述截骨機器人中末端執(zhí)行機構的執(zhí)行坐標系與基座坐標系之間的第三轉換矩陣；

6、根據所述第一轉換矩陣、所述第二轉換矩陣和所述第三轉換矩陣，將所述影像坐標值轉換為所述截骨機器人的初始作業(yè)軌跡，并根據所述初始作業(yè)軌跡對所述三維模型進行模擬作業(yè)，獲得作業(yè)結果對所述初始作業(yè)軌跡進行優(yōu)化，生成所述截骨機器人的輔助作業(yè)軌跡。

7、優(yōu)選地，所述根據所述術中圖像生成所述三維影像坐標系與所述視覺導航裝置所對應導航坐標系之間的第一轉換矩陣的步驟包括：

8、基于所述導航坐標系識別預設標記物在所述術中圖像中的第一像素坐標，并將各所述第一像素坐標形成為第一坐標矩陣；

9、基于所述三維影像坐標系識別預設標記物在與所述三維模型所對應模型圖中的第二像素坐標，并將各所述第二像素坐標形成為第二坐標矩陣；

10、基于第一預設公式對所述第一坐標矩陣和第二坐標矩陣進行計算，獲得第一旋轉矩陣，第一預設公式為：

11、

12、其中，min表示最小值，n表示第一或第二坐標矩陣中的元素數量，qi表示第一坐標矩陣中第i個元素值，pi表示第二坐標矩陣中第i個元素值，r1表示第一旋轉矩陣，||·||2用于計算范數的平方，σ()表示修正函數，ω表示與術中圖像所對應參考圖像中參考像素點的數量，bε表示術中圖像中與參考像素點所對應像素點的像素坐標，b’ε0表示參考圖像中參考像素點的像素坐標；

13、基于所述第一旋轉矩陣，計算第一平移向量，計算公式為：

14、t1＝q-r1*q；

15、其中，t1表示第一平移向量，q表示第一坐標矩陣中各行元素或各列元素的平均值；

16、將所述第一旋轉矩陣和所述第一平移向量，生成為所述第一轉換矩陣。

17、優(yōu)選地，所述生成所述導航坐標系與所述截骨機器人中基座坐標系之間的第二轉換矩陣的步驟包括：

18、從各所述第一像素坐標中篩選出任一像素坐標作為目標像素坐標，并對所述目標像素坐標進行修正，獲得修正像素坐標，修正公式為：

19、

20、其中，(u，v)表示修正像素坐標，(u0，v0)表示目標像素坐標，d1、d2、d3表示修正參數，r表示目標像素坐標與術中圖像邊界的最小距離；

21、識別所述目標像素坐標在所述截骨機器人的基座坐標系中對應的第一基座坐標值，并獲取所述視覺導航裝置的內部參數；

22、基于第二預設公式對所述內部參數，所述修正像素坐標和所述第一基座坐標值進行計算，獲得第二旋轉矩陣和第二平移向量，第二預設公式為：

23、

24、其中，fx、fy、α、β均表示內部參數，r2表示第二旋轉矩陣，t2表示第二平移向量，(x0，y0，z0)表示第一基座坐標值；

25、將所述第二旋轉矩陣和第二平移向量，生成為所述第二坐標矩陣。

26、優(yōu)選地，所述根據所述第一轉換矩陣、所述第二轉換矩陣和所述第三轉換矩陣，將所述影像坐標值轉換為所述截骨機器人的初始作業(yè)軌跡的步驟包括：

27、獲取基于所述視覺導航裝置采集的待截骨骨骼的術中深度圖像，并基于所述術中深度圖像形成所述待截骨骨骼在所述導航坐標系中的術中三維模型；

28、根據所述第一轉換矩陣，將所述影像坐標值轉換為所述術中三維模型在所述導航坐標系的術中坐標值；

29、基于所述第二轉換矩陣，將所述術中坐標值轉換為所述基座坐標系上的第二基座坐標值，并基于所述第三轉換矩陣，將所述第二基座坐標值轉換為所述執(zhí)行坐標系上的執(zhí)行坐標值；

30、獲取所述截骨軌跡所對應截骨位置與截骨操作參數之間的匹配關系，并基于所述執(zhí)行坐標值和所述匹配關系，生成所述初始作業(yè)軌跡。

31、優(yōu)選地，所述基于所述執(zhí)行坐標值和所述匹配關系，生成所述初始作業(yè)軌跡的步驟包括：

32、從所述執(zhí)行坐標值中查找出與所述匹配關系中各截骨位置分別對應的目標執(zhí)行坐標值，并根據各所述截骨位置在所述匹配關系中對應的截骨操作參數，確定各所述目標執(zhí)行坐標值的權重參數；

33、對所述執(zhí)行坐標值中除所述目標執(zhí)行坐標值外的其他執(zhí)行坐標值添加默認權重參數，并將各所述權重參數和各所述默認權重參數生成為所述執(zhí)行坐標值的權重數組；

34、根據預設樣條曲線函數和所述權重數組將所述執(zhí)行坐標值擬合為初始作業(yè)軌跡，其中，預設樣條曲線函數為：

35、

36、其中，c(s)表示預設樣條曲線函數所對應曲線軌跡的位置向量，n表示執(zhí)行坐標值的數量，w1j表示權重數組中與第j個執(zhí)行坐標值對應的權重值，w2j表示第j個執(zhí)行坐標值對應的擬合權重因子，dj表示第j個執(zhí)行坐標值，nj，k(s)表示預設樣條曲線函數中第j個執(zhí)行坐標值對應的k次樣條基函數，sj為第j個執(zhí)行坐標值對應的矢量。

37、優(yōu)選地，所述根據所述初始作業(yè)軌跡對所述三維模型進行模擬作業(yè)，獲得作業(yè)結果對所述初始作業(yè)軌跡進行優(yōu)化，生成所述截骨機器人的輔助作業(yè)軌跡的步驟包括：

38、根據所述初始作業(yè)軌跡對所述三維模型進行多次模擬作業(yè)，獲得多個作業(yè)結果，并基于預設誤差計算公式，對多個所述作業(yè)結果和所述截骨軌跡之間的誤差結果進行計算，其中所述預設誤差計算公式為：

39、

40、其中，l表示基于預設誤差計算公式計算獲得的誤差結果，g表示模擬作業(yè)的次數，m表示執(zhí)行坐標值的數量，xτ、yτ、zτ、分別表示第τ個執(zhí)行坐標值經模擬作業(yè)所生成作業(yè)結果在執(zhí)行坐標系中的x軸數值、y軸數值、z軸數值和方向，xτ0、yτ0、zτ0、分別表示第τ個執(zhí)行坐標值在執(zhí)行坐標系中的x軸參考數值、y軸參考數值、z軸參考數值和參考方向，g表示數值誤差計算函數，f表示方向誤差計算函數；

41、將所述誤差結果與預設誤差閾值比對，判斷所述誤差結果是否小于或等于預設誤差閾值，若所述誤差結果小于或等于預設誤差閾值則將所述初始作業(yè)軌跡生成為所述輔助作業(yè)軌跡；

42、若所述誤差結果大于預設誤差閾值則調整所述預設樣條曲線函數中的擬合權重因子，并基于調整后的預設樣條曲線函數重新擬合所述執(zhí)行坐標值形成新的初始作業(yè)軌跡，直到所述初始作業(yè)軌跡模擬作業(yè)形成的誤差結果小于或等于預設誤差閾值。

43、優(yōu)選地，所述若所述誤差結果小于或等于預設誤差閾值則將所述初始作業(yè)軌跡生成為所述輔助作業(yè)軌跡的步驟之后包括：

44、根據所述輔助作業(yè)軌跡確定與所述待截骨骨骼對應的作業(yè)起始點，并控制所述截骨機器人的末端執(zhí)行機構移動至所述作業(yè)起始點；

45、控制與所述截骨機器人對應的激光裝置啟動，由激光裝置產生激光至末端執(zhí)行機構，并控制所述末端執(zhí)行機構沿所述輔助作業(yè)軌跡移動，對所述待截骨骨骼進行截骨操作；

46、獲取截骨操作形成的實時截骨位移，并生成所述實時截骨位移與所述輔助作業(yè)軌跡之間的匹配度，根據所述匹配度調控所述末端執(zhí)行機構運行。

47、優(yōu)選地，所述獲取待截骨骨骼的三維模型的步驟包括：

48、基于ct掃描裝置獲取與所述待截骨骨骼對應的多張ct掃描圖，并對多張所述ct掃描圖進行預處理后分割，獲得多個分割圖；

49、基于多個所述分割圖進行模型重建，獲得所述待截骨骨骼的三維模型。

50、進一步地，為實現上述目的，本發(fā)明還提供一種截骨機器人輔助作業(yè)軌跡生成系統(tǒng)，所述截骨機器人輔助作業(yè)軌跡生成系統(tǒng)包括儲存器、處理器、通信總線以及儲存在所述儲存器上的控制程序：

51、所述通信總線用于實現處理器和儲存器之間的連接通信；

52、所述處理器用于執(zhí)行所述控制程序，以實現如上所述截骨機器人輔助作業(yè)軌跡生成方法的步驟。

53、進一步地，為實現上述目的，本發(fā)明還提供一種存儲介質，所述存儲介質上儲存有控制程序，所述控制程序被處理器執(zhí)行時實現如上所述截骨機器人輔助作業(yè)軌跡生成方法的步驟。

54、本發(fā)明截骨機器人輔助作業(yè)軌跡生成方法、系統(tǒng)及存儲介質，先對待截骨骨骼的三維模型進行獲取，并依據該三維模型獲取待截骨骨骼的截骨軌跡，以及確定截骨軌跡在三維影像坐標系中的影像坐標值；進而依據與截骨機器人對應的視覺導航裝置獲取待截骨骨骼的術中圖像，并根據術中圖像生成三維影像坐標系與視覺導航裝置所對應導航坐標系之間的第一轉換矩陣；以及生成導航坐標系與截骨機器人中基座坐標系之間的第二轉換矩陣，和獲取截骨機器人中末端執(zhí)行機構的執(zhí)行坐標系與基座坐標系之間的第三轉換矩陣；進而根據第一轉換矩陣、第二轉換矩陣和第三轉換矩陣，將影像坐標值轉換為截骨機器人的初始作業(yè)軌跡，并根據初始作業(yè)軌跡對待截骨骨骼進行模擬作業(yè)，獲得作業(yè)結果對初始作業(yè)軌跡進行優(yōu)化，生成截骨機器人的輔助作業(yè)軌跡，作為截骨機器人截骨的操作軌跡。本發(fā)明通過三維影像坐標系與導航坐標系之間的第一轉換矩陣，導航坐標系與基座坐標系之間的第二轉換矩陣，以及基座坐標系與末端執(zhí)行機構的第三轉換矩陣，將在術前形成的截骨軌跡轉換為術中的初始作業(yè)軌跡，因第一轉換矩陣基于待截骨骨骼在實際截骨手術中的圖像生成，使得截骨軌跡的轉換更為準確，轉換獲得的初始作業(yè)軌跡更接近實際需要截骨的軌跡。此外，還依據初始作業(yè)軌跡對三維模型進行截骨模擬作業(yè)，通過模擬作業(yè)結果對初始作業(yè)軌跡進行優(yōu)化。因三維模型基于待截骨骨骼生成，其模擬截骨的作業(yè)結果體現了實際待截骨骨骼的截骨準確性，從而使得依據其優(yōu)化后形成的輔助作業(yè)軌跡進一步與實際需要截骨的軌跡接近，提升了生成截骨機器人輔助作業(yè)軌跡的精準度。