本申請(qǐng)涉及機(jī)器人，具體涉及一種基于tcp坐標(biāo)系投影的機(jī)械臂末端姿態(tài)調(diào)整方法。

背景技術(shù)：

1、在醫(yī)療手術(shù)中，機(jī)械臂的精準(zhǔn)控制對(duì)于實(shí)現(xiàn)安全有效的穿刺操作至關(guān)重要，特別是在處理復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)時(shí)，機(jī)械臂末端的姿態(tài)調(diào)整成為確保其沿預(yù)定路徑精準(zhǔn)移動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)手術(shù)機(jī)器人的精度和效率要求日益提升。然而，傳統(tǒng)的姿態(tài)調(diào)整方法通常依賴于復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和冗長(zhǎng)的計(jì)算流程，這不僅導(dǎo)致調(diào)整效率低下，還增加了在高精度手術(shù)環(huán)境中引入誤差的風(fēng)險(xiǎn)。具體而言，傳統(tǒng)方法往往需要進(jìn)行多次迭代計(jì)算，導(dǎo)致手術(shù)延誤，影響醫(yī)生的操作體驗(yàn)和患者的安全。因此，亟需一種更為高效、準(zhǔn)確的姿態(tài)調(diào)整方法，以提高機(jī)械臂在手術(shù)中的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，確保手術(shù)過程的流暢性與安全性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)背景技術(shù)部分提到的挑戰(zhàn)，提供了一種創(chuàng)新的方法，一種基于tcp坐標(biāo)系投影的機(jī)械臂末端姿態(tài)調(diào)整方法，來調(diào)整機(jī)械臂工具末端姿態(tài)，使穿刺針穿刺時(shí)姿態(tài)與規(guī)劃的穿刺路徑完全重合，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)穿刺。

2、本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于tcp坐標(biāo)系投影的機(jī)械臂末端姿態(tài)調(diào)整方法，該方法采用以下技術(shù)方案：

3、1）確定光學(xué)導(dǎo)航儀坐標(biāo)系為第一空間坐標(biāo)系，在所述第一空間坐標(biāo)系下，由第一進(jìn)針點(diǎn)和第二進(jìn)針點(diǎn)三維空間坐標(biāo)確定穿刺路徑，并將所述穿刺路徑平移直至第二進(jìn)針點(diǎn)與所述第一空間坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，將平移后的穿刺路徑記為第一空間坐標(biāo)系z(mì)軸向量；

4、2）確定機(jī)械臂工具末端坐標(biāo)系為第二空間坐標(biāo)系；

5、3）確定機(jī)械臂基座空間坐標(biāo)系為第三空間坐標(biāo)系，將所述第一空間坐標(biāo)系平移并旋轉(zhuǎn)直至所述第一空間坐標(biāo)系與所述第三空間坐標(biāo)系的x軸、y軸和原點(diǎn)完全重合，此時(shí)的第一空間坐標(biāo)系z(mì)軸向量為所述第三空間坐標(biāo)系下的投影，并將此投影作為目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系的z軸向量，即機(jī)械臂工具末端z軸需要調(diào)整的最終目標(biāo)姿態(tài)；

6、4）基于所述第一空間坐標(biāo)系的z軸、所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系z(mì)軸以及所述第三空間坐標(biāo)系，確定所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系z(mì)軸在所述第三空間坐標(biāo)系下的z軸向量；

7、5）基于所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系z(mì)軸向量和所述第三空間坐標(biāo)系，確定所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系y軸在所述第三空間坐標(biāo)系下的y軸向量；

8、6）基于所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系y、z軸向量和所述第三空間坐標(biāo)系，確定所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系x軸在所述第三空間坐標(biāo)系下的x軸向量；

9、7）基于所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系在所述第三空間坐標(biāo)系下的x、y、z軸向量，確定所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)矩陣。

10、優(yōu)選的，步驟1）中所述的第一空間坐標(biāo)系z(mì)軸向量是所述第一進(jìn)針點(diǎn)到所述第二進(jìn)針點(diǎn)的向量平移到所述第一空間坐標(biāo)系上的向量。

11、優(yōu)選的，步驟2）中所述第二空間坐標(biāo)系x軸、y軸、z軸分別與機(jī)械臂末端未安裝工具時(shí)的空間坐標(biāo)系x軸、y軸、z軸平行。

12、優(yōu)選的，步驟3）中所述的第一空間坐標(biāo)系z(mì)軸向量和所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)z軸向量在所述第三空間坐標(biāo)系下的投影是將所述所述第一空間坐標(biāo)系z(mì)軸向量平移旋轉(zhuǎn)到所述第三空間坐標(biāo)系下并使所述第二進(jìn)針點(diǎn)與所述第三空間坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，然后將上述第三空間坐標(biāo)系下的投影作為所述第二空間坐標(biāo)系下的z軸向量，即機(jī)械臂工具末端坐標(biāo)系z(mì)軸需要調(diào)整的最終目標(biāo)姿態(tài)。

13、優(yōu)選的，步驟4）中所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系z(mì)軸在所述第三空間坐標(biāo)系下的z軸向量是根據(jù)所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系z(mì)軸向量與所述第三空間坐標(biāo)系x、y、z軸向量的夾角關(guān)系求出。

14、優(yōu)選的，步驟5）中所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系y軸在所述第三空間坐標(biāo)系下的y軸向量是根據(jù)兩個(gè)條件確定：一是所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系y軸向量與所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系z(mì)軸向量垂直；二是所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系y軸向量與所述第三空間坐標(biāo)系下的xoz平面平行。

15、優(yōu)選的，步驟6）中所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系x軸在所述第三空間坐標(biāo)系下的x軸向量是根據(jù)三個(gè)條件確定：中所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系x軸在所述第三空間坐標(biāo)系下的x軸向量是根據(jù)三個(gè)條件確定：一是所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系y軸向量與所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系x軸向量垂直；二是所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系z(mì)軸向量與所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系x軸向量垂直；三是基于單位向量坐標(biāo)系有如下數(shù)學(xué)等式：?。

16、優(yōu)選的，步驟7）中所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)矩陣可由所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系下的x、y、z軸單位向量在所述第三空間坐標(biāo)下的投影經(jīng)過變換得到。

17、根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于tcp坐標(biāo)系投影的機(jī)械臂末端姿態(tài)調(diào)整方法，至少具有如下有益效果：通過機(jī)械臂末端姿態(tài)與預(yù)定穿刺路徑投影，快速計(jì)算所需姿態(tài)調(diào)整，提高實(shí)時(shí)性，降低計(jì)算復(fù)雜度，減少誤差積累，從而提升穿刺精度和消融手術(shù)成功率，為微創(chuàng)醫(yī)療應(yīng)用提供可靠支持。

技術(shù)特征：

1.一種基于tcp坐標(biāo)系投影的機(jī)械臂末端姿態(tài)調(diào)整方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于tcp坐標(biāo)系投影的機(jī)械臂末端姿態(tài)調(diào)整方法，其特征在于：步驟1）中所述的第一空間坐標(biāo)系z(mì)軸向量是所述第一進(jìn)針點(diǎn)到所述第二進(jìn)針點(diǎn)的向量。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于tcp坐標(biāo)系投影的機(jī)械臂末端姿態(tài)調(diào)整方法，其特征在于：步驟2）中所述第二空間坐標(biāo)系為機(jī)械臂末端坐標(biāo)系平移后的結(jié)果，即所述第二空間坐標(biāo)系與機(jī)械臂末端坐標(biāo)系x、y、z軸是平行的。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于tcp坐標(biāo)系投影的機(jī)械臂末端姿態(tài)調(diào)整方法，其特征在于：步驟3）中所述的第一空間坐標(biāo)系z(mì)軸向量和所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)z軸向量在所述第三空間坐標(biāo)系下的投影是將所述所述第一空間坐標(biāo)系z(mì)軸向量平移旋轉(zhuǎn)到所述第三空間坐標(biāo)系下并使所述第二進(jìn)針點(diǎn)與所述第三空間坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，然后將上述第三空間坐標(biāo)系下的投影作為所述第二空間坐標(biāo)系下的z軸向量，即機(jī)械臂工具末端坐標(biāo)系z(mì)軸需要調(diào)整的最終目標(biāo)姿態(tài)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于tcp坐標(biāo)系投影的機(jī)械臂末端姿態(tài)調(diào)整方法，其特征在于：步驟4）中所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系z(mì)軸在所述第三空間坐標(biāo)系下的z軸向量是根據(jù)所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系z(mì)軸向量與所述第三空間坐標(biāo)系x、y、z軸向量的夾角關(guān)系求出。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于tcp坐標(biāo)系投影的機(jī)械臂末端姿態(tài)調(diào)整方法，其特征在于：步驟5）中所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系y軸在所述第三空間坐標(biāo)系下的y軸向量是根據(jù)兩個(gè)條件確定：一是所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系y軸向量與所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系z(mì)軸向量垂直；二是所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系y軸向量與所述第三空間坐標(biāo)系下的xoz平面平行。

7.據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于tcp坐標(biāo)系投影的機(jī)械臂末端姿態(tài)調(diào)整方法，其特征在于：步驟6）中所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系x軸在所述第三空間坐標(biāo)系下的x軸向量是根據(jù)三個(gè)條件確定：一是所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系y軸向量與所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系x軸向量垂直；二是所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系z(mì)軸向量與所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系x軸向量垂直；三是基于單位向量坐標(biāo)系有如下數(shù)學(xué)等式：?。

8.據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于tcp坐標(biāo)系投影的機(jī)械臂末端姿態(tài)調(diào)整方法，其特征在于：步驟7）中所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)矩陣可由所述目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系下的x、y、z軸單位向量在所述第三空間坐標(biāo)下的投影經(jīng)過變換得到。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種基于tcp坐標(biāo)系投影的機(jī)械臂末端姿態(tài)調(diào)整方法。該方法包括：在光學(xué)導(dǎo)航儀坐標(biāo)系即第一空間坐標(biāo)系下，根據(jù)第一、第二進(jìn)針點(diǎn)的坐標(biāo)確定穿刺路徑，并將路徑平移，得到第一空間坐標(biāo)系的z軸向量；確定機(jī)械臂工具末端坐標(biāo)系為第二空間坐標(biāo)系；將第一空間坐標(biāo)系平移旋轉(zhuǎn)，使第一空間坐標(biāo)系的z軸向量等于目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系的z軸向量；基于目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系z(mì)軸向量，確定目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系z(mì)軸在第三空間坐標(biāo)系下的y、z軸向量；基于目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系y、z軸向量，確定目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系x軸在第三空間坐標(biāo)系下的x軸向量；基于目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系在第三空間坐標(biāo)系下的x、y、z軸向量，確定目標(biāo)第二空間坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)矩陣。

技術(shù)研發(fā)人員：朱慧英,朱聰斌,胡聰,鐘昭輝
受保護(hù)的技術(shù)使用者：珠海橫琴全星醫(yī)療科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17