技术领域
本发明涉及医疗机器人技术领域，具体涉及一种用于机器人种牙手术中的末端夹持装置及机器人末端执行器定位方法。
背景技术
口腔种牙手术是在狭小空间内局部麻醉下的精密操作，医生需要手持种植手机将与人体骨质兼容的种植体植入缺牙区的牙槽骨内。经过一段时间，当人工牙根与牙槽骨密合后，再在人工牙根上制作牙冠。
影响手术效果的关键是种植体的植入精度，而由于口腔的非直视环境、操作空间狭小以及医生缺乏经验等因素，造成手术的失败率较高。因此，高精度的机器人辅助种牙手术成为当前的研究热点。机器人运动平稳、定位精度高，再配合精密的视觉导航系统，相当于“手眼结合”，扩展了牙科种植医生的能力范围。
目前，在机器人辅助种牙手术中一般会使用现成的牙科种植手机，然而这种牙科种植手机原本是设计给医生手持使用的，其几何外形不规则很难安装在机器人的末端。机器人集成商自行设计并加工种植手机的成本又太高，目前缺少一种合适的解决方案。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种用于机器人种牙手术中的末端夹持装置。
具体地，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种用于机器人种牙手术中的末端夹持装置，包括：固定结构和立体框架；
所述固定结构的内表面与待夹持的牙科种植手机的外表曲面完全贴合，用于固定所述牙科种植手机；
所述立体框架的一端与所述固定结构连接，另一端与机器人机械臂末端连接。
进一步地，所述固定结构包括第一固定块和第二固定块；
所述第一固定块和所述第二固定块用于配合固定所述牙科种植手机；所述第一固定块和所述第二固定块的内表面与牙科种植手机的外表曲面完全贴合。
进一步地，所述立体框架包括：凹槽结构、连接梁、支撑梁、法兰盘以及标记点坐标系平面结构；
所述连接梁用于连接所述凹槽结构和所述法兰盘；
所述支撑梁用于支撑所述标记点坐标系平面结构且与所述法兰盘连接；
所述凹槽结构用于与所述固定结构连接，所述法兰盘用于与所述机器人机械臂末端连接。
进一步地，所述凹槽结构与所述固定结构相匹配，所述固定结构内嵌固定在所述凹槽结构内。
进一步地，所述固定结构通过卡接的方式内嵌固定在所述凹槽结构内。
进一步地，所述固定结构上设置第一螺纹孔，所述凹槽结构上设置有与所述第一螺纹孔匹配的第二螺纹孔；通过紧定螺钉穿过所述第二螺纹孔和所述第一螺纹孔将所述固定结构内嵌固定在所述凹槽结构内。
进一步地，所述法兰盘上设置有一个定位孔和若干个螺纹孔，所述定位孔用于将所述法兰盘与所述机器人机械臂末端进行定位对准；所述螺纹孔用于将所述法兰盘与所述机器人机械臂末端进行固定。
进一步地，所述标记点坐标系平面结构包括第一标记点坐标系平面，所述第一标记点坐标系平面上贴附有至少3个第一标记点，所述至少3个第一标记点用于确定所述第一标记点所在的空间坐标系。
进一步地，所述标记点坐标系平面结构包括互成预设角度的第一标记点坐标系平面和第二标记点坐标系平面，所述第一标记点坐标系平面上贴附有至少3个第一标记点，所述第二标记点坐标系平面上贴附有至少3个第二标记点，所述至少3个第一标记点用于确定所述第一标记点所在的空间坐标系，所述至少3个第二标记点用于确定所述第二标记点所在的空间坐标系。
第二方面，本发明还提供了一种利用如第一方面所述的用于机器人种牙手术中的末端夹持装置进行机器人末端执行器定位的方法，包括：
在机器人种牙手术过程中，视觉导航系统通过视觉传感器追踪所述立体框架上的第一标记点坐标系平面和第二标记点坐标系平面上的光学标记以进行机器人末端执行器定位；
具体地，在机器人种牙手术过程中，实时计算第一标记点坐标系平面和第二标记点坐标系平面的法向矢量与视觉传感器Z轴的夹角θ的大小，并根据最大夹角对应的标记点坐标系平面计算机器人末端执行器的位置和姿态；其中，所述视觉传感器Z轴方向为视线方向。
由上述技术方案可知，本发明提供的用于机器人种牙手术中的末端夹持装置，包括：固定结构和立体框架；所述固定结构的内表面与待夹持的牙科种植手机的外表曲面完全贴合，用于固定所述牙科种植手机；所述立体框架的一端与所述固定结构连接，另一端与机器人机械臂末端连接。可见，本发明提供的用于机器人种牙手术中的末端夹持装置，能够将牙科种植手机稳固地固定在机器人机械臂末端，从而方便进行机器人辅助种牙手术。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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他的附图。
图1是本发明一实施例提供的用于机器人种牙手术中的末端夹持装置的结构框图；
图2是本发明一实施例提供的固定结构11的具体结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的用于机器人种牙手术中的末端夹持装置的结构示意图；
图4是利用两个标记点坐标系平面进行机器人末端执行器定位的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一实施例提供了一种用于机器人种牙手术中的末端夹持装置，参见图1，包括：固定结构11和立体框架12；
所述固定结构11的内表面与待夹持的牙科种植手机的外表曲面完全贴合，用于固定所述牙科种植手机；
所述立体框架12的一端与所述固定结构11连接，另一端与机器人机械臂末端连接。
由上面描述可知，本实施例提供的用于机器人种牙手术中的末端夹持装置，包括：固定结构和立体框架；所述固定结构的内表面与待夹持的牙科种植手机的外表曲面完全贴合，用于固定所述牙科种植手机；所述立体框架的一端与所述固定结构连接，另一端与机器人机械臂末端连接。可见，本实施例提供的用于机器人种牙手术中的末端夹持装置，能够将牙科种植手机稳固地固定在机器人机械臂末端，从而方便进行机器人辅助种牙手术。
在一种优选实施方式中，参见图2，所述固定结构11包括第一固定块111和第二固定块112；
所述第一固定块111和所述第二固定块112用于配合固定所述牙科种植手机；所述第一固定块111和所述第二固定块112的内表面与牙科种植手机的外表曲面完全贴合。
可以理解的是，所述第一固定块111和第二固定块112由于特殊的外观结构，使用传统加工工艺很难加工出符合需求的结构，因此，优选地，可以使用3D打印技术快速精确地成型。此外，3D打印材料可选择PA(尼龙粉末)，PA是强度非常高的一种工程材料，粉末粒径小，制作模型精度高，且具有良好的耐热性。用PA打印出的结构不易变形、且易于消毒处理。如果要求的强度、刚度更高可以选择金属材料(铝合金、钛合金)打印。
需要说明的是，由于牙科种植手机的外表面经过加工打磨一般比较光滑高亮、反射度高，直接使用3D扫描仪扫描种植手机的外表面可能会出现数据丢失等异常问题。因此优选地可以采用如下方法确定固定结构11内表面形状：
a、用医用硅橡胶包裹住要采样的牙科种植手机外表面，捏紧不要留空隙。
b、等硅橡胶变硬后用刀沿着中轴线剖开，然后将取模得到的内表面通过医用3D扫描仪进行扫描，得到包含内表面的网格模型。
c、使用三维网格编辑软件处理上述模型，生成固定块的网格模型，发送到3D打印机进行打印。
在一种优选实施方式中，参见图3，所述立体框架12包括：凹槽结构121、连接梁122、支撑梁123、法兰盘124以及标记点坐标系平面结构125；
所述连接梁122用于连接所述凹槽结构和所述法兰盘；
所述支撑梁123用于支撑所述标记点坐标系平面结构125且与所述法兰盘124连接；
所述凹槽结构121用于与所述固定结构连接，所述法兰盘124用于与所述机器人机械臂末端连接。
可以理解的是，标记点坐标系平面结构125设置有光学标记附着位置，在对应的光学标记附着位置可以贴附对应的光学标记。例如，标记点坐标系平面结构125设置有3个光学标记附着位置，因此在该标记点坐标系平面结构125上可以贴附3个光学标记，这3个光学标记可以确定一个空间坐标系，用于描述牙科种植手机的空间位置和姿态。
可以理解的是，由于特殊的外观结构，使用传统加工工艺很难加工出符合需求的框架，因此，优选地，可以使用3D打印技术快速精确地将所述立体框架一体成型打印出来。此外，3D打印材料可选择PA(尼龙粉末)，PA是强度非常高的一种工程材料，粉末粒径小，制作模型精度高，且具有良好的耐热性。用PA打印出的框架不易变形、且易于消毒处理。如果要求的强度、刚度更高可以选择金属材料(铝合金、钛合金)打印。
在一种优选实施方式中，参见图3，所述凹槽结构121与所述固定结构11相匹配，所述固定结构11内嵌固定在所述凹槽结构121内。
在一种优选实施方式中，所述固定结构11通过卡接的方式内嵌固定在所述凹槽结构121内。
在一种优选实施方式中，所述固定结构11上设置第一螺纹孔，所述凹槽结构121上设置有与所述第一螺纹孔匹配的第二螺纹孔；通过紧定螺钉穿过所述第二螺纹孔和所述第一螺纹孔将所述固定结构11内嵌固定在所述凹槽结构121内。
在一种优选实施方式中，所述法兰盘124上设置有一个定位孔和若干个螺纹孔，所述定位孔用于将所述法兰盘与所述机器人机械臂末端进行定位对准；所述螺纹孔用于将所述法兰盘与所述机器人机械臂末端进行固定。例如，所述法兰盘124上设置有一个定位孔和4个螺纹孔。
在一种优选实施方式中，参见图3，所述标记点坐标系平面结构125包括第一标记点坐标系平面125p1，所述第一标记点坐标系平面125p1上设置有至少3个标记点贴付处S，每个标记点贴付处S用于贴附一个标记点。例如图3中，所述第一标记点坐标系平面125p1上贴附有至少3个第一标记点，所述至少3个第一标记点用于确定所述第一标记点所在的空间坐标系。
可见，本实施例提供的末端夹持装置除了能将种植手机连接到机器人末端之外，还可以提供标记点坐标系平面，从而在机器人种牙手术过程中，视觉导航系统通过视觉传感器追踪所述立体框架上的第一标记点坐标系平面上的光学标记以进行机器人末端执行器定位。
在一种优选实施方式中，参见图4，所述标记点坐标系平面结构125包括互成预设角度的第一标记点坐标系平面125p1和第二标记点坐标系平面125p2，所述第一标记点坐标系平面125p1上贴附有至少3个第一标记点，所述第二标记点坐标系平面125p2上贴附有至少3个第二标记点，所述至少3个第一标记点用于确定所述第一标记点所在的空间坐标系，所述至少3个第二标记点用于确定所述第二标记点所在的空间坐标系。
优选地，所述预设角度可以为大于40小于150°之间的任意值，当然，还可以为其他角度值，本发明对此不做限定。
可见，本实施例提供的末端夹持装置除了能将种植手机连接到机器人末端之外，还可以提供两个标记点坐标系平面，从而在机器人种牙手术过程中，视觉导航系统通过视觉传感器追踪所述立体框架上的第一标记点坐标系平面和第二标记点坐标系平面上的光学标记以进行机器人末端执行器定位。
需要说明的是，由于视觉导航系统中的视觉传感器位置固定而末端执行器随着机器人运动，因此可能出现光学标记被遮挡的现象，进而导致图像处理中信息的缺失，对系统的安全性造成影响。为解决视线遮蔽问题，工业现场常采用多个摄像机构成多传感器固定式视觉测量系统，共同获取同一标记点的图像来消除遮挡，然而这种方法实现成本高，而且需要进行全局标定，将多个测量结果统一到一个测量坐标系下，增加了工作量和系统复杂度。
为解决该问题，本实施例提出一种包含两个坐标系平面的立体框架，参见图4，立体框架设计有互成预设角度的第一标记点坐标系平面125p1和第二标记点坐标系平面125p2。在机器人种牙手术过程中，可以实时计算第一标记点坐标系平面和第二标记点坐标系平面的法向矢量与视觉传感器Z轴的夹角θ的大小，并根据最大夹角对应的标记点坐标系平面计算机器人末端执行器的位置和姿态；其中，所述视觉传感器Z轴方向为视线方向。其中，θ的范围为0°～180°，当θ＝180°时，标记点坐标系正对着视觉传感器，此时传感器视野范围内的图像信息表达最为准确；当θ＝0°时，标记点坐标系背对着视觉传感器，图像信息完全丢失。
可见，本实施例通过额外增加一个标记点坐标系平面的方式，利用视觉冗余信息解决单个标记点坐标系平面下部分标记点被遮挡的问题，该结构的设计可以避免某一标记点坐标系平面过度倾斜造成的图像信息丢失；由于增加了冗余的视觉信息，在某一标记点坐标系平面被其它物体遮挡住时，剩余的标记点坐标系平面可以提供有效的位置姿态信息，从而可以提高机器人辅助手术的安全性。
这里简单给出本实施例提供的上述末端夹持装置的使用过程：
参见图3，首先将牙科种植手机拆开，机头与后端马达分离；然后将立体框架12从机头后端套入，接着将左右两个固定块111和112(第一固定块和第二固定块)夹在机头上，使两个固定块和牙科种植手机的内外表面完全贴合；接下来将两个固定块111和112慢慢往立体框架12上的凹槽结构121内推，直到凹槽结构121上的螺纹孔与左右两个固定块上的螺纹对准；再接着把紧定螺钉旋入框架和固定块左右两侧的内螺纹孔中，使紧定螺钉的末端紧压在牙科种植手机的表面上，直到牙科种植手机与立体框架不能发生相对运动为止；最后再将马达与机头装上。
此外，通过立体框架12上的法兰盘124，可以将牙科种植手机安装在机器人的末端上。法兰盘124上分布有四个螺纹孔和一个定位孔，这些孔与机械臂末端的连接孔相对应，连接时先用定位销经过两者上的定位孔把它们固定到一起(确保安装位置与设计位置一致)，而后再用螺钉将两者固定牢靠。最终标定好立体框架12上的光学标记坐标系和牙科种植手机器械尖端的相对位置之后就可以将其用于机器人导航手术中了。
基于相同的发明构思，本发明另一实施例提供了一种利用如上面实施例所述的包含固定结构以及两个标记点坐标系平面的立体框架的末端夹持装置进行机器人末端执行器定位的方法，该方法包括如下步骤：
步骤101：在机器人种牙手术过程中，视觉导航系统通过视觉传感器追踪所述立体框架上的第一标记点坐标系平面和第二标记点坐标系平面上的光学标记以进行机器人末端执行器定位；
具体地，在机器人种牙手术过程中，实时计算第一标记点坐标系平面和第二标记点坐标系平面的法向矢量与视觉传感器Z轴的夹角θ的大小，并根据最大夹角对应的标记点坐标系平面计算机器人末端执行器的位置和姿态；其中，所述视觉传感器Z轴方向为视线方向。
需要说明的是，由于视觉导航系统中的视觉传感器位置固定而末端执行器随着机器人运动，因此可能出现光学标记被遮挡的现象，进而导致图像处理中信息的缺失，对系统的安全性造成影响。为解决视线遮蔽问题，工业现场常采用多个摄像机构成多传感器固定式视觉测量系统，共同获取同一标记点的图像来消除遮挡，然而这种方法实现成本高，而且需要进行全局标定，将多个测量结果统一到一个测量坐标系下，增加了工作量和系统复杂度。
为解决该问题，本实施例提出一种利用视觉冗余信息解决遮挡问题的方法，参见图4，立体框架设计有互成预设角度的第一标记点坐标系平面125p1和第二标记点坐标系平面125p2。在机器人种牙手术过程中，实时计算第一标记点坐标系平面和第二标记点坐标系平面的法向矢量与视觉传感器Z轴的夹角θ的大小，并根据最大夹角对应的标记点坐标系平面计算机器人末端执行器的位置和姿态；其中，所述视觉传感器Z轴方向为视线方向。其中，θ的范围为0°～180°，当θ＝180°时，标记点坐标系正对着视觉传感器，此时传感器视野范围内的图像信息表达最为准确；当θ＝0°时，标记点坐标系背对着视觉传感器，图像信息完全丢失。
如图4所示，若在视觉传感器视野范围内能同时检测到立体框架两个表面(第一标记点坐标系平面125p1和第二标记点坐标系平面125p2)上的标记点坐标系，则比较夹角θ的大小。对于图4示的这一相对姿态下，视觉传感器的Z轴矢量(视线方向)与右侧标记点坐标系平面(第二标记点坐标系平面125p2)的法向矢量nR夹角比另一个坐标系平面上的要大，因此选择右侧标记点坐标系平面来计算种植手机在视觉坐标系下的位置和姿态。
在视觉追踪程序中可以获取标记点坐标系的姿态(γ，β，α)，它以相对视觉坐标系的RPY角来描述。根据矩阵变换关系，标记点坐标系的Z轴(即标记点坐标系平面的法向矢量)在视觉坐标系下的方向向量为：
已知视觉坐标系的Z轴方向向量为则有计算公式：
可以理解的是，该方法避免了某一标记点坐标系平面过度倾斜造成的图像信息丢失；由于增加了冗余的视觉信息，在某一标记点坐标系平面被其它物体遮挡住时，剩余的标记点坐标系平面可以提供有效的位置姿态信息，从而提高机器人辅助手术的安全性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。