手术机器人的避障方法以及避障系统

技术领域

本发明涉及医疗手术技术领域，特别是涉及手术机器人的避障方法以及避障系统。

背景技术

手术机器人在外科手术过程中能够辅助医生进行更精准的操作，其在进行手术之前大多需要先对手术过程中使用到的手术器械进行注册，例如用于神经外科手术的机器，需要对机械臂、推车车体等进行注册，从而规划机械臂的操作路径。现有的神经外科技术方案中，由于其内部包含有机械臂本身的模型以及推车车体的模型，且机械臂与推车车体模型相对位置不会变化且模型本身也不会发生变化，所以经过上述注册后可以做到机械臂与机械臂自身、机械臂与推车车体的避障。同时，在获得病人头颅模型后，并使用神经外科手术机器人完成注册后，可以获得头颅模型与机械臂之间的相对位置，从而确定头颅的位置。但是，因为头颅的装配是需要利用头架进行支撑，在实际操作时会存在机械臂与头架之间的操作障碍，导致机械臂触碰到头架。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中进行手术时机械臂的移动容易与头架发生碰撞的技术问题，提供一种手术机器人避障方法。

一种手术机器人避障方法，包括：获取安装有注册标记的头部固定组件的初始三维模型；其中，所述初始三维模型对所述安装有注册标记的头部固定组件进行扫描得到；将所述初始三维模型由影像坐标系映射至机器人坐标系，得到所述机器人坐标系下的目标三维模型；基于所述目标三维模型以及预设的障碍物模型，对所述手术机器人进行路径规划。

上述的手术机器人避障方法，通过在头部固定组件上安装注册标记，当获知到影像坐标系中注册标记对应的坐标值，即可获得该头部固定组件在影像坐标系中的位置。当将影像坐标系映射至机器人坐标系中，即可得到该初始三维模型在机器人坐标系中的目标三维模型，从而得到目标三维模型在机器人坐标系中的位置。将机器人坐标系中预设的障碍物模型与映射后的目标三维模型结合，即可满足对机器人手术路径的规划。如此，即可在满足手术机器人的机械臂移动实施手术的同时，还可以对头部固定组件进行避障，减小对机械臂移动的碰撞，满足机械臂精准且稳定移动至入颅点，以进行手术操作。

在其中一个实施例中，将所述初始三维模型由影像坐标系映射至机器人坐标系，得到所述机器人坐标系下的目标三维模型，包括：基于预设的注册方式，获取所述影像坐标系与所述机器人坐标系之间的转换矩阵；基于所述转换矩阵，将所述初始三维模型由所述影像坐标系映射至所述机器人坐标系，得到所述机器人坐标系下的目标三维模型。

在其中一个实施例中，所述注册方式为接触式注册方式；基于预设的注册方式，获取所述影像坐标系与所述机器人坐标系之间的转换矩阵，包括：控制所述手术机器人的末端工具与所述注册标记进行接触，得到所述注册标记在所述机器人坐标系下的第一坐标；以及，基于所述注册标记在所述初始三维模型中的位置，确定所述注册标记在所述影像坐标系下的第二坐标；基于所述第一坐标和所述第二坐标，得到所述影像坐标系与所述机器人坐标系之间的转换矩阵。

在其中一个实施例中，所述注册方式为非接触式注册方式；基于预设的注册方式，获取所述影像坐标系与所述机器人坐标系之间的转换矩阵，包括：基于光学追踪设备，对所述手术机器人的末端安装的注册标记以及所述头部固定组件上的注册标记进行追踪，分别得到所述末端上的注册标记在光学追踪设备坐标系下的第一坐标以及所述头部固定组件上的注册标记在所述光学追踪设备坐标系下的第二坐标；基于所述第一坐标，得到所述机器人坐标系与所述光学追踪设备坐标系之间的第一转换矩阵；基于所述第二坐标，得到所述影像坐标系与所述光学追踪设备坐标系之间的第二转换矩阵；基于所述第一转换矩阵和所述第二转换矩阵，得到所述影像坐标系与所述机器人坐标系之间的转换矩阵。

在其中一个实施例中，障碍物模型至少包括待检测对象的头部模型、所述手术机器人的机械臂模型以及所述手术机器人的推车模型。

本发明还提供一种手术机器人的避障系统，能够在进行手术时对头架进行避障，从而避免机械臂与头架发生碰撞。

一种手术机器人的避障系统，包括：用于固定待检测对象头部的头部固定组件、安装于所述头部固定组件的注册标记以及用于执行上述的手术机器人的避障方法的手术机器人。

在其中一个实施例中，所述注册标记包括连接器和注册阵列；所述连接器的一端与所述注册阵列连接，另一端与所述头部固定组件可拆卸连接。

在其中一个实施例中，所述连接器包括用于可拆卸连接于所述头部固定组件的固定座；所述固定座包括锁紧件以及相对设置的两个夹板，两个所述夹板之间构造有夹紧空间，所述头部固定组件的部分夹设于所述夹紧空间内，且两个所述夹板中的至少一者能够相对所述头部固定组件做靠近运动或远离运动；所述锁紧件用于将两个所述夹板相对所述头部固定组件锁紧。

在其中一个实施例中，每个所述夹板均包括呈角度设置的长边和短边，且每个所述长边均构造有用于连接所述锁紧件的锁紧孔；其中一个所述夹板中的所述长边背离同组所述短边的一侧凸设有卡柱，另一个所述夹板的所述短边构造有安装槽；所述固定座还包括帽体，所述卡柱穿过所述安装槽与所述帽体锁紧。

在其中一个实施例中，所述连接器还包括一端连接于所述固定座的连接臂；所述注册阵列包括连接于所述连接臂另一端的阵列架以及至少四个标记件，所述阵列架呈十字交叉结构，且所述阵列架的每个顶点均装配有所述标记件。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的手术机器人的避障方法的流程图；

图2为本发明一实施例提供的手术机器人的避障方法中通过接触式注册获取转换矩阵的流程图；

图3为本发明一实施例提供的手术机器人的避障方法中通过非接触式注册获取转换矩阵的流程图；

图4为本发明一实施例提供的手术机器人的避障系统中头部固定组件的示意图；

图5为本发明一实施例提供的手术机器人的避障系统中标记件的示意图；

图6为图5中提供的标记件的剖视图；

图7为本发明一实施例提供的手术机器人的避障系统中头部固定组件与注册标记配合的示意图；

图8为图7中提供的注册标记的示意图；

图9为图8中提供的注册标记中第一夹板的示意图；

图10为图8中提供的注册标记中第二夹板的示意图。

附图标记：10-头架；11-横边；12-竖边；20-标记件；21-标记垫；22-骨钉；23-反光球；24-连接器；25-注册阵列；30-患者头颅；31-第一夹板；32-第二夹板；100-头部固定组件；101-注册标记位置；200-注册标记；201-注册点；221-卡臂；231-卡槽；241-固定座；242-连接臂；251-阵列架；311-第一长边；312-第一短边；321-第二长边；322-第二短边；2401-长边；2402-短边；2403-柱体；2404-帽体一；2405-帽体二；2406-锁紧孔；2407-帽体三；2410-夹紧空间；2411-夹板；2412-锁紧件；3111-第一长孔；3112-卡柱；3211-第二长孔；3221-安装槽。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，除非另有明确的限定。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

目前，所使用的神经外科手术机器人都包括有机械臂和用于支撑机械臂的推车，且机械臂相对推车的装配位置并不会发生变化。故而，在进行手术机器人操作避障时，可以满足机械臂与机械臂自身、机械臂与推车之间的避障。在完成患者头颅扫描并通过手术机器人完成注册后，即可确定头颅在机器人坐标系中的位置。但是，头颅通常由头架支撑，因此在进行机械臂操作过程中，还需要考虑头架所处的位置，以避免机械臂与头架发生碰撞。

针对于上述问题，本发明一实施例提供了一种手术机器人的避障方法，能够在进行机械臂路径规划时，充分考虑多种避障问题，以便机械臂能够更为精准且稳定的移动至入颅点，实施手术操作。同时本发明一实施例还提供了一种手术机器人的避障系统，用于实施该手术机器人的避障方法。为了便于描述，以下先对该手术机器人的避障系统进行详细描述。

本发明一实施例提供了一种手术机器人的避障系统，包括手术机器人、头部固定组件100以及注册标记200。其中，手术机器人具有用于连接末端工具的机械臂和控制机械臂运动的控制器，头部固定组件100用于固定待检测对象的头部，注册标记200至少安装于头部固定组件100。机械臂被配置为响应于控制器的控制而相对头部固定组件100以及待检测对象的头部(简称为患者头颅30)移动。在实际使用时，该手术机器人的避障系统还包括显示器和扫描器，且二者均与控制器电性连接。扫描器扫描头部固定组件100、患者头颅30等图像后传递至控制器，经控制器三维重建后传递至显示器，由显示器转化为图像信号显示，以便术者观察。其中，扫描器为CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)。同时，该手术机器人的避障系统还包括人机交互模块，人机交互模块能够将术者的指令传递至控制器，以待控制器分析处理后向相关模块发出操作指令。例如，控制器控制手术机器人启动，机械臂动作。当采用非接触注册时，该手术机器人的避障系统还包括光学追踪设备。本实施例的重点在于对头架的避障，以下针对头架安装注册标记进行详细描述。

图4为本发明一实施例提供的手术机器人的避障系统中头部固定组件的示意图，图5为本发明一实施例提供的手术机器人的避障系统中标记件的示意图。请参照图4和图5，在一些实施例中，头部固定组件100包括头架10，注册标记200包括至少四个独立设置的且安装于头架10的标记件20，且该每个标记件20具有一个注册点201，则头架10具有至少四个注册标记位置101，每个注册标记位置101可拆卸连接有一个标记件20。具体的，四个注册标记位置101分布于头架10的至少两个面上，且至少四个注册标记位置101不共线。其中，每个标记件20均用于获取在不同坐标系中的坐标值，满足坐标转换以求得转换矩阵。

图7为本发明一实施例提供的手术机器人的避障系统中头部固定组件与注册标记配合的示意图。请参照图7，在其他的实施例中，注册标记200包括阵列架251和至少四个标记件20，阵列架251呈十字交叉结构，且阵列架251的每个顶点均装配有一个标记件20，每个标记件20对应一个注册点201。此时，头架10具有一个注册标记位置101。也就是说，至少四个标记件20和阵列架251共同组成注册阵列25，此时只需要将该注册阵列25安装于头架10上对应的注册标记位置101。

图6为图5中提供的标记件的剖视图，请结合图5和图6可知，在一个具体的实施例中，标记件20包括标记垫21、连接于标记垫21的骨钉22以及可拆卸连接于骨钉22的反光球23。当需要在头架10上安装标记件20时，标记垫21粘接于头架10上。其中，骨钉22的一端构造有螺纹段，标记垫21构造有螺纹孔，骨钉22螺纹连接于标记垫21。骨钉22的另一端构造有相对的两个卡臂221，两个卡臂221之间的间隙用于探针插入。两个卡臂221用于插入反光球23的卡槽231内，以与反光球23卡接配合。

进一步地，当采用接触式注册方式时，骨钉22上不安装反光球23。此时，机械臂带动末端上的探针逐一与骨钉22接触，即可获知每个骨钉22在机器人坐标系中的坐标值。当采用非接触注册方式时，反光球23安装于骨钉22，以便光学追踪设备捕捉反光球23反射的光线。

图8为图7中提供的注册标记的示意图，请结合图7和图8，作为一个优选的实施例中，注册标记200包括连接器24和注册阵列25，连接器24的一端与注册阵列25连接，另一端与头架10可拆卸连接。通过注册阵列25的设置，只需要相对头架10有单处连接，即可满足多点位置坐标获取。其中，注册阵列25包括呈十字交叉的阵列架251和设置于阵列架251四个顶点处的标记件20。其中，标记件20包括标记垫21、连接于标记垫21的骨钉22以及连接于骨钉22的反光球23；或者，标记件20包括标记垫21和连接于标记垫21的骨钉22。进一步地，阵列架251具有四个交叉臂，其中至少朝向头架10一侧的交叉臂的长度大于远离头架10一侧的交叉臂的长度。这样的设置，使得注册标记200所体现的坐标更靠近于头架10，以减小距离误差。同时，与该两个交叉臂垂直的两个交叉臂的长度，与靠近头架10一侧的交叉臂的长度相同，确保该两个方向上相距交叉点的间距相同，便于计算。

请继续参照图7和图8，在一个具体的实施例中，连接器24包括用于可拆卸连接头架10的固定座241。固定座241包括锁紧件2412以及相对设置的两个夹板2411，两个夹板2411之间构造有夹紧空间2410，头架10的部分夹设于夹紧空间2410内，且两个夹板2411中的至少一者能够相对头架10做靠近运动或远离运动；锁紧件2412用于将两个夹板2411相对头架10锁紧。具体的，通过两个夹板2411夹持在头架10上，而后利用锁紧件2412锁紧即可完成连接器24相对头架10的装配。这样的设置，一方面，满足连接器24相对头架10安装与拆卸方便；另一方面，两个夹板2411的相对加紧使得头架10沿自身宽度方向的两侧均具有接触紧固面，即具有双面摩擦作用，提高连接可靠性；而且，两个夹板2411分别相对头架10的安装角度可以调整，不仅改变夹板2411相对头架10的接触紧固面的大小，且调整整个连接器24相对头架10的安装角度，满足注册标记200相对头架10俯仰角度的调节。同时，两个夹板2411之间的间距也可以调节，不仅改变夹紧空间2410的大小，以适应不同类型的头架10，且能够与锁紧件2412配合改变作用于头架10的紧固力。如此，在进行角度调节时，无需彻底拆卸，只需放松锁紧件2412，以减小夹板2411相对头架10的紧固力即可。

进一步地，锁紧件2412包括柱体2403、螺纹连接于柱体2403的帽体一2404以及螺纹连接于柱体2403的帽体二2405。为方便描述，以两个夹板2411分别为第一夹板31和第二夹板32进行描述。

图9为图8中提供的注册标记中第一夹板的示意图，图10为图8中提供的注册标记中第二夹板的示意图，请结合图8-图10可知，作为再一个优选的实施例中，每个夹板2411均包括呈角度设置的长边2401和短边2402，且每个长边2401均构造有用于连接锁紧件2412的锁紧孔2406。其中一个夹板中的长边2401背离同组短边2402的一侧凸设有卡柱3112，另一个夹板的短边2402构造有安装槽3221；固定座241还包括帽体三2407，卡柱3112穿过安装槽3221与帽体三2407锁紧。以凸设有卡柱3112的夹板为第一夹板31，则另一夹板为第二夹板32。第一夹板31和第二夹板32均呈L型，拼接时二者方向相反即可。以下分别对两个夹板的结构进行详细描述。

具体的，第一夹板31包括第一长边311和第一短边312，第一短边312的中部设置有用于连接注册阵列25的通孔，且在通孔朝向夹紧空间2410的一侧焊接有螺帽。注册阵列25通过一沿第一长边311长度方向延伸的连接臂242穿设于通孔，与螺帽旋紧；且，可以调节连接臂242的转动角度，满足注册阵列25的俯仰角度调节。第一长边311的中部设置有沿自身长度方向延伸的第一长孔3111，卡柱3112凸设于第一长边311背离第一短边312的一侧。第一长孔3111背离夹紧空间2410的一侧焊接有帽体二2405。第二夹板32包括第二长边321和第二短边322，第二短边322设置有沿垂直于第二长边321方向凹陷的安装槽3221，第二长边321的中部构造有沿自身长度方向延伸的第二长孔3211。其中，第一长孔3111和第二长孔3211即为锁紧孔2406。

在进行装配时，将第一夹板31和第二夹板32分别置于头架10的两侧，且卡柱3112穿过安装槽3221与帽体三2407锁紧，第二长边321抵持于第一短边312。柱体2403一端穿过第二长孔3211和第一长孔3111与帽体二2405旋紧，而后利用帽体一2404锁紧。因为第一长孔3111和第二长孔3211的设置，柱体2403相对两个夹板的安装位置便于调整，且便于调节固定座241相对头架10的俯仰角度。其中，前述注册阵列25的俯仰角度的调节，以第一短边312上通孔的轴线为转动轴；后述固定座241相对头架10的俯仰角度，以头架10沿自身延伸方向的中心线为转动轴。例如，当头架10呈U型时，包括相对的两个竖边12和连接于竖边12之间的横边11。连接器24连接于其中一个竖边12，则以该竖边12沿自身延伸方向的中心线为转动轴。

请继续参照图9所示，作为又一优选的实施例中，连接臂242朝向注册阵列的一侧呈90度弯折，注册阵列的阵列架251在交叉点处构造有沿自身厚度方向贯穿的安装孔，连接臂242的弯折段穿过安装孔与螺母紧固。

其中，上述帽体以及螺母均采用碟形螺母，或者仅帽体三2407采用滚花螺母，其余帽体采用蝶形螺母。

基于上述的手术机器人的避障系统，以下对该手术机器人的避障方法进行具体介绍。

图1为本发明一实施例提供的手术机器人的避障方法的流程图，请参照图1，本发明实施例提供的手术机器人的避障方法包括以下步骤：

获取安装有注册标记的头部固定组件的初始三维模型；其中，初始三维模型对所述安装有注册标记的头部固定组件进行扫描得到；

将初始三维模型由影像坐标系映射至机器人坐标系，得到机器人坐标系下的目标三维模型；

基于目标三维模型以及预设的障碍物模型，对手术机器人进行路径规划。

其中，预设的障碍物模型至少包括待检测对象的头部模型、手术机器人的机械臂模型以及手术机器人的推车模型。因为手术机器人中的机械臂和推车所处的位置基本不会变化，且头部固定组件的位置也基本不会变化，故而只需在初次获取到手术机器人的机械臂模型、推车模型以及头部固定组件的初始三维模型后，将其存储于手术机器人的存储单元内或者控制器的存储单元内，后次手术时直接提取即可。但是，因为患者不同，每位患者处于手术状态时，患者头颅的放置角度也会不同。所以，在对每个患者进行手术，都需要重新扫描患者头颅，从而确定患者头颅位置，以便进行手术。其中，扫描患者头颅后生成的模型也是存储在控制器中。

具体的，通过在头部固定组件上安装注册标记，以获取头部固定组件的初始三维模型在自身影像坐标系中的坐标位置，方便后期进行坐标系映射。当获知到影像坐标系中注册标记的每个标记件对应的坐标值，即可获得该头部固定组件在影像坐标系中的位置。当将影像坐标系映射至机器人坐标系中，即可得到该初始三维模型在机器人坐标系中的目标三维模型，从而得到目标三维模型在机器人坐标系中的位置。因为每次手术均是机械臂带动安装至机械臂末端的末端工具移动至入颅点，所以需要将头部固定组件的初始三维模型由影像坐标系映射至机器人坐标系，即与机械臂处于同一坐标系中。当完成上述映射后，提取机器人坐标系中存储的预设的障碍物模型对应的位置，并与映射后的目标三维模型结合，即可满足对机器人手术路径的规划。这样的操作，在满足手术机器人的机械臂移动实施手术的同时，还可以对障碍物模型对应的障碍物进行避障，减小对机械臂移动的碰撞，满足机械臂精准且稳定移动至入颅点，以进行手术操作。

在一个具体的实施例中，当初次使用该手术机器人时，在头部固定组件和患者头颅上均安装有注册标记，并利用CT扫描安装有注册标记的头部固定组件和安装有注册标记的患者头颅，以获取头部固定组件的初始三维模型和患者头颅的初始图像。待完成初始三维模型和初始图像获取后，利用注册标记即可获知头部固定组件、患者头颅在影像坐标系中的位置，而后将其映射至机器人坐标系中，获得头部固定组件、患者头颅在机器人坐标系中的位置。其中，手术机器人的机械臂模型和推车模型是固有存储于手术机器人的控制器中，以待后续提取即可，且头部固定组件的初始三维模型即可被存储起来以待下次使用。当然，也可以每次获取患者头颅模型时，继续获取头部固定组件的初始三维模型。但是这种方式相较于存储的方式而言，存储的方式更为方便，节省操作时间。

在又一个具体的实施例中，在获取安装有注册标记的头部固定组件的初始三维模型时，可以通过扫描的方式，也可以是从存储的图像中直接提取。其只要能够满足初始三维模型的获取即可。其中，当采用扫描的方式时，利用CT扫描。

请继续参照图1，在一些实施例中，将初始三维模型由影像坐标系映射至机器人坐标系，得到机器人坐标系下的目标三维模型，包括：基于预设的注册方式，获取影像坐标系与机器人坐标系之间的转换矩阵；基于转换矩阵，将初始三维模型由影像坐标系映射至机器人坐标系，得到机器人坐标系下的目标三维模型。

具体的，正是因为在头部固定组件上安装有注册标记，因此能够获得注册标记中每个标记件在影像坐标系中的坐标值。同时，基于注册标记还能够获得注册标记中每个标记件在机器人坐标系中对应的坐标值。采用点云配准算法将两个坐标系进行计算，从而获得影像坐标系与机器人坐标系之间的转换矩阵。得到转换矩阵后即可将初始三维模型由影像坐标系映射至机器人坐标系，以获得在机器人坐标系下的目标三维模型。

需要说明的是，根据注册方式的不同，其获取转换矩阵的方式也不同。

图2为本发明一实施例提供的手术机器人的避障方法中通过接触式注册获取转换矩阵的示意图。请参照图2，在一些实施例中，当注册方式采用接触式注册方式时，基于预设的注册方式，获取影像坐标系与机器人坐标系之间的转换矩阵包括：控制手术机器人的末端工具与注册标记中的每个标记件进行接触，得到标记件在机器人坐标系下的第一坐标；同时，基于注册标记中的每个标记件在初始三维模型中的位置，确定标记件在影像坐标系下的第二坐标；基于第一坐标和第二坐标，得到影像坐标系与机器人坐标系之间的转换矩阵。

具体的，在手术机器人的机械臂的末端安装末端工具，如探针。在头部固定组件上安装注册阵列或者单一的标记件，例如骨钉。待探针和骨钉分别安装到位后，手术机器人启动，机械臂带动末端工具移动至安装有标记件的位置处，并通过探针与骨钉接触。此时，手术机器人即可获取到该骨钉在机器人坐标系中的坐标值，也就是第一坐标。直至机械臂完成与所有骨钉的接触，即可获得所有骨钉在机器人坐标系中的坐标值。同时，因为在获取初始三维模型时，骨钉的位置也会体现在该初始三维模型中，所以能够确定每个骨钉在影像坐标系中的坐标值，也就是第二坐标。将第一坐标和第二坐标带入计算，从而即可求得影像坐标系和机器人坐标系之间的转换矩阵。例如，只需要通过机械臂的末端工具与头部固定组件上对应的标记件进行接触，以获得在机器人坐标系中的标记件的坐标值。而后获得影像坐标系与机器人坐标系的转换矩阵，结合该转换矩阵以及头部固定组件上标记件在影像坐标系中的坐标值，计算得出在机器人坐标系中的坐标值，即获得头部固定组件在机器人坐标系中的位置。

需要补充的是，关于具体的计算方式是采用点云配准配算法，此为转换矩阵的常用方式，故而不进行详细描述。

图3为本发明一实施例提供的手术机器人的避障方法中通过非接触式注册获取转换矩阵的流程图。请参照图3，在其他的实施例中，当注册方式采用非接触式注册方式时，基于预设的注册方式，获取影像坐标系与机器人坐标系之间的转换矩阵包括：基于光学追踪设备，对手术机器人的末端安装的注册标记以及头部固定组件上的注册标记进行追踪，分别得到末端上的注册标记在光学追踪设备坐标系下的第一坐标以及头部固定组件上的注册标记在光学追踪设备坐标系下的第二坐标；基于第一坐标，得到机器人坐标系与光学追踪设备坐标系之间的第一转换矩阵；基于第二坐标，得到影像坐标系与光学追踪设备坐标系之间的第二转换矩阵；基于第一转换矩阵和第二转换矩阵，得到影像坐标系与机器人坐标系之间的转换矩阵。

在本实施例中，每个标记件采用反光球。在实际操作时，患者的头部通常放置于头部固定组件中支撑。具体的，在手术机器人的机械臂的末端安装反光球，并在头部固定组件上安装反光球。此时，即可获知安装于机械臂末端的反光球在机器人坐标系中的机器坐标值。利用CT扫描头部固定组件，获得初始三维模型，且每个反光球的位置反馈在初始三维模型中，得出每个反光球在影像坐标系下的影像坐标值。调节光学追踪设备的追踪范围，以同时看到头部固定组件以及机械臂末端上的反光球，并记录上头部固定组件以及机械臂末端上反光球在光学追踪设备坐标系下的光学坐标值。为了便于记录，以安装于机械臂末端的反光球在光学追踪设备坐标系下的光学坐标值为第一坐标，以安装于头部固定组件上的反光球在光学追踪设备坐标系下的光学坐标值为第二坐标。结合第一坐标与机械臂末端的反光球在机器人坐标系下的坐标值，利用点云配准算法计算出机器人坐标系与光学追踪设备坐标系之间的第一转换矩阵。结合第二坐标与头部固定组件上的反光球在影像坐标系下的影像坐标值，利用点云配准算法计算出光学追踪设备坐标系与影像坐标系之间的第二转换矩阵。而后，利用第一转换矩阵和第二转换矩阵相乘得到影像坐标系与机器人坐标系之间的转换矩阵。

在一些实施例中，当得到影像坐标系和机器人坐标系之间的转换矩阵后，已知入颅点、靶点在影像坐标系下的坐标值，即可计算得到入颅点、靶点在机器人坐标系中的坐标位置。如此，即可根据碰撞模型规划出一条不与实体发生碰撞的路径，以便驱动机械臂运动到路径位置。其中，实体包括患者头颅、头部固定组件、机械臂、车体。其中，进行路径规划的计算方法采用的是快速随机搜索树法，此为成熟技术，也不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。