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、完整地描述，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。

图1是本发明提供的牙体预备系统的结构示意图之一，如图1所示，该系统包括视觉标记导板10、牙科机器人20、视觉导航仪30和预备控制装置40；

其中，视觉标记导板10设置在待修复牙齿所在牙列上，视觉标记导板10上设置有牙列视觉标记11；牙科机器人20包括机械定位臂21，以及设置在机械定位臂21末端的手术器械22，手术器械22上设置有器械视觉标记23；视觉导航仪30用于检测牙列视觉标记11和器械视觉标记23的位置姿态；预备控制装置40基于牙列视觉标记11的位置姿态进行视觉标定，基于器械视觉标记23的位置姿态进行手眼标定，并基于视觉标定结果和手眼标定结果控制机械定位臂21动作。

具体地，视觉标记为能够被视觉导航仪或者视觉传感器等设备实时捕获位置信息的标记，视觉标记可以由一组反光球/反光片构成。牙列视觉标记11和器械视觉标记23均属于同类型的视觉标记，两者的区别在于其设置位置不同，牙列视觉标记11设置在临近患者待修复牙齿的位置，以便于视觉导航仪30实时捕捉待修复牙齿的位置姿态；器械视觉标记23设置在手术器械22上，例如可以设置在手术器械22的末端，以便于视觉导航仪30实时捕捉手术器械的位置姿态。

视觉标记导板10的设置是为了便于将牙列视觉标记11固定设置在待修复牙齿所在的牙列上，考虑到不同患者的牙列存在区别，此处的视觉标记导板10中的导板是针对单个患者定制的，通过贴合患者牙列外轮廓面的导板，将牙列视觉标记11固定设置在待修复牙齿所在的牙列上，从而使得牙体预备过程中，牙列视觉标记11可以随着患者头部的移动发生变化，以便于牙体预备系统实时追踪患处位置。

考虑到牙体预备过程中常见的切削、磨削工作，可能由于人手抖动带来误差，本发明实施例中不再由人手直接操控手术器械，而是通过设置牙科机器人20替代人手进行操控，以避免人手操控时的抖动问题。

牙科机器人20包括机械定位臂21和手术器械22，此处的机械定位臂21可以包括若干个定位臂，各定位臂之间通过旋转关节串联起来，以便于机械定位臂21的灵活运动。为了使得机械定位臂21在拖拽使用或者躲避障碍物时更加灵活，还可以灵活调整串联的定位臂的数量，使得机械定位臂21具有冗余自由度的结构。作为优选，此处的机械定位臂21至少具有6个自由度。手术器械22可以设置在机械定位臂21末端法兰上，同样地，为了实现手术器械22的实时定位，可以在手术器械22上加设器械视觉标记23。

视觉导航仪30可以实时检测牙列视觉标记11和器械视觉标记23的位置姿态，并将检测所得的信息传输到预备控制装置40。视觉导航仪30可以固定在适当位置，使得各类视觉标记均能够位于其视野范围内。

预备控制装置40用于根据视觉导航仪30检测所得的牙列视觉标记11和器械视觉标记23的位置姿态，控制机械定位臂21动作，从而实现牙体预备操作。此处所指的控制机械定位臂21动作，可以是直接控制机械定位臂21按照设定好的路径运动，带动机械定位臂21末端的手术器械22全自动完成牙体预备操作，也可以是在操作人员手动拖拽机械定位臂21或者手术器械22进行牙体预备操作的过程中，根据手术器械22与待切削区域之间的相对位置，调节机械定位臂21中各旋转关键处的力矩大小，以便于操作人员更容易将手术器械拖拽到待切削区域进行牙体预备，本发明实施例对此不作具体限定。

而在预备控制装置40进行机械定位臂动作之前，还需要进行视觉标定和手眼标定。其中，视觉标定是针对虚拟坐标系和视觉坐标系之间变换关系的标定，手眼标定则是针对机器人坐标系和视觉坐标系之间变换关系的标定。此处，虚拟坐标系即预先构建的牙体预备相关的三维模型所在的坐标系，通常牙体预备的路径规划是基于虚拟坐标系形成的。视觉坐标系即视觉导航仪30所在的坐标系，通常视觉导航仪30采集所得的各视觉标记的位置姿态均在视觉坐标系下。机器人坐标系即机器人末端工具坐标系，反映的是基于牙科机器人20自身为基准的坐标体系。在视觉导航仪30检测得到各视觉标记的位置姿态后，可以通过视觉标定结果将其位置姿态转换到虚拟坐标系下，以便于三维模型的显示更新，以及在此基础上的路径规划，而规划所得的路径或者控制信息可以通过视觉标定结果转换到视觉坐标系下，然后再通过手眼标定结果转换到机器人坐标系下，以便于直接控制牙科机器人20执行相应动作。

本发明实施例提供的系统，通过设置牙列视觉标记和器械视觉标记实现了牙体预备过程的实时跟踪定位，从而使得即便是口腔内狭小且非直视的环境，操作人员可能够实时确定患处与手术器械之间关系；在此基础上，集合视觉标定和手眼标定控制牙科机器人运动，使牙体预备的精度更高，同时提高操作效率和一致性。

基于上述实施例，预备控制装置包括：

视觉标定单元，用于基于牙列视觉标记在视觉坐标系和虚拟坐标系下的位置姿态进行视觉标定；

手眼标定单元，用于基于器械视觉标记在视觉坐标系和机器人坐标系下的位置姿态进行手眼标定；

机械臂控制单元，用于基于视觉标定结果和手眼标定结果，将虚拟坐标系下的虚拟控制信息转换至机械人坐标系下，得到机器控制信息以控制机械定位臂动作。

具体地，通常在进行牙体预备操作之前，会事先对待修复牙齿所在的牙列进行三维建模，建模所得的三维模型所在的坐标系即虚拟坐标系。为了实现精准的机器人辅助手术，需要将虚拟坐标系下的三维模型与其对应的实际位置匹配在一起，即进行视觉标定。视觉标定单元可以根据视觉导航仪检测所得的牙列视觉标记的位置姿态，与虚拟坐标系下对应点的位置进行变换，从而得到两者之间的空间转换关系，即视觉标定结果。

此外，手眼标定单元可以通过视觉导航仪检测所得的器械视觉标记的位置姿态，以及器械视觉标记在机器人坐标系下的位置姿态进行变换，从而得到两者之间的空间转换关系，即手眼标定结果。可选地，器械视觉标记在机器人坐标系下的位置姿态可以通过机械定位臂中各个定位臂之间的旋转关节的角度计算得到。

机械臂控制单元用于控制机械定位臂动作，考虑到通常控制信息是基于虚拟坐标系生成的，而虚拟控制信息无法直接应用到机械定位臂的运动控制中，因此需要结合视觉标定和手眼标定将虚拟坐标系下的控制信息转换至机械人坐标系下，从而得到机器控制信息以控制机械定位臂动作。

基于上述任一实施例，视觉标定单元用于：

获取探针工具点触牙列上多个标志点时与牙列视觉标记之间的相对位置姿态，探针工具末端设置有视觉标记；

基于各标志点的相对位置姿态，以及牙列的三维模型中各标志点在虚拟坐标系下的位置姿态，确定视觉标定结果。

具体地，探针工具的末端固定有一组反光球/反光片作为视觉标记，视觉标记本身经过出厂标定，可通过探针尖端接触待测点来获得待测点在视觉坐标系下的空间位置。

患者牙列上的牙列视觉标记在视觉坐标系下的位置姿态可以由齐次矩阵T_M表示。视觉标定过程中，操作人员可以手持探针工具依次触碰患者牙列上的多个标志点，例如牙齿尖端点等具有明显特征的点，以获取各个标志点在视觉坐标系下的坐标。考虑到视觉标定过程中，患者头部位置可能发生变化，为了获得固定的相对位置关系，可以将各个标志点在视觉坐标系下的坐标转换到牙列视觉标记所在的坐标系下，从而得到各个标志点与牙列视觉标记之间的相对位置，表示为P_M1、P_M2、…P_Mn，其中n为标志点的数量。此处各个标志点与牙列视觉标记之间的相对位置是固定不变的。

假设牙列的三维模型中各标志点在虚拟坐标系下的位置为P_s1、P_s2、…P_sn，可以对这两组一一对应的点集计算最优变换，从而得到两个点集之间的空间转换关系，通过旋转和平移可将两个对应点集匹配在一起。由此得到的视觉标定结果可以在得到视觉导航仪实时采集的牙列视觉标记的位置T_M后，间接推算出三维模型在视觉坐标系下的位置姿态。

基于上述任一实施例，机械臂控制单元还用于：

基于牙列的三维模型和修复模型进行修复路径规划，得到切削路径作为虚拟控制信息，修复模型是基于三维模型构建的。

具体地，图2是本发明提供的三维模型示意图，图2中箭头左侧为牙列的三维模型示意图，箭头右侧为基于三维模型构建的修复模型的示意图，三维模型中填充有斜线的区域即待切削的区域，修复模型即去掉待切削区域后的三维模型。机械臂控制单元在得到牙列的三维模型和修复模型后，可以基于三维模型和修复模型确定待切削的区域，进而基于待切削的区域规划进行牙体修复所需的切削路径，并将由此得到切削路径作为虚拟控制信息，以供牙体预备时参考。

进一步地，切削路径的生成可以使用数控加工的方式实现。

基于上述任一实施例，牙科机器人还包括设置在机械定位臂末端的力传感器；

机械臂控制单元还用于：

基于力传感器反馈的力矩信息，以及牙列中待切削区域与手术器械在三维模型中的相对位置信息，确定虚拟控制信息。

具体地，可以在机械定位臂末端法兰上安装力传感器，并在力传感器的一端安装手术器械，从而通过力传感器采集操作人员通过拖拽的方式手持手术器械实施切除时的施加的力矩。作为优选，此处的力传感器可以是六维力传感器。

相应地，机械臂控制单元可以通过力传感器反馈的力矩信息，感知操作人员的操作意图，并且通过阻抗与导纳控制等方法实现机械定位臂的灵活拖拽。在被动实施切削过程中，视觉导航仪可以实时监测机器人末端手术器械相对于理想修复模型的位置，并通过机械臂控制单元的视觉标定结果转换得到待切削区域与手术器械在三维模型中的相对位置信息，此处的相对位置信息反映手术器械是否在待切削区域内，如果检测到手术器械尖端进入理想修复体区域，即进入非带切削区域，则控制机械定位臂停止运动，退回待切削区域后方可重新运动，从而避免手术器械误切削理想修复体区域。

基于上述任一实施例，机械定位臂包括多个通过旋转关节串联的定位臂，旋转关节处设置有伺服力矩电机；机器控制信息用于控制各伺服力矩电机。

具体地，当手术器械末端处于待切削区域时，可以根据机器人动力学模型计算出每个旋转关节处的重力矩，通过伺服力矩电机提供的转矩抵消掉重力矩，使得拖拽串联定位臂更加灵活和方便。此外，还可以根据手术器械末端与理想修复体区域之间的距离，调节机械定位臂的接触刚度，且随着接近理想修复体区域的距离减小而增大，需要施加一定的力量才能拖拽。

而当手术器械末端处于理想修复体区域时，可以根据机制控制信息调整串联定位臂中每一旋转关节处伺服力矩电机的输出力矩，使得操作人员在拖拽机械定位臂时获得力感上得反馈，从而提高手术精度和操作安全性，避免伤及健康组织。进一步地，调整伺服力矩电机的输出力矩，可以根据提前预设的接触刚度、阻尼等参数计算出拖拽时每个伺服力矩电机应该输出的力矩，使得机械定位臂动态改变灵敏程度，给予操作人员不同的力感反馈。

基于上述任一实施例，该系统还包括：

显示设备，用于基于视觉标定结果将牙列视觉标记和器械视觉标记在视觉坐标系下的位置姿态转换至虚拟坐标系下，更新并显示牙列和手术器械的三维模型的位置姿态。

本发明实施例提供的系统中，显示设备的应用，使得非直视的环境下的牙体预备操作变得直观可见，能够更加智能化地辅助操作人员进行牙体预备，提高牙体预备的可靠性。

基于上述任一实施例，该系统还包括：

口内扫描设备，用于对患者进行口内扫描，得到待修复牙齿所在牙列的三维模型。

此处得到的三维模型具体是三维曲面模型，待修复牙齿所在的牙列可以是上牙列或者下牙列，具体根据待修改牙齿所在的位置而定，本发明实施例不作限定。

基于上述任一实施例，该系统还包括：

导板生成单元，用于基于牙列的三维模型中牙列外轮廓面生成导板，导板与牙列视觉标记固接形成视觉标记导板；

视觉标记导板以骨支持的方式贴合固定在牙列上。

具体地，可以根据口扫获取的牙列的三维模型为患者设计导板，该导板内部形状由牙列外轮廓面确定，导板通过骨支持的方式紧密贴合固定在患者牙列上。此处的导板可以通过3D打印的方式快速加工制作而成。

基于上述实施例，图3本发明提供的牙体预备系统的结构示意图之二，如图3示，基于牙体预备系统的牙体预备方法包括如下步骤：

首先，应用口内扫描设备对患者进行口内扫描，得到待修复牙齿所在牙列的三维模型。

其次，应用三维设计软件，根据待修复牙齿所在牙列的三维模型，设计理想的修复模型。

接着，根据口扫获取的牙列的三维模型为患者设计导板，该导板内部形状由牙列外轮廓面确定，导板通过骨支持的方式紧密贴合固定在患者牙列上。此外，在导板上加装牙列视觉标记11，从而构成视觉标记导板10。此处，牙列视觉标记11与导板之间可通过插接或其它机械连接方式固定在一起，牙列视觉标记11可以包括至少3个反光球/反光片。

然后，应用探针工具50进行视觉标定。此处，探针工具50末端预先固设有视觉标记，可以由操作人员可以手持探针工具50依次触碰患者牙列上的多个标志点，同时通过视觉导航仪30记录对应时刻的探针工具50上的视觉标记和牙列视觉标记11在视觉坐标系下的位置，从而得到各个标志点与牙列视觉标记之间的相对位置。在此基础上，基于各标志点的相对位置姿态，以及牙列的三维模型中各标志点在虚拟坐标系下的位置姿态，即可得到视觉标定结果。

此外，还可以应用视觉导航仪30检测所得的器械视觉标记23的位置姿态，以及器械视觉标记23在机器人坐标系下的位置姿态进行变换，从而得到两者之间的空间转换关系，即手眼标定结果。

在已有的牙列的三维模型和修复模型的基础上，可以通过数据加工的方式在三维模型上的待切削区域内进行修复路径规划，从而得到切削路径，将此路径基于视觉标定结果转换到视觉坐标系下，然后再通过手眼标定结果转换到机器人坐标系下，以便于直接控制牙科机器人20末端的手术器械22的尖端沿着刀具路径运动，将待切削区域移除，主动完成牙体预备。

或者，可以由操作人员通过拖拽的方式手持手术器械22实施切除。由于机械定位臂21末端装有力传感器24，可测量多个方向的力和力矩，感知医生操作意图，基于力传感器24的反馈信息，通过阻抗与导纳控制等方法即可实现机械定位臂21的灵活拖拽。在被动实施切削过程中，视觉导航仪30可以实时监测手术器械22相对于理想修复模型的位置，如果检测到手术器械22尖端进入理想修复体区域，则控制机械定位臂21停止运动，退回待切削区域后方可重新运动，从而避免手术器械误切削理想修复体区域。

最后应说明的是：以上实施例仅用以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；而这些修改或者替换，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。