1.一种基于机器人的椎板切削轨迹辅助规划系统，其特征在于，包括机器人子系统和轨迹辅助规划子系统，所述轨迹辅助规划子系统集成有轨迹信息获取模块、轨迹生成模块、轨迹参数预测模块和轨迹规划模块；

所述机器人子系统包括机器人、光学定位仪和光学跟踪标记，机器人设置有末端手术器械，末端手术器械包括球型铣刀、直流无刷电机和连接体，所述光学跟踪标记固定在连接体上，通过光学定位仪和光学跟踪标记记录操作者操作末端手术器械对人工椎体切削区域进行切削的轨迹；

所述轨迹信息获取模块，用于建立光学测量空间与机器人空间的映射关系，获取光学测量空间下的椎板切削的原始点云信息，并进行预处理、曲线拟合和参数化离散处理，从而得到机器人空间下人工椎板的切削轨迹信息；

所述轨迹生成模块，用于将切削轨迹信息转化为机器人的运动轨迹；

所述轨迹参数预测模块，用于采用BP神经网络建立轨迹参数预测模型；

所述轨迹规划模块，用于基于预测的轨迹参数进行机器人的轨迹规划，包括获取切削轨迹关键点和优化切削轨迹拐点；

所述轨迹信息获取模块中，建立机器人基础坐标系{B}、机器人法兰坐标系{E}、光学手术器械坐标系{O}、光学跟踪标记坐标系{P}；

O

求解手术器械坐标系{O}与机器人法兰坐标系{E}之间的位姿变换矩阵TE，具体包括：采用四点法进行位置标定，使球型铣刀以4种不同的姿态碰触标定块上的固定参考点N，保证标定块的位置不发生改变，从而保证标定块上参考点N的位置不变；

手术器械坐标系与机器人法兰坐标系之间的位置关系为：E E E E

其中，(RB)1、(RB)2、(RB)3、(RB)4分别为四种不同姿态下对应的机器人法兰坐标系与E E E E机器人基础坐标系之间的旋转矩阵，(PB)1、(PB)2、(PB)3、(PB)4分别为四种不同姿态下对应的机器人法兰坐标系与机器人基础坐标系之间的平移矩阵；

E E O

分别将四种不同姿态下的RB、PB带入式(8)中，得到PE的值；

选用“Z/X方向法”进行姿态标定，首先控制机器人末端手术器械沿着已经确定好的X轴E正方向移动一定距离，记录此处机器人法兰坐标系与机器人基础坐标系的转换矩阵(TB)x，E E此处旋转矩阵记为(RB)x、平移矩阵记为(PB)x，然后沿着确定好的Z轴正方向移动一定距E离，记录此处机器人法兰坐标系与机器人基础坐标系的转换矩阵(TB)z，此处旋转矩阵记为E E(RB)z、平移矩阵记为(PB)z；

E

通过固定参考点与转换矩阵(TB)x处的位姿点确定手术器械坐标系X轴正方向的向量Bv(x)为：

B E O E O E E

v(x)＝(RB)xPE‑(RB)nPE+(PB)x‑(PB)n；(11)E

其中，(RB)n为固定参考点处的机器人法兰坐标系与机器人基础坐标系之间的旋转矩E阵，(PB)n为固定参考点处的机器人法兰坐标系与机器人基础坐标系之间的平移矩阵；

Z轴正方向上的向量为：

B E O E O E E

v(z)＝(RB)zPE‑(RB)nPE+(PB)z‑(PB)n；(12)通过手术器械坐标系X轴和Z轴之间的正交性可以得到手术器械坐标系Y轴正方向的向B量v(y)：

B B B

v(y)＝v(z)×v(x)；(13)

得到三个轴的轴向向量后，对其进行单位化处理，得到手术器械相对于机器人法兰盘的空间位姿变换矩阵；

所述轨迹信息获取模块中，建立手术器械坐标系与光学跟踪标记坐标系之间的位姿变P换矩阵TO，具体包括：

使带有光学跟踪标记的末端手术器械绕一固定点旋转，且旋转角度与旋转点表面垂直线成30～45°的偏角，采集多个不同位置点信息，计算各个点相对应的由旋转矩阵Rmk和平移矩阵Tmk组成的位姿矩阵，k表示第k个位置点，且1≤k≤n；

T

设定手术器械坐标系原点O在光学跟踪标记坐标系下的偏移量为X＝(x,y,z) ，在绕固定参考点旋转时，光学定位系统获取光学跟踪标记的位姿矩阵表达式为：Rm1X+Tm1＝Rm2X+Tm2＝……RmnX+Tmn；  (14)根据不同时间下采集的两组数据得到如下公式：

‑1

Xk＝(Rmk‑Rm(k+1)) (Tm(k+1)‑Tmk)，k取1,2,3……,n‑1；   (15)将Xk进行平均值求解：

由于光学定位系统可以直接获得光学跟踪标记的位姿信息，因此求得n‑1个手术器械偏移量X的值，通过计算其平均值得到手术器械末端与光学跟踪标记之间的偏移量X；

通过光学定位仪实时获取光学跟踪标记的位姿信息，从而获取手术器械在光学测量坐标系下的位姿矩阵；通过各个坐标系之间的转换关系将记录的位姿信息转换到机器人基坐标系下，从而使机器人获取操作者的椎板切削轨迹信息；

预处理包括采用体素栅格化方法对原始点云数据进行精简处理，采用统计滤波方法进行降噪处理，剔除点云数据中的噪声点和离群点；

然后利用NURBS曲线拟合方法进行点云数据的曲线拟合，最后通过MATLAB软件中的工具箱实现曲线的离散，并获取所需要的机器人切削点云坐标信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器人的椎板切削轨迹辅助规划系统，其特征在于，所述轨迹生成模块中，在机器人切削点云数据中任取点云集合P，将集合P中任一点pij作为当前切削加工点，该点的位置矢量为p，法向矢量为vn；以当前切削点与下一切削点的连线方向作为切向量，用vt表示，切向量为手术器械在切削过程中的方向，即球头铣刀移动的方向；给定向量ve，并满足叉乘ve＝vt×vn；建立以切削加工点pij为坐标原点，vn，vt，ve为坐标轴的切削加工点坐标系{pij}；通过矩阵转换实现切削加工点坐标系与机器人基坐标系之间的转换，转换矩阵 为：完成上述坐标系的转换之后，将点云数据信息转换成机器人位姿，得到机器人的位姿信息为：O

式中， 为切削加工点pij的机器人位姿矩阵，TE为机器人法兰坐标系与末端手术器械坐标系的转换矩阵， 为手术器械坐标系与切削加工点坐标系的转换矩阵，其中，在机器O人切削椎板时，手术器械坐标系与切削加工点坐标系相对重合，即 Tp＝I，I为单位矩阵；机器人的位姿矩阵为：‑1

式中，Γ 为机器人的逆运动学模型，Θ＝(θ1θ2...θ6)为机器人各个关节的旋转角；利用上述公式获得对应切削轨迹点的机器人加工位姿信息，通过逆运动学计算出机器人的关节旋转角，使机器人依次到达预定的切削轨迹点位置，串联各个切削轨迹点生成机器人切削椎板的轨迹。

3.根据权利要求1所述的一种基于机器人的椎板切削轨迹辅助规划系统，其特征在于，所述轨迹参数预测模块中，轨迹参数预测模型包括1个输入层、1个隐含层和1个输出层，输入层包含2个神经元，输入层的输入量分别为给定患者个性化椎板切削区域的宽度X0以及深度D0；输出层包含2个神经元，分别为横向切削轨迹行距ri的个数h与纵向切削深度dj的层数c；隐含层为单隐含层，隐含层包含9个神经元；选取tansig作为输入层与隐含层之间的传递函数、purelin作为隐含层与输出层之间的传递函数以及trainlm算法作为神经网络的训练函数；并将神经网络的学习速率设定为0.01；

根据不同患者椎体影像数据信息进行3D建模和打印制备，以3D打印椎体模型为实验对象确定切削区域，拖动机器人进行切削实验，通过光学测量空间与机器人空间的映射关系，得到机器人空间下人工椎板的切削轨迹信息；重复该过程共收集若干组个性化样本数据形成训练集。

4.根据权利要求1所述的一种基于机器人的椎板切削轨迹辅助规划系统，其特征在于，所述轨迹规划模块中，通过预测得到切削轨迹参数h和c，计算出行距的平均值 和单次切削深度的平均值 表达式为：将3D打印的个性化椎体放置在光学测量空间下，操作光学探针工具进行切削区域边界的确定，从而得到在光学测量坐标系下的关键点信息；然后根据光学定位系统与机器人之间的映射关系，将探针工具得到的关键点信息转换到机器人空间下，四个关键点即矩形切削区域的四个顶点，记为P1、P2、P3和P4，设P1为起点，P4为终点；

对轨迹中拐点kij进行求解，ij代表除P2、P3以外的第i层的第j个拐点，计算第一层的拐点坐标k1j，若k1j位于向量P2P3上，P2与k1j两者之间的距离为r'，则k1j的坐标值为：式中， 表示 向量的模；

若k1j位于向量 上，P1与k1j两者之间的距离为r”，则k1j的坐标值为：第二层的拐点坐标k2j计算过程为：根据已知点确定切削面的法向量，选择两个非共线向量 和 进行法向量计算，然后进行法向量的单位化处理，表达式为：其中，为法向量， 为法向量的模， 为单位法向量；

将第一层的P1、P2、P3、P4及kij坐标点沿着法向量方向进行偏移，偏移后得到第二层各点坐标为：2

其中，k2j为第二层拐点坐标，Pm为第二层顶点坐标；

依次计算出所有拐点kij和顶点的坐标；

根据求解的关键位置点参数完成机器人的切削轨迹规划。

5.根据权利要求1所述的一种基于机器人的椎板切削轨迹辅助规划系统，其特征在于，所述轨迹规划模块中，对拐角处的轨迹进行圆弧化处理，使机器人生成平滑的切削轨迹；针对P2处拐角的圆弧化处理具体过程为：首先对路径的转折角度θ1及直线‑圆弧过渡点Pt1、Pt2进行求解，表达式为：式中，r1为过渡圆弧半径，s1为圆弧半径调节参数，调节参数si用于调整圆弧轨迹半径，根据具体轨迹设定不同的调节参数；

求解过渡点Pt1和Pt2：

对P1到Pt1点之间的部分进行空间直线插补，完成该段的轨迹规划；

对圆心O1及路径分段长度li进行求解，l1为P1到Pt1之间的路径长度，l2为Pt1到Pt2之间的圆弧长度，记M1为Pt1、Pt2的中点，且在角平分线上，因此得到：在ΔP2Pt1O1中，根据三角函数关系得到：

最后求得分段长度li：

对Pt1到Pt2点之间的部分采用圆弧过渡的方式处理拐角；

对Pt2到k11点之间的部分进行空间直线插补，完成该段的轨迹规划，对于剩余的拐角进行圆弧化处理。