CN109974584B - 一种辅助激光截骨手术机器人的标定***及标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辅助激光截骨手术机器人的标定***及标定方法,获取机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵以及跟踪装置坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵;求解工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的平移向量,建立工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的转移矩阵,得到工具坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵,实现机器人的工具标定;求解工具坐标系相对于跟踪装置坐标系的平移向量,获取工具坐标系原点的两组三维点集,求解机器人基坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵,实现机器人的手眼标定。
Description
技术领域
本公开涉及机器人标定领域,具体涉及一种辅助激光截骨手术机器人的标定***及标定方法。
背景技术
近年来,手术机器人技术在临床上得到越来越广泛的应用。辅助激光截骨手术机器人是一种能够在手术中帮助医生按照术前规划自动完成截骨的任务自主型手术机器人。它相较于传统的截骨手术器械,具有精确可控、对周围组织损伤小等优点。工具标定和手眼标定是辅助截骨手术机器人安装和作业前的重要步骤,直接决定着机器人的定位精度及手术效果。
发明人在研发过程中发现,传统的标定方法多依赖先进的测量设备,标定过程复杂,测量设备成本昂贵,且测量精度很大程度上依赖测量设备的精度,使其难以在实际操作中有效应用。而现有的依靠自身的标定方法如“四点法”、“六点法”等操作过程复杂,稳定性差,无法满足临床手术要求。另一方面,辅助激光截骨手术机器人***中,对于激光工具的标定,是对激光有效消融点这一空间中悬空点的标定,属于非接触式工具标定,提高了***标定的难度。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本公开提供了一种辅助激光截骨手术机器人的标定***及标定方法,能够自动有效地实现辅助激光截骨手术机器人的工具及手眼标定,提高标定精度。
本公开所采用的技术方案是:
一种辅助激光截骨手术机器人的标定方法,该方法包括以下步骤:
建立机器人、机械臂末端、相机、跟踪装置以及位于机械臂末端的工具的坐标系;
获取工具发射激光垂直照射到标定装置每个平面且经过标定装置的中心时,机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵以及跟踪装置坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵;
求解工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的平移向量,建立工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的转移矩阵;
将机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵与工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的转移矩阵相乘,得到工具坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵,实现机器人的工具标定;
求解工具坐标系相对于跟踪装置坐标系的平移向量,获取工具坐标系原点的两组三维点集,求解机器人基坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵,实现机器人的手眼标定。
作为本公开的进一步技术方案,所述机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵的获取方法为:
测量位于机械臂末端的工具发射激光垂直照射到标定装置第一平面且经过标定装置的中心时,工具到标定装置外接球球心的距离;
作为本公开的进一步技术方案,所述跟踪装置坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵的获取方法为:
测量位于机械臂末端的工具发射激光垂直照射到标定装置第一平面且经过标定装置的中心时,工具到标定装置外接球球心的距离;
作为本公开的进一步技术方案,所述工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的平移向量的求解方法为:
建立工具坐标系{T}、机械臂末端坐标系{E}、机器人基坐标系{B}的转换关系式;
作为本公开的进一步技术方案,所述工具坐标系相对于跟踪装置坐标系的平移向量的求解方法为:
建立工具坐标系{T}、跟踪装置坐标系{D}、相机坐标系{C}的转换关系式;
作为本公开的进一步技术方案,所述获取工具坐标系原点的两组三维点集的步骤包括:
获取位于空间任意位置的工具坐标系原点在机器人基坐标系和相机坐标系下的两组三维点集。
作为本公开的进一步技术方案,所述求解机器人基坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵的步骤包括:
定义机器人基坐标系和相机坐标系的旋转矩阵与工具坐标系原点在机器人基坐标系和相机坐标系下的两组三维点集之间的函数F;
采用基于奇异值分解的最小二乘法求解函数F的最大值,得到机器人坐标系相对于相机坐标系的旋转矩阵;
根据工具坐标系原点从机器人基坐标系变换到相机坐标系的变换映射关系,计算机器人基坐标系相对于相机坐标系的平移分量;
基于机器人基坐标系相对于相机坐标系的旋转矩阵和机器人基坐标系相对于相机坐标系的平移分量,得到机器人基坐标系和相机坐标系的转移矩阵;
根据机器人基坐标系和相机坐标系的转移矩阵,控制安装在机械臂末端的工具按照设定的轨迹移动,同时获取工具相对于相机坐标系的位姿信息,实现***的手眼标定。
一种辅助激光截骨手术机器人的标定***,该***包括机器人***、视觉***、标定装置和处理器;
所述机器人***,用于操纵机械臂使工具发射激光垂直照射到标定装置每个平面且经过标定装置的中心,获取机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵,并上传至处理器;
所述视觉***,用于获取工具发射激光垂直照射到标定装置每个平面且经过标定装置的中心时,跟踪装置坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵,并上传至处理器;
所述处理器包括转移矩阵建立模块、机器人工具标定模块和机器人手眼标定模块;其中:
所述转移矩阵建立模块,用于判断工具到标定装置外接球球心的距离是否满足激光消融有效距离与标定装置外接球半径的和,若满足,则获取机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵以及跟踪装置坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵;
所述机器人工具标定模块,用于求解工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的平移向量,建立工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的转移矩阵;将机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵与工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的转移矩阵相乘,得到工具坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵,实现机器人的工具标定;
所述机器人手眼标定模块,用于求解工具坐标系相对于跟踪装置坐标系的平移向量,根据工具坐标系相对于跟踪装置坐标系的平移向量,获取工具坐标系原点的两组三维点集,求解机器人基坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵,实现机器人的手眼标定。
作为本公开的进一步技术方案,所述标定装置为正四面标记体,正四面标记体的四个顶角处设置有跟踪装置,所述正四面标记体的四个平面的中心设有通光的小孔。
通过上述技术方案,本公开的有益效果是:
(1)本公开结合激光截骨手术机器人的***特点,设计了一种专门针对激光有效消融点的标定装置,同时实现了非接触式工具在机器人坐标系和相机坐标系下的标定,能够大大提高了机器人的标定精度;且标定装置简单易行,大大降低了成本;
(2)本公开提出的标定方法克服了传统方法操作过程复杂及稳定性差的问题,提高了标定过程自动化程度,减少了人为操作等不必要的误差;
(3)本公开适用于辅助激光截骨手术机器人***,能够有效精确地实现工具标定和手眼标定,提高了机器人的自动化程度。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解,本公开的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本公开的不当限定。
图1是实施例一正四面标记体结构图;
图2是实施例二辅助激光截骨手术机器人的标定方法流程图;
图3是实施例三坐标系结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明,本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
名词解释:
(1)TCP,Tool Center Point,工具中心点。
实施例一
本实施例提供一种辅助激光截骨手术机器人的标定***,所述标定装置包括机器人***、视觉***、标定装置和处理器,所述机器人***采用现有的辅助激光截骨手术机器人***技术结构,其主要包括六自由度机械臂以及安装在机械臂末端的激光工具等。所述视觉***包括红外立体相机,所述标定装置为一个正四面标记体。
请参阅附图1,所述标定装置为正四面标记体,所述正四面标记体的四个顶点处分别安装有红外反光球的跟踪装置,所述正四面标记体的四个平面分别采用透明材料制成,所述标记工具的四个平面的中心标定点分别设有通光的小孔,可以实现激光穿过一平面上的通光小孔并垂直于该平面照射到对顶角上,通过控制激光发射位置到与标记工具一平面相对的顶角的距离,从而保证了多组标定点的激光有效消融点重合于正四面标记体中心。
本实施例的正四面标记体呈正四面体的特殊对称结构,能够实现标定点采集均匀分布的同时最大限度的调整机器人姿态,提高了自标定的精度。
控制机器人操作机械臂使激光源发射的激光从标记工具的第一个平面的中心处的通光小孔照射到与该平面相对的顶角上,实现激光垂直照射该平面并经过标记工具的中心。
所述机器人***,用于操纵机械臂使工具发射激光垂直照射到标定装置每个平面且经过标定装置的中心,获取机械臂末端tcp相对于机器人基坐标系的位置和姿态信息,形成机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵并上传至处理器。
所述视觉***,用于获取工具发射激光垂直照射到标定装置每个平面且经过标定装置的中心时,跟踪装置相对于相机坐标系的位置和姿态信息,形成跟踪装置坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵,并上传至处理器。
所述处理器,所述处理器包括转移矩阵建立模块、机器人工具标定模块和机器人手眼标定模块;其中:
所述转移矩阵建立模块,用于判断工具到标定装置外接球球心的距离是否满足激光消融有效距离与标定装置外接球半径的和,若满足,则获取机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵以及跟踪装置坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵;
所述机器人工具标定模块,用于求解工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的平移向量,建立工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的转移矩阵;将机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵与工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的转移矩阵相乘,得到工具坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵,实现机器人的工具标定;
所述机器人手眼标定模块,用于求解工具坐标系相对于跟踪装置坐标系的平移向量,根据工具坐标系相对于跟踪装置坐标系的平移向量,获取工具坐标系原点的两组三维点集,求解机器人基坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵,实现机器人的手眼标定。
在本实施例中,所述机器人***具体被配置为:
针对标定装置的第一个平面中心处的第一标定点,通过机器人***的机械臂使末端工具发射的激光通过正四面标定体的第一平面中心小孔,并且激光测距所测距离d满足关系:d=l+r,获取此时机械臂末端tcp相对于机器人基坐标系的位置和姿态信息,形成机械臂末端坐标系{E}相对于机器人基坐标系{B}的转移矩阵
具体地,所述视觉***具体被配置为:
针对标定装置的第一个平面中心处的第一标定点,通过机器人***的机械臂使末端工具发射的激光通过正四面标定体的第一平面中心小孔,并且激光测距所测距离d满足关系:d=l+r,获取此时跟踪装置相对于相机坐标系的位置和姿态信息,形成跟踪装置坐标系{D}相对于相机坐标系{C}的转移矩阵
具体地,所述机器人工具标定模块具体被配置为:
将机器人***得到的4个标记点的机械臂末端坐标系{E}相对于机器人基坐标系{B}的转移矩阵代入机器人工具标定的转换关系式,得到不相容方程组,采用奇异值分解法(SVD)求解该方程组在最小二乘法意义下的最可能接近解,得到工具坐标系{T}相对于机械臂末端坐标系{E}的平移向量
将机械臂末端坐标系{E}相对于机器人基坐标系{B}的转移矩阵与工具坐标系{T}相对于机械臂末端坐标系{E}的转移矩阵相乘,得到工具坐标系{T}相对于机器人基坐标系{B}的转移矩阵实现机器人的工具标定。
所述机器人手眼标定模块具体被配置为:
将机器人***得到的4个标记点的跟踪装置坐标系{D}相对于相机坐标系{C}的转移矩阵代入机器人工具标定的转换关系式,得到不相容方程组,采用奇异值分解法(SVD)求解该方程组在最小二乘法意义下的最可能接近解,得到工具坐标系{T}相对于跟踪装置坐标系{D}的平移向量
操作机械臂使激光工具在空间中随意取点,获取工具坐标系原点分别在机器人坐标系下的点集Pi(i=1,...n)和相机坐标系下的点集Pi'。
通过两组三维点集的最小二乘解拟合实现手眼标定。
实施例二
本实施例提供一种辅助激光截骨手术机器人的标定方法,该方法是基于如上所述的辅助激光截骨手术机器人的标定装置实现的。
请参阅附图2,所述辅助激光截骨手术机器人的标定方法包括以下步骤:
S101,设置辅助激光截骨手术机器人的标定装置及跟踪装置,调整激光发射距离。
设机器人基坐标系为{B},机械臂末端坐标系为{E},相机坐标系为{C},跟踪装置坐标系为{D},激光工具坐标系为{T}(下面简称工具坐标系),{T}是激光消融有效点作为原点建立的坐标系,请参阅附图3。
具体地,所述步骤101中,调整激光发射距离的具体实现方式如下:
测量末端工具发射的激光从标定装置的一个平面的中心通光小孔照射到与该平面相对的顶角处距离。设末端激光工具所测距离为d,激光消融有效距离l和标定装置外接球半径r,满足关系:d=l+r。判断测量的距离是否等于d,若不等于,控制机械臂调整末端工具发射激光的距离满足d。
具体地,针对标定装置的第一个平面中心处的第一标定点,通过机器人***的机械臂使末端工具发射的激光通过正四面标定体的第一平面中心小孔,并且激光测距所测距离d满足关系:d=l+r,获取此时机械臂末端tcp相对于机器人基坐标系的位置和姿态信息,得到机械臂末端坐标系{E}相对于机器人基坐标系{B}的转移矩阵通过视觉***的红外立体相机获取跟踪装置相对于相机坐标系的位置和姿态信息,得到跟踪装置坐标系{D}相对于相机坐标系{C}的转移矩阵
同上,针对其他三个标定点,通过机器人***获取末端工具相对于机器人基坐标系的位置和姿态信息,得到机械臂末端坐标系{E}相对于机器人基坐标系{B}的转移矩阵通过视觉***的红外立体相机获取跟踪装置相对于相机坐标系的位置和姿态信息,得到跟踪装置坐标系{D}相对于相机坐标系{C}的转移矩阵
具体地,将机器人***得到的4个标记点的机械臂末端坐标系{E}相对于机器人基坐标系{B}的转移矩阵代入机器人工具标定的转换关系式,得到不相容方程组,采用奇异值分解法(SVD)求解该方程组在最小二乘法意义下的最可能接近解,得到工具坐标系{T}相对于机械臂末端坐标系{E}的平移向量
工具坐标系{T}相对于机器人基坐标系{B}的转移矩阵表示为由于机器人的激光工具和跟踪装置是固联于机器人操作机械臂末端连杆上的,所以工具坐标系{T}相对于末端连杆坐标系{E}的位姿关系是恒定的,即旋转分量和平移向量不变。
工具坐标系{T}、机械臂末端坐标系{E}、机器人基坐标系{B}坐标系满足如下转换关系:
令等式两边计算得到的第4列对应相等,则得:
写成矩阵形式为:
具体地,运用奇异值分解法(SVD)求解上述的不相容方程组(5)在最小二乘法意义下的最可能接近解,其具体实现过程如下:
最后利用A+求取不相容方程组的最小二乘解,即
在本实施例中,工具坐标系{T}是由机械臂末端坐标系{E}平移得到,那么工具坐标系的姿态与机械臂末端坐标系的姿态相同。结合平移关系的旋转矩阵不变原则,可以获得工具坐标系{T}相对于机械臂末端坐标系{E}的转移矩阵
S105,将机械臂末端坐标系{E}相对于机器人基坐标系{B}的转移矩阵与工具坐标系{T}相对于机械臂末端坐标系{E}的转移矩阵相乘,得到工具坐标系{T}相对于机器人基坐标系{B}的转移矩阵机器人***根据工具坐标系{T}相对于机器人基坐标系{B}的转移矩阵调整机械臂末端工具中心点相对于机器人基坐标系的位置和姿态信息,实现机器人***工具标定。
S106,获取工具坐标系原点的两组三维信息。
具体地,所述步骤106中,获取工具坐标系原点的两组三维信息的具体实现过程如下:
操作机械臂使激光工具在空间中随意取点,获取工具坐标系原点在机器人坐标系下的三维信息Pi(i=1,...n)和相机坐标系下的点集Pi'。
S107,通过两组三维点集的最小二乘解拟合实现手眼标定。
具体地,所述步骤107中,通过两组三维点集的最小二乘解拟合实现手眼标定的具体过程如下:
(1)步骤106获取的关于工具坐标系原点的两组三维信息分别在机器人坐标系下的点集Pi和相机坐标系下的点集Pi',两组点集满足如下关系:
Pi'=RPi+t+ni (7)
其中,R为机器人坐标系和相机坐标系的旋转矩阵,t为平移向量,ni为噪声向量。
获取R和t使满足:
对H进行SVD分解H=UΛVT,令X=VUT(3×3正交矩阵),则有
XH=VUTUΛVT=VΛVT (13)
对于任意3×3正交矩阵B都有Trace(XH)≥Trace(BXH)。
得到机器人基坐标系和相机坐标系的转移矩阵为:
机器人***根据机器人基坐标系{B}相对于相机坐标系{C}的转移矩阵机器人***控制安装在机械臂末端的工具按照设定的轨迹移动时,同时视觉***的相机获取工具的位姿信息实时反馈给机器人***,实现机器人***手眼标定。
本实施例提出的标定方法克服了传统方法操作过程复杂及稳定性差的问题,提高了标定过程自动化程度,减少了人为操作等不必要的误差;同时实现了非接触式工具在机器人坐标系和立体相机坐标系下的标定,能够提高机器人的标定精度;且标定装置简单易行,大大降低了成本;适用于辅助激光截骨手术机器人***,能够有效精确地实现工具在机器人坐标系和相机坐标系下的标定,提高了机器人的自动化程度。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述,但并非对本公开保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本公开的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种辅助激光截骨手术机器人的标定方法,其特征是,包括以下步骤:
建立机器人、机械臂末端、相机、跟踪装置以及位于机械臂末端的工具的坐标系;
获取工具发射激光垂直照射到标定装置每个平面且经过标定装置的中心时,机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵以及跟踪装置坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵;
求解工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的平移向量,建立工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的转移矩阵;
将机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵与工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的转移矩阵相乘,得到工具坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵,实现机器人的工具标定;
求解工具坐标系相对于跟踪装置坐标系的平移向量,获取工具坐标系原点的两组三维点集,求解机器人基坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵,实现机器人的手眼标定;
所述标定装置为正四面标记体,正四面标记体的四个顶角处设置有跟踪装置,所述正四面标记体的四个平面的中心设有通光的小孔。
4.根据权利要求1所述的辅助激光截骨手术机器人的标定方法,其特征是,所述工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的平移向量的求解方法为:
建立工具坐标系{T}、机械臂末端坐标系{E}、机器人基坐标系{B}的转换关系式;
7.根据权利要求1所述的辅助激光截骨手术机器人的标定方法,其特征是,所述求解机器人基坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵的步骤包括:
定义机器人基坐标系和相机坐标系的旋转矩阵与工具坐标系原点在机器人基坐标系和相机坐标系下的两组三维点集之间的函数F;
采用基于奇异值分解的最小二乘法求解函数F的最大值,得到机器人坐标系相对于相机坐标系的旋转矩阵;
根据工具坐标系原点从机器人基坐标系变换到相机坐标系的变换映射关系,计算机器人基坐标系相对于相机坐标系的平移分量;
基于机器人基坐标系相对于相机坐标系的旋转矩阵和机器人基坐标系相对于相机坐标系的平移分量,得到机器人基坐标系和相机坐标系的转移矩阵;
根据机器人基坐标系和相机坐标系的转移矩阵,控制安装在机械臂末端的工具按照一定轨迹移动,同时获取工具相对于相机坐标系的位姿信息,实现机器人***手眼标定。
8.一种辅助激光截骨手术机器人的标定***,其特征是,包括机器人***、视觉***、标定装置和处理器;
所述机器人***,用于操纵机械臂使工具发射激光垂直照射到标定装置每个平面且经过标定装置的中心,获取机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵,并上传至处理器;
所述视觉***,用于获取工具发射激光垂直照射到标定装置每个平面且经过标定装置的中心时,跟踪装置坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵,并上传至处理器;
所述处理器包括转移矩阵建立模块、机器人工具标定模块和机器人手眼标定模块;其中:
所述转移矩阵建立模块,用于判断工具到标定装置外接球球心的距离是否满足激光消融有效距离与标定装置外接球半径的和,若满足,则获取机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵以及跟踪装置坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵;
所述机器人工具标定模块,用于求解工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的平移向量,建立工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的转移矩阵;将机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵与工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的转移矩阵相乘,得到工具坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵,实现机器人的工具标定;
所述机器人手眼标定模块,用于求解工具坐标系相对于跟踪装置坐标系的平移向量,根据工具坐标系相对于跟踪装置坐标系的平移向量,获取工具坐标系原点的两组三维点集,求解机器人基坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵,实现机器人的手眼标定;
所述标定装置为正四面标记体,正四面标记体的四个顶角处设置有跟踪装置,所述正四面标记体的四个平面的中心设有通光的小孔。
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