CN114404045A

CN114404045A - 一种带位姿感知功能的机器人底盘及其自动调节方法

Info

Publication number: CN114404045A
Application number: CN202210179573.XA
Authority: CN
Inventors: 万梓威; 周春琳; 高凯梁; 张广宇; 甄辉; 张标
Original assignee: Huzhou Institute of Zhejiang University
Current assignee: Huzhou Institute of Zhejiang University
Priority date: 2022-02-25
Filing date: 2022-02-25
Publication date: 2022-04-29

Abstract

本发明公开一种带位姿感知功能的机器人底盘及其自动调节方法，包括基座、控制***、四个万向轮和四个电动伸缩杆，四个万向轮分别连接在所述基座的四个角上，电动伸缩杆包括电机、丝杆、行程开关、伸缩杆、外壳、位置传感器和减速齿轮组，位置传感器可以测量伸缩杆的伸出位移量，四个电动伸缩杆分别穿过基座后在所述伸缩杆的底部安装有脚垫；基座上设有陀螺仪和视觉传感器。本发明结构简单可靠，可以随时锁地随时移动，能快速精准地调整水平，且能精确地确定机器人在手术室内的位姿。

Description

一种带位姿感知功能的机器人底盘及其自动调节方法

技术领域

本发明涉及微创手术机器人技术领域，更具体地说，是一种带位姿感知功能的机器人底盘及其自动调节方法。

背景技术

与传统人工手术相比，机器人辅助手术具有精度高、效率高、手术并发症少等特点，在手术过程中，手术机器人代替医生在手术台旁完成各项手术操作，此时手术机器人均需稳定地支撑在手术室地面，以保证机械臂动作的精准性。在手术结束后，手术机器人还需要快速的从手术位置撤离，为医生的后续操作让出空间。因此，要求设备具有锁地功能，且锁地操作具有简便、快捷、安全的优点。现有的锁地装置存在结构复杂、操作费力、可靠性低等缺点。为适应现代化微创手术的需要，手术机器人的锁地装置应具有操作简便、工作可靠的特点。另外，柔顺控制技术使机器人更加贴近医生的人手操作效果，极大地提高了手术机器人的安全性。而要想实现较高精度的力交互功能，就需要进行高精度的重力补偿，而这就需要机器人锁地时能够将基座调节到较高的水平度。

发明内容

为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出一种带位姿感知功能的机器人底盘及其自动调节方法。

本发明可通过以下技术方案予以实现：

一种带位姿感知功能的机器人底盘，包括基座、控制***、四个万向轮和四个电动伸缩杆，所述四个万向轮分别连接在所述基座的四个角上，所述电动伸缩杆包括电机、丝杆、行程开关、伸缩杆、外壳、位置传感器和减速齿轮组，所述位置传感器可以测量伸缩杆的伸出位移量，所述四个电动伸缩杆分别穿过所述基座后在所述伸缩杆的底部安装有脚垫；所述基座上设有陀螺仪和视觉传感器。

进一步地，所述四个电动伸缩杆穿过所述基座后分别穿过与其外径间隙配合的支撑定位套后安装脚垫，该支撑定位套到固定在所述基座上；所述四个电动伸缩杆分别对应位于所述四个万向轮的内侧。

进一步地，所述视觉传感器为摄像头、红外相机、激光传感器的一种或多种组合，所述视觉传感器位于基座底面，信号采集面朝向地面摄像头位于所述基座背面。

进一步地，所述电动伸缩杆的电机为步进电机，所述控制***包括用于驱动步进电机的闭环步进电机驱动器，所述位置传感器为安装在步进电机末端的旋转编码器，或安装在所述外壳处，测量所述电动伸缩杆位移量的直线位移传感器。

本发明还提出一种带位姿感知功能的机器人底盘实现的机器人底盘自动调节方法，包括高度调节与水平调节，通过调节四个电动伸缩杆的伸缩量自动实现机器人的目标高度与目标水平度的调节。

进一步地，所述高度调节包括以下步骤：

1)所述各个电动伸缩杆向下伸出，当触碰到地面时，所述电机电流增大，当电流超过一定的阈值时，电机停止；

2)等待所有电动伸缩杆停止，并以此时的位置为基准位置；

3)所述各电动伸缩杆相对于各自的基准位置再同时向下运动一段相同的距离，此时机器人将整体抬升相应的距离。

进一步地，所述水平调节包括以下步骤：

1)所述陀螺仪实时采集基座的倾角误差，所述控制***根据陀螺仪与各电动伸缩杆的相对位置关系换算为各电动伸缩杆的位置误差；

2)所述控制***将各电动伸缩杆的位置误差通过控制算法解算为各电动伸缩杆的位置调整量；

3)检测所述各电动伸缩杆的位置调节量是否超过运动极限，如果不超限则将位置调整量发送给各电动伸缩杆中电机的驱动器，驱动器驱动电机进行位置调整，如果超限则所有电动伸缩杆同时向着极限的反方向运动一段相同的距离，然后跳转到所述步骤1；

4)在所述电动伸缩杆运动之后，基座的姿态将进行相应改变，此时所述陀螺仪采集到的倾角误差也将改变，此时不断循环所述步骤1-4过程，直到机器人整体的水平度达到要求。

进一步地，所述如果机器人在较长时间内均无法调节到目标水平度，则***报错并要求用户重新输入目标水平度或调节当前机器人的位置从权项。

，本发明还提出一种机器人底盘实现的机器人底盘位姿感知方法，所述位姿感知方法能够获取机器人相对于手术室的相对位姿，包括以下步骤：

1)在手术室地面安装一个标记物；

2)通过特征点提取算法，将双目相机拍摄到的两张图片中的手术室地面标记物的特征点或定位点提取出来；

3)进行特征点匹配，并用RANSAC算法进行特征点匹配过滤；

4)利用三角定位算法，求解出若干个特征点或定位点相对于相机坐标系的空间位置；

5)由于地面标记物是事先设计好的，因此其各特征点或定位点之间的相对空间位置关系是已知的，再基于第3步获取的结果，即可换算出标记物相对与相机坐标系的相对位姿；

6)再基于事先标定好的相机与机器人的相对位姿，解算出机器人相对于地面标记物的相对位姿，进而解算出机器人相对于手术室的相对位姿。

进一步地，所述步骤2)中算法包括阈值分割法、模板匹配法、Harris算法、SIFT算法、SUFT算法或A-KAZE算法。

由于采用以上技术方案，本发明具有以下有益效果：

1.结构简单可靠、承载能力强、可以随时锁地随时移动；

2.能够快速精准地调整水平，有利于机器人的高精度重力补偿，从而实现较高精度的力交互功能；

3.能够精确地确定机器人在手术室内的位姿，便于手术定位或避免与其他医疗器械发生碰撞。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明基座底面结构示意图；

图3为标记物示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

如图1和2所示，一种带位姿感知功能的机器人底盘，包括基座1、控制***、四个万向轮2和四个电动伸缩杆3，四个万向轮2分别连接在基座的四个角上，电动伸缩杆3包括电机、丝杆、行程开关、伸缩杆、外壳、位置传感器和减速齿轮组，位置传感器可以测量伸缩杆的伸出位移量，四个电动伸缩杆3分别穿过基座后在伸缩杆的底部安装有脚垫；基座上1设有陀螺仪和视觉传感器6。四个电动伸缩杆的顶部分别设有一U型支撑板5，该U型支撑板5的底部固定在基座1上。

其中，四个电动伸缩杆3穿过基座1后分别穿过与其外径间隙配合的支撑定位套8后安装脚垫4，该支撑定位套8到固定在基座1上；四个电动伸缩杆3分别对应位于四个万向轮2的内侧。

其中，视觉传感器6为摄像头、红外相机、激光传感器的一种或多种组合，视觉传感器位于基座底面，信号采集面朝向地面。

其中，步进电机伸缩杆穿过基座1后分别穿过匹配的一支撑定位套8后安装脚垫4，该支撑定位套8到固定在基座上。支撑定位套8的作用在于承担主要的侧向力，避免机器人在受到侧向力时导致支撑杆弯曲变形。

其中，四个电动伸缩杆3分别对应位于四个万向轮2的内侧。

通过以上本发明的一种带位姿感知功能的机器人底盘实现的自动调节方法，包括高度调节与水平调节，通过调节四个电动伸缩杆的伸缩量自动实现机器人的目标高度与目标水平度的调节。

其中水平调节包括以下步骤：

1)各个电动伸缩杆3向下伸出，当触碰到地面时，步进电机电流增大，当电流超过一定的阈值时，步进电机停止；

2)等待所有电动伸缩杆3停止(因为地面高度不一，可能触碰到地面的时间不一致)，并以此时的位置为基准位置；

3)各电动伸缩杆3相对于各自的基准位置再同时向下运动一段相同的距离，此时机器人将整体抬升相应的距离。

其中高度调节包括以下步骤：

1)陀螺仪实时采集基座的倾角误差，步进电机的控制***根据陀螺仪与各电动伸缩杆的相对位置关系换算为各电动伸缩3杆的位置误差；

2)控制***将各电动伸缩杆的位置误差通过一定的控制算法解算为各电动伸缩杆的位置调整量，所述控制算法是PID控制算法、模型预测控制算法、滑膜控制算法、鲁棒控制算法、模糊控制算法、神经网络控制算法的一种或多种组合；

3)检测各电动伸缩杆的位置调节量是否超过运动极限，如果不超限则将位置调整量发送给各电动伸缩杆中电机的驱动器，驱动器驱动电机进行位置调整。如果超限则所有电动伸缩杆同时向着极限的反方向运动一段相同的距离，然后跳转到步骤1；

4)在电动伸缩杆运动之后，基座的姿态将进行相应改变，此时陀螺仪采集到的倾角误差也将改变，此时不断循环1-4过程，直到机器人整体的水平度达到要求，如果在较长时间内均无法调节到目标水平度，则***报错并要求用户重新输入目标水平度或调节当前机器人的位置。

为了精准地进行某些手术且不与其他手术器械发生碰撞干涉，例如穿刺手术，机器人必须获取其在手术室内的精确位姿，此时可以在手术室的地面安装一个标记物9，如图3所示，然后通过环境感知模块上的双目摄像头7来对标记物进行识别定位，利用视差原理获取机器人与标记物的相对位姿信息，在手术前，必须对手术室进行高精度标定，确定手术床、影像设备(如CT机、X光机)等医疗器械与地面标记物的相对位姿。

其中，双目摄像头可采用红外传感器、激光测距仪或超声测距仪代替。

以双目相机或红外相机为例，位姿感知方法具体流程如下：

1)通过特征点提取算法，将双目相机拍摄到的两张图片中的手术室地面标记物的特征点或定位点提取出来，具体算法包括阈值分割法、模板匹配法、Harris算法、SIFT算法、SUFT算法、A-KAZE算法等；

2)进行特征点匹配，并用RANSAC算法进行特征点匹配过滤

3)利用三角定位算法，求解出若干个特征点或定位点相对于相机坐标系的空间位置

4)由于地面标记物是事先设计好的，因此其各特征点或定位点之间的相对空间位置关系是已知的，再基于第3步获取的结果，即可换算出标记物相对与相机坐标系的相对位姿。

5)再基于事先标定好的相机与机器人的相对位姿，解算出机器人相对于地面标记物的相对位姿，进而解算出机器人相对于手术室的相对位姿。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种带位姿感知功能的机器人底盘，其特征在于，包括基座、控制***、四个万向轮和四个电动伸缩杆，所述四个万向轮分别连接在所述基座的四个角上，所述电动伸缩杆包括电机、丝杆、行程开关、伸缩杆、外壳、位置传感器和减速齿轮组，所述位置传感器可以测量伸缩杆的伸出位移量，所述四个电动伸缩杆分别穿过所述基座后在所述伸缩杆的底部安装有脚垫；所述基座上设有陀螺仪。

2.根据权利要求1所述的一种带位姿感知功能的机器人底盘，其特征在于，所述四个电动伸缩杆穿过所述基座后分别穿过与其外径间隙配合的支撑定位套后安装脚垫，该支撑定位套到固定在所述基座上；所述四个电动伸缩杆分别对应位于所述四个万向轮的内侧。

3.根据权利要求1所述的一种带位姿感知功能的机器人底盘，其特征在于，所述基座上还设有和视觉传感器，所述视觉传感器为摄像头、红外相机、激光传感器的一种或多种组合，所述视觉传感器位于基座底面，所述视觉传感器的信号采集面朝向地面。

4.根据权利要求1所述的一种带位姿感知功能的机器人底盘，其特征在于，所述电动伸缩杆的电机为步进电机，所述控制***包括用于驱动步进电机的闭环步进电机驱动器，所述位置传感器为安装在步进电机末端的旋转编码器，或安装在所述外壳处，测量所述电动伸缩杆位移量的直线位移传感器。

5.根据权利要求1-4中任一项中所述的一种带位姿感知功能的机器人底盘实现的机器人底盘自动调节方法，其特征在于，包括高度调节与水平调节，通过调节四个电动伸缩杆的伸缩量自动实现机器人的目标高度与目标水平度的调节。

6.根据权利要求5所述的一种带位姿感知功能的机器人底盘实现的机器人底盘自动调节方法，其特征在于，其中所述高度调节包括以下步骤：

2)等待所有电动伸缩杆停止，并以此时的位置为基准位置；

3)所述各电动伸缩杆相对于各自的基准位置再同时向下运动一段相同的距离，此距离为目标高度，此时机器人将整体抬升相应的距离。

7.根据权利要求5所述的一种带位姿感知功能的机器人底盘实现的机器人底盘自动调节方法，其特征在于，其中所述水平调节包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种带位姿感知功能的机器人底盘实现的机器人底盘自动调节方法，其特征在于，如果在水平调节过程中，机器人在较长时间内均无法调节到目标水平度，则***报错并要求用户重新输入目标水平度或调节当前机器人的位置。

9.根据权利要求5所述的一种带位姿感知功能的机器人底盘实现的机器人底盘自动调节方法，其特征在于，能够获取机器人相对于手术室的相对位姿，具体包括以下步骤：

1)在手术室地面安装一个标记物；

3)进行特征点匹配，并用RANSAC算法进行特征点匹配过滤；

10.根据权利要求9所述的一种带位姿感知功能的机器人底盘实现的机器人底盘自动调节方法，其特征在于，所述步骤2)中算法包括阈值分割法、模板匹配法、Harris算法、SIFT算法、SUFT算法或A-KAZE算法。