机器人辅助的显微注射系统的坐标标定方法技术方案

机器人辅助的显微注射系统的坐标标定方法，属于显微注射系统的坐标标定方法领域。现有的显微注射系统存在针尖移动定位效率低的问题。一种机器人辅助的显微注射系统的坐标标定方法，在当前视野区域的点阵选取M个点作为标定点，按设定的时间最优的路线操作机械臂，使针尖经过这些标定点并获得清晰图像，然后移动载物台到下一个视野区域，重复以上步骤完成N个视野区域，并记录第j个视野区域中点对应的机械臂坐标；计算坐标变换矩阵；期望针尖坐标和坐标变换矩阵计算得到对应的机械臂坐标，之后操作机械臂移动，使微量吸液管针尖能够移动到期望位置处。本发明专利技术具有避免重复定位问题、定位准确和工作效率高的优点。

Coordinate calibration method of robot assisted microinjection system

The coordinate calibration method of robot assisted microinjection system belongs to the field of coordinate calibration method of microinjection system. The existing microinjection system has the problem of low positioning efficiency of the needle tip movement. A calibration method of coordinate robot assisted microinjection system, selecting M as the calibration point in the current field of the lattice, according to the route of mechanical arm time optimal setting, the needle tip through these calibration points and get a clear image, then moving the stage to the next field, repeat the above steps. Complete the N visual field, and the robotaom records of the j field point corresponding to the coordinate transformation matrix; calculation; manipulator coordinates corresponding to the calculation of expected tip coordinates and coordinate transformation matrix, after the operation of the robot arm to move, the micropipette tip can move to the desired position. The invention has the advantages of avoiding repeated positioning problems, accurate positioning and high work efficiency.

【技术实现步骤摘要】
机器人辅助的显微注射系统的坐标标定方法
本专利技术涉及一种机器人辅助的显微注射系统的坐标标定方法。
技术介绍
在显微注射过程中，第一步要做的是将针尖移动到特定的位置以便进行后续的操作。现有针尖自动定位的方法相对手动定位虽然节约了时间，但效率仍有待提高。事实上，假如机械臂和载物台没有改变安装位置，是没有必要对针尖进行重新定位的，只需事先对显微注射系统中几个坐标的关系进行标定即可。本专利技术根据这种实际需要，设计了一种沿着时间最优路线的标定方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的显微注射系统存在针尖移动定位效率低的问题，而提出一种机器人辅助的显微注射系统的坐标标定方法。一种机器人辅助的显微注射系统的坐标标定方法，所述方法通过以下步骤实现：步骤一、设显微镜载物台坐标系为Os-XsYsZs，原点Os为初始位置；照相机坐标系为Oc-XcYcZc，点Oc位于显微镜的物镜中央，Zc为显微镜光轴；三自由度的机械臂坐标系为Om-XmYmZm；标定点阵图图像平面坐标系为Oi-UV，原点Oi位于图像左上角；并确定：三自由度的机械臂坐标系和照相机坐标系之间的坐标转换矩阵为则三自由度的机械臂坐标系和照相机坐标系之间之间的转换关系为：其中，表示机械臂坐标，表示照相机坐标系，R表示旋转变换矩阵，T表示平移变换向量；标定点阵图图像平面坐标系和照相机坐标系之间的坐标转换矩阵为则标定点阵图图像平面坐标系和照相机坐标系之间转换关系为：其中，表示标定点阵图图像平面坐标系，u和v分别是期望针尖在标定点阵图图像平面坐标系的视野区域中u轴方向和v轴方向上到达的位置的值，视野区域中的横向用u轴表示，视野区域中的纵向用v轴表示，表示照相机坐标系坐标；三自由度的机械臂坐标系和标定点阵图图像平面坐标系之间的坐标转换矩阵为则三自由度的机械臂坐标系和标定点阵图图像平面坐标系之间的转换关系为：其中，表示机械臂坐标系坐标，表示标定点阵图图像平面坐标系坐标，u和v分别是期望针尖在标定点阵图图像平面坐标系的视野区域中u轴方向和v轴方向上到达的位置的值；R表示旋转变换矩阵，T表示平移变换向量；步骤二、在标定点阵图图像中，设Δx表示横向相邻标定点间的距离，Δy表示纵向相邻标定点间的距离，且满足γ＝tan-1(Δx/Δy)，并计算机械臂在视野区域中完成移动的时间，从而将机械臂在视野区域中完成移动的时间最少的路线确定为时间最优的路线；步骤三、在当前视野区域的标定点点阵中选取M个标定点，按步骤二设定的时间最优的路线操作携带微量吸液管针尖的机械臂，使微量吸液管针尖经过这些标定点并获得清晰图像，然后移动载物台到下一个视野区域，直到N个视野区域全部完成，并记录第j个视野区域中第i个点(ui,vi)对应的机械臂坐标步骤四、利用机械臂坐标系与标定点阵图图像平面坐标系之间的坐标变换矩阵Θ1中的平移变换向量T：和第j个视野区域对应的平移变换向量T：计算得到坐标变换矩阵和坐标变换矩阵式中，R表示机械臂坐标系与标定点阵图图像平面坐标系之间的旋转变换矩阵，且其中，λ表示显微镜放大倍数，δu表示沿u轴方向相邻像素的距离，δv表示沿v轴方向相邻像素的距离；表示视野区域中M个点的坐标集合，分别表示N个视野区域中对应点处的机械臂的x轴坐标xm之和、y轴坐标ym之和、z轴坐标zm之和；每个视野区域对应的载物台坐标为：以及分别表示每个视野区域对应的平移变换向量的x坐标、y坐标、z坐标；坐标变换矩阵Θ1中平移变换向量：λ表示显微镜放大倍数，δu表示沿u轴方向相邻像素的距离，δv表示沿v轴方向相邻像素的距离；步骤五、在视野区域中任意选择一个期望针尖坐标(ud,vd)，利用坐标变换矩阵Θ1计算得到对应的机械臂坐标之后操作机械臂移动，使微量吸液管针尖能够移动到期望针尖坐标(ud,vd)的位置处。本专利技术的有益效果为：本专利技术利用标定方法确定了显微注射系统中几个坐标轴的坐标转换关系，避免了每次使用需要重复定位的问题，显著提升了工作效率，并能保证可以将针尖准确定位到视野区域中某一期望的位置。本专利技术方法测量精度高，实验中测得误差小于6个像素。附图说明图1为本专利技术涉及的三自由度的机械臂坐标系和照相机坐标系关系的正视图；图2为本专利技术涉及的三自由度的机械臂坐标系中虚拟X轴(Δx)、X轴(Δxm)、Z轴(Δzm)三者关系的正视图；图3为本专利技术涉及的机械臂坐标系倾角的俯视图；图4为本专利技术涉及的标定点阵的设计示意图；图5为本专利技术方法的流程图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的机器人辅助的显微注射系统的坐标标定方法，如图5所示，所述方法通过以下步骤实现：步骤一、设显微镜载物台坐标系为Os-XsYsZs，原点Os为初始位置；照相机坐标系为Oc-XcYcZc，点Oc位于显微镜的物镜中央，Zc为显微镜光轴；三自由度的机械臂坐标系为Om-XmYmZm；标定点阵图图像平面坐标系为Oi-UV，原点Oi位于图像左上角；并确定：三自由度的机械臂坐标系和照相机坐标系之间的坐标转换矩阵为则三自由度的机械臂坐标系和照相机坐标系之间之间的转换关系为：其中，表示机械臂坐标，表示照相机坐标系，R表示旋转变换矩阵，T表示平移变换向量；标定点阵图图像平面坐标系和照相机坐标系之间的坐标转换矩阵为则标定点阵图图像平面坐标系和照相机坐标系之间转换关系为：其中，表示标定点阵图图像平面坐标系，u和v分别是期望针尖在标定点阵图图像平面坐标系的视野区域中u轴方向和v轴方向上到达的位置的值，视野区域中的横向用u轴表示，视野区域中的纵向用v轴表示，表示照相机坐标系坐标；三自由度的机械臂坐标系和标定点阵图图像平面坐标系之间的坐标转换矩阵为则三自由度的机械臂坐标系和标定点阵图图像平面坐标系之间的转换关系为：其中，表示机械臂坐标系坐标，表示标定点阵图图像平面坐标系坐标，u和v分别是期望针尖在标定点阵图图像平面坐标系的视野区域中u轴方向和v轴方向上到达的位置的值；R表示旋转变换矩阵，T表示平移变换向量；步骤二、在如图1所示的标定点阵图图像中，设Δx表示横向相邻标定点间的距离，Δy表示纵向相邻标定点间的距离，且满足γ＝tan-1(Δx/Δy)，并计算机械臂在视野区域中完成移动的时间，从而将机械臂在视野区域中完成移动的时间最少的路线确定为时间最优的路线；步骤三、在当前视野区域的标定点点阵中选取M个标定点，按步骤二设定的时间最优的路线操作携带微量吸液管针尖的机械臂，使微量吸液管针尖经过这些标定点并获得清晰图像，然后移动载物台到下一个视野区域，直到N个视野区域全部完成，并记录第j个视野区域中第i个点(ui,vi)对应的机械臂坐标步骤四、利用机械臂坐标系与标定点阵图图像平面坐标系之间的坐标变换矩阵Θ1中的平移变换向量T：和第j个视野区域对应的平移变换向量T：计算得到坐标变换矩阵和坐标变换矩阵式中，R表示机械臂坐标系与标定点阵图图像平面坐标系之间的旋转变换矩阵，且其中，λ表示显微镜放大倍数，δu表示沿u轴方向相邻像素的距离，δv表示沿v轴方向相邻像素的距离；表示视野区域中M个点的坐标集合，分别表示N个视野区域中对应点处的机械臂的x轴坐标xm之和、y轴坐标ym之和、z轴坐标zm之和；每个视野区域对应的载物台坐标为：以及分别表示每个视野区域对应的平移变换向量的x坐标、y坐标、z坐标；坐标变换矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机器人辅助的显微注射系统的坐标标定方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：步骤一、设显微镜载物台坐标系为O

【技术特征摘要】
1.一种机器人辅助的显微注射系统的坐标标定方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：步骤一、设显微镜载物台坐标系为Os-XsYsZs，原点Os为初始位置；照相机坐标系为Oc-XcYcZc，点Oc位于显微镜的物镜中央，Zc为显微镜光轴；三自由度的机械臂坐标系为Om-XmYmZm；标定点阵图图像平面坐标系为Oi-UV，原点Oi位于图像左上角；并确定：三自由度的机械臂坐标系和照相机坐标系之间的坐标转换矩阵为则三自由度的机械臂坐标系和照相机坐标系之间之间的转换关系为：其中，表示机械臂坐标，表示照相机坐标系，R表示旋转变换矩阵，T表示平移变换向量；标定点阵图图像平面坐标系和照相机坐标系之间的坐标转换矩阵为则标定点阵图图像平面坐标系和照相机坐标系之间转换关系为：其中，表示标定点阵图图像平面坐标系，u和v分别是期望针尖在标定点阵图图像平面坐标系的视野区域中u轴方向和v轴方向上到达的位置的值，视野区域中的横向用u轴表示，视野区域中的纵向用v轴表示，表示照相机坐标系坐标；三自由度的机械臂坐标系和标定点阵图图像平面坐标系之间的坐标转换矩阵为则三自由度的机械臂坐标系和标定点阵图图像平面坐标系之间的转换关系为：其中，表示机械臂坐标系坐标，表示标定点阵图图像平面坐标系坐标，u和v分别是期望针尖在标定点阵图图像平面坐标系的视野区域中u轴方向和v轴方向上到达的位置的值；R表示旋转变换矩阵，T表示平移变换向量；步骤二、在标定点阵图图像中，设Δx表示横向相邻标定点间的距离，Δy表示纵向相邻标定点间的距离，且满足γ＝tan-1(Δx/Δy)，并计算机械臂在视野区域中完成移动的时间，从而将机械臂在视野区域中完成移动的时间最少的路线确定为时间最优的路线；步骤三、在当前视野区域的标定点点阵中选取M个标定点，按步骤二设定的时间最优的路线操作携带微量吸液管针尖的机械臂，使微量吸液管针尖经过这些标定点并获得清晰图像，然后移动载物台到下一个视野区域，直到N个视野区域全部完成，并记录第j个视野区域中第i个点(ui,vi)对应的机械臂坐标步骤四、利用机械臂坐标系与标定点阵图图像平面坐标系之间的坐标变换矩阵Θ1中的平移变换向量T：和第j个视野区域对应的平移变换向量T：计算得到坐标变换矩阵和坐标变换矩阵式中，R表示机械臂坐标系与标定点阵图图像平面坐标系之间的旋转变换矩阵，且其中，λ表示显微镜放大倍数，δu表示沿u轴方向相邻像素的距离，δv表示沿v轴方向相邻像素的距离；表示视野区域中M个点的坐标集合，分别表示N个视野区域中对应点处的机械臂的x轴坐标xm之和、y轴坐标ym之和、z轴坐标zm之和；每个视野区域对应的载物台坐标为：以及分别表示每个视野区域对应的平移变换向量的x坐标、y坐标、z坐标；坐标变换矩阵Θ1中平移变换向量：λ表示显微镜放大倍数，δu表示沿u轴方向相邻像素的距离，δv表示沿v轴方向相邻像素的距离；步骤五、在视野区域中任意选择一个期望针尖坐标(ud,vd)，利用坐标变换矩阵Θ1计算得到对应的机械臂坐标之后操作机械臂移动，使微量吸液管针尖能够移动到期望针尖坐标(ud,vd)的位置处。2.根据权利要求1所述机器人辅助的显微注射系统的坐标标定方法，其特征在于：步骤一所述确定：三自由度的机械臂坐标系和照相机坐标系之间的坐标转换矩阵为则三自由度的机械臂坐标系和照相机坐标系之间之间的转换关系为：标定点阵图图像平面坐标系和照相机坐标系之间的坐标转换矩阵为则标定点阵图图像平面坐标系和照相机坐标系之间转换关系为：以及三自由度的机械臂坐标系和标定点阵图图像平面坐标系之间的坐标转换矩阵为则三自由度的机械臂坐标系和标定点阵图图像平面坐标系之间的转换关系为：的过程为，三自由度的机械臂坐标系中X...

【专利技术属性】
技术研发人员：高会军，庄松霖，林伟阳，张格非，叶超，尚忻忻，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23