一种机器人与影像设备的空间注册方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种机器人与影像设备的空间注册方法，将测量棒安装于机器人，确定测量棒相对于机器人的位姿；将至少三个测量球放置在机器人的工作范围内；使机器人运动，直到测量棒的圆柱面从至少四个不同的方向与测量球表面机械接触；读取当圆柱面与表面机械接触时机器人的位姿，得到每个测量球在机器人坐标系中的球心坐标；通过影像设备获取测量球的影像信息并进行处理，得到测量球在影像坐标系中的球心坐标；根据测量球在机器人坐标系中的球心坐标及在影像坐标系中的球心坐标，得到机器人坐标系与影像坐标系之间的坐标转换矩阵，完成机器人与影像设备的注册校准。该方法可实现便捷快速可靠、高精度、低成本的机器人与影像或影像设备的空间注册。

A space registration method and system for robot and image equipment

【技术实现步骤摘要】
一种机器人与影像设备的空间注册方法及系统
本专利技术涉及机器人注册
，具体地涉及一种机器人与影像设备的空间注册方法及系统。
技术介绍
随着机器人及相关技术的发展，越来越多的医疗领域利用机器人来实施临床技术或辅助临床技术的实施。利用机器人对手术进行导航或利用机器人自动实施手术的一个关键前提是确定机器人所在的空间与手术对象所在的空间的关系。手术对象所在的空间常通过医学影像设备获取其数字化影像信息来确定，故确定机器人与手术对象的空间关系实际上就是确定机器人与影像设备或机器人与获取到的影像的空间关系。目前常用的一种技术手段是利用光学追踪技术来实现机器人与影像的注册，具体的是在手术对象表面粘贴标志，获取粘贴标志的手术对象的医学影像，确定标志成像点在医学影像中的坐标，由光学跟踪设备分别测量粘贴于手术对象表面的标志及安装于机器人上的标志相对于光学追踪设备的坐标信息进行空间坐标匹配计算，实现机器人与影像或影像设备的注册。例如申请号为200510122586.X的专利中所采用的方法。另一种技术手段是利用电磁追踪技术来实现机器人与影像的注册，具体的是在手术对象表面粘贴电极或体内放置电极，获取粘贴电极或置入电极的手术对象的医学影像，确定电极成像点在医学影像中的坐标，由电磁跟踪设备分别测量粘贴于手术对象表面的电极或体内的电极及安装于机器人上的电极相对于电磁追踪设备的坐标信息进行空间坐标匹配计算，实现机器人与影像或影像设备的注册。上述方法能在一定程度上实现机器人与影像或影像设备的注册，但存在着以下不足：1.容易受到外部环境的影响，如：光学追踪设备与标识之间被障碍物遮挡、外部电磁干扰、标识脱落等；2.置入电极对手术对象有创；3.由于标识是粘贴在体表，其对刚性组织精度较高，如骨组织或骨组织保护的组织，而对于软组织来说精度较差；4.无论是光学追踪设备还是电磁追踪设备都比较昂贵，成本高；5.操作繁琐，对于每一次手术都需要重新注册，且注册时间较长。
技术实现思路
为了解决上述的技术问题，本专利技术目的是：提供了一种机器人与影像设备的空间注册方法及系统，尤其是机器人实施手术或辅助手术实施过程中，可以实现便捷快速可靠、高精度、低成本的机器人与影像或影像设备的空间注册。本专利技术的技术方案是：一种机器人与影像设备的空间注册校准方法，包括以下步骤：S01：将第一测量物体安装于机器人，确定所述第一测量物体相对于所述机器人的位姿，所述第一测量物体为具有圆柱面的物体；S02：将至少三个第二测量物体放置在所述机器人的工作范围内，所述第二测量物体为具有成形为球体的突出部分的凸形物体，任意三个第二测量物体不在同一条直线上；S03：使所述机器人运动，直到所述第一测量物体的圆柱面从至少四个不同的方向与第二测量物体的球体表面机械接触；读取当所述圆柱面与所述第二测量物体的球体表面机械接触时所述机器人的位姿；S04：对另外的所述第二测量物体重复所述步骤S03，计算得到每个第二测量物体在机器人坐标系中的球心坐标；S05：通过影像设备获取第二测量物体的影像信息，对获取的第二测量物体的影像信息进行处理，得到每个第二测量物体在影像坐标系中的球心坐标；S06：根据第二测量物体在机器人坐标系中的球心坐标及在影像坐标系中的球心坐标，得到机器人坐标系与影像坐标系之间的坐标转换矩阵，完成机器人处于机器人安装座上时机器人与影像设备的注册校准。优选的技术方案中，所述步骤S01之前还包括，通过视觉识别单元获取机器人安装座的标记物图像，并存储作为注册校准的标记物图像。优选的技术方案中，通过视觉识别单元获取当前机器人安装座的标记物图像，将获取的当前标记物图像与注册校准的标记物图像进行对比分析，得到安装于此机器人安装座的机器人安装的位姿相对于注册校准阶段机器人安装于此机器人安装座的位姿的偏差；根据得到的偏差对机器人坐标系与影像坐标系之间的坐标转换矩阵进行修正，完成当前机器人处于该机器人安装底座上时机器人与影像设备的注册。本专利技术还公开了一种机器人与影像设备的空间注册校准系统，包括：将第一测量物体安装于机器人，确定所述第一测量物体相对于所述机器人的位姿，所述第一测量物体为具有圆柱面的物体；将至少三个第二测量物体设置在所述机器人的工作范围内，所述第二测量物体为具有成形为球体的突出部分的凸形物体，任意三个第二测量物体不在同一条直线上；机器人驱动装置，使所述机器人运动，直到所述第一测量物体的圆柱面从至少四个不同的方向与第二测量物体的球体表面机械接触；影像处理单元，通过影像设备获取第二测量物体的影像信息，对获取的第二测量物体的影像信息进行处理，得到第二测量物体在影像坐标系中的球心坐标；数据记录与处理单元，记录当所述圆柱面与所述第二测量物体的球体表面机械接触时所述机器人的位姿；计算得到每个第二测量物体在机器人坐标系中的球心坐标；根据第二测量物体在机器人坐标系中的球心坐标及在影像坐标系中的球心坐标，得到机器人坐标系与影像坐标系之间的坐标转换矩阵，完成机器人处于机器人安装座上时机器人与影像设备的注册校准。优选的技术方案中，还包括视觉识别单元，所述视觉识别单元安装于机器人底座，用于获取机器人安装座的标记物图像。优选的技术方案中，所述数据记录与处理单元还包括注册使用模块，通过视觉识别单元获取当前机器人安装座的标记物图像，将获取的当前标记物图像与注册校准的标记物图像进行对比分析，得到安装于此机器人安装座的机器人安装的位姿相对于注册校准阶段机器人安装于此机器人安装座的位姿的偏差；根据得到的偏差对机器人坐标系与影像坐标系之间的坐标转换矩阵进行修正，完成机器人处于该机器人安装座上时机器人与影像设备的注册。与现有技术相比，本专利技术的优点是：1.本专利技术通过对手术区域进行划分从而设置不同的机器人安装座位置，进而对每个安装位置机器人与影像设备的空间注册进行校准，使得每次使用只需分析机器人安装于机器人安装座上时的安装误差，将该误差补偿到注册校准时获取到的机器人坐标系与影像坐标系之间的坐标转换矩阵上即可完成机器人与影像设备的空间注册，可以极大的缩短机器人与影像设备的空间注册时间，进而缩短手术准备时间，提高手术效率及医疗设备的利用率；2.每次使用时的误差校准均为自动完成，故仅注册校准时需要比较专业的人员执行，注册使用时对使用人员没有专业知识的要求，普适性强，能降低人因误差；3.本专利技术是直接将机器人坐标系与影像设备的影像坐标系进行注册，故无论是对于刚性组织还是软组织都有非常高的精度；4.本专利技术所使用的技术手段相对于光学追踪设备或电磁追踪设备来说成本更低。附图说明下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步描述：图1为本专利技术治疗区域的结构示意图；图2为机器人安装座上的标记物及识别码示意图；图3为机器人的安装结构示意图；图4为本专利技术测量球的安装结构示意图；图5为测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人与影像设备的空间注册校准方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS01：将第一测量物体安装于机器人，确定所述第一测量物体相对于所述机器人的位姿，所述第一测量物体为具有圆柱面的物体；/nS02：将至少三个第二测量物体放置在所述机器人的工作范围内，所述第二测量物体为具有成形为球体的突出部分的凸形物体，任意三个第二测量物体不在同一条直线上；/nS03：使所述机器人运动，直到所述第一测量物体的圆柱面从至少四个不同的方向与第二测量物体的球体表面机械接触；读取当所述圆柱面与所述第二测量物体的球体表面机械接触时所述机器人的位姿；/nS04：对另外的所述第二测量物体重复所述步骤S03，计算得到每个第二测量物体在机器人坐标系中的球心坐标；/nS05：通过影像设备获取第二测量物体的影像信息，对获取的第二测量物体的影像信息进行处理，得到每个第二测量物体在影像坐标系中的球心坐标；/nS06：根据第二测量物体在机器人坐标系中的球心坐标及在影像坐标系中的球心坐标，得到机器人坐标系与影像坐标系之间的坐标转换矩阵，完成机器人处于机器人安装座上时机器人与影像设备的注册校准。/n

【技术特征摘要】
1.一种机器人与影像设备的空间注册校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：将第一测量物体安装于机器人，确定所述第一测量物体相对于所述机器人的位姿，所述第一测量物体为具有圆柱面的物体；
S02：将至少三个第二测量物体放置在所述机器人的工作范围内，所述第二测量物体为具有成形为球体的突出部分的凸形物体，任意三个第二测量物体不在同一条直线上；
S03：使所述机器人运动，直到所述第一测量物体的圆柱面从至少四个不同的方向与第二测量物体的球体表面机械接触；读取当所述圆柱面与所述第二测量物体的球体表面机械接触时所述机器人的位姿；
S04：对另外的所述第二测量物体重复所述步骤S03，计算得到每个第二测量物体在机器人坐标系中的球心坐标；
S05：通过影像设备获取第二测量物体的影像信息，对获取的第二测量物体的影像信息进行处理，得到每个第二测量物体在影像坐标系中的球心坐标；
S06：根据第二测量物体在机器人坐标系中的球心坐标及在影像坐标系中的球心坐标，得到机器人坐标系与影像坐标系之间的坐标转换矩阵，完成机器人处于机器人安装座上时机器人与影像设备的注册校准。


2.根据权利要求1所述的机器人与影像设备的空间注册校准方法，其特征在于，所述步骤S01之前还包括，通过视觉识别单元获取机器人安装座的标记物图像，并存储作为注册校准的标记物图像。


3.根据权利要求2所述的机器人与影像设备的空间注册校准方法，其特征在于，通过视觉识别单元获取当前机器人安装座的标记物图像，将获取的当前标记物图像与注册校准的标记物图像进行对比分析，得到安装于此机器人安装座的机器人安装的位姿相对于注册校准阶段机器人安装于此机器人安装座的位姿的偏差；
根据得到的偏差对机器人坐标系与影像坐标系之间的坐标转换矩阵进行修正，完成当前机器人处于该机器人安装座上时机器人与影像设备...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙立宁，王珏，孙玉宁，
申请(专利权)人：江苏工大博实医用机器人研究发展有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32