基于光学定位系统的手术机器人的手眼标定方法技术方案

本发明专利技术实施例公开了一种基于光学定位系统的手术机器人的手眼标定方法，包括以下步骤：S1：采集标记球数据；S2：根据机器人内部参数设计求解基座坐标系到末端坐标系的转换关系；S3：根据采集数据求解基座坐标系和光学定位系统坐标系的坐标转换关系；S4：结合三个位姿的坐标信息建立AX＝XB方程，根据李群算法求解手术工具坐标系和末端坐标系的转换关系；S5：设计多个闭环求解方法，建立基座、手术工具、光学定位系统坐标系之间的相互转换关系，完成手眼标定。本发明专利技术减少了标定采集数据量，缩短了标定时间，减小了标定误差。减小了标定误差。减小了标定误差。

【技术实现步骤摘要】
基于光学定位系统的手术机器人的手眼标定方法


[0001]本专利技术涉及手术机器人
，尤其涉及一种基于光学定位系统的手术 机器人的手眼标定方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着机器人技术的迅速发展，手术机器人在临床上的应用和优势 逐渐凸显，视觉信息引导下的机器人系统根据相机安装方式不同可分为两种：
[0003]1、光学定位系统安装于机械臂末端关节，即Eye in hand模式(EIH)。
[0004]2、光学定位系统与机械臂分离并位于距离机械臂2～3米的位置上，即Eye tohand模式(ETH)。
[0005]目前解决手眼标定的方法主要包括如下方式：
[0006]1、针对光学手术机器人导航系统的手眼标定，传统的标定方法在机器人辅 助的穿刺手术中，安装于机械臂末端的穿刺针需要被多次替换以实现多靶区进 针与定位，同时，需要在机器人末端重新安装特殊的标定装置来达到手眼标定 的目的。
[0007]2、根据坐标转换关系将刚性变换描述为：一个平移矩阵和一个旋转矩阵。 迄今为止，已经提出了许多用于手眼校准的封本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光学定位系统的手术机器人的手眼标定方法，所述手术机器人包括近红外光学定位系统、六自由度机械臂及安装有四个反光标记球的手术工具，所述手术工具固定于六自由度机械臂末端，所述标记球由PVC材料制成，表面涂有用于反射近红外光的反射涂层；所述近红外光学定位仪安装有近红外摄像机，构成双目视觉系统；其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1：采集标记球数据；S2：根据机器人内部参数设计求解基座坐标系到末端坐标系的转换关系；S3：根据采集数据求解基座坐标系和光学定位系统坐标系的坐标转换关系；S4：结合三个位姿的坐标信息建立AX＝XB方程，根据李群算法求解手术工具坐标系和末端坐标系的转换关系；S5：设计多个闭环求解方法，建立基座、手术工具、光学定位系统坐标系之间的相互转换关系，完成手眼标定。2.如权利要求1所述的基于光学定位系统的手术机器人的手眼标定方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下子步骤：S11：控制机械臂沿坐标系S
b
移动，采集运动过程中安装在手术工具上的反光标记球在坐标系S
o
下的位姿信息和坐标系S
b
下机械臂末端的位姿信息；S12：控制机械臂使末端前后相对位姿发生预设变化，同时采集运动过程中反光标记球在光学定位系统坐标系下的位姿信息。3.如权利要求2所述的基于光学定位系统的手术机器人的手眼标定方法，其特征在于，标定机械臂和光学定位系统，需采集一组坐标系S
b
下机械臂末端的初始位姿I＝(x,y,z,rx,ry,rz)，其中(x,y,z)表示机械臂末端位姿的位置分量、(rx,ry,rz)表示机械臂末端位姿的旋转分量，子步骤S11中，控制机械臂末端分别沿坐标系S
b
的X,Y,Z轴移动，在移动对应位姿后实时采集反光标记球在光学定位系统下的位置信息，沿S
b
的X,Y,Z坐标轴移动末端的目标偏移位姿分别表示为
x
M
i
、
y
M
i
、
z
M
i
，i∈[1,m]，m表示沿坐标系S
b
每个坐标轴移动的次数，
x
M
i
表示沿S
b
的X轴偏移i次后的位姿，每次偏移dmm，末端偏移位姿由如下公式表示：保存末端位姿数据的同时，需记录安装在手术工具上反光标记球在S
o
下的三维坐标，所采集的标记点坐标由如下公式表示：其中表示机械臂末端移动到位姿时标记球在坐标系S
o
下的坐标值，左上标k1∈{x,y,z}表示沿对应轴移动，右上标k2∈{a,b,c}表示标记点序号；子步骤S12中，设定机械臂末端在坐标系S
b
下的初始位姿
b
P0，两个偏移位姿
b
P1、
b
P2，其对
应的在坐标系S
o
下光学标记球的坐标值由如下公式表示：
o
P
ik
表示机械臂末端移动到
b
P
i
位姿时标记球k在坐标系S
o
下的坐标值，左上标o表示坐标系S
o
，右上标k∈{a,b,c}表示标记点序号，右下标i∈[0,2]表示末端位姿序号。4.如权利要求1所述的基于光学定位系统的手术机器人的手眼标定方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据以下方法计算基座坐标系到末端坐标系的转换矩阵C
be
：沿坐标轴移动只改变坐标系间的旋转矩阵，坐标系S
b
到坐标系S
e
旋转矩阵R
be
通过四元数算法处理初始位姿的旋转分量(rx,ry,rz)计算得到，由以下公式表示：其中根据正交矩阵的性质得：基座坐标系S
b
到末端坐标系S
e
的平移矩阵T
be
根据初始位姿的位置分量(x,y,z)求得。5.如权利要求4所述的基于光学定位系统的手术机器人的手眼标定方法，其特征在于，步骤S5中，采用以下方法计算手术工具坐标系到光学定位系统坐标系的转换矩阵C
to
：随机选取四个反光标记球中的三个标记球P
a
,P
b
,P
c
所在位置建立手术工具坐标系S
t
，选取P
a
作为的坐标系原点，从P
a
点出发指向点P
b
的方向向量为即单位向量作为X轴的单位向量，选取标记球平面法向量的单位向量作为Z轴，Z轴单位向量和Y轴的单位向量根据以下公式表示：其中，v
ac
表示P
a
指向P
c
的方向向量；根据手术工具设...

【专利技术属性】
技术研发人员：战荫伟，彭科海，王齐万，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：