一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，步骤包括，基于刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点，建立刀具坐标系；计算所述刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标；根据所述刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标，计算出刀具坐标系相对机器人末端坐标系的齐次变换矩阵；本发明专利技术实现了刀具平面在机器人末端坐标系下的姿态的标定，在机器人夹持刀具的工作中，有助于对刀具姿态进行准确控制。有助于对刀具姿态进行准确控制。有助于对刀具姿态进行准确控制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法


[0001]本专利技术涉及机器人工具标定
，更具体的说是涉及一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法。

技术介绍

[0002]在机器人把持刀具执行切割过程中，刀具的切割位置和刀具平面必须与医生术前规划的切割位置和切割平面重合。刀具的切割运动会形成切割缝平面，随着切割的深入，刀具平面会进入切割缝。由于骨组织具有一定刚度，因此机器人控制刀具的切割运动，必须保持刀具平面与切割缝平面的重合，否则刀具受到垂直于刀具平面的力，会使切割轨迹变形，或者使刀具崩断。因此，在机器人辅助截骨成型手术中，需要准确标定截骨刀具在机器人坐标系中的位姿参数，这样才能使刀具精准到达切割位置并完成切割。
[0003]目前已有的机器人工具标定方法中，主要可分为两类。第一类主要面向对工具的姿态没有特别要求的弧焊机器人，仅需要标定末端工具的TCP(Tool Center Point)在机器人工具坐标系中位置。第二类是面向类似钻孔机器人进行标定，除了获取钻头TCP参数，还需要标定钻头钻轴在机器人末端工具坐标系的参数信息。现有的机器人工具标定方法，都不能对满足截骨机器人对切割刀具的标定要求，因此亟需专利技术一种能精确获得切割刀具TCP和刀具平面在机器人末端工具坐标系中参数信息的标定方法。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，实现了刀具平面在机器人末端坐标系下的姿态的标定，在机器人夹持刀具的工作中，有助于对刀具姿态进行准确控制。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，步骤包括，基于刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点，建立刀具坐标系；
[0007]计算所述刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标；
[0008]根据所述刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标，计算出刀具坐标系相对机器人末端坐标系的齐次变换矩阵。
[0009]进一步的，所述基于刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点，建立刀具坐标系包括，
[0010]标记刀具尖点、刀具左侧点及刀具右侧点，并以刀具左侧点指向刀具右侧点的向量作为刀具坐标系的X轴，以刀具左侧点及刀具右侧点连线上的一点指向刀具尖点作为刀具坐标系的Z轴；所述Z轴和X轴保持垂直，建立刀具坐标系。
[0011]进一步的，计算所述刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标，包括：
[0012]获取机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵；
[0013]确认所述刀具坐标系、机器人基坐标系和机器人末端坐标系的坐标转换关系：
[0014]根据坐标转换关系计算出刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点在机器人末端坐标系下的坐标，并计算垂足点在机器人末端坐标系中的坐标。
[0015]进一步的，所述获取机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵包括，
[0016]在机器人的工作空间内放置一个固定点；依次使所述刀具尖点、所述刀具左侧点和所述刀具右侧点与所述固定点重合；
[0017]对于每次重合，调整机器人的四个不同姿态得到机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵
[0018]进一步的，所述刀具坐标系、机器人基坐标系和机器人末端坐标系的坐标转换关系为：
[0019]则
[0020]则
[0021]其中，为刀具坐标系相对机器人基坐标系的齐次变换矩阵；为机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵；为刀具坐标系相对于机器人末端坐标系的齐次变换矩阵；分别为的旋转矩阵和平移矩阵；分别为的旋转矩阵和平移矩阵；分别为的旋转矩阵和平移矩阵。
[0022]进一步的，根据所述坐标转换关系得到刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点在机器人末端坐标系下的坐标，并计算垂足点在机器人末端坐标系中的坐标包括：
[0023]将刀具坐标系的原点依次设置在所述刀具尖点、所述刀具左侧点或刀具右侧点；
[0024]根据坐标转换关系，采用最小二乘法计算出所述刀具尖点、所述刀具左侧点或刀具右侧点在机器人末端坐标系下的坐标：
[0025][0026]则
[0027]所述刀具尖点、所述刀具左侧点或刀具右侧点在机器人末端坐标系下的坐标分别表示为和
[0028]计算刀具的垂足坐标
[0029][0030]进一步的，计算出刀具坐标系相对机器人末端坐标系的齐次变换矩阵，包括计算刀具坐标系相对与末端座标系的旋转矩阵：
[0031]刀具坐标系Z轴向量在末端座标系下的表示为：
[0032][0033]刀具坐标系X轴向量在末端座标系下的表示为：
[0034][0035]计算刀具坐标系相对与末端座标系的旋转矩阵
[0036][0037]其中，a
x
、o
x
、n
x
表示在末端坐标系下的刀具坐标系X轴单位向量，a
y
、o
y
、n
y
表示在末端坐标系下的刀具坐标系Z轴单位向量,a
z
、o
z
、n
z
表示在末端坐标系下的刀具坐标系Z轴单位向量。
[0038]进一步的，计算出刀具坐标系相对机器人末端坐标系的齐次变换矩阵，还包括根据所述旋转矩阵计算齐次变换矩阵：
[0039]选择刀具尖点作为刀具坐标系的原点，则刀具坐标系相对于机器人末端坐标系的齐次变换矩阵为：
[0040]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，利用四点法获得刀具尖点、刀具左侧点及刀具右侧点，并构建刀具坐标系；根据最小二乘法，获得所述刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标；所述刀具垂足点为所述刀具尖点在刀具左侧点与刀具右侧点连线上的垂足；计算出刀具坐标系相对机器人末端坐标系的齐次变换矩阵，实现标定刀具平面在机器人末端坐标系下的姿态。该方法应用到机器人夹持刀具工作中，，通过TCP四点法的方法得到刀具平面上三个点在机器人末端坐标系的坐标，并以这三个点构建坐标系，弥补了之前刀具姿态标定需要人为判断方向，标定不准确的缺点。由于未利用高精度传感器设备采集位姿，利用本专利技术方法进行刀具标定具有便捷及低成本的优势。
附图说明
[0041]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0042]图1附图为本专利技术提供的一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，其特征在于，步骤包括，基于刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点，建立刀具坐标系；计算所述刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标；根据所述刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标，计算出刀具坐标系相对机器人末端坐标系的齐次变换矩阵。2.根据权利要求1所述的一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，其特征在于，所述基于刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点，建立刀具坐标系包括，标记刀具尖点、刀具左侧点及刀具右侧点，并以刀具左侧点指向刀具右侧点的向量作为刀具坐标系的X轴，以刀具左侧点及刀具右侧点连线上的一点指向刀具尖点作为刀具坐标系的Z轴；所述Z轴和X轴保持垂直，建立刀具坐标系。3.根据权利要求1所述的一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，其特征在于，计算所述刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标，包括：获取机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵；确认所述刀具坐标系、机器人基坐标系和机器人末端坐标系的坐标转换关系：根据所述机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵以及坐标转换关系得到刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点在机器人末端坐标系下的坐标，并计算垂足点在机器人末端坐标系中的坐标。4.根据权利要求3所述的一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，其特征在于，所述获取机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵包括，在机器人的工作空间内放置一个固定点；依次使所述刀具尖点、所述刀具左侧点和所述刀具右侧点与所述固定点重合；对于每次重合，调整机器人的四个不同姿态得到机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵5.根据权利要求4所述的一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，其特征在于，所述刀具坐标系、机器人基坐标系和机器人末端坐标系的坐标转换关系为：则则其中，为刀具坐标系相对机器人基坐标系的齐次变换矩阵；为机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵；为刀具坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟偲，李定哲，吴凯，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：