一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法及系统，包括：建立机械臂对应的机械臂基坐标系和光学定位仪对应的光学系统坐标系；获取规划的机械臂初始角度和第一角度增量，根据初始角度和第一角度增量，机械臂和光学定位仪通过角度校准器进行角度手眼标定，输出最优的手眼转换矩阵；将机械臂和光学定位仪进行角度初始化，获取第二角度增量，根据最优的手眼转换矩阵，构建最优手眼转换关系；根据第二角度增量和最优手眼转换关系，机械臂和光学定位仪进行角度校准，调节执行器位姿，直至满足反馈调节条件，完成角度校准。在角度标定的前提下进一步提高髋臼磨锉角度精度，减少误差，解决现有手动拖拽机械臂多次调整的复杂性。复杂性。复杂性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法及系统


[0001]本专利技术涉及机械臂应用
，特别涉及一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法及系统。

技术介绍

[0002]在全髋关节置换术中，髋臼磨锉角度在全髋关节置换术中至关重要，为了保证关节假体结构的正确安放，需要根据术前规划的磨锉角度精准地进行磨锉髋臼。当采用机械臂通过手眼标定的方法对髋臼进行磨锉时，机械臂需要术中多次通过观测数据进行实时调整，手眼标定的精度会影响机械臂运动的精度，术前规划的磨锉的角度与实际上控制机械臂到达的角度可能存在一定的误差，在手术过程中较难实时地准确地判断髋臼磨锉的角度。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法及系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
[0004]本专利技术解决其技术问题的解决方案是：提供一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法及系统。
[0005]根据本专利技术的第一方面的实施例，提供了一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法，包括：建立机械臂对应的机械臂基坐标系和光学定位仪对应的光学系统坐标系，其中，机械臂的末端设有执行器和角度校准器，所述角度校准器平行安装于执行器上，位于光学定位仪的可视范围内；
[0006]获取规划的机械臂初始角度和第一角度增量，根据所述初始角度和第一角度增量，机械臂和光学定位仪通过角度校准器进行角度的手眼标定，并输出最优的手眼转换矩阵；
[0007]将所述机械臂和光学定位仪进行角度初始化，获取第二角度增量，根据所述最优的手眼转换矩阵，构建最优手眼转换关系；
[0008]根据所述第二角度增量和最优手眼转换关系，机械臂和光学定位仪进行角度校准，调节执行器的位姿，直至满足反馈调节条件，完成角度校准。
[0009]进一步，所述将所述机械臂和光学定位仪进行角度初始化具体包括：
[0010]将机械臂末端的执行器运动至所设的初始位姿；
[0011]将光学定位仪对角度校准器追踪定位，获取光学系统坐标系下的初始角度信息。
[0012]进一步，根据所述第二角度增量和最优手眼转换关系，机械臂和光学定位仪进行角度校准，调节执行器的位姿，直至满足反馈调节条件，完成角度校准具体包括：
[0013]根据所述第二角度增量，得到光学定位仪期望输出的第一角度信息，其中，所述第一角度信息为初始角度信息与第二角度增量的和；
[0014]将第一角度信息输入至最优手眼转换关系，求解得到角度校准器在机械臂基坐标
系下的理论角度信息；
[0015]根据所述理论角度信息，调节机械臂末端的执行器的位姿，光学定位仪对角度校准器追踪定位，得到第二角度信息；
[0016]根据所述第一角度信息和第二角度信息，得到角度差值，判断角度差值是否小于所设角度差阈值；
[0017]若是，则完成角度校准，输出所述第一角度信息，若否，则更新输入至最优手眼转换关系的角度信息，再次进行角度校准
[0018]进一步，所述更新输入至最优手眼转换关系的角度信息，再次进行角度校准具体包括：将所述第一角度信息加上角度差值得到第三角度信息，将所述第三角度信息输入至最优手眼转换关系中，再次进行角度校准。
[0019]进一步，所述获取规划的机械臂初始角度和第一角度增量，根据所述初始角度和第一角度增量，机械臂和光学定位仪通过角度校准器进行角度的手眼标定，并输出最优的手眼转换矩阵具体包括：
[0020]获取规划的机械臂初始角度和第一角度增量，根据所述初始角度和第一角度增量，控制机械臂末端的执行器转动；
[0021]在执行器转动过程中，获取所述角度校准器在光学系统坐标系下的若干个角度信息并采样形成第一角度对点集，以及在机械臂基坐标系下的若干个角度信息并采样形成第二角度对点集；
[0022]基于改进SVD算法对所述第一角度对点集和第二角度对点集进行处理，得到手眼转换矩阵；
[0023]根据所述手眼转换矩阵，利用所述第一角度对点集进行反演得到角度校准器在机械臂坐标系下理论角度点集，以及通过所述第二角度对点集和理论角度点集进行误差计算，根据误差计算结果判断所述手眼转换矩阵是否为最优解；
[0024]若否，则根据所述误差计算结果对所述第一角度对点集和第二角度对点集进行更新，再返回重新计算新的手眼转换矩阵；
[0025]若是，则直接输出最优的手眼转换矩阵。
[0026]根据本专利技术的第二方面的实施例，提供了一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准系统，应用于本专利技术第一方面实施例的一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法,包括：光学定位仪、执行器、角度校准器和机械臂；
[0027]所述执行器安装于机械臂的末端，用于对髋臼进行磨锉，所述角度校准器安装于执行器上，与所述执行器平行，所述角度校准器位于所述光学定位仪的可视范围内；
[0028]所述光学定位仪用于对角度校准器进行追踪定位，获取所述角度校准器的角度信息，所述机械臂用于调节执行器的位姿。
[0029]进一步，所述角度校准器包括：三个标定球、固定支架和固定杆；
[0030]所述三个标定球均通过螺纹固定于固定支架的顶部，所述固定支架的底部通过固定杆与执行器连接，所述三个标定球均位于所述光学定位仪的可视范围内。
[0031]进一步，一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准系统还包括：三角固定架；所述三角固定架的顶部与光学定位仪的底部连接，所述三角固定架对光学定位仪进行固定支撑。
[0032]本专利技术的有益效果是：通过求取最优的手眼转换矩阵，构建最优的手眼转换关系，
再根据规划的第二角度增量调整执行器，在磨锉过程实时测量磨锉角度，并实时根据反馈误差调整执行器，进行角度校准。加入角度反馈调节，进一步提高髋臼磨锉角度精度，减少误差，本专利技术简单且有效地解决机械臂在术中自主调整角度至接近期望值的问题。同时避免现有机械臂需要术中多次通过观测数据实时调整的困难。
附图说明
[0033]图1是本专利技术一个实施例提供的一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法示意性流程图；
[0034]图2是本专利技术另一个实施例提供的一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法示意性流程图；
[0035]图3是本专利技术另一个实施例提供的一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法示意性流程图；
[0036]图4是本专利技术一个实施例提供的一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准系统的结构示意图；
[0037]图5是本专利技术另一个实施例提供的一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准系统的结构示意图。
[0038]附图标记：100、光学定位仪，200、执行器，300、角度校准器，310、标定球，320、固定支架，330、固定杆，400、机械臂，500、三角固定架。
具体实施方式
[0039]为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法，其特征在于，包括:建立机械臂对应的机械臂基坐标系和光学定位仪对应的光学系统坐标系，其中，机械臂的末端设有执行器和角度校准器，所述角度校准器平行安装于执行器上，位于光学定位仪的可视范围内；获取规划的机械臂初始角度和第一角度增量，根据所述初始角度和第一角度增量，机械臂和光学定位仪通过角度校准器进行角度的手眼标定，并输出最优的手眼转换矩阵；将所述机械臂和光学定位仪进行角度初始化，获取第二角度增量，根据所述最优的手眼转换矩阵，构建最优手眼转换关系；根据所述第二角度增量和最优手眼转换关系，机械臂和光学定位仪进行角度校准，调节执行器的位姿，直至满足反馈调节条件，完成角度校准。2.根据权利要求1所述的一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法，其特征在于，所述将所述机械臂和光学定位仪进行角度初始化具体包括：将机械臂末端的执行器运动至所设的初始位姿；将光学定位仪对角度校准器追踪定位，获取光学系统坐标系下的初始角度信息。3.根据权利要求2所述的一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法，其特征在于，根据所述第二角度增量和最优手眼转换关系，机械臂和光学定位仪进行角度校准，调节执行器的位姿，直至满足反馈调节条件，完成角度校准具体包括：根据所述第二角度增量，得到光学定位仪期望输出的第一角度信息，其中，所述第一角度信息为初始角度信息与第二角度增量的和；将第一角度信息输入至最优手眼转换关系，求解得到角度校准器在机械臂基坐标系下的理论角度信息；根据所述理论角度信息，调节机械臂末端的执行器的位姿，光学定位仪对角度校准器追踪定位，得到第二角度信息；根据所述第一角度信息和第二角度信息，得到角度差值，判断角度差值是否小于所设角度差阈值；若是，则完成角度校准，输出所述第一角度信息，若否，则更新输入至最优手眼转换关系的角度信息，再次进行角度校准。4.根据权利要求3所述的一种基于光学定位的髋臼磨锉角度校准方法，其特征在于，所述更新输入至最优手眼转换关系的角度信息，再次进行角度校准具体包括：将所述第一角度信息加上角度差值得到第三角度信息，将所述第三角度信息输入至最优手眼转换关系中，再次进行角度校准。...

【专利技术属性】
技术研发人员：范衠，宁为博，朱家祺，周伟骏，何树星，谭业成，刘嘉诚，郑振邦，夏文念，胡军，陈洪江，郝志峰，
申请(专利权)人：汕头大学医学院第一附属医院，
类型：发明
国别省市：