一种基于视觉定位自主协助种植牙的随动方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于视觉定位自主协助种植牙的随动方法及系统，涉及视觉定位控制机械臂技术领域，包括：初始化机械臂位姿

【技术实现步骤摘要】
一种基于视觉定位自主协助种植牙的随动方法及系统


[0001]本专利技术涉及视觉定位控制机械臂
，具体为一种基于视觉定位自主协助种植牙的随动方法及系统
。

技术介绍

[0002]近年来，机械臂越来越高频地出现在社会生活和公众视线中，它的应用场景不断扩展，通过引入机器视觉提高生产系统的智能化程度已经成为当下的研究热点
。
引入机器视觉的机械臂将传统的工业制造转入了智能化模式，不但提高了生产效率，而且改变了常规的生产格局
。
[0003]种植牙利用随动技术的应用正在不断发展和演进，已经取得了一定的进展
。
比如，计算机辅助导航
(CAM)
系统结合口腔扫描
、
追踪传感器和导航软件来提供实时的手术导航和引导
。
目前探索机器人辅助技术在种植牙手术中的应用是一个热门，这些机器人系统可以利用视觉传感器和算法，实现自动化的种植体放置和手术操作视觉导航系统结合力传感器和摄像头，实时跟踪手术器械和患者口腔的位置和姿态
。
[0004]视觉算法的准确性对于成功的随动至关重要
。
尽管目前的算法已经取得了很大进展，但仍然存在一些挑战，如低光照条件下对目标的识别出现噪点，导致移动过程出现抖动问题甚至跟踪困难；由于相机识别目标靶时的姿态描述可能存在奇异性和歧义性，前后的欧拉角出现跳值的行为
(
弧度满足
Π
后符号变化
)
，一定程度上影响了机械臂对移动幅度大小的判断，需要进行严格的处理
。
视觉系统在提供实时反馈方面可能存在一定的延迟
。
这可能对种植牙过程产生一定影响，因此相机识别以及机械臂移动需要达到高精度要求
。
[0005]本专利技术应用在基于视觉检测的自动种植牙的场景，提出基于视觉定位检测的随动功能，视觉系统利用相机，实时跟踪手术器械和患者口腔的位置和姿态，利用算法进行目标检测和随动计算，提供实时的手术导航和引导
。

技术实现思路

[0006]鉴于上述存在的问题，提出了本专利技术
。
[0007]因此，本专利技术解决的技术问题是：现有的视觉定位随动方法存在低光照下有抖动，描述过程存在跳值问题，以及如何降低实时反馈延迟的优化问题
。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种基于视觉定位自主协助种植牙的随动方法，包括：初始化机械臂位姿
、
目标靶位置
、
双靶标信号及转换矩阵；计算双靶标和目标靶的偏移量和响应；过滤相机识别的目标靶位姿，计算目标位姿并过滤，发送目标位置给机械臂
。
[0009]作为本专利技术所述的基于视觉定位自主协助种植牙的随动方法的一种优选方案，其中：所述初始化机械臂位姿
、
目标靶位置
、
双靶标信号及转换矩阵包括使用张正友标定法求出相机和机械臂的外参变换矩阵，获取标定板上的角点坐标
P
border
以及对应的机械臂位姿
P
arm
，角点坐标需要经过和空间坐标系的转换求解外参矩阵，表示为：
[0010][0011][0012]重复采集标定板时的剩余角点坐标并计算获得相机和基座标系的变换矩阵
[0013]作为本专利技术所述的基于视觉定位自主协助种植牙的随动方法的一种优选方案，其中：所述初始化机械臂位姿
、
目标靶位置
、
双靶标信号及转换矩阵还包括开启随动前且计算变换矩阵后，对数据进行初始化，获取机械臂的位姿作为初始位姿，将目标靶静止状态下的位姿作为初始位姿，转换矩阵即将识别的双靶标位姿分别映射到机械臂基座标系下得到基座标系下的位姿，作为初始化相对位姿
。
[0014]作为本专利技术所述的基于视觉定位自主协助种植牙的随动方法的一种优选方案，其中：所述计算双靶标和目标靶的偏移量和响应包括计算双靶标信号的相对位置，相机识别
target
靶标位姿和
ball
靶标位姿通过相机和机械臂基座标系的转换矩阵进行转换，表示为：
[0015][0016][0017]得到双靶标分别在基座标系下的位姿和分别转为列向量表达式通过计算列向量表达式差值得到初始化相对位姿
。
[0018]作为本专利技术所述的基于视觉定位自主协助种植牙的随动方法的一种优选方案，其中：所述计算双靶标和目标靶的偏移量和响应还包括计算目标靶的前后位姿偏移量，完成一次新位姿九三，记录当前的目标靶位姿识别得到下一刻的目标靶位姿计算差值表示为：
[0019][0020]当
L
bias
小于预设最小值且不为0，判断为误差值精度为
0.0003m
，目标靶处于静止状态；当
L
bias
介于预设最大值和最小值之间时，目标靶偏移量处于正常状态，当前新的机械臂位姿当
L
bias
大于预设最大值时，判断为目标靶移动过快，容易出现危险，停止随动；当
L
bias
处于欧拉角的奇异值时，若当前值由正变为负或由负变为正，根据弧度的特性判断，由正转负，正常值表示为：
[0021]k
＝
2*
π
‑
(A+B)
[0022]由负转正，正常值表示为：
[0023]k
＝
(A+B)
‑
2*
π
[0024]其中，
A
为计算差值正值，
B
为计算差值负值
。
[0025]作为本专利技术所述的基于视觉定位自主协助种植牙的随动方法的一种优选方案，其中：所述过滤相机识别的目标靶位姿，计算目标位姿并过滤包括获取某一时刻五个目标靶
位姿
T1
，
T2
，
T3
，
T4
，
T5
，对位姿包含的六个参数分别进行滤波的操作
。
[0026]作为本专利技术所述的基于视觉定位自主协助种植牙的随动方法的一种优选方案，其中：所述滤波操作包括使用队列滤波计算结果值，进行平滑处理，设有一个队列数据
queue
，长度为
N
，应用移动平均来平滑数据，选择一个窗口大小
k
，数据点为
x
i
，计算平均值时考虑的数据点数量获得结果值，表示为：
[0027]w(i)
＝
k
‑
i,for i
＝
0,1,
…
,k
‑1[0028][0029]其中，
k≤N
，
x
i
‑
j
为队列中的数据点，从当前点
x
i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于视觉定位自主协助种植牙的随动方法，其特征在于，包括：初始化机械臂位姿
、
目标靶位置
、
双靶标信号及转换矩阵；计算双靶标和目标靶的偏移量和响应；过滤相机识别的目标靶位姿，计算目标位姿并过滤，发送目标位置给机械臂
。2.
如权利要求1所述的基于视觉定位自主协助种植牙的随动方法，其特征在于：所述初始化机械臂位姿
、
目标靶位置
、
双靶标信号及转换矩阵包括使用张正友标定法求出相机和机械臂的外参变换矩阵，获取标定板上的角点坐标
P
border
以及对应的机械臂位姿
P
arm
，角点坐标需要经过和空间坐标系的转换求解外参矩阵，表示为：空间坐标系的转换求解外参矩阵，表示为：重复采集标定板时的剩余角点坐标并计算获得相机和基座标系的变换矩阵
3.
如权利要求2所述的基于视觉定位自主协助种植牙的随动方法，其特征在于：所述初始化机械臂位姿
、
目标靶位置
、
双靶标信号及转换矩阵还包括开启随动前且计算变换矩阵后，对数据进行初始化，获取机械臂的位姿作为初始位姿，将目标靶静止状态下的位姿作为初始位姿，转换矩阵即将识别的双靶标位姿分别映射到机械臂基座标系下得到基座标系下的位姿，作为初始化相对位姿
。4.
如权利要求3所述的基于视觉定位自主协助种植牙的随动方法，其特征在于：所述计算双靶标和目标靶的偏移量和响应包括计算双靶标信号的相对位置，相机识别
target
靶标位姿和
ball
靶标位姿通过相机和机械臂基座标系的转换矩阵进行转换，表示为：换，表示为：得到双靶标分别在基座标系下的位姿和分别转为列向量表达式通过计算列向量表达式差值得到初始化相对位姿
。5.
如权利要求4所述的基于视觉定位自主协助种植牙的随动方法，其特征在于：所述计算双靶标和目标靶的偏移量和响应还包括计算目标靶的前后位姿偏移量，完成一次新位姿九三，记录当前的目标靶位姿识别得到下一刻的目标靶位姿计算差值表示为：当
L
bias
小于预设最小值且不为0，判断为误差值精度为
0.0003m
，目标靶处于静止状态；当
L
bias
介于预设最大值和最小值之间时，目标靶偏移量处于正常状态，当前新的机械臂位姿
当
L
bias
大于预设最大值时，判断为目标靶移动过快，容易出现危险，停止随动；当
L
bias
处于欧拉角的奇异值时，若当前值由正变为负或由负变为正，根据弧度的特性判断，由正转负，正常值表示为：
k
＝
2*
π
‑
(A+B)
由负转正，正常值表示为：
k
＝
...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆敏舟，马少康，郑素娟，卢钰，
申请(专利权)人：江苏集萃智能制造技术研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：