穿刺机器人使用标定装置进行手眼标定的方法

技术领域

本发明属于机器人标定技术领域，具体地说，本发明涉及一种穿刺机器人使用标定装置进行手眼标定的方法。

背景技术

近年来，超声影像引导的穿刺机器人得到初步临床应用。在手术中，机械臂需要配合超声图像进行目标定位，即如何将B超探头坐标系下的目标位姿转换到机械臂自身的坐标系下。这一问题一般通过手眼标定解决，其中的“手”即为机械臂，“眼”即为B超探头。手眼标定的目的就是获取机器人坐标系和B超探头坐标系的关系，然后将B超探头识别的病灶靶点位姿转换到机器人坐标系下，由机械臂实现对病灶靶点的穿刺操作。手眼系统的标定精度直接影响机器人的操作精度，因此手眼标定成为了穿刺机器人临床应用的关键技术之一。通过手眼标定技术，穿刺机器人能够在超声图像引导下精确控制入针角度与姿态，实现高精度的病灶靶点穿刺定位。

在穿刺机器人系统中，穿刺臂多采用关节型机械臂进行手术操作。穿刺臂手眼标定主要采用标定模型方法进行标定。该方法控制机械臂携带超声探头扫描标定模型，获取标定模型中的多个特征点的超声图像坐标，并结合机械臂的运动学模型，建立超声探头与机械臂之间的坐标变换求解方程，得到超声图像坐标系至机器人坐标系间的转换矩阵。

然而，上述的标定方法通常应用于单臂形式的穿刺机器人系统，难以完成由主臂与子臂串联构成的穿刺机器人的标定。

发明内容

本申请的目的是在于克服现有技术中存在的不足，本申请够实现对穿刺子臂与超声探头之间位姿关系的标定，有效保证了超声图像引导下的穿刺机器人操作精度。

为实现以上技术目的，本申请提供了一种穿刺机器人使用标定装置进行手眼标定的方法，所述标定装置包括开口向上的腔体以及设于腔体内且带有尖端的柱体，所述标定装置的外侧设置了多个定位锥孔，所述圆柱椎体为高低错落分布设置，所述穿刺机器人包括主臂、与主臂相连的超声探头、与主臂相连的穿刺子臂以及设于穿刺子臂末端的探针，所述方法包括：

步骤1，在穿刺子臂的末端安装探针，标定穿刺机器人主臂的工具中心点；

步骤2，用探针依次选取标定装置上的4个不共面的定位锥孔，分别记录锥孔在穿刺机器人主臂基坐标系及标定装置坐标系下的坐标；

步骤3，根据锥孔在穿刺机器人主臂基坐标系及标定装置坐标系下的坐标，计算标定装置与穿刺机器人主臂之间的坐标转化矩阵；

步骤4，在立方腔体内注入超过圆柱锥体高度的水，主臂携带超声探头沿水面移动扫查选取4个不共面的圆柱椎体，记录椎体尖端对应的超声图像坐标；

步骤5，计算超声扫查获取的4个圆柱椎体尖端在穿刺机器人主臂基坐标系下的坐标；

步骤6，根据椎体尖端对应的超声图像坐标以及超声扫查获取的4个圆柱椎体尖端在机器人主臂基坐标系下的坐标，并结合穿刺机器人主臂运动学模型中基座标与腕部坐标系的转换关系，以及穿刺机器人主臂腕部坐标系与穿刺子臂坐标系的位置关系，计算超声探头与穿刺子臂的坐标转换矩阵，

其中，在步骤1至步骤3中，所述超声探头与探针的相对位置不变。

进一步地，在该标定过程中，探针的尖端设于同一定位锥孔内，且通过机器人的主臂移动来改变探针位于4种姿态，从而通过4点法获取探针尖端在机器人主臂基坐标系下的坐标值。

进一步地，所述标定装置为立方体设置，所述腔体为立方体设置，所述定位锥孔为均布设置。

进一步地，所述穿刺机器人是由6轴主臂与3轴从臂构成的主从串联型机械臂。

进一步地，在标定的过程中，所述标定装置的位置保持不变，通过主臂驱动超声探头和探针的移动。

进一步地，所述穿刺子臂为多关节式设置。

进一步地，所述超声探头的扫查面与探针位于同一平面上，在穿刺子臂的运动过程中，所述超声探头的扫查面与探针始终位于同一平面上。

进一步地，在标定的过程中，穿刺机器人主臂基坐标系与标定装置之间的相对位置不变，超声图像坐标系和穿刺子臂坐标系之间的相对位置不变。

本申请能够实现对穿刺子臂与超声探头之间位姿关系的标定，有效保证了超声图像引导下的穿刺机器人操作精度。

附图说明

图1为本申请的穿刺机器人使用标定装置进行手眼标定的示意图；

图2为图1中的部分放大图；

图3为标定装置的立体图；

图4为穿刺机器人和标定装置的示意图；

图5为本申请的手眼标定方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

参见图1至图4所示，本申请提供了穿刺机器人标定装置及标定方法，标定装置2放置在支撑平台3上。穿刺机器人包括主机部10、与主机部10相连主臂11、与主臂11相连的超声探头14、与主臂11相连的穿刺子臂12以及设于穿刺子臂12末端的探针13。主机部10的下方设置4个滚轮，可使得穿刺机器人从一个位置移动到另一个位置。

穿刺机器人安装在地面上，支撑平台3放置在机器人的运动空间范围内，保证穿刺机器人能够达到标定装置2上的任何位置。标定装置2包括开口向上的腔体23以及设于腔体23内且带有尖端的柱体22。标定装置2的外侧(即侧壁)21设置了多个定位锥孔211，柱体22为高低错落分布设置。柱体22包括位于底部的圆柱体以及设于圆柱体上方的椎体。标定装置2的上侧也设有多个上定位锥孔212。位锥孔211和上定位锥孔212均布设置。在该实施方式中，定位锥孔、上定位锥孔以及主体22的端部在标定装置坐标系下的坐标均为已知。

柱体22采用多排均匀布置方式，每排柱体22之间间隔均匀且高低错落分布。在立方腔体的前后左后4个侧面以及上表面的4个边缘上，均布了多个定位锥孔。定位锥孔为锥孔，采用多排均匀布置方式，每排定位锥孔间隔均匀。上述的圆柱椎体数量至少大于4个，且需保证3个圆柱椎体尖端不共线，4个圆柱椎体尖端不共面，上述的圆柱椎体布置数量根据实际制作的腔体空间大小，进行椎体排数以及每排个数的设置。上述的定位锥孔数量至少大于4个，且需保证3个定位锥孔不共线，4个定位锥孔不共面，上述定位锥孔数量根据实际制作的腔体的侧面与上表面边缘的面积，进行锥孔的排数以及每排个数的设置。

在机器人手眼标定中，首先设置各个单元的坐标系，如图4所示。x0-y0-z0为标定装置的坐标系，所有的定位锥孔和圆柱椎体在x0-y0-z0下都有确定坐标表达；x1-y1-z1为超声探头的坐标系，探头扫查到的超声图像中的物体在x1-y1-z1都有确定坐标，x2-y2-z2为穿刺子臂的坐标系，由子臂运动学算出的子臂末端运动位置坐标都是基于x2-y2-z2坐标系的；x3-y3-z3为穿刺机器人主臂末端腕部的坐标系，x4-y4-z4为穿刺机器人主臂的基坐标系，由主臂运动学算出的主臂末端运动位置坐标都是基于x4-y4-z4坐标系的，x3-y3-z3与x4-y4-z4的转换矩阵可直接由主臂的运动学模型直接给出，为T43。首先通过4点法标定机器人的TCP(工具中心点)，然后标定穿刺机器人主臂与标定装置之间的坐标转换矩阵，最后标定超声探头与穿刺子臂的坐标转换矩阵，穿刺机器人手眼标定步骤如图3所示，具体详述如下：

参见图5，第一步，在穿刺机器人末端装上探针，探针的末端为工具中心点，采用4点法标定机器人的工具中心点，获取工具中心点在穿刺机器人主臂x3-y3-z3坐标系下的坐标。

第二步，在穿刺机器人的末端安装探针，在标定装置上选取4个不共面和3个不共线的定位锥孔，控制机器人按照先后次序运动到选取的4个定位锥孔，使得探针末端与锥孔重合对齐，并依次记录4个定位锥孔在标定装置x0-y0-z0坐标系下的坐标分别为：(x01,y01,z01)、(x02,y02,z02)、(x03,y03,z03)、(x04,y04,z04)。与锥孔重合的探针末端在穿刺机器人主臂基坐标系下的坐标分别为：(x41,y41,z41)、(x42,y42,z42)、(x43,y43,z43)、(x44,y44,z44)。

第三步，设穿刺机器人主臂与标定装置之间的坐标转换矩阵为T04，由第二步获取的4组定位锥孔及探针尖端坐标，列出求解方程如下所示：

由上式把右边矩阵求逆右乘到左边矩阵，可以得到T04，表达如下：

第四步，在立方腔体内注入超过圆柱椎体高度的水，穿刺机器人主臂携带超声探头沿水面移动扫查，依次选取4点不共面和3点不共线的圆柱锥体尖端，记录4个圆柱椎体尖端在超声图像坐标系x1-y1-z1下的坐标：(x11,y11,z11)、(x12,y12,z12)、(x13,y13,z13)、(x14,y14,z14)。

第五步，根据第三步获取的穿刺机器人与标定装置之间的坐标转换矩阵，计算第四步中的4个圆柱椎体尖端在机器人主臂基坐标系x4-y4-z4下的坐标：(x411,y411,z411)、(x412,y412,z412)、(x413,y413,z413)、(x414,y414,z414)。然后根据主臂的基坐标系x4-y4-z4与主臂末端手腕坐标系x3-y3-z3之间的转化矩阵T43，计算第四步中的4个圆柱椎体尖端在机器人主臂末端手腕坐标系x3-y3-z3下的坐标：

第六步，由穿刺子臂与主臂的机械设计安装位置关系，可知子臂坐标系x2-y2-z2原点在主臂坐标系x3-y3-z3下的坐标为(px0 py0 pz0)，且两个坐标系之间是平移关系，因此主臂手腕与子臂之间的坐标转换矩阵为T32为：

设超声探头与穿刺子臂的坐标转换矩阵为T21，由第四步和第五步获取的机器人坐标系x3-y3-z3及探头坐标系x1-y1-z1下的4组圆柱椎体尖端坐标，并结合穿刺机器人的主臂与子臂之间的坐标转换矩阵T32，列出T21求解方程：

由(3)式，计算超声探头与穿刺子臂的坐标转换矩阵T21如下:

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。