超声引导双臂穿刺机器人的坐标自标定方法、系统及介质技术方案

本发明专利技术公开了一种超声引导双臂穿刺机器人的坐标自标定方法、系统及介质，属于手术机器人领域，包括：S1、采集所述机器人的多组位姿信息及对应的超声图像；S2、构建所述机器人的位姿闭环齐次矩阵变换模型：AXP＝YBQ；其中，X为第一机械臂末端坐标系{E1}到超声图像坐标系{I1}的齐次变换矩阵，Y是第一机械臂基坐标系{O1}到第二机械臂基坐标系{O2}的齐次变换矩阵，Q为第二机械臂末端坐标系{E2}中针尖点的齐次坐标；P为每组位姿信息对应的超声图像中手术穿刺针针尖点的齐次坐标；S3、采用分块方式对所述模型进行分解并线性化，求得齐次变换矩阵X，Y和Q的封闭解，进一步通过迭代算法优化精度完成最终标定。本发明专利技术能够以较少的标定用时，获取较高精度的标定结果。获取较高精度的标定结果。获取较高精度的标定结果。

【技术实现步骤摘要】
超声引导双臂穿刺机器人的坐标自标定方法、系统及介质


[0001]本专利技术属于手术机器人领域，更具体地，涉及一种超声引导双臂穿刺机器人的坐标自标定方法、系统及介质。

技术介绍

[0002]随着手术机器人技术的逐渐成熟，使用机器人替代医生施行穿刺手术的研究被广泛开展，超声引导机器人穿刺手术能够有效提高手术的效率和精度，同时降低人力成本。
[0003]当前标定手术穿刺针针尖的方法需要额外的测量设备(比如双目相机、深度相机等)来标识两个机械臂的位姿，在标定过程中会产生累计误差；并且在手术现场引入额外的设备，流程较为复杂；同时，当前的标定方法难以进行术中标定，且效率受限。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种超声引导双臂穿刺机器人的坐标自标定方法、系统及介质，其目的在于无需引入额外设备实现手术穿刺针针尖标定，并降低标定复杂度及提升标定效率。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种超声引导双臂穿刺机器人的坐标自标定方法，所述机器人包括第一机械臂、第二机械臂、超声探头和手术穿刺针，通过所述超声探头的末端产生超声图像，所述方法包括：
[0006]S1、采集所述机器人的多组位姿信息及对应的超声图像；其中，每组位姿信息包括：第一机械臂基坐标系{O1}到其末端坐标系{E1}的齐次变换矩阵A，第二机械臂基坐标系{O2}到其末端坐标系{E2}的齐次变换矩阵B；
[0007]S2、构建所述机器人的位姿闭环齐次矩阵变换模型：AXP＝YBQ；其中，X为第一机械臂末端坐标系{E1}到超声图像坐标系{I1}的齐次变换矩阵，Y是第一机械臂基坐标系{O1}到第二机械臂基坐标系{O2}的齐次变换矩阵，Q为第二机械臂末端坐标系{E2}中手术穿刺针针尖点的齐次坐标；P为每组位姿信息对应的超声图像坐标系{I1}中手术穿刺针针尖点的齐次坐标；
[0008]S3、采用分块方式对所述模型进行分解并线性化，求得齐次变换矩阵X，Y和Q的封闭解，完成标定。
[0009]进一步地，S3中包括：
[0010]S31、采用分块方式对所述模型按照旋转矩阵和平移向量进行分解，得到分解后的方程；
[0011]S32、对所述分解后的方程进行线性化得到对应的线性矩阵方程；
[0012]S33、将每一组位姿信息及对应的超声图像数据分别代入所述线性矩阵方程中，得到复合线性矩阵方程组；
[0013]S34、采用最小二乘法求解所述复合线性矩阵方程组，得到齐次变换矩阵X，Y和Q的封闭解。
[0014]进一步地，S32中，通过对所述分解后的方程两侧同时进行矩阵拉直运算，再通过克罗内克积进行参量交换，将所述分解后的方程进行线性化。
[0015]进一步地，还包括：
[0016]将所述封闭解作为初值，构建目标函数，所述目标函数为最小化穿刺手术针针尖点在第二机械臂基坐标系{O2}中的坐标点与通过超声图像计算得到的穿刺手术针针尖点在第二机械臂基坐标系{O2}中的坐标点之间的误差；
[0017]采用迭代方法求解所述目标函数，得到所述封闭解对应的迭代解。
[0018]进一步地，所述目标函数为：
[0019][0020]其中，n为采集的位姿信息及对应的超声图像的组数，F(R
X
，R
Y
，t
X
，t
Y
，t
Q
)的表达式为：
[0021]F(R
X
，R
Y
，t
X
，t
Y
，t
Q
)＝R
Y
R
B
t
Q
+R
Y
t
B
+t
Y
‑
R
A
R
X
t
P
‑
R
A
t
X
‑
t
A
式中，R
A
，R
B
，R
X
，R
Y
分别是齐次变换矩阵A，B，X，Y的旋转矩阵，t
A
，t
B
，t
X
，t
Y
分别是齐次变换矩阵A，B，X，Y的平移向量，t
P
和t
Q
分别是齐次坐标P和Q的平移向量。
[0022]进一步地，所述迭代方法包括：
[0023]在李代数范围内，对F(R
X
，R
Y
，t
X
，t
Y
，t
Q
)求微分，得到微分方程：
[0024]dF＝R
A
R
X
[δω
X
]∧
t
P
+R
A
δt
X
‑
δt
Y
‑
R
Y
[δω
Y
]∧
(R
B
t
Q
+t
B
)
‑
R
Y
R
B
δt
Q
[0025]其中，ω
X
和ω
Y
分别表示旋转矩阵R
X
和R
Y
的旋转矢量，旋转矩阵R与旋转矢量ω之间的相互变换关系为：R＝exp([ω]∧
)；[
·
]∧
表示向量反对称算子；
[0026]设计高斯牛顿方法的更新率Δ：
[0027][0028]其中，G的表达式为：
[0029][0030]采用所述更新率进行高斯牛顿迭代，得到所述封闭解对应的迭代解。
[0031]进一步地，S1中包括：
[0032]S11、在双机械臂的共同工作空间内，移动第一机械臂和第二机械臂使得穿刺针显影在超声图像当中；
[0033]S12、记录当前时刻双机械臂的位姿信息及对应的超声图像，其中，当前时刻双机械臂的位姿信息分别用所述齐次变换矩阵A及所述齐次变换矩阵B表示；
[0034]S13、在当前时刻采集的超声图像中标注穿刺针针尖点的距离坐标和穿刺针指向的方向向量v，其中，针尖点的距离坐标用所述齐次坐标P表示；
[0035]S14、重复S11
‑
S13，得到多组位姿信息及对应的超声图像。
[0036]进一步地，还包括：计算穿刺针的穿刺方向V，具体包括：
[0037]基于旋转矩阵的传递关系构建如下线性方程：
[0038](R
A
R
X
)
‑1R
Y
R
B
V＝v
[0039]将求得的齐次变换矩阵X，Y和Q以及对应的多组数据代入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声引导双臂穿刺机器人的坐标自标定方法，所述机器人包括第一机械臂、第二机械臂、超声探头和手术穿刺针，通过所述超声探头的末端产生超声图像，其特征在于，所述方法包括：S1、采集所述机器人的多组位姿信息及对应的超声图像；其中，每组位姿信息包括：第一机械臂基坐标系{O1}到其末端坐标系{E1}的齐次变换矩阵A，第二机械臂基坐标系{02}到其末端坐标系{E2}的齐次变换矩阵B；S2、构建所述机器人的位姿闭环齐次矩阵变换模型：AXP＝YBQ；其中，X为第一机械臂末端坐标系{E1}到超声图像坐标系{I1}的齐次变换矩阵，Y是第一机械臂基坐标系{01}到第二机械臂基坐标系{02}的齐次变换矩阵，Q为第二机械臂末端坐标系{E2}中手术穿刺针针尖点的齐次坐标；P为每组位姿信息对应的超声图像坐标系{I1}中手术穿刺针针尖点的齐次坐标；S3、采用分块方式对所述模型进行分解并线性化，求得齐次变换矩阵X，Y和Q的封闭解，完成标定。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S3中包括：S31、采用分块方式对所述模型按照旋转矩阵和平移向量进行分解，得到分解后的方程；S32、对所述分解后的方程进行线性化得到对应的线性矩阵方程；S33、将每一组位姿信息及对应的超声图像数据分别代入所述线性矩阵方程中，得到复合线性矩阵方程组；S34、采用最小二乘法求解所述复合线性矩阵方程组，得到齐次变换矩阵X，Y和Q的封闭解。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，S32中，通过对所述分解后的方程两侧同时进行矩阵拉直运算，再通过克罗内克积进行参量交换，将所述分解后的方程进行线性化。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：将所述封闭解作为初值，构建目标函数，所述目标函数为最小化穿刺手术针针尖点在第二机械臂基坐标系{O2}中的坐标点与通过超声图像计算得到的穿刺手术针针尖点在第二机械臂基坐标系{O2}中的坐标点之间的误差；采用迭代方法求解所述目标函数，得到所述封闭解对应的迭代解。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述目标函数为：其中，n为采集的位姿信息及对应的超声图像的组数，F(R
X
，R
Y
，t
X
，t
Y
，t
Q
)的表达式为：F(R
X
，R
Y
，t
X
，t
Y
，t
Q
)＝R
Y
R
B
t
Q
+R
Y
t
B
+t
Y
‑
R
A
R
X
t
P
‑
R
A
t
X
‑
t
A
式中，R
A
，R
B
，R
X
，R
Y
分别是齐次变换矩阵A，B，X，Y的旋转矩阵，t
A
，t
B
，t
X
，t
Y
分别是齐次变换矩阵A，B，X，Y的平移向量，t
P
和t
Q
分别是齐次坐标P和Q的平移向量。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述迭代方法包括：在李代数范围内，对F(R
X
，R
Y
，t<...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶波，郑果，赵兴炜，陈特儒，丁汉，谭锡源，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：