一种机械臂配准方法、装置、系统及存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术属于机械臂控制技术领域，尤其提供一种机械臂配准方法、装置、系统及存储介质，该方法应用于机械臂配准系统内的控制器，控制器与机械臂连接，该机械臂的自由端连接有法兰，法兰与连接块连接，该连接块上设有三个验证点，三个验证点的连线呈三角形结构，验证点与光学探针尖端相适配；光学探针尖端定义有探针坐标系，探针坐标系可被定位相机识别，该机械臂的末端的一侧安装有可被定位相机识别到的机械臂末端参考阵列。本方法在连接块上设置有的三个验证点，配合光学探针采集验证点的位置，通过在多个坐标系下的转换矩阵变换，使得在机械臂维持同一位姿便可完成机械臂配准，减少了机械臂配准对于自由活动空间的依赖度

【技术实现步骤摘要】
一种机械臂配准方法、装置、系统及存储介质


[0001]本专利技术涉及机械臂控制
，尤其是涉及一种机械臂配准方法、装置、系统及存储介质。

技术介绍

[0002]手术机器人具有定位精度高、重复性好的优点，被广泛应用于影像导航式的骨科临床手术中。手术机器人导航定位原理简述如下：定位相机对安装在机械臂末端的光学参考阵列进行跟踪，通过光学参考阵列坐标系与机械臂末端TCP坐标系的变换关系，得到机械臂末端的实际空间位姿，从而引导机械臂运动至规划的目标位姿。
[0003]其中，机械臂末端TCP相对于机械臂基座坐标系的位姿可以直接从机械臂的控制系统中获得，而机械臂末端光学参考阵列坐标系与机械臂末端TCP坐标系的转换关系则需要通过配准得到，且该配准所得结果的正确性直接影响机械臂辅助手术的定位精度。
[0004]然而在相关技术中，为了配准机械臂末端光学参考阵列坐标系与机械臂末端TCP坐标系的转换关系，采取的解决办法为控制机械臂末端携带参考阵列运动至若干姿态，采集光学参考阵列在定位相机下的位姿与机械臂末端TCP在机械臂基座下的位姿，但是，在实际的手术室使用场景中，机械臂的运动空间十分有限，上述配准方法实施不便。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种机械臂配准方法、装置、系统及存储介质。
[0006]第一方面，本专利技术实施例提供了一种机械臂配准方法，应用于机械臂配准系统内的控制器，控制器与机械臂连接，该机械臂的自由端连接有法兰，法兰与连接块连接，该连接块上设有三个验证点，三个验证点的连线呈三角形结构，验证点与光学探针尖端相适配；光学探针尖端定义有探针坐标系，探针坐标系可被定位相机识别，法兰上定义有法兰坐标系，该机械臂的末端的一侧安装有可被定位相机识别到的机械臂末端参考阵列，机械臂的固定端设置在基座上，基座上定义有基座坐标系，基座的一侧设置有基座末端参考阵列，基座坐标系和基座末端参考阵列可被定位相机识别，定位相机与控制器连接，该方法包括：
[0007]根据三个验证点建立局部坐标系；针对每个所述验证点，获取验证点在法兰坐标系下的设计值；基于设计值计算法兰坐标系至局部坐标系的转换矩阵；针对每个验证点，采集定位相机视野下光学探针处于验证点时定位相机坐标系至探针坐标系的转换矩阵和定位相机坐标系至机械臂末端参考阵列的转换矩阵；基于定位相机坐标系至探针坐标系的转换矩阵和定位相机坐标系至机械臂末端参考阵列的转换矩阵，计算机械臂末端参考阵列至法兰坐标系的转换矩阵；采集定位相机坐标系至基座末端参考阵列的转换矩阵和基座坐标系至法兰坐标系的转换矩阵；根定位相机坐标系至基座末端参考阵列的转换矩阵、定位相机坐标系至机械臂末端参考阵列的转换矩阵、基座坐标系至法兰坐标系的转换矩阵和机械臂末端参考阵列至法兰坐标系的转换矩阵，计算得到基座坐标系至基座末端参考阵列的转换矩阵，以完成机械臂的配准。
[0008]结合第一方面，根据三个所述验证点建立局部坐标系的步骤，包括：建立以第一验证点为坐标系原点、第一验证点与第二验证点连线的方向向量为x轴，x轴方向向量叉乘所述第一验证点与第三验证点连线的方向向量为z轴的局部坐标系。
[0009]结合第一方面，基于所述设计值计算法兰坐标系至局部坐标系的转换矩阵的步骤，包括：针对局部坐标系的每个坐标轴，基于设计值确定在法兰坐标系下所述坐标轴的方向向量的第一表达式；根据第一表达式，计算法兰坐标系至局部坐标系的转换矩阵。
[0010]结合第一方面，基于设计值，确定法兰坐标系下局部坐标系中每个坐标轴的方向向量的第一表达式的步骤，包括：按以下算式确定每个坐标轴的方向向量在所述法兰坐标系下的表达式：
[0011][0012][0013][0014]其中，a1为第一验证点在法兰坐标系下的第一设计值，a2为第二验证点在法兰坐标系下的第二设计值，a3为第三验证点在法兰坐标系下的第三设计值，为局部坐标系的x轴的方向向量；为局部坐标系的y轴的方向向量；为局部坐标系的z轴的方向向量。
[0015]结合第一方面，根据所述定位相机坐标系至探针坐标系的转换矩阵和定位相机坐标系至机械臂末端参考阵列计算得到机械臂末端参考阵列至探针坐标系的变换矩阵和机械臂末端参考阵列至局部坐标系的转矩阵的步骤，包括：基于定位相机坐标系至探针坐标系的转换矩阵和定位相机坐标系至机械臂末端参考阵列的转换矩阵，计算机械臂末端至探针坐标系的转换矩阵；针对每个验证点，根据定位相机坐标系至探针坐标系的转换矩阵和定位相机坐标系至机械臂末端参考阵列确定验证点在所述机械臂末端参考阵列下的点坐标；针对局部坐标系中的每个坐标轴，基于点坐标计算在机械臂末端参考阵列下的所述坐标轴的方向向量的第二表达式；基于第二表达式，确定机械臂末端参考阵列至局部坐标系的转换矩阵。
[0016]结合第一方面，基于点坐标计算在机械臂末端参考阵列下的坐标轴的方向向量的第二表达式的步骤，包括：
[0017][0018][0019][0020]其中，b1为第一验证点在机械臂末端参考阵列下第一点坐标，b2为第二验证点在机械臂末端参考阵列下第二点坐标，b3为第三验证点在机械臂末端参考阵列下第三点坐标；为局部坐标系的x轴的方向向量在机械臂末端参考阵列下的第二表达式，为局部坐
标系的y轴的方向向量在机械臂末端参考阵列下的第二表达式，为局部坐标系的z轴的方向向量在机械臂末端参考阵列下的第二表达式。
[0021]结合第一方面，根据定位相机坐标系至基座末端参考阵列的转换矩阵、定位相机坐标系至机械臂末端参考阵列的转换矩阵、基座坐标系至法兰坐标系的转换矩阵和机械臂末端参考阵列至法兰坐标系的转换矩阵，计算得到基座坐标系至基座末端参考阵列的转换矩阵的步骤，包括：
[0022]T
baseRFToBase
＝(T
cameraToBaseRF
)
‑1×
T
cameraToRobotEndRF
×
T
robotEndRFToFlange
×
(T
baseToFlange
)
‑1；
[0023]其中，T
baseRFtoBase
为基座末端参考阵列至基座的转换矩阵，T
cameraToBaseRF
为定位相机坐标系至基座末端参考阵列的变换矩阵，T
robotEndRFToFlange
为机械臂末端参考阵列至法兰坐标系的转换矩阵，T
cameratoRobotEndRF
为定位相机坐标系至机械臂末端参考阵列的变换矩阵，T
baseToFlange
为基座坐标系至法兰坐标系的变换矩阵。
[0024]第二方面，本申请提供一种机械臂配准装置，应用于机械臂配准系统内的控制器，控制器与机械臂连接，机械臂的自由端连接有法兰，法兰与连接块连接，连接块上设有三个验证点，三个验证点的连线呈三角形结构，所述验证点与光学探针尖端相适配；光学探针尖端定义有探针坐标系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机械臂配准方法，其特征在于，应用于机械臂配准系统内的控制器，所述控制器与机械臂连接，所述机械臂的自由端连接有法兰，所述法兰与连接块连接，所述连接块上设有三个验证点，三个所述验证点的连线呈三角形结构，所述验证点与光学探针尖端相适配；所述光学探针尖端定义有探针坐标系，所述探针坐标系可被定位相机识别，所述法兰上定义有法兰坐标系，所述机械臂的末端安装有可被所述定位相机识别到的机械臂末端参考阵列，所述机械臂的固定端设置在基座上，所述基座上定义有基座坐标系，所述基座的一侧设置有基座末端参考阵列，所述基座坐标系和所述基座末端参考阵列可被定位相机识别，所述定位相机与所述控制器连接，所述方法包括：根据三个所述验证点建立局部坐标系；针对每个所述验证点，获取所述验证点在所述法兰坐标系下的设计值；基于所述设计值计算法兰坐标系至局部坐标系的转换矩阵；针对每个验证点，采集定位相机视野下光学探针处于所述验证点时定位相机坐标系至探针坐标系的转换矩阵和定位相机坐标系至机械臂末端参考阵列的转换矩阵；基于所述定位相机坐标系至探针坐标系的转换矩阵和所述定位相机坐标系至机械臂末端参考阵列的转换矩阵，计算机械臂末端参考阵列至法兰坐标系的转换矩阵；采集定位相机坐标系至基座末端参考阵列的转换矩阵和基座坐标系至法兰坐标系的转换矩阵；根据所述定位相机坐标系至基座末端参考阵列的转换矩阵、所述定位相机坐标系至机械臂末端参考阵列的转换矩阵、所述基座坐标系至法兰坐标系的转换矩阵和所述机械臂末端参考阵列至法兰坐标系的转换矩阵，计算得到基座坐标系至基座末端参考阵列的转换矩阵，以完成机械臂的配准。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据三个所述验证点建立局部坐标系的步骤，包括：建立以第一验证点为坐标系原点、所述第一验证点与第二验证点连线的方向向量为x轴，x轴方向向量叉乘所述第一验证点与第三验证点连线的方向向量为z轴的局部坐标系。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述设计值计算法兰坐标系至局部坐标系的转换矩阵的步骤，包括：针对所述局部坐标系的每个坐标轴，基于所述设计值确定在所述法兰坐标系下所述坐标轴的方向向量的第一表达式；根据所述第一表达式，计算法兰坐标系至局部坐标系的转换矩阵。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于所述设计值，确定所述法兰坐标系下所述局部坐标系中每个坐标轴的方向向量的第一表达式的步骤，包括：按以下算式确定每个坐标轴的方向向量在所述法兰坐标系下的表达式：按以下算式确定每个坐标轴的方向向量在所述法兰坐标系下的表达式：按以下算式确定每个坐标轴的方向向量在所述法兰坐标系下的表达式：
其中，a1为第一验证点在所述法兰坐标系下的第一设计值，a2为第二验证点在所述法兰坐标系下的第二设计值，a3为第三验证点在所述法兰坐标系下的第三设计值，为所述局部坐标系的x轴的方向向量；所述局部坐标系的y轴的方向向量；为所述局部坐标系的z轴的方向向量。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述定位相机坐标系至探针坐标系的转换矩阵和所述定位相机坐标系至机械臂末端参考阵列计算得到机械臂末端参考阵列至探针坐标系的变换矩阵和机械臂末端参考阵列至局部坐标系的转矩阵的步骤，包括：基于所述定位相机坐标系至探针坐标系的转换矩阵和所述定位相机坐标系至机械臂末端参考阵列的转换矩阵，计算机械臂末端至探针坐标系的转换矩阵；针对每个验证点，根据所述定位相机坐标系至探针坐标系的转换矩阵和所述定位相机坐标系至机械臂末端参考阵列确定所述验证点在所述机械臂末端参考阵列下的点坐标；针对所述局部坐标系中的每个坐标轴，基于所述点坐标计算在所述机械臂末端参考阵列下的所述坐标轴的方向向量的第二表达式；基于所述第二表达式，确定机械臂末端参考阵列至局部坐标系的转换矩阵。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述点坐标计算在所述机械臂末端参考阵列下的所述坐标轴的方向向量的第二表达式的步骤，包括：端参考阵列下的所述坐标轴的方向向量的第二表达式的步骤，包括：端参考阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：周再望，黄志俊，刘金勇，钱坤，
申请(专利权)人：杭州柳叶刀机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：