一种可编程RCM运动精度的测量方法技术

一种可编程RCM运动精度的测量方法，可编程RCM运动的实施装置包括手术机械臂和安装在所述手术机械臂上的末端执行器；所述末端执行器用于搭载手术工具并提供操作动力；测量设备包括双目相机和视觉辅助标记点，用于采集末端执行器和双目相机之间的齐次变换矩阵。本发明专利技术的可编程RCM运动精度的测量方法通过采集与末端执行器固连marker坐标系相对相机坐标系的齐次变换矩阵，通过最优化计算得到RCM点和RCM约束运动的精度。本发明专利技术的方法为评价可编程RCM运动算法提供了重要的评价依据。RCM运动算法提供了重要的评价依据。RCM运动算法提供了重要的评价依据。

【技术实现步骤摘要】
一种可编程RCM运动精度的测量方法


[0001]本专利技术属于控制领域，涉及一种机器人约束运动的精度测量方法，尤其涉及一种对基于可编程远程运动中心(“RCM”)约束下不动点(RCM点)的运动精度测量方法。

技术介绍

[0002]在微创手术中，通过患者体表切开的小孔，将手术工具(例如手术器械、内窥镜等)插入体内，在内窥镜摄像头的引导下从身体外部操作手术工具完成手术。在机器人辅助微创手术中，机器人机械臂搭载手术工具在通过患者体表的小切口进入体内后，手术工具的运动必须围绕该切口孔进行，不能在该切口处产生非轴线方向的平移，避免对患者引起损伤。更具体地说，固定有手术工具的机器人连杆只能沿其轴线平移并以该切口孔作为支点进行旋转。该手术工具轴线上与切口重合的支点即所谓的远程运动中心(“RCM”)。目前在本领域内，实现RCM约束运动主要有两种方式，一种是通过机械设计保证RCM约束，称为机械RCM约束；另一种是通过对串联机械臂进行运动控制以实现程RCM约束，称为可编程RCM约束。可编程RCM约束由于其较高的灵活性和空间利用率，近几年得到了广泛的应用。相较于机械RCM约束，可编程RCM约束依赖于算法控制精度来保障手术的安全性，RCM点的运动精度(RCM Precision)是检验可编程RCM约束算法好坏的重要评价指标。
[0003]目前，对可编程RCM运动精度的测量大多是在手动、离线状态下进行的，这类方法通过在机械臂示教模式下将末端的手术工具轴插入戳卡(Trocar)穿刺器，围绕戳卡点做远心约束运动，从机械臂笛卡尔坐标系中读取多组数据来估算RCM点的位置，但受样本数据量、Trocar点的柔性偏移以及算法计算误差的影响，测量误差较大，无法真实反映算法的控制精度。同时，这种手动和离线的方式测量效率低，增加了准备程序和时间。

技术实现思路

[0004]为此，针对以上技术问题，本专利技术提供了一种可编程RCM运动精度的测量方法，所述可编程RCM运动的实施装置包括手术机械臂和安装在所述手术机械臂上的末端执行器；所述末端执行器用于搭载手术工具并提供操作动力；测量设备包括双目相机和视觉辅助标记点，用于采集末端执行器和双目相机之间的齐次变换矩阵。所述可编程RCM运动精度的测量方法包括以下步骤：
[0005]步骤一：将视觉辅助标记点(以下简称marker)固定于末端执行器上，保持与双目相机的相对位置不变，且与双目相机之间无遮挡，保证采集过程完整性。
[0006]步骤二：操作者用主端主手或者主端程序控制手术机械臂的末端执行器绕设定的初始RCM点约束运动，具体的约束运动控制可以采用任何可行的控制方法(作为举例，可以参照中国专利公开“基于旋量理论的手术机器人约束运动控制方法”，申请公布号：CN113180828A)。操作者主手的平移和旋转运动实时转换为手术机械臂的RCM运动。同时，通过双目相机采集并记录marker相对于双目相机的齐次变换矩阵。
[0007]步骤三：假设末端执行器夹持手术工具的旋转运动满足RCM约束，则一定存在基坐
标系下的不动点RCM、marker坐标系下的一条旋转轴和轴上一点。理论上存在一个点使得该点到所有轴线的距离最短，依据此原理，通过对一系列marker坐标系相对相机坐标系的齐次变换矩阵进行最优化计算，就能够得到相机坐标系下的RCM点、旋转轴和轴上一点，计算公式如下：
[0008][0009]其中，
C
p
RCM
为相机坐标系下的RCM点，
C
p
i
分别为相机坐标系下旋转轴的单位向量和轴上一点。<,>表示点积运算。损失函数F
loss
为RCM点到旋转轴的均方距离。为了描述可编程RCM约束运动控制算法的好坏，采用损失函数残差的平方根来评价RCM约束运动的精度，其在几何上的意义表示RCM点到旋转轴的均方根距离。
[0010]根据上述计算原理，将步骤二中采集得到的齐次变换矩阵代入公式(1)进行迭代优化，即得到相机坐标系下的RCM点，同时得到了RCM点损失函数值，取平方根即得到RCM点的运动精度(precision)。
[0011]优选的，所述步骤二使用双目相机采集maker坐标时，为提高测量精度，避免抖动引起误差，需要在双目相机停止采集后，末端执行器再停止运动。
[0012]优选的，由于基坐标系和相机坐标系相对位置不变，为了方便测量，将步骤三描述的基坐标系下的RCM点、marker坐标系下的旋转轴和轴上一点全部转换到相机坐标系下进行描述。
[0013]与已有的技术相比，本专利技术提供了一种针对可编程RCM运动精度的测量方法，通过采集与末端执行器固连marker坐标系相对相机坐标系的齐次变换矩阵，通过最优化计算得到RCM点和RCM约束运动的精度。本专利技术提供的测量方法为评价可编程RCM运动算法提供了重要的评价依据，即当计算结果得到的RCM点的运动精度值越小时，可编程RCM运动算法效果越好，运动过程中工具轴线偏离RCM点的位置越小。
[0014]本专利技术的有益技术效果包括：采用自动、实时的可编程RCM运动精度的测量方法替代传统的手动、离线方式，简化了测量步骤，提升了样本的数据量，进而提高了测量效率和测量精度，对正确评价可编程RCM运动算法提供了依据。同时，本专利技术计算方法所得RCM点的坐标可对控制算法提供正向反馈，即控制算法的初始设定RCM点并不一定准确，可替换为本专利技术计算所得RCM点，进一步提高控制精度。
附图说明
[0015]图1是本专利技术一个实施例的测量装置示意图；
[0016]图2是本专利技术测量方法的流程图；
[0017]图3是本专利技术一个实施例中RCM点和RCM运动精度的计算方法示意图。
具体实施方式
[0018]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本专利技术并不局限于附图和以下实施例。
[0019]在专利技术的描述中，需要说明的是，对于方位词，如术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“远”、“近”等所指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本专利技术的具体保护范围。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用以区别技术特征，不具有实质含义，不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。
[0020]如图1所示，本专利技术的实施例采用的装置包括：手术机械臂1，用于实现可编程RCM运动；安装在所述手术机械臂1上的末端执行器2，用于搭载手术工具并提供操作动力；测量设备包括双目相机3和视觉辅助标记点4，用于采集末端执行器2和双目相机3之间的齐次变换矩阵；将视觉辅助标记点(marker)坐标系记为{M}，所述手术机械臂1的基坐标系记为{B}，双目相机3坐标系记为{C}。参照图2，本专利技术实施例的测量方法包括本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可编程RCM运动精度的测量方法，其特征在于，所述可编程RCM运动精度的测量方法包括：步骤S101：将视觉辅助标记点(以下简称marker)固定于末端执行器(2)上，保持与双目相机(3)的相对位置不变，且与双目相机(3)之间无遮挡，保证采集过程完整性；步骤S102：操作者用主手控制手术机械臂(1)的末端执行器(2)绕设定的初始RCM点进行约束运动，将操作者主手的平移和旋转运动d,α,β,γ通过手术机器人约束运动控制方法实时转换为手术机械臂的RCM运动，其中d对应平移，α、β和γ对应旋转；同时，通过双目相机(3)采集并记录视觉辅助标记点坐标系{M}相对于双目相机坐标系{C}的齐次变换矩阵步骤S103：计算RCM点坐标和RCM运动精度；首先，假设末端执行器夹持手术工具的旋转运动满足RCM约束，则一定存在基坐标系{B}下的不动点
B
p
RCM
、{M}坐标系下的一条旋转轴
M
s和轴上一点
M
p，表示为(
M
p，
M
s)；由于基坐标系{B}和相机坐标系{C}相对位置不变，且能够通过手眼标定将基坐标系的描述转换到相机坐标系下；依据此原理，必然存在一个RCM点，该点到步骤S102采集得到的N条旋转轴s1,s2,
…
,s
n
的距离d1,d2,
…
,d
n
之和最小；所述距离d1,d2,
…
,d
n
，由
C
p
RCM
与轴上一点
C
p的距离||
C
p
RCM
‑
C
p
i
||以及||
C
p
RCM
‑
C
p
i
||在旋转轴上的投影距离通过勾股定理求得；由此设定优化算法的损失函数F
loss
定义为RCM点到旋转轴的均方距离；并采用损失函数残差的平方根来评价RCM约束运动的精度其在几何上的意义表示RCM点到旋转轴的均方根距离。2.根据权利要求1所述的可编程RCM运动精度的测量方法，其特征在于，所述步骤S102中，使用双目相机采集视觉辅助标记点坐标时，在双目相机(3)停止采集后，末端执行器(2)再停止运动。3.根据权利要求2所述的可编程...

【专利技术属性】
技术研发人员：王君臣，孙振，卢春姮，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：