CN108324373B - 一种基于电磁定位系统的穿刺手术机器人精确定位实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁定位系统的穿刺手术机器人精确定位实现方法，可应用于穿刺手术机器人，属于机器人控制领域。该方法包括以下步骤：(1)通过磁场导航装置获得电磁发生器坐标系和传感器坐标系间的变换矩阵；(2)通过机器人运动学模型计算机器人坐标系与传感器坐标系之间的变换矩阵；(3)计算电磁发生器坐标系和穿刺手术机器人坐标系间的变换矩阵；(4)对机器人工作空间进行分割和采样，获得采样点的误差信息；(5)应用空间插值方法对目标点进行误差补偿。采用此方法，可以减小手术机器人的定位误差，实现精确定位。具有精度高、成本低、计算简单等优点。

Description

一种基于电磁定位系统的穿刺手术机器人精确定位实现方法
技术领域
本发明涉及一种基于磁场导航装置的机器人精确定位的实现方法，特别涉及一种应用空间插值方法对机器人进行定位误差补偿的实现技术，可应用于穿刺手术机器人，属于机器人控制领域。
背景技术
在复杂的手术环境中，穿刺手术机器人系统的精确空间定位是一个关键问题。磁定位器作为一种新式传感器，可以实现非接触式测量，并且不受遮挡影响，特别适合在手术室等人员密集的复杂环境下应用。它价格相对较低，使用方便，被广泛采用。但其应用于手术机器人领域时，定位精度较低，不能满足高精度手术的要求。
文献“刘少丽,杨向东,吴聊,等.基于磁定位器的微创手术机器人空间定位方法研究[J].机械设计与制造,2011(12):1-3.”提出了一种微创手术机器人空间定位方法，该方法利用了传统的奇异值分解的方法实现磁定位发射器空间和机器人空间的配准，但此方法存在以下两点不足：计算复杂、定位精度不够高。
申请号为201310451794.9，公开了一种用于工业机器人的基于模糊神经网络的标定误差补偿方法，但该方法需要使用激光跟踪仪测量机器人位姿，无法应用于手术环境中，且需要的采样点较多，计算量大。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的手术机器人末端精确定位的技术缺陷，能够在保证机器人定位精度满足要求的同时尽量降低运算量、成本也不会太高，采用了电磁定位系统完成空间配准，提出了一种基于空间插值方法的机器人定位误差补偿模型，实现机器人的精确定位，满足实际手术的需要。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种基于电磁定位系统的机器人精确定位实现方法，其实现平台是由磁场导航装置和机械臂组成的穿刺手术机器人系统，磁场导航装置通过采集贴在人体上的传感器位置信息和手术针末端的传感器位置信息，完成系统的配准和导航功能。
一种基于电磁定位系统的穿刺手术机器人精确定位实现方法，该方法包括1、计算机器人坐标系与传感器坐标系之间的变换矩阵的步骤；进一步的，包括通过手术针末端传感器的信息建立一个和手术针末端坐标系重合的传感器坐标系，计算机器人坐标系与传感器坐标系之间的变换矩阵；根据机器人的运动学方程计算机器人坐标系与传感器坐标系之间的变换矩阵。
2、包括计算电磁发生器坐标系和穿刺手术机器人坐标系间的变换矩阵的步骤；电磁发生器坐标系和穿刺手术机器人坐标系间的变换矩阵
Figure BDA0001600398140000021
计算方法是：
Figure BDA0001600398140000022
3、包括对机器人工作空间进行分割和采样，获得采样点的误差信息的步骤；是将机器人工作空间分割成若干个边长相等的立方体，对每个立方体的顶点进行采样，根据机器人运动学方程计算出各顶点在机器人坐标系下的位置矢量，再通过电磁发生器采集到的传感器数据计算出在磁场坐标系下的位置矢量。
4、包括计算每个采样点的位置误差矢量的步骤；位置误差矢量ΔMPi计算如下：
MPi'＝RRPi+P
ΔMPi＝MPi'-MPi。
5、包括应用空间插值方法对目标点进行误差补偿的步骤；对于目标点，确定其位于工作空间的某一立方体内，根据目标点与其立方体的采样点的距离di，计算各个采样点对K点的误差补偿权值：
Figure BDA0001600398140000031
计算目标点的位置误差矢量：
Figure BDA0001600398140000032
求得位置误差矢量后，对目标点的给定位置坐标进行修正，用修正后的坐标驱动机器人到达目标点。
6、进一步的，还包括通过磁场导航装置获得电磁发生器坐标系和传感器坐标系间的变换矩阵的步骤。
本发明的积极效果：本发明提出了一种基于电磁定位系统的机器人精确定位实现方法，该方法属于机器人定位领域，可应用于穿刺手术机器人定位，极大地减小了配准误差，提高了机器人的定位精度，同时具有运算量小、计算速度快、实现成本低的特点，可以满足手术机器人的实际需求。
附图说明
图1为穿刺手术机器人定位及误差补偿流程示意图；
图2为手术机器人坐标变换矩阵示意图；
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的目的、技术方案与优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。
实施例：
参见附图1，本发明方法包括以下步骤：通过磁定位器获得磁场与传感器间变换矩阵；计算机器人末端的运动学方程；计算电磁发生器与机器人间的变换矩阵；对机器人工作空间进行分割和采样，计算采样点误差；对目标点进行误差补偿。
同时参见附图2，所述方法的具体步骤如下：
(1)通过手术针末端传感器的信息建立一个和手术针末端坐标系重合的传感器坐标系，计算穿刺手术机器人坐标系与传感器坐标系之间的变换矩阵
Figure BDA0001600398140000041
(2)根据机器人的运动学方程计算器人坐标系与传感器坐标系之间的变换矩阵
Figure BDA0001600398140000042
(3)根据图2所示的坐标系变换关系，计算电磁发生器坐标系和穿刺手术机器人坐标系间的变换矩阵
Figure BDA0001600398140000043
Figure BDA0001600398140000044
(4)将机器人工作空间分割成若干个边长相等的立方体，对每个立方体的顶点进行采样。将操作臂依次运动到各顶点K1-K8，根据机器人运动学方程计算出K1-K8在机器人坐标系下的位置矢量RPi，再通过电磁发生器采集到的传感器数据计算出在磁场坐标系下的位置矢量MPi。
(5)计算每个采样点的位置误差矢量ΔMPi。
MPi'＝RRPi+P
ΔMPi＝MPi'-MPi
(6)对于目标点K，确定其位于工作空间的某一立方体内，根据K点与其立方体的采样点的距离di，计算各个采样点对K点的误差补偿权值。
Figure BDA0001600398140000045
(7)计算K点的位置误差矢量。
Figure BDA0001600398140000051
(8)求得位置误差矢量后，对K点的给定位置坐标进行修正，用修正后的坐标驱动机器人到达目标点。
需要说明的是，本发明的实施例仅仅用于对本发明技术方案进行说明，并非仅仅限于实施例的描述。本发明涉及到的是应用空间插值方法对机器人进行定位误差补偿的实现技术，属于机器人控制领域，实现机器人的机械臂端部的精确定位，可应用于各种广泛的领域中。本发明中提到了穿刺手术机器人手术针末端的定位，仅仅是通过实例对本发明的构思及技术方案进行说明，并非属于针对疾病的诊断及治疗方法。

Claims (4)

1.一种基于电磁定位系统的穿刺手术机器人精确定位装置，其特征是：包括穿刺手术机器人系统、磁场发生器、手术针末端传感器，所述的穿刺手术机器人系统由磁场导航装置和机械臂组成，其中磁场导航装置用于采集贴在人体上的传感器位置信息和手术针末端的传感器位置信息，完成系统的配准和导航功能，装置的定位实现方法如下：
包括计算机器人坐标系与传感器坐标系之间的变换矩阵的步骤；
包括计算电磁发生器坐标系和穿刺手术机器人坐标系间的变换矩阵的步骤；
包括对机器人工作空间进行分割和采样，获得采样点的误差信息的步骤；
包括计算每个采样点的位置误差矢量的步骤；
包括应用空间插值方法对目标点进行误差补偿的步骤；
穿刺手术机器人坐标系与传感器坐标系之间的变换矩阵的步骤中，包括通过手术针末端传感器的信息建立一个和手术针末端坐标系重合的传感器坐标系，计算穿刺手术机器人坐标系与传感器坐标系之间的变换矩阵；根据机器人的运动学方程计算机器人坐标系与传感器坐标系之间的变换矩阵；
对机器人工作空间进行分割和采样，获得采样点的误差信息的步骤中，是将机器人工作空间分割成若干个边长相等的立方体，对每个立方体的顶点进行采样，根据机器人运动学方程计算出各顶点在机器人坐标系下的位置矢量，再通过电磁发生器采集到的传感器数据计算出在磁场坐标系下的位置矢量。
2.根据权利要求1所述的基于电磁定位系统的穿刺手术机器人精确定位装置，其特征是：电磁发生器坐标系和穿刺手术机器人坐标系间的变换矩阵
Figure FDA0002719821590000011
计算方法是：
Figure FDA0002719821590000012
其中：S为传感器坐标系；M为磁场坐标系；R为机器人坐标系；T为坐标系变换矩阵。
3.根据权利要求1所述的基于电磁定位系统的穿刺手术机器人精确定位装置，其特征是：对目标点进行误差补偿的步骤中，对于目标点，确定其位于工作空间的某一立方体内，根据目标点与其立方体的采样点的距离di，计算各个采样点对目标点的误差补偿权值：
Figure FDA0002719821590000021
计算目标点的位置误差矢量：
Figure FDA0002719821590000022
求得位置误差矢量后，对目标点的给定位置坐标进行修正，用修正后的坐标驱动机器人到达目标点；
其中：qi代表各个采样点对K点的误差补偿权值；di代表K点与其立方体的采样点的距离；ΔMP代表K点的位置误差矢量；ΔMPi代表各采样点i经坐标变换后产生的位置误差矢量；i表示将工作空间化划为若干立方体后各立方体的顶点即采样点位置；K表示目标点。
4.根据权利要求1所述的基于电磁定位系统的穿刺手术机器人精确定位装置，其特征是：磁场导航装置获得电磁发生器坐标系和传感器坐标系间的变换矩阵。
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