CN110811827B - 一种手术机器人电机复位标定设备、标定方法及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手术机器人电机复位标定设备，应用于手术机器人，所述手术机器人包括电机和控制器，控制器用于控制电机运动；所述标定设备包括摄像头和标定指针，其中，标定指针固定安装于电机的转轴上，标定指标设有标定符；摄像头安装于手术机器人上，并用于在电机复位的过程中，将拍摄的标定指针图像发送给控制器；控制器用于对标定指针的图像进行处理提取出标定符并得出标定符的位置，然后将标定符的位置与相同坐标系下的系统预设位置进行对比，判断电机是否运动到初始位置，实现电机复位的精准控制。本发明解决了现有电机复位时由于电位器的磨损造成检测不准确的问题。本发明还公开了一种手术机器人电机复位标定方法及机器人。

Description

一种手术机器人电机复位标定设备、标定方法及机器人

技术领域

本发明涉及机器人电机控制领域，尤其涉及一种手术机器人电机复位标定设备、标定方法及机器人。

背景技术

目前，手术机器人(也即是用于手术的机器人)在快速发展中，手术机器人在运动过程中，一般是通过电机进行控制，而为了保证电机运动的准确性，一般需要在开机或校准时，将电机恢复到初始状态，也即是电机复位。传统电机复位时，是通过和电机联动的电位器获取电机的位置信息，来判断电机是否复位。但是这种方法对于电位器的要求很高，而且在长期使用后，电位器由于磨损会造成测量误差，最终影响电机复位，影响手术机器人的操作。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种手术机器人电机复位标定设备，其解决现有的用于手术的机器人采用电位器进行电机复位时，由于电位器的磨损影响电机复位的问题。

本发明的目的之二在于提供一种手术机器人电机复位标定方法，其解决现有的用于手术的机器人采用电位器进行电机复位时，由于电位器的磨损影响电机复位的问题。

本发明的目的之三在于提供一种机器人，其解决现有的用于手术的机器人采用电位器进行电机复位时，由于电位器的磨损影响电机复位的问题。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种手术机器人电机复位标定设备，应用于手术机器人，所述手术机器人包括电机和控制器，控制器用于控制电机的转动；所述标定设备包括摄像头和标定指针；其中，标定指针固定安装于电机的电机转轴上，标定指标上设有标定符；摄像头安装于手术机器人上，用于拍摄标定指针的图像并发送给控制器；控制器，用于当电机在复位过程中，对摄像头发送的标定指针的图像进行图像处理得出在XY坐标系下标定符的位置，以及根据标定符的位置与系统预设位置判断电机是否运动到初始位置，进而控制电机的转动，实现电机复位控制；其中，系统预设位置为电机处于初始位置时，在XY坐标系下标定符的位置；XY坐标系的原点为标定指针的中心线与电机转轴的轴心线的交点、X轴在水平面内、Y轴垂直于X轴；水平面为包含电机转轴的轴心线并垂直于一垂面，并且该垂面为以摄像头的镜头为中心做垂线并相交于电机转轴的轴心线的平面。

进一步地，摄像头安装于电机上或电机支架上，并且标定指针位于摄像头的拍摄范围内。

进一步地，所述标定符为直线或等腰三角形。

进一步地，当标定符为直线时：所述控制器，还用于通过图像识别方法识别得出直线在X轴方向上的投影像素点以及直线在Y轴方向上的投影像素点，进而依据三角函数法得出直线与X轴的夹角；

或者，当标定符为等腰三角形时，所述控制器，还用于通过图像识别方法识别得出等腰三角形的底边在X轴方向上的投影像素点以及等腰三角形的底边在Y轴方向上的投影像素点，进而依据三角形函数法得出等腰三角形与X轴的夹角。

进一步地，控制器，还用于将直线与X轴的夹角与系统预设夹角进行对比，以及当对比结果一致时，控制电机停止转动，实现电机复位；或者，还用于将等腰三角形的底边与X轴的夹角与系统预设夹角进行对比，以及当对比结果一致时，控制电机停止转动，实现电机复位。

进一步地，所述摄像头为微型摄像头。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种手术机器人电机复位标定方法，所述标定方法包括：

获取步骤：在电机复位过程中，通过摄像头获取安装于手术机器人的电机转轴上的标定指针的图像；其中，摄像头安装于手术机器人的电机上或电机支架上，并且标定指针处于摄像头的拍摄范围内；处理步骤：对标定指针的图像进行图像处理提取出标定符，并计算得出在XY坐标系下标定符的位置；

控制步骤：根据标定符的位置与系统预设位置判断电机是否运动到初始位置，若是，则控制电机停止转动；若否，则继续执行获取步骤；其中，系统预设位置为电机处于初始位置时，在XY坐标系下标定符的位置；XY坐标系的原点为标定指针的中心线与电机转轴的轴心线的交点、X轴在水平面内、Y轴垂直于X轴；水平面为包含电机转轴的轴心线并垂直于一垂面，并且该垂面为以摄像头的镜头为中心做垂线并相交于电机转轴的轴心线的平面。

进一步地，所述标定符为直线或等腰三角形。

进一步地，当标定符为直线时，所述处理步骤还包括：计算得出在XY坐标系下直线在X轴上的投影像素点和直线在Y轴上的投影像素点，并依据三角形函数法根据直线在X轴上的投影像素点和直线在Y轴上的投影像素点计算得出直线与X轴的夹角，进而将直线与X轴的夹角与系统预设夹角判断电机是否运动到初始位置；其中，系统预设夹角为电机处于初始位置时，在XY坐标系下直线与X轴的夹角；

或者，当标定符为等腰三角形时，所述处理步骤还包括：计算得出在XY坐标系下等腰三角形的底边在X轴上的投影像素点和等腰三角形的底边在Y轴上的投影像素点，并依据三角形函数法根据等腰三角形的底边在X轴上的投影像素点和等腰三角形的底边在Y轴上的投影像素点计算得出等腰三角形的底边与X轴的夹角，进而将等腰三角形的底边与X轴的夹角与系统预设夹角判断电机是否运动到初始位置；其中，系统预设夹角为电机处于初始位置时，在XY坐标系下等腰三角形的底边与X轴的夹角。

本发明的目的之三采用如下技术方案实现：

一种机器人，所述机器人为手术机器人，所述手术机器人包括电机和控制器，控制器与电机电性连接，用于控制电机的转动；控制器还用于执行如本发明目的之二采用的一种手术机器人电机复位标定方法。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明通过在手术机器人的电机转轴上安装标定指针，并在标定指针上设置标定符的位置来标识电机在初始位置时，标定指针的初始位置；然后在电机复位过程中，通过安装摄像头来拍摄标定指针的图像，并对图像进行处理提取得出标定符，进而将计算得出的标定符的位置与电机处于初始位置时标定符的位置进行对比，判断电机是否达到初始位置，即是否复位，控制电机的转动，实现电机复位控制。

附图说明

图1为本发明提供的手术机器人电机复位标定设备结构示意图；

图2为本发明提供的标定符为直线时在X轴和Y轴上的投影示意图；

图3为图1的左视图；

图4为图1的俯视图；

图5为图1的正视图；

图6为图1的后视图；

图7为本发明提供的标定符为等腰三角形时底边在X轴和Y轴上的投影示意图。

图中：11、电机；12、摄像头；13、标定指针；14、标定符；15、控制器；16、电机转轴。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例一

本发明提供了一种手术机器人电机复位标定设备，其中，手术机器人主要包括安装于手术机器人上的电机、控制器等，通过控制器控制电机的制动，进而控制机器人的工作状态。该手术机器人电机复位标定设备，包括安装于电机转轴上的标定指针以及摄像头。

如图1所示，摄像头用于拍摄标定指针的图像。当电机处于初始位置时，由于标定指针与电机转轴固定安装，摄像头固定安装于电机或电机支架上等，因此，摄像头与电机的位置相对固定，标定指针与电机转轴的位置相对固定，电机转轴在电机的驱动下带动标定指针转动。根据标定指针在摄像头所拍摄图像中的位置来判断电机是否运动到初始位置。如图1所示，首先以摄像头的镜头为中心点A做垂线并相交于电机转轴的轴心线的垂面，此时，该水平面是指包含电机转轴的轴心线并垂直于上述垂线的面。以标定指针的中心线与电机转轴的轴心线的交点O为原点建立XY坐标系，其中，X轴在上述水平面内，Y轴垂直于X轴。

另外，摄像头位于标定指针的正前方，用于拍摄标定指针的图像。摄像头可以固定安装于电机上、或者电机支架上等。因此，由于摄像头的安装位置是固定的，因此，不管电机转轴如何运动，XY坐标系中的X轴以及Y轴均不会变。

当电机在初始位置时，由于标定指针与电机转轴固定安装，为了便于识别标定指针的位置，本发明还通过在标定指针上设置标定符，用于标识标定指针在上述XY坐标系中的位置，将其预先存储于系统中。因此，本发明就是以电机在复位运动过程中，通过摄像头获取标定指针的图像并提取出出标定符，并在XY坐标系下计算得出标定符的位置，这样控制器就可以判断得出在相同XY坐标系下：标定符的位置与系统中预先存储的标定符的位置来判断电机是否运动到初始位置，即电机是否复位。

在电机复位过程中，电机带动电机转轴的转动，由于标定指针固定安装在电机转轴上，标定指针也跟随电机转轴进行转动。此时，摄像头对电机转轴上的安装的标定指针进行拍摄，并将拍摄的标定指针的图像发送给控制器。

控制器，根据图像处理算法从标定指针的图像中获取标定符，并在XY坐标系下计算得出标定符的位置。

电机启动时，将电机处于初始位置时，标定符在XY坐标系下的位置预先存储于系统中。因此，本发明通过在电机复位的过程中，控制器接收到摄像头拍摄的标定指针的图像并提取出标定符的位置时，可将计算得出的标定符的位置与系统中预先存储的位置进行对比，进而判断电机是否运动到初始位置。当对比结果一致时，说明标定指针运动到初始位置，也即是电机运动到初始位置，电机复位，控制器控制电机停止转动。

另外，在电机复位过程中，控制器还可以根据计算得出的标定符在XY坐标系中的位置来判断电机复位的转动方向是否正确。例如，针对现有的前列腺活检的手术机器人的电机一般在±60°的夹角范围内转动。

如图1-6所示，本发明提供了一优选实施例，一种手术机器人电机复位标定设备，手术机器人主要包括电机11和控制器15。控制器15与电机11电性连接，用于控制电机11的工作状态，进而控制电机转轴16的运动。如图1所示，电机11沿着图中箭头的方向进行运动。

本实施例提供的标定设备包括标定指针13和摄像头12。其中，标定指针13固定设有手术机器人的电机转轴16上。标定指针13上设有标定符14。

本发明中对于标定符14的形状不做限定，比如如图1所示，本实施例中将标定符14设为一条直线，也可以采用其他形状或颜色来指示标定符14。比如，当拍摄背景颜色比较杂乱、背景色比较多的情况下时，标定符14可采用等腰三角形来标识。当拍摄的光线较暗的情况下时，在标定符14附近设置荧光剂等，方便摄像头拍摄到更清晰的标定线。

例如，当标定符14为直线时：

由于标定指针13与电机转轴16固定连接，因此当电机11处于初始位置时，标定符14与水平面方向具有一定的夹角，也即是在上述XY坐标系下，当电机处于初始位置时，将标定符与水平面方向的夹角记录于系统中。如本实施例中，标定符14与水平面方向的夹角为90°。也即是说，在电机11复位过程中，当控制器15检测到图像中标定符14与X轴的夹角达到90°时，也即是标定符14与水平面方向的夹角达到90°，此时电机11运动到初始位置，电机11复位。其中，X轴位于水平面内。

如图2所示为控制器根据摄像头12所拍摄的标定指针的图像提取出的标定符示意图。控制器15，通过图像处理算法对摄像头12拍摄的标定指针13的图像进行图像处理，从图像中提取得出标定符14，进而计算得出标定符14在X轴方向上的投影像素点和在Y轴方向上的投影像素点；然后依据三角函数法根据标定符14在X轴方向上的投影像素点和标定符14在Y轴方向上的投影像素点得出标定符14与X轴的夹角θ。

例如：根据三角函数法计算得出θ＝arctan(y/x)，其中，x为标定符14在X轴方向上的投影像素点，y为标定符14在Y轴方向上的投影像素点。对于对图像的处理算法，本发明运用现有的图像处理算法，只要能够将标定符14从图像中定位，并查找出标定符14在X轴、Y轴上的投影像素点即可，本发明不涉及到图像处理算法的改进。

控制器15，还将计算得出的标定符14与X轴的夹角θ与系统中设定的夹角(也即是电机11处于初始位置时，标定符14与水平面方向的夹角)进行比较，判断电机11是否运动到初始位置。

当计算得出的标定符14与X轴的夹角达到系统设定的夹角时，说明电机11运动到初始位置，表明电机11复位，因此，控制器15向电机11发送控制命令，控制电机11停止转动，既实现电机11复位。

例如，当标定符14为等腰三角形时：

如图7所示为控制器从摄像头所拍摄的标定指针的图像中提取出的标定符示意图。在电机复位过程中：控制器可通过摄像头获取标定指针的图像，并提取出标定符14，然后在XY坐标系下计算得出标定符14的底边与X轴的夹角，并将计算的夹角与系统中预先存储的电机处于初始位置时等腰三角形的底边与水平面方向的夹角进行对比，若对比结果一致，则说明电机回到初始位置，控制电机停止转动，实现电机的复位。本发明对于标定符14的形式不做限定，只要能够标识标定指针的位置即可。

其中，摄像头12的分辨率越高，测出的夹角就精确，检测结果就越准确。因此，本发明采用高清的微型摄像头12，获取高清晰的图像，便于计算标定符14与X轴的夹角。由于摄像头12的体积较小，不会影响电机11的转动。摄像头12可以安装于电机11上、电机11的安装支架上，只要能够拍摄到标定指针13，并且标定指针13的标定符14落入摄像头12的拍摄范围即可。如图5和图6所示，如5为图1中的正视图，也即是从标定指针13向摄像头12的方向上看；而图6为图1的后视图，也即是从摄像头12向标定指针13的方向上看，从图5和6中可知，摄像头12与标定指针13上的标定符14处于正对的位置上，并且保证了标定符14位于摄像头12的拍摄范围内。

通过本发明设定的标定设备，来检测电机11是否运动到初始位置，不会像现有技术中一样采用电位器存在磨损的可能，本发明不会对设备部件存在任何机械性的损伤，可长久持续使用。

另外，对于标定指针13的固定安装在电机转轴16上，随着电机11的转动而转动。由于标定指针13的重量较轻，不会影响电机11的转动。比如通过在电机转轴16上打孔，将标定指针13的一端通过螺栓等固定安装在转轴上。

另外，摄像头12也可以安装于标定指针13的正后方，则将标定符14设于标定指针13上，并且位于摄像头12的拍摄范围内即可。

实施例二：

基于实施例一提供的一种手术机器人电机复位标定设备，本发明还提供了另外一实施例，一种手术机器人电机复位标定方法，包括：

步骤S1、在电机复位过程中，通过摄像头获取安装于手术机器人的电机转轴上的标定指针的图像。其中，摄像头安装于手术机器人的电机上或电机支架上，并且标定指针处于摄像头的拍摄范围内。

步骤S2、对标定指针的图像进行图像处理提取出标定符，并计算得出标定符在XY坐标系下标定符的位置。

步骤S3、根据标定符的位置与系统预设夹角判断电机是否运动到初始位置，若是，则控制电机停止转动；若否，则继续执行步骤S1；其中，系统预设位置为电机处于初始位置时，在XY坐标系下标定符的位置；XY坐标系的原点为标定指针的中心线与电机转轴的轴心线的交点、X轴在水平面内、Y轴垂直于X轴；水平面为包含电机转轴的轴心线并垂直于一垂面，并且该垂面为以摄像头的镜头为中心做垂线并相交于电机转轴的轴心线的平面。

其中，标定符为直线或等腰三角形。

进一步地，当标定符为直线时：所述步骤S3还包括：

步骤S31：计算得出在XY坐标系下直线在X轴上的投影像素点和直线在Y轴上的投影像素点。

步骤S32：依据三角形函数法根据直线在X轴上的投影像素点和直线在Y轴上的投影像素点计算得出直线与X轴的夹角。

此时，步骤S4还包括：根据直线与X轴的夹角与系统预设夹角判断电机是否运动到初始位置。

或，当标定符为等腰三角形时，所述步骤S3还包括：

步骤S33：计算得出在XY坐标系下等腰三角形的底边在X轴上的投影像素点和Y轴上的投影像素点。

步骤S34：依据三角形函数法根据等腰三角形的底边在X轴上的投影像素点和等腰三角形的底边Y轴上的投影像素点计算得出等腰三角形的底边与X轴的夹角。

此时，步骤S4还包括：根据等腰三角形的底边与X轴的夹角与系统预设夹角判断电机是否运动到初始位置。

实施例三

一种机器人，所述机器人为手术机器人，所述手术机器人包括电机和控制器，控制器与电机电性连接，用于控制电机的转动；控制器还用于执行如实施例二提供的一种手术机器人电机复位标定方法。通过本发明的机器人，可以实现手术机器人中电机的精准复位，解决了现有技术中手术机器人电机复位时由于电位器磨损而引起检测不准等问题。

实施例四

一种手术机器人电机复位标定装置，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的手术机器人电机复位标定程序，所述手术机器人电机复位标定程序为计算机程序，所述处理器执行所述手术机器人电机复位标定程序时实现如文中提供的一种手术机器人电机复位标定方法的步骤。

实施例五

一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，其上存储有电机复位标定程序，所述手术机器人电机复位标定程序为计算机程序，所述手术机器人电机复位标定程序被处理器执行时实现如文中提供的一种手术机器人电机复位标定方法的步骤。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种手术机器人电机复位标定设备，应用于手术机器人，所述手术机器人包括电机和控制器，控制器用于控制电机的转动；其特征在于，所述标定设备包括摄像头和标定指针；其中，标定指针固定安装于电机的电机转轴上，标定指针上设有标定符；摄像头安装于手术机器人上，用于拍摄标定指针的图像并发送给控制器；控制器，用于当电机在复位过程中，对摄像头发送的标定指针的图像进行图像处理得出在XY坐标系下标定符的位置，以及根据标定符的位置与系统预设位置判断电机是否运动到初始位置，进而控制电机的转动，实现电机复位控制；其中，系统预设位置为电机处于初始位置时，在XY坐标系下标定符的位置；XY坐标系的原点为标定指针的中心线与电机转轴的轴心线的交点、X轴在水平面内、Y轴垂直于X轴；水平面为包含电机转轴的轴心线并垂直于一垂面，并且该垂面为以摄像头的镜头为中心做垂线并相交于电机转轴的轴心线的平面；所述标定符为直线或等腰三角形；

当标定符为直线时：所述控制器，还用于通过图像识别方法识别得出直线在X轴方向上的投影像素点以及直线在Y轴方向上的投影像素点，进而依据三角函数法得出直线与X轴的夹角。

2.根据权利要求1所述一种手术机器人电机复位标定设备，其特征在于，摄像头安装于电机上或电机支架上，并且标定指针位于摄像头的拍摄范围内。

3.根据权利要求1所述一种手术机器人电机复位标定设备，其特征在于，

当标定符为等腰三角形时，所述控制器，还用于通过图像识别方法识别得出等腰三角形的底边在X轴方向上的投影像素点以及等腰三角形的底边在Y轴方向上的投影像素点，进而依据三角形函数法得出等腰三角形与X轴的夹角。

4.根据权利要求3所述一种手术机器人电机复位标定设备，其特征在于，控制器，还用于将直线与X轴的夹角与系统预设夹角进行对比，以及当对比结果一致时，控制电机停止转动，实现电机复位；或者，还用于将等腰三角形的底边与X轴的夹角与系统预设夹角进行对比，以及当对比结果一致时，控制电机停止转动，实现电机复位。

5.根据权利要求1所述一种手术机器人电机复位标定设备，其特征在于，所述摄像头为微型摄像头。

6.一种手术机器人电机复位标定方法，其特征在于，所述标定方法包括：

获取步骤：在电机复位过程中，通过摄像头获取安装于手术机器人的电机转轴上的标定指针的图像；其中，摄像头安装于手术机器人的电机上或电机支架上，并且标定指针处于摄像头的拍摄范围内；处理步骤：对标定指针的图像进行图像处理提取出标定符，并计算得出在XY坐标系下标定符的位置；

控制步骤：根据标定符的位置与系统预设位置判断电机是否运动到初始位置，若是，则控制电机停止转动；若否，则继续执行获取步骤；其中，系统预设位置为电机处于初始位置时，在XY坐标系下标定符的位置；XY坐标系的原点为标定指针的中心线与电机转轴的轴心线的交点、X轴在水平面内、Y轴垂直于X轴；水平面为包含电机转轴的轴心线并垂直于一垂面，并且该垂面为以摄像头的镜头为中心做垂线并相交于电机转轴的轴心线的平面；所述标定符为直线或等腰三角形；当标定符为直线时，所述处理步骤还包括：计算得出在XY坐标系下直线在X轴上的投影像素点和直线在Y轴上的投影像素点，并依据三角形函数法根据直线在X轴上的投影像素点和直线在Y轴上的投影像素点计算得出直线与X轴的夹角，进而将直线与X轴的夹角与系统预设夹角判断电机是否运动到初始位置；其中，系统预设夹角为电机处于初始位置时，在XY坐标系下直线与X轴的夹角。

7.根据权利要求6所述一种手术机器人电机复位标定方法，其特征在于，当标定符为等腰三角形时，所述处理步骤还包括：计算得出在XY坐标系下等腰三角形的底边在X轴上的投影像素点和等腰三角形的底边在Y轴上的投影像素点，并依据三角形函数法根据等腰三角形的底边在X轴上的投影像素点和等腰三角形的底边在Y轴上的投影像素点计算得出等腰三角形的底边与X轴的夹角，进而将等腰三角形的底边与X轴的夹角与系统预设夹角判断电机是否运动到初始位置；其中，系统预设夹角为电机处于初始位置时，在XY坐标系下等腰三角形的底边与X轴的夹角。

8.一种机器人，所述机器人为手术机器人，其特征在于，所述手术机器人包括电机和控制器，控制器与电机电性连接，用于控制电机的转动；控制器还用于执行如权利要求6-7中任一项所述的一种手术机器人电机复位标定方法。

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