CN111189394A - 异形加工件参数验证装置、系统及方法 - Google Patents

异形加工件参数验证装置、系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了异形加工件参数验证装置、系统及方法，包括：定位部，具有倾斜设置的承载体，所述承载体上承载有第一示踪器；验证部，设置在所述承载体上。本发明将参数验证装置有现有安装在竖直面上的改为斜面安装，且进一步的本发明的参数验证装置的斜面可以与光学跟踪器平行放置，使得光学跟踪器可以正对其上的示踪器。本发明的异形加工件参数验证方法解决了机械臂末端操作装置的安装后测量精度的准确性问题，保证了系统精度的稳定可靠。

Description

异形加工件参数验证装置、系统及方法
技术领域
本发明涉及加工件精度验证领域，尤其涉及异形加工件参数验证系统及方法。
背景技术
机器人手术系统是集多项现代高科技手段于一体的综合体，其用途广泛，在临床上外科上有大量的应用。外科医生可以远离手术台操纵机器进行手术，完全不同于传统的手术概念，是当之无愧的革命性外科手术工具。在手术过程中，通常需要在机械臂的末端安装操作装置来直接操控进行手术操作。考虑到手术操作的安全性，精度是决定机器人能否应用在手术中重要参数之一，而机械臂末端操作装置的设计加工精度的差异会直接影响机器人最终操作的目标点位置，因此，对操作装置的参数验证是非常有必要的。
然而，由于手术种类的不同，末端操作装置也会形态功能各异，因此不能对其进行直接测量，只能通过间接的方法去测量一些关键点的位置关系，而如何对这些测量点的位置关系准确性进行评价，是非常困难的。
另外，现有的参数验证装置的示踪器是安装在竖直面上的，和光学跟踪器之间始终是存在一定角度的，且不易同时观察参数验证装置和机械臂上的示踪器。
发明内容
发明目的：本发明针对上述不足，提出了异形加工件参数验证装置、系统及方法，解决了机械臂末端操作装置的安装后测量精度的准确性问题，保证了系统精度的稳定可靠。
技术方案：
异形加工件参数验证装置，包括：
定位部，具有倾斜设置的承载体，所述承载体上承载有第一示踪器；
验证部，包括设置在所述承载体上的基准结构以及与所述基准结构相配合的验证件；
所述基准结构包括至少一个小孔和/或至少一个靶心；所述小孔的孔径范围为0.5mm-1.5mm；所述靶心采用环形靶或方形靶，靶环间距为0.2mm-1mm。
所述基准结构包括至少两个小孔，其中至少一个所述小孔上安装有靶心。
所述验证件为用于穿过穿过所述小孔或指示所述靶心上靶环的长条形结构。
在所述承载体位于所述小孔位置的背向处开设有凹槽。
一种异形加工件参数验证系统，包括：
前述的异形加工件参数验证装置；
机械臂，末端安装有末端操作装置和第二示踪器；
光学跟踪器，用于获取第一示踪器和第二示踪器的位姿，并发送至上位机；
上位机，用于接收光学跟踪器发送的第二示踪器和第一示踪器的位姿，计算末端操作装置的实际位姿与理论位姿之间的偏差，以及控制机械臂运动。
所述末端操作装置为穿刺用导向筒、手术钳或推注器。
一种异形加工件参数验证方法，包括步骤：
（1）利用光学跟踪器获取第一示踪器和第二示踪器的位姿；
（2）根据第一示踪器的位姿计算得到末端操作装置的理论位姿，根据第二示踪器的位姿计算得到当前末端操作装置的实际位姿，计算出末端操作装置的理论位姿和实际位姿的位姿差；
（3）根据计算得到的位姿差控制机械臂运动至目标位置；
（4）通过参数验证装置上的验证部验证末端操作装置的加工精度。
在步骤（3）后还包括步骤：重新计算末端操作装置的实际位姿与理论位姿之间的位姿差，若位姿差在机械臂误差范围内，则执行步骤（4）；若位姿差不在机械臂误差范围内，则以重新计算得到的末端操作装置的实际位姿与理论位姿之间的位姿差控制机械臂运动至目标位置，重复本步骤。
步骤（2）具体为：
（21）选取第一示踪器中任一反光球的球心为第一示踪器的中心，以球心为原点建立第一坐标系，得到第一示踪器在第一坐标系中的位姿及验证部中所有小孔或靶心在第一坐标系中的位姿为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
表示验证部中所有小孔或靶心的数量；
（22）选取第二示踪器中任一反光球的球心为第二示踪器的中心，以球心为原点建立第二坐标系，可知第二示踪器在第二坐标系中的位姿，进而计算得到末端操作装置在第二坐标系中的位姿
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
，已知第二示踪器在光学跟踪器的坐标系下的位姿
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
，并计算得到末端操作装置的实际位姿
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
；
（23）已知第一示踪器在光学跟踪器的坐标系下的位姿
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
，由此可得，验证部中所有小孔或靶心在光学跟踪器的坐标系下的位姿
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
；预设末端操作装置执行到位后的位姿与其相对的验证部中小孔或靶心的位姿差，通过该小孔或靶心的位姿和前述预设的位姿差计算得到末端操作装置的理论位姿
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
；
（24）根据末端操作装置的理论位姿
Figure 497982DEST_PATH_IMAGE016
和实际位姿
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
，计算出位姿差。
有益效果：本发明将参数验证装置由现有的示踪器安装在竖直面上改为示踪器安装在斜面上，且进一步的本发明的参数验证装置的斜面可以与光学跟踪器平行放置，使得光学跟踪器可以正对其上的示踪器。本发明的参数验证装置的验证部不仅能够验证加工件的误差，还可以通过靶心读取精度误差范围，十分方便。本发明的异形加工件参数验证方法解决了机械臂末端操作装置的安装后测量精度的准确性问题，保证了系统精度的稳定可靠。
附图说明
图1为本发明的异形加工件参数验证系统示意图。
图2为本发明的异形加工件参数验证装置示意图。
图3为本发明的末端操作装置示意图。
图4为本发明的异形加工件参数验证方法流程图。
其中，1为参数验证装置，2为机械臂，3为光学跟踪器，4为光学平台；
11为小孔，12为第一示踪器，13为开槽；
21为末端操作装置，22为第二示踪器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
图1为本发明的异形加工件参数验证系统示意图。如图1所示，本发明的异形加工件参数验证系统包括光学跟踪器3、参数验证装置1、机械臂2及上位机；参数验证装置1放置在在光学平台4上，参数验证装置1具有一个斜面或对称的两个斜面，在斜面上安装有第一示踪器12和至少一个小孔11，第一示踪器12包括至少三个可以被光学跟踪器识别出的共面不共线的反光球。在本发明中，第一示踪器12具有4个共面不共线的反光球，其中一个反光球用于校准其他发光球的位置，并可在其中任一反光球被遮挡情况下实现示踪功能，如图2所示。在机械臂2的末端安装末端操作装置21，在末端操作装置21上安装有第二示踪器22，第二示踪器22也可以安装在机械臂上。光学跟踪器3与参数验证装置的斜面平行，且安装在能够同时识别第二示踪器22和第一示踪器12的位置，并分别采集第二示踪器22和参数验证装置1上的第一示踪器12上反光球的信号，得到第二示踪器22和第一示踪器12在光学跟踪器坐标系下的位姿，并将二者发送至上位机；上位机接收光学跟踪器发送的第二示踪器22和第一示踪器12在光学跟踪器坐标系下的位姿，并根据第二示踪器22在光学跟踪器坐标系下的位姿计算得到当前末端操作装置的实际位姿，根据第一示踪器12在光学跟踪器坐标系下的位置计算得到末端操作装置的理论位姿，再分别计算末端操作装置的实际位姿与末端操作装置的理论位姿之间的偏差，并根据计算得到的偏差控制机械臂运动至目标位置；在机械臂执行到位后，通过参数验证装置1上的小孔11或靶心验证末端操作装置21的加工精度。在本发明中，通过验证件穿过参数验证装置1上的小孔11或指示靶心上靶环进行末端操作装置21的加工精度，验证件为长条形结构，在本实施例中，末端操作装置为导向筒，验证件为针。
小孔11的孔径为1mm，为了便于观察加工件的精度偏差范围，其中有若干小孔11上还插有靶心，在本发明具体实施方式中，每一斜面上设有两对不同的靶心；靶心的形状可以是方形、圆形或其他形状，在本发明具体实施例中，靶心包括靶心A和靶心B两种形状，靶心A是环形靶，环间距1mm；靶心B是方形靶，每个方形环间距为0.2mm。小孔11与第一示踪器12符合加工精度要求范围（0.5mm）。
在本发明中，在参数验证装置1上位于小孔11位置背向斜面处开设有凹槽，进而可以减少小孔11的孔深，防止过厚增加参数验证装置1在加工过程中小孔11打歪的风险。
本发明的参数验证装置1优选为具有对称的两个斜面（仿脊椎），且在两个斜面上各安装有一个第一示踪器12和至少一个小孔11，与单侧示踪器相比，两侧都有示踪器便于一次调整好所有验证设备的角度后，分别对两侧进行验证，解决了验证完一侧以后还需要调整所有设备的位置再进行另一侧验证。
图3为本发明的末端操作装置示意图，如图3所示，实施例中的末端操作装置为一个穿刺用导向筒，这里的穿刺用导向筒也可以替换为手术钳、推注器等，末端操作装置通过连接件安装在机械臂末端，在连接件上安装一个第二示踪器22，第二示踪器22包括至少三个可以被光学跟踪器识别出的共面不共线的反光球。在本发明中，第二示踪器22具有4个共面不共线的反光球，其中一个反光球用于校准其他发光球的位置，并可在其中任一反光球被遮挡情况下实现示踪功能。
本发明还提供了异形加工件参数验证方法，如图4所示，本发明的异形加工件参数验证方法包括如下步骤：
（1）将带有第二示踪器的末端操作装置安装在机械臂末端，将带有第一示踪器的参数验证装置安装在光学平台上，保证稳定，摆放好光学跟踪器的位置，保证第二示踪器和第一示踪器同时在光学跟踪器的视野中；
（2）选取第一示踪器中任一反光球的球心为第一示踪器的中心，以球心为原点建立第一坐标系，可知第一示踪器在第一坐标系中的位姿，及验证部中所有小孔或靶心在第一坐标系中的位姿为
Figure 680702DEST_PATH_IMAGE002
；
（3）选取第二示踪器中任一反光球的球心为第二示踪器的中心，以球心为原点建立第二坐标系，可知第二示踪器在第二坐标系中的位姿，根据导向筒的规格尺寸可知导向筒两端在第二坐标系中的位姿分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，已知第二示踪器在光学跟踪器的坐标系下的位姿
Figure 53914DEST_PATH_IMAGE008
，并计算得到导向筒两端的实际位姿分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure DEST_PATH_IMAGE026
；
（4）已知第一示踪器在光学跟踪器的坐标系下的位姿为
Figure 943066DEST_PATH_IMAGE012
，由此可得，验证部中所有小孔或靶心在光学跟踪器的坐标系下的位姿
Figure 491859DEST_PATH_IMAGE014
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
表示验证部中所有小孔或靶心的数量；
（5）预设导向筒执行到位后的位姿与验证部中任一小孔或靶心的位姿差，这里预设的导向筒执行到位后的位姿在验证部小孔的延长线上，且避开机械臂的碰撞位姿。通过该小孔或靶心的位姿和前述预设的位姿差计算得到导向筒的理论位姿
Figure 517584DEST_PATH_IMAGE016
；在本发明中，导向筒的理论位姿
Figure 519038DEST_PATH_IMAGE016
为导向筒一端的理论位姿，即
Figure DEST_PATH_IMAGE029
；根据导向筒两端的理论位姿和实际位姿计算二者之间的位姿差：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
即：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
；
（6）获取当前机械臂的位姿为
Figure DEST_PATH_IMAGE035
，那么机械臂应该到达的位姿为
Figure DEST_PATH_IMAGE037
；机械臂执行到位后，重新计算导向筒的理论位姿和当前导向筒的位姿之间的位姿差
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，其中位姿差
Figure 937512DEST_PATH_IMAGE039
包括导向筒的理论位姿和当前导向筒的位姿之间的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE041
和导向筒的理论位姿和当前导向筒的位姿姿态之间在
Figure DEST_PATH_IMAGE043
三个轴向的夹角差，设置一定的阈值（距离
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为±0.25，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
三个轴向夹角都小于1°），将导向筒的理论位姿和当前导向筒的位姿的位姿差
Figure DEST_PATH_IMAGE047
与设定的阈值进行比对。因为机械臂执行有一定的误差，如果
Figure 262183DEST_PATH_IMAGE039
在阈值范围内，则执行到位，将针穿过套筒，观察针在靶心上的位置，读出偏差，进行验证；如果位姿差不在机械臂误差范围内，则以重新计算得到的导向筒的理论位姿和当前导向筒的位姿之间的位姿差
Figure 409874DEST_PATH_IMAGE039
控制机械臂运动至目标位置。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换（如数量、形状、位置等），这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims (9)

1.异形加工件参数验证装置，其特征在于：包括：
定位部，具有倾斜设置的承载体，所述承载体上承载有第一示踪器；
验证部，包括设置在所述承载体上的基准结构以及与所述基准结构相配合的验证件；
所述基准结构包括至少一个小孔和/或至少一个靶心；所述小孔的孔径范围为0.5mm-1.5mm；所述靶心采用环形靶或方形靶，靶环间距为0.2mm-1mm。
2.根据权利要求1所述的异形加工件参数验证装置，其特征在于：所述基准结构包括至少两个小孔，其中至少一个所述小孔上安装有靶心。
3.根据权利要求1所述的异形加工件参数验证装置，其特征在于：在所述承载体位于所述小孔位置的背向处开设有凹槽。
4.根据权利要求1所述的异形加工件参数验证装置，其特征在于：所述验证件为用于穿过所述小孔或指示所述靶心上靶环的长条形结构。
5.一种异形加工件参数验证系统，其特征在于：包括：
权利要求1~4任一项所述的异形加工件参数验证装置；
机械臂，末端安装有末端操作装置和第二示踪器；
光学跟踪器，用于获取第一示踪器和第二示踪器的位姿，并发送至上位机；
上位机，用于接收光学跟踪器发送的第二示踪器和第一示踪器的位姿，计算末端操作装置的实际位姿与理论位姿之间的偏差，以及控制机械臂运动。
6.根据权利要求5所述的异形加工件参数验证系统，其特征在于：所述末端操作装置为穿刺用导向筒、手术钳或推注器。
7.一种采用权利要求5~6任一权利要求的异形加工件参数验证系统的异形加工件参数验证方法，其特征在于：包括步骤：
（1）利用光学跟踪器获取第一示踪器和第二示踪器的位姿；
（2）根据第一示踪器的位姿计算得到末端操作装置的理论位姿，根据第二示踪器的位姿计算得到当前末端操作装置的实际位姿，计算出末端操作装置的理论位姿和实际位姿的位姿差；
（3）根据计算得到的位姿差控制机械臂运动至目标位置；
（4）通过参数验证装置上的验证部验证末端操作装置的加工精度。
8.根据权利要求7所述的异形加工件参数验证方法，其特征在于：在步骤（3）后还包括步骤：重新计算末端操作装置的实际位姿与理论位姿之间的位姿差，若位姿差在机械臂误差范围内，则执行步骤（4）；若位姿差不在机械臂误差范围内，则以重新计算得到的末端操作装置的实际位姿与理论位姿之间的位姿差控制机械臂运动至目标位置，重复本步骤。
9.根据权利要求7所述的异形加工件参数验证方法，其特征在于：步骤（2）具体为：
（21）选取第一示踪器中任一反光球的球心为第一示踪器的中心，以球心为原点建立第一坐标系，得到第一示踪器在第一坐标系中的位姿及验证部中所有小孔或靶心在第一坐标系中的位姿为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示验证部中所有小孔或靶心的数量；
（22）选取第二示踪器中任一反光球的球心为第二示踪器的中心，以球心为原点建立第二坐标系，可知第二示踪器在第二坐标系中的位姿，进而计算得到末端操作装置在第二坐标系中的位姿
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，已知第二示踪器在光学跟踪器的坐标系下的位姿
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，并计算得到末端操作装置的实际位姿
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
（23）已知第一示踪器在光学跟踪器的坐标系下的位姿
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，由此可得，验证部中所有小孔或靶心在光学跟踪器的坐标系下的位姿
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；预设末端操作装置执行到位后的位姿与其相对的验证部中小孔或靶心的位姿差，通过该小孔或靶心的位姿和前述预设的位姿差计算得到末端操作装置的理论位姿
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；
（24）根据末端操作装置的理论位姿
Figure 712910DEST_PATH_IMAGE016
和实际位姿
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，计算出位姿差。
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