CN112091983A - 一种精度校验装置、系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精度校验装置、系统及方法，精度校验装置包括：承载体，设置有验证示踪器；配准部，包括所述承载体内的若干配准点；验证部，包括至少一个贯穿所述承载体的验证通道及与所述验证通道相配合的验证件。本发明不仅可以在3D影像配准时对系统的执行结果与预期规划进行测量，而且可以对系统执行进行不断优化，保证了系统精度的稳定可靠。

Description

一种精度校验装置、系统及方法
技术领域
本发明涉及精度校验技术领域，尤其涉及一种精度校验装置、系统及方法。
背景技术
当下，机器人辅助导航系统的应用越来越广泛，特别是在手术过程中对导航系统的定位精度要求较高。因此，精度是评价整个导航系统可靠性的重要指标。
在机器人辅助手术过程中，通常使用3D影像进行配准规划，规划完成后，机器人使用末端工具进行引导操作执行。理想状态下，影像中规划的位置与实际执行的位置是一致的，而实际上会因为配准与规划引入一系列误差，使得最终执行结果与预期规划结果不一致，且这种误差无法直接测量量化。因此，有必要提供一种能够测量执行精度的精度校验方案，在先测量系统精度后，在满足精度要求的情况下，再执行具体操作。
发明内容
发明目的：本发明针对上述不足，提出了一种基于3D影像配准的精度校验装置、系统及方法，解决引入3D影像后，系统的执行精度无法测量的问题，保证了系统精度的稳定可靠。
技术方案：
一种精度校验装置，包括：
承载体，设置有验证示踪器；
配准部，包括所述承载体内的若干配准点；
验证部，包括至少一个贯穿所述承载体的验证通道及与所述验证通道相配合的验证件。
所述验证示踪器与所述验证通道安装在所述承载体上的不同平面处。
所述验证通道的数量为三个，其之间间距为至少1mm；三个所述验证通道的直径分别为1mm、2mm、3mm，并分别配备有直径0.75mm、1.5mm、2.5mm的验证件。
在所述验证通道的出点处还设置有验证靶心，靶心是环形靶或方形靶，其中环形靶的环间距1mm，方形靶的方形环间距为0.2mm。
所述配准点采用若干非对称排布的大小一致的钢球，或采用若干大小不一的钢球；所述钢球的直径为2~4mm。
一种精度校验系统，包括：
前述精度校验装置；
机械臂，末端安装有末端执行器及末端示踪器；
3D成像设备，用于扫描生成3D影像；
光学跟踪器，用于获取验证示踪器和末端示踪器的位姿；
上位机，用于接收所述3D成像设备及所述光学跟踪器发送的数据，计算得到当前末端示踪器位姿与目标末端示踪器位姿及二者之间的偏差，并控制机械臂运动直至符合精度要求。
通过三维测量仪测量得到配准点在验证示踪器坐标系下的坐标及末端执行器验证轴线到末端示踪器的位置关系；
所述上位机根据配准点在验证示踪器坐标系下的坐标及3D成像设备扫描得到的精度校验装置内配准点在影像坐标系下的坐标计算得到影像坐标系与验证示踪器坐标系之间的变换关系；再根据光学示踪器采集的验证示踪器和末端示踪器的位姿计算得到末端示踪器在验证示踪器中的位姿；进而根据末端执行器验证轴线到末端示踪器的位置关系计算得到在验证示踪器坐标系下的当前末端示踪器位姿；
所述上位机根据精度校验装置的验证通道得到在影像坐标系下末端执行器验证轴线的目标位置，再根据末端执行器验证轴线到末端示踪器的位置关系得到在影像坐标系下末端示踪器的目标位置，再通过影像坐标系与验证示踪器坐标系之间的变换关系计算得到在验证示踪器坐标系下的目标末端示踪器位姿。
所述末端执行器为穿刺用导向筒、手术钳或推注器。
一种精度校验方法，包括步骤：
（1）获取对所述3D成像设备获得的所述精度校验装置的3D影像数据，获得其内配准点在影像坐标系中的坐标；
（2）根据精度校验器安装参数得到配准点在验证示踪器坐标系下的坐标，并结合步骤（1）计算得到影像坐标系与验证示踪器坐标系之间的变换关系；
（3）根据3D影像数据中精度校验器的验证通道规划通道，并以规划通道入点位置起沿由出点到入点的方向延长设定距离处作为影像坐标系下末端执行器验证轴线的目标位置；并根据机械臂安装参数计算得到在影像坐标系下的目标末端示踪器位姿；
（4）根据步骤（1）计算得到在验证示踪器坐标系下的目标末端示踪器位姿；
（5）根据光学跟踪器获取验证示踪器和末端示踪器的位姿，计算得到在验证示踪器中的当前末端示踪器位姿；
（6）计算当前末端示踪器位姿与目标末端示踪器位姿的位姿差，并据此控制机械臂运动，通过所述参数校验装置验证部验证机械臂执行精度。
所述步骤（3）中，根据在影像坐标系下的末端执行器目标位置及末端执行器验证轴线到末端示踪器的位置关系计算出在影像坐标系下的目标末端示踪器位姿。
所述步骤（6）包括：
（61）控制机械臂根据当前末端示踪器位姿与目标末端示踪器位姿的位姿差进行运动；其中，所述位姿差包括目标末端示踪器位姿和当前末端示踪器位姿之间的距离和二者在xyz三个轴向的夹角差；
（62）通过光学跟踪器获取当前末端示踪器的位姿，并计算得到在验证示踪器中的当前末端示踪器位姿，计算其与目标末端示踪器位姿的位姿差；
（63）判断所述位姿差是否在光学跟踪器误差范围内；若在，则转至步骤（64）；若不在，则重复步骤（61）~（63）；其中，光学跟踪器误差范围为目标末端示踪器位姿和当前末端示踪器位姿之间的距离小于0.1，x、y、z三个轴向夹角都小于0.1°；
（64）通过所述参数校验装置验证部验证机械臂执行精度。
有益效果：本发明不仅可以在3D影像配准时对系统的执行结果与预期规划进行测量，而且可以对系统执行进行不断优化，保证了系统精度的稳定可靠。
附图说明
图1为本发明中精度校验装置示意图。
图2为本发明中末端操作装置图。
图3为本发明精度校验系统示意图。
图4为本发明精度校验方法流程图。
其中，图中标记如下：
10为精度校验装置，11为底座，12为承载体，13为验证孔，14为配准点，15为验证示踪器；
20为机械臂，21为机械臂末端，22为末端示踪器，23为末端执行器；
30为C臂机，40为光学跟踪器，50为上位机。
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。
本发明提供了一种基于3D影像配准的精度校验装置，图1为本发明中校验装置示意图，如图1所示，本发明基于3D影像配准的精度校验装置10包括底座11、承载体12、验证孔13、配准点14、验证示踪器15及验证件，承载体12固定安装在底座11上，采用X射线穿透性较好的材料，其上设置有倾斜的承载面；在承载体12的承载面上开设有若干不同直径的验证孔13，验证孔13贯穿承台体12形成验证通道，在验证通道内安装有可拆卸的金属棒，且定义金属棒在承载体12的承载面上的一端为入点，另一端为出点；在底座11上表面上设置有若干配准点14，用于3D影像坐标系到光学跟踪系统坐标系的配准；配准点14采用不透X光材料制作而成，配准点14可以采用预先设定的规则进行非对称排布的大小一致的钢球，也可以采用若干大小不一的钢球，钢球的直径为2~4mm，钢球的排布方式为预先设定。如果配准点14直径太大，在3D影像中易造成伪影。在承载体12上与验证孔13不同平面处还设置有验证示踪器15，验证示踪器15包括至少三个可以被光学跟踪器40识别出的共面不共线的验证球，验证球可以是主动发光球，也可以是反光球。在本发明中，验证示踪器15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。
在本发明中，验证孔13的数量为三个，其之间间距为至少1mm，三个验证孔13的直径分别为1mm、2mm、3mm，并分别配备有直径0.75mm、1.5mm、2.5mm的验证件；在本发明中，为满足精度要求，每个验证孔13与其相对应的探针之间的直径差控制在0.5mm以内；通过上述设计，可以实现不同精度要求的物理验证并进行精度确定。在验证孔13的出点处还设置有验证靶心，靶心的形状可以是方形、圆形或其他形状，且各靶心的形状可以各不相同。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。
本发明根据实际手术中患处的位置，承载体12上设置有至少一个验证通道，通道内安装有可拆卸的金属棒，具体实施中设置有3个验证通道（通常手术机器人的精度最高1mm，1mm以内无法验证具体精度）。本发明公开了一种采用上述精度校验装置进行系统精度校验的精度校验系统，如图3所示，本发明精度校验系统包括前述精度校验装置10、机械臂20、三维成像设备、光学跟踪器40、三维测量仪及上位机50，在具体实施方式中，三维成像设备为C臂机30。如图2所示，在机械臂末端21通过连接件安装末端执行器23，在连接件上安装有末端示踪器22，末端示踪器22也可以安装在机械臂20上；在本发明中，末端示踪器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。
利用C臂机30对精度校验装置10进行3D影像扫描，得到精度校验装置10的3D影像数据，并将该3D影像数据传输给上位机50；
将光学跟踪器40与精度校验装置10的承载面平行放置，且光学跟踪器40能够同时识别末端示踪器22和验证示踪器15的位置，并分别采集末端示踪器22和验证示踪器15上反光球的信号，得到末端示踪器22和验证示踪器15在光学跟踪器坐标系下的位姿，将二者发送至上位机50；
三维测量仪分别测量得到配准点14在验证示踪器坐标系下的坐标、末端执行器验证轴线轴线到末端示踪器22的位置关系以及末端示踪器22到机械臂末端21的位置关系，并传输给上位机50；
上位机50对C型臂30获取的3D影像数据进行解析，并根据已知的预先设定的排布规则获取得到精度校验装置10内配准点14在影像坐标系中的坐标，并根据三维测量仪测量得到的配准点14在验证示踪器坐标系下的坐标计算得到影像坐标系与验证示踪器坐标系之间的变换关系；
上位机50对3D影像数据进行处理形成切面图，以前述精度校验装置10的验证通道在3D影像中成像的轴线方向规划通道，形成规划路径P；再以规划通道入点处为起点，沿规划通道出点到其入点的方向延长设定距离处作为末端执行器验证轴线的目标位置（实际操作可选50mm），计算得到末端执行器验证轴线在影像坐标系中的位置；然后根据三维测量仪测量得到的末端执行器23与末端示踪器22的位置关系计算得到末端示踪器22在影像坐标系中的位姿，然后根据三维测量仪测量得到的末端示踪器22到机械臂末端21的变换关系计算得到机械臂末端在影像坐标系中的位姿；然后根据影像坐标系与验证示踪器坐标系之间的变换关系计算得到机械臂末端在验证示踪器坐标系中的位姿，即目标机械臂位姿；
上位机50根据光学跟踪器40得到末端示踪器22和验证示踪器15在光学跟踪器坐标系下的位姿，计算得到当前末端示踪器22在验证示踪器15中的位姿，再根据三维测量仪测量得到的末端示踪器22到当前机械臂末端21的位置关系计算得到当前机械臂末端在验证示踪器坐标系下的位姿，即当前机械臂位姿；
上位机计算当前机械臂位姿与目标机械臂位姿之间的偏差，并根据计算得到的偏差控制机械臂运动至目标机械臂位姿；在机械臂运动到位后，重新计算当前机械臂位姿及其与目标机械臂位姿之间的偏差是否在光学跟踪器误差范围之内；若在，则通过验证件穿过末端执行器验证轴线，看验证件在靶心上的位置，进行物理验证；若不在，则再次通过三维测量仪测量末端示踪器22到当前机械臂末端21的位置关系，重新计算得到当前机械臂位姿，并计算与目标机械臂位姿之间的偏差并执行机械臂运动，直至二者偏差在光学跟踪器误差范围之内。
本发明还公开了一种基于3D影像配准的精度校验方法，包括如下步骤：
（1）利用C臂机30获取精度校验装置10的3D影像数据，并将该3D影像数据传输给上位机50；
（2）上位机50对该3D影像数据进行解析处理，根据预先设定的排布规则获取得到精度校验装置10内的配准点14在影像坐标系中的坐标（Xn,Yn,Zn）（n 表示配准点的编号，n= 1,2,3…）；
（3）获取配准点14在验证示踪器坐标系下的坐标（xn,yn,zn），可以使用三维测量仪设备进行测量，并传输给上位机50；
（4）根据步骤（2）和步骤（3）对3D影像坐标系下的配准点坐标与验证示踪器坐标系下的配准点坐标进行配准，获得影像坐标系与验证示踪器坐标系的变换关系mT1；
（5）上位机50对3D影像数据进行处理分割形成切面图（即矢状面、冠状面、横断面），便于规划，沿着3D影像中的精度校验装置10的验证通道内的金属棒在3D图像中成像的轴线方向规划通道，形成规划路径P；
（6）末端执行器23的通道轴线在实际验证通道的轴线上，通常以规划通道入点位置起沿着由规划通道出点到入点的方向延长设定距离（实际操作可选50mm）处作为末端执行器验证轴线的目标位置，即可计算出末端执行器验证轴线在影像坐标系中的目标位置；
（7）根据步骤（6）得到的末端执行器验证轴线在影像坐标系中的位置及三维测量仪测量得到的末端执行器验证轴线到末端示踪器22的位置关系计算出末端示踪器22在影像坐标系中的位姿Vb；同理末端示踪器22到机械臂末端21的变换关系也可以通过三维测量仪测量获得，根据末端示踪器在影像坐标系中的位姿Vb即可以计算出机械臂末端在影像坐标系中的位姿Ve；
（8）根据影像坐标系与验证示踪器坐标系的变换关系计算出机械臂末端在验证示踪器坐标系中的位姿mTe = Ve * mT1，即目标机械臂位姿；
（9）光学跟踪器40可以识别出由至少三个反光球组成的示踪器，光学跟踪器坐标系为Wc，在光学跟踪器40观测到验证示踪器15的位置为Pa，光学跟踪器40观测到末端示踪器22当前的位置为Pb；由此计算得到当前末端示踪器22在验证示踪器15中的位姿为mTb = Pa -1*Pb；
（10）获取末端示踪器22到当前机械臂末端21的位置关系，可以通过三维测量仪测量；并根据当前末端示踪器22在验证示踪器15中的位姿计算得到当前机械臂在验证示踪器坐标系中的位姿mTn，即当前机械臂位姿；
（11）计算出当前机械臂位姿与目标机械臂位姿的变换关系δ= mTn -1*mTe；
（12）控制机械臂运动至目标机械臂位姿，即使得mTn→mTe，需要让机械臂执行δ；
（13）机械臂执行到位后，重复步骤（10），并计算当前机械臂位姿与目标机械臂位姿之间的位姿差E，其中位姿差E包括目标机械臂位姿和当前机械臂位姿之间的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE002
和目标机械臂位姿和当前机械臂位姿之间在xyz三个轴向的夹角差；设置光学跟踪器误差范围为：距离d小于0.1，x、y、z三个轴向夹角都小于0.1°；将当前机械臂位姿与目标机械臂位姿之间的位姿差E与设定的阈值进行比对。如果E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，则重复步骤（9）~（12）。
在本发明中，如图2所示，末端执行器22为穿刺用导向筒，但也可以是手术钳或推注器等。
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范围。

Claims (11)

1.一种精度校验装置，其特征在于：包括：
承载体，设置有验证示踪器；
配准部，包括所述承载体内的若干配准点；
验证部，包括至少一个贯穿所述承载体的验证通道及与所述验证通道相配合的验证件。
2.根据权利要求1所述的精度校验装置，其特征在于：所述验证示踪器与所述验证通道安装在所述承载体上的不同平面处。
3.根据权利要求1所述的精度校验装置，其特征在于：所述验证通道的数量为三个，其之间间距为至少1mm；三个所述验证通道的直径分别为1mm、2mm、3mm，并分别配备有直径0.75mm、1.5mm、2.5mm的验证件。
4.根据权利要求1所述的精度校验装置，其特征在于：在所述验证通道的出点处还设置有验证靶心，靶心是环形靶或方形靶，其中环形靶的环间距1mm，方形靶的方形环间距为0.2mm。
5.根据权利要求1所述的精度校验装置，其特征在于：所述配准点采用若干非对称排布的大小一致的钢球，或采用若干大小不一的钢球；所述钢球的直径为2~4mm。
6.一种精度校验系统，其特征在于：包括：
权利要求1~5任一权利要求所述的精度校验装置；
机械臂，末端安装有末端执行器及末端示踪器；
3D成像设备，用于扫描生成3D影像；
光学跟踪器，用于获取验证示踪器和末端示踪器的位姿；
上位机，用于接收所述3D成像设备及所述光学跟踪器发送的数据，计算得到当前末端示踪器位姿与目标末端示踪器位姿及二者之间的偏差，并控制机械臂运动直至符合精度要求。
7.根据权利要求6所述的精度校验系统，其特征在于：通过三维测量仪测量得到配准点在验证示踪器坐标系下的坐标及末端执行器验证轴线到末端示踪器的位置关系；
上位机根据配准点在验证示踪器坐标系下的坐标及3D成像设备扫描得到的精度校验装置内配准点在影像坐标系下的坐标计算得到影像坐标系与验证示踪器坐标系之间的变换关系；再根据光学示踪器采集的验证示踪器和末端示踪器的位姿计算得到末端示踪器在验证示踪器中的位姿；进而根据末端执行器验证轴线到末端示踪器的位置关系计算得到在验证示踪器坐标系下的当前末端示踪器位姿；
上位机根据精度校验装置的验证通道得到在影像坐标系下末端执行器验证轴线的目标位置，再根据末端执行器验证轴线到末端示踪器的位置关系得到在影像坐标系下末端示踪器的目标位置，再通过影像坐标系与验证示踪器坐标系之间的变换关系计算得到在验证示踪器坐标系下的目标末端示踪器位姿。
8.根据权利要求6所述的精度校验系统，其特征在于：所述末端执行器为穿刺用导向筒、手术钳或推注器。
9.一种采用权利要求6所述的精度校验系统的精度校验方法，其特征在于：包括步骤：
（1）获取对所述3D成像设备获得的所述精度校验装置的3D影像数据，获得其内配准点在影像坐标系中的坐标；
（2）计算配准点在验证示踪器坐标系下的坐标，并结合步骤（1）计算得到影像坐标系与验证示踪器坐标系之间的变换关系；
（3）根据3D影像数据中精度校验器的验证通道规划通道，并以规划通道入点位置起沿由出点到入点的方向延长设定距离处作为影像坐标系下末端执行器验证轴线的目标位置；并根据机械臂安装参数计算得到在影像坐标系下的目标末端示踪器位姿；
（4）根据步骤（1）计算得到在验证示踪器坐标系下的目标末端示踪器位姿；
（5）根据光学跟踪器获取验证示踪器和末端示踪器的位姿，计算得到在验证示踪器中的当前末端示踪器位姿；
（6）计算当前末端示踪器位姿与目标末端示踪器位姿的位姿差，并据此控制机械臂运动，通过所述参数校验装置验证部验证机械臂执行精度。
10.根据权利要求9所述的精度校验方法，其特征在于：所述步骤（3）中， 根据在影像坐标系下的末端执行器目标位置及末端执行器验证轴线到末端示踪器的位置关系计算出在影像坐标系下的目标末端示踪器位姿。
11.根据权利要求9所述的精度校验方法，其特征在于：所述步骤（6）包括：
（61）控制机械臂根据当前末端示踪器位姿与目标末端示踪器位姿的位姿差进行运动；其中，所述位姿差包括目标末端示踪器位姿和当前末端示踪器位姿之间的距离和二者在xyz三个轴向的夹角差；
（62）通过光学跟踪器获取当前末端示踪器的位姿，并计算得到在验证示踪器中的当前末端示踪器位姿，计算其与目标末端示踪器位姿的位姿差；
（63）判断所述位姿差是否在光学跟踪器误差范围内；若在，则转至步骤（64）；若不在，则重复步骤（61）~（63）；其中，光学跟踪器误差范围为目标末端示踪器位姿和当前末端示踪器位姿之间的距离小于0.1，x、y、z三个轴向夹角都小于0.1°；
（64）通过所述参数校验装置验证部验证机械臂执行精度。
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