CN112603544A - 一种机械臂末端执行器校准系统及方法 - Google Patents

一种机械臂末端执行器校准系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机械臂末端执行器校准系统及方法，机械臂末端执行器校准系统，包括：校准工装，与末端执行器配合安装，其上设有示踪器；光学跟踪器，其内预设有末端执行器示踪器的配置参数，并根据该配置参数识别出末端执行器示踪器上各示踪球的位置及误差；上位机根据光学跟踪器识别出的末端执行器示踪器上各示踪球的位置更新其配置参数，并在其得到的误差在设定阈值范围内确定校准完成。本发明解决了末端执行器无法测量运动学参数的问题，节省了人力，提高了测量速度和稳定性。

Description

一种机械臂末端执行器校准系统及方法
技术领域
本发明涉及精度校准领域，尤其涉及一种机械臂末端执行器校准系统及方法。
背景技术
随着科技的不断发展，在医疗领域中，越来越多的手术机器人辅助设备投入使用。一般的，手术机器人的执行设备由机械臂和装置在机械臂末端的执行器组成。
执行设备的执行精度依赖于末端执行器的运动学参数，运动学参数分为两个部分，一部分是示踪器自身反光位置的相对关系，另一部分是示踪器与导向通道的位置关系。传统的末端执行器运动学参数测量方法为通过三维测量仪去测量，这种方式的弊端是耗费人力，而且操作麻烦，对于有些不规则形状难以测量。
发明内容
发明目的：为了解决上述问题，本发明提供了一种机械臂末端执行器校准系统及方法，解决了末端执行器无法测量运动学参数的问题，节省了人力，提高了测量速度和稳定性。
技术方案：
一种机械臂末端执行器校准系统，包括：
校准工装，其上设有示踪器；
光学跟踪器，获取校准工装位置，且其内预设有执行器示踪器的配置参数，并根据该配置参数识别出执行器示踪器上各示踪球的位置及误差；
上位机根据校准工装末端触碰机械臂末端及其安装面得到其点集并进行拟合得到机械臂末端及其安装面的位姿，并据此得到机械臂末端与执行器示踪器之间的变换关系；
上位机根据光学跟踪器识别出的执行器示踪器上各示踪球的位置更新其配置参数，并在其得到的误差在设定阈值范围内确定校准完成。
所述校准工装上的示踪器为两个，其安装所覆盖的角度根据末端执行器示踪器的覆盖范围确定。
所述末端执行器示踪器数量为不共面的三个，其通过组合配合覆盖角度为270°。
所述末端执行器示踪器上的示踪球采用反光球，反光玻璃或LED灯。
一种机械臂末端执行器校准方法，包括步骤：
(1)通过校准工装末端触碰机械臂末端及其安装面得到其点集并进行拟合得到机械臂末端的位姿，并变换至机械臂坐标系下，据此计算得到机械臂末端与执行器示踪器之间的变换关系；
(2)在光学跟踪器内预设末端执行器示踪器的配置参数，光学跟踪器根据该配置参数识别出末端执行器示踪器上各示踪球的位置及误差，并传输至上位机；
(3)上位机判断得到的误差是否在预设范围内，若在，则配准完成；若不在，则根据得到的末端执行器示踪器上各示踪球的位置重新计算末端执行器示踪器上各示踪球的位置关系，并更新光学跟踪器的配置参数；
(4)光学跟踪器根据更新后的配置参数识别得到执行器示踪器上各示踪球的位置及误差err，并上传至上位机；重复步骤(3)，直至误差在预设范围内；
(5)将校准工装与末端执行器配合安装，并通过光学示踪器获取校准工装上示踪器的位置，上位机据此计算得到末端执行器示踪器与校准工装上示踪器的变换关系。
所述步骤(1)具体为：
(11)通过校准工装末端分别均匀触碰机械臂末端及其安装面，再通过光学跟踪器获取校准示踪器位置，根据设计参数计算得到各触碰点坐标，分别得到点集P和Q；
(12)使用点集P和Q拟合圆柱，得到机械臂末端的位姿，并将其变换至机械臂坐标系下；
(13)计算得到执行器示踪器与机械臂末端的变换关系。
所述末端执行器示踪器数量为不共面的三个，其通过组合配合覆盖角度为270°；分别通过步骤(2)～(5)对所有末端执行器示踪器都进行校准。
有益效果：本发明解决了末端执行器无法测量运动学参数的问题，节省了人力，提高了测量速度和稳定性。
附图说明
图1为本发明的校准原理图。
图2为本发明的校准工装示意图。
图3为本发明中校准工装拟合机械臂末端示意图。
图4为本发明安装校准工装后的末端执行器示意图。
其中，1为机械臂，11为末端执行器，12为执行器示踪器，2为校准工装，21为校准示踪器，22为工装通道，3为光学跟踪器，4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。
图1为本发明的校准原理图，如图1所示，本发明的机械臂末端执行器校准系统包括校准工装2、光学跟踪器3及上位机4，校准工装2安装在机械臂1末端安装的末端执行器11上。
图2为本发明的校准工装示意图，如图2所示，本发明的校准工装2包括工装本体、校准示踪器21以及工装通道22，校准示踪器21固定安装在工装本体上，在工装本体上还固定安装有工装通道22，工装通道22形状与末端执行器11的执行通道对应，并安装在其内，以实现校准工装2与末端执行器11的固定连接。在本发明中，工装通道22为圆柱形结构。
在本发明中，校准示踪器21包括两个独立示踪器，且其安装所覆盖的角度可以根据末端执行器11的执行器示踪器12的覆盖范围确定，本实施例中，其安装所覆盖的角度为270°，如此设计的目的是为了使末端执行器某个面的示踪器在光学跟踪器视野中的时候，校准示踪器21也在光学跟踪器3的视野中，通过三维测量仪测量校准示踪器21中每个反光球的位置，并建立校准示踪器坐标系，测量出工装通道22的上下面圆心在校准示踪器坐标系下的坐标P1和P2。
图4为本发明安装校准工装后的末端执行器示意图，如图3所示，末端执行器11上的执行器示踪器12由四个LED灯组成，在本发明中，执行器示踪器12有三个，并不共面的安装在末端执行器11上，三个执行器示踪器12组合配合覆盖的角度为270°，为了保证只要光学跟踪器3在末端执行器11正面就可以识别出其中某一个执行器示踪器12。
但是光学跟踪器3识别出示踪器会有误差，示踪器到导向通道的变换关系也存在一定的误差，为了减小这个误差就需要使用校准装置。一般地，光学跟踪器要识别出示踪器，必须要有此示踪器的反光位置的相对关系参数配置文件，而由于加工末端执行器加工和安装误差的影响，反光位置的加工参数与实际设计参数存在一定的偏差，如果偏差过大，则无法识别出示踪器，示踪器的反光材质常用的有三种，反光球，反光玻璃，LED灯，前两种是无源的，医疗上为一次性用品，后面这种是有源的，可以反复消毒使用，但是前面两种可以直接用三维测量仪去测量其安装参数，而LED灯无法直接测量其安装参数，也无法直接测量示踪器与导向通道之间的运动学参数关系。
针对本发明采用了LED灯的执行器示踪器11，在末端执行器11安装在机械臂1末端并通电后，保证末端执行器11上的LED灯正常工作，摆放好光学跟踪器3的位置，使得末端执行器11上的执行器示踪器12在光学跟踪器3的视野范围内。
光学跟踪器3根据其识别到的其中一执行器示踪器12的四个LED灯位置的设计参数生成其配置文件，并根据该配置文件识别出四个LED灯位置的空间坐标Q1、Q2、Q3、Q4及误差err，并上传到上位机4；并在其配置文件更新后重新获取该执行器示踪器12的四个LED灯位置的空间坐标和误差err，如果误差err<0.1则该执行器示踪器12校准完成；
上位机4根据前述四个LED灯位置的空间坐标重新计算其之间的位置关系，并更新光学跟踪器3的配置文件，并在光学跟踪器3校准完成后根据末端执行器11与该执行器示踪器12的设计参数完成末端执行器11的校准。
本发明还提供了一种机械臂末端执行器校准方法，图3为本发明中校准工装拟合机械臂末端示意图，如图3所示，包括如下步骤：
(1)进行执行器示踪器12与机械臂末端安装面校准；
(11)将末端执行器11安装在机械臂1末端，并通电，保证末端执行器11上的执行器示踪器12的LED灯正常工作；摆放好光学跟踪器3的位置，将末端执行器11末端对准光学跟踪器3，使得其中一执行器示踪器12在光学跟踪器3视野内；
(12)通过校准工装2的末端分别均匀触碰机械臂1末端及其安装面，再通过光学跟踪器3获取校准工装2的校准示踪器21位置，进而根据校准工装2设计参数计算得到各触碰点坐标，分别得到点集P和Q；
(13)使用点集Q拟合圆形，取该圆形的圆心作为机械臂末端安装面的中心点坐标O，并以其为原点建立机械臂末端坐标系；使用点集P和Q拟合圆柱，获取该圆柱的轴线L所在方向作为机械臂末端坐标系的Z轴方向；
(14)控制机械臂往机械臂坐标系下的Y轴方向移动10cm，保持其在机械臂坐标系下的X、Z轴方向不变，则定义机械臂移动方向为机械臂末端坐标系的Y轴，正方向即为其运动方向，确定机械臂末端坐标系的原点、Y轴和Z轴，则可通过叉乘获得机械臂末端坐标系的X轴的方向，建立起机械臂末端坐标系，得到机械臂末端在机械臂末端坐标系下的位姿，进而根据机械臂末端坐标系与机械臂坐标系之间的变换关系即可确定机械臂末端在机械臂坐标系下的位姿Ta；
(15)根据光学跟踪器获取执行器示踪器12的位姿Tb，根据光学跟踪器坐标系与机械臂坐标系之间的变换关系T即可计算得到执行器示踪器12到机械臂末端的变换关系Tm，计算如下：Tb*T*Tm＝Ta，则Tm＝Tb -1*T-1*Ta；
针对其他执行器示踪器，也采用上述方法进行校准。
(2)进行末端执行器校准；
(21)将执行器示踪器12的设计参数写进光学跟踪器3的配置文件内，光学跟踪器3根据配置文件识别得到执行器示踪器12的四个LED灯位置的空间坐标Q1、Q2、Q3、Q4及误差err；
(22)判断步骤(2)得到的误差err是否小于0.1；若小于，则判断执行器示踪器12校准完成；若不小于，则根据得到的执行器示踪器12的四个LED灯位置的空间坐标重新计算四个LED灯之间的位置关系，并更新光学跟踪器3的配置文件；
(23)光学跟踪器3根据更新后的配置文件识别得到执行器示踪器12的四个LED灯位置的空间坐标及误差err；
(24)重复步骤(22)和步骤(23)，直至误差err小于0.1位置；
(25)将校准工装2的工装通道22安装末端执行器11的执行通道内，固定好之后，通过光学示踪器3获取校准示踪器21的位置，并上传到上位机；
(26)根据步骤(24)和步骤(25)计算出执行器示踪器12到校准示踪器的变换关系，并根据校准工装2的设计参数计算得到工装通道22上两端面圆心P1和P2在执行器示踪器12下的坐标位置。
在本发明中，执行器示踪器12有三个，并不共面的安装在末端执行器11上，通过步骤(21)～步骤(26)对所有执行器示踪器12都进行校准。
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 (7)

1.一种机械臂末端执行器校准系统，其特征在于：包括：
校准工装，其上设有示踪器；
光学跟踪器，获取校准工装位置，且其内预设有执行器示踪器的配置参数，并根据该配置参数识别出执行器示踪器上各示踪球的位置及误差；
上位机根据校准工装末端触碰机械臂末端及其安装面得到其点集并进行拟合得到机械臂末端及其安装面的位姿，并据此得到机械臂末端与执行器示踪器之间的变换关系；
上位机根据光学跟踪器识别出的执行器示踪器上各示踪球的位置更新其配置参数，并在其得到的误差在设定阈值范围内确定校准完成。
2.根据权利要求1所述的机械臂末端执行器校准系统，其特征在于：所述校准工装上的示踪器为两个，其安装所覆盖的角度根据末端执行器示踪器的覆盖范围确定。
3.根据权利要求2所述的机械臂末端执行器校准系统，其特征在于：所述末端执行器示踪器数量为不共面的三个，其通过组合配合覆盖角度为270°。
4.根据权利要求1所述的机械臂末端执行器校准系统，其特征在于：所述末端执行器示踪器上的示踪球采用反光球，反光玻璃或LED灯。
5.一种采用权利要求1～4任一所述机械臂末端执行器校准系统的机械臂末端执行器校准方法，其特征在于：包括步骤：
(1)通过校准工装末端触碰机械臂末端及其安装面得到其点集并进行拟合得到机械臂末端的位姿，并变换至机械臂坐标系下，据此计算得到机械臂末端与执行器示踪器之间的变换关系；
(2)在光学跟踪器内预设末端执行器示踪器的配置参数，光学跟踪器根据该配置参数识别出末端执行器示踪器上各示踪球的位置及误差，并传输至上位机；
(3)上位机判断得到的误差是否在预设范围内，若在，则配准完成；若不在，则根据得到的末端执行器示踪器上各示踪球的位置重新计算末端执行器示踪器上各示踪球的位置关系，并更新光学跟踪器的配置参数；
(4)光学跟踪器根据更新后的配置参数识别得到执行器示踪器上各示踪球的位置及误差err，并上传至上位机；重复步骤(3)，直至误差在预设范围内；
(5)将校准工装与末端执行器配合安装，并通过光学示踪器获取校准工装上示踪器的位置，上位机据此计算得到末端执行器示踪器与校准工装上示踪器的变换关系。
6.根据权利要求5所述的机械臂末端执行器校准方法，其特征在于：所述步骤(1)具体为：
(11)通过校准工装末端分别均匀触碰机械臂末端及其安装面，再通过光学跟踪器获取校准示踪器位置，根据设计参数计算得到各触碰点坐标，分别得到点集P和Q；
(12)使用点集P和Q拟合圆柱，得到机械臂末端的位姿，并将其变换至机械臂坐标系下；
(13)计算得到执行器示踪器与机械臂末端的变换关系。
7.根据权利要求5所述的机械臂末端执行器校准方法，其特征在于：所述末端执行器示踪器数量为不共面的三个，其通过组合配合覆盖角度为270°；分别通过步骤(2)～(5)对所有末端执行器示踪器都进行校准。
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Address after: 210000 building 3, No. 34, Dazhou Road, Yuhuatai District, Nanjing, Jiangsu Province

Applicant after: Tuodao Medical Technology Co.,Ltd.

Address before: Room 102-86, building 6, 57 Andemen street, Yuhuatai District, Nanjing, Jiangsu 210000

Applicant before: Nanjing Tuodao Medical Technology Co.,Ltd.

GR01 Patent grant
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