CN113799127A - 光学双目定位系统下六自由度机械臂无标定位姿定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学双目定位系统下六自由度机械臂无标定位姿定位方法,包括:1)构建角度雅可比矩阵和位置雅可比矩阵;2)将角度雅可比矩阵和位置雅可比矩阵展开为一维向量,以展开后的一维向量作为状态量分别构建平方根无迹卡尔曼滤波非线性模型;3)在以角度雅可比矩阵和位置雅可比矩阵为状态量构建的平方根无迹卡尔曼滤波非线性模型下分别对状态量进行在线估计,根据估计得到的图像雅可比矩阵计算六自由度机械臂任务空间欧拉角控制量和位置控制量,最终得到最优状态量实现六自由度机械臂位姿定位。本方法无需采集大量数据进行术前标定,不受光学双目定位系统与六自由度机械臂之间相对位置改变影响,精度高,可提高手术机器人系统临床适用性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗机器人的技术领域,尤其是指一种光学双目定位系统下六自由度机械臂无标定位姿定位方法。
背景技术
近年来,手术机器人在骨科、神经外科、牙科等领域得到良好发展并初步应用于临床,在定位方式中较为广泛的应用有光学定位和电磁定位,其中光学定位具有精度高、使用方便、不受电磁环境干扰等优点。光学双目定位系统引导下的机械臂定位方法可分为有标定和无标定方法。现有手术机器人系统大多采用有标定定位方法,通过固定在手术机械臂末端执持器上的光学靶标运动确定机器人系统内各部件之间的空间位置关系,实现双目定位系统三维空间到机械臂任务空间的转换。然而为减小机械臂运动误差影响,有标定定位方法需采集大量机械臂运动数据,耗时较长;且一旦光学双目定位系统与机械臂基座之间相对位置改变则需重新计算标定参数。机械臂无标定定位方法无需事先标定,在机械臂步进过程中对未知参数进行实时在线估计,最终系统偏差收敛完成机械臂位姿定位。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足,提出一种光学双目定位系统下六自由度机械臂无标定位姿定位方法,无需术前标定,可实现手术工具的角度与位置快速定位,提高临床适用性。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:光学双目定位系统下六自由度机械臂无标定位姿定位方法,该方法需要用到带有反光标记球的手术工具,所述手术工具固定于六自由度机械臂的末端,并位于光学双目定位系统的视野范围内,其包括以下步骤:
1)分别以光学双目定位系统下的手术工具的角度和位置为图像特征构建角度雅可比矩阵和位置雅可比矩阵;
2)将角度雅可比矩阵和位置雅可比矩阵展开为一维向量,以展开后的一维向量作为状态量分别构建平方根无迹卡尔曼滤波非线性模型;
3)在以角度雅可比矩阵和位置雅可比矩阵为状态量构建的平方根无迹卡尔曼滤波非线性模型下分别对状态量进行在线估计,根据估计得到的图像雅可比矩阵计算六自由度机械臂任务空间欧拉角控制量和位置控制量,最终得到最优状态量实现六自由度机械臂位姿定位。
进一步,在步骤1),构建的角度雅可比矩阵Jd和位置雅可比矩阵Jp具体如下:
进一步,在步骤2),以角度雅可比矩阵展开的一维向量为系统状态量构建平方根无迹卡尔曼滤波非线性模型:
以位置雅可比矩阵展开的一维向量为系统状态量构建平方根无迹卡尔曼滤波非线性模型:
进一步,在步骤3),进行在线估计,包括以下步骤:
32)在角度雅可比矩阵一维展开向量构建的平方根无迹卡尔曼滤波模型下,根据k-1时刻状态量及其误差协方差平方根估计k时刻状态量及其误差协方差平方根k时刻状态量转换成角度雅可比矩阵估计值后计算六自由度机械臂k+1时刻欧拉角控制量;在位置雅可比矩阵一维展开向量构建的平方根无迹卡尔曼滤波模型下,根据k-1时刻状态量及其误差协方差平方根估计k时刻状态量及其误差协方差平方根k时刻状态量转换成位置雅可比矩阵估计值并计算六自由度机械臂k+1时刻位置控制量;
33)将六自由度机械臂上述欧拉角控制量和位置控制量输入控制系统并控制其到达后,获取当前手术工具的角度向量和位置向量,计算其与目标角度向量和位置向量之差,若小于误差阈值则表示定位成功,否则回到步骤32)。
进一步,在步骤32),计算六自由度机械臂的欧拉角控制量和位置控制量,具体如下:
计算六自由度机械臂k+1时刻欧拉角控制量:
计算六自由度机械臂k+1时刻位置控制量:
本发明与现有技术相比,具有如下优点和有益效果:
1、本发明提出了光学双目定位系统下六自由度机械臂无标定位姿定位,无需采集大量数据进行术前标定,不受光学双目定位系统与六自由度机械臂之间相对位置改变影响。
2、本发明提出的光学双目定位系统下六自由度机械臂无标定位姿定位方法基于平方根无迹卡尔曼滤波框架实现,精度高,收敛性好,可解决有标定技术中的耗时长问题。
3、本发明提出的光学双目定位系统下六自由度机械臂无标定位姿定位方法操作简单,使用灵活,可大大提高手术机器人系统临床适用性。
附图说明
图1为本发明实例的场景构成示意图。
图2为本发明的无标定位姿定位逻辑流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明,但本发明的实施方式不限于此。
本实施例公开了一种光学双目定位系统下六自由度机械臂无标定位姿定位方法,如图1所示,该方法需要用到带有反光标记球的手术工具3,所述手术工具固定于六自由度机械臂1的末端,并位于光学双目定位系统2的视野范围内。如图2所示,该方法包括以下步骤:
1)分别以光学双目定位系统下的手术工具的角度和位置为图像特征构建角度雅可比矩阵Jd和位置雅可比矩阵Jp:
2)Jd、Jp展开成一维向量得到:
以Xd为状态量构建平方根无迹卡尔曼滤波非线性模型:
以Xp为系统状态量构建平方根无迹卡尔曼滤波非线性模型:
4)角度雅可比矩阵一维展开向量构建的平方根无迹卡尔曼滤波非线性模型根据k-1时刻状态量及其误差协方差估计k时刻状态量及其误差协方差,位置雅可比矩阵一维展开向量构建的平方根无迹卡尔曼滤波非线性模型根据k-1时刻状态量及其误差协方差估计k时刻状态量及其误差协方差
6)将六自由度机械臂上述欧拉角控制量和位置控制量输入控制系统使其到达,然后获取当前手术工具的角度向量和位置向量计算其与目标位姿之差,若小于误差阈值则表示定位成功,否则回到步骤4)。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.光学双目定位系统下六自由度机械臂无标定位姿定位方法,其特征在于:该方法需要用到带有反光标记球的手术工具,所述手术工具固定于六自由度机械臂的末端,并位于光学双目定位系统的视野范围内,其包括以下步骤:
1)分别以光学双目定位系统下的手术工具的角度和位置为图像特征构建角度雅可比矩阵和位置雅可比矩阵;
2)将角度雅可比矩阵和位置雅可比矩阵展开为一维向量,以展开后的一维向量作为状态量分别构建平方根无迹卡尔曼滤波非线性模型;
3)在以角度雅可比矩阵和位置雅可比矩阵为状态量构建的平方根无迹卡尔曼滤波非线性模型下分别对状态量进行在线估计,根据估计得到的图像雅可比矩阵计算六自由度机械臂任务空间欧拉角控制量和位置控制量,最终得到最优状态量实现六自由度机械臂位姿定位。
3.根据权利要求1所述的光学双目定位系统下六自由度机械臂无标定位姿定位方法,其特征在于,在步骤2),以角度雅可比矩阵展开的一维向量为系统状态量构建平方根无迹卡尔曼滤波非线性模型:
以位置雅可比矩阵展开的一维向量为系统状态量构建平方根无迹卡尔曼滤波非线性模型:
4.根据权利要求1所述的光学双目定位系统下六自由度机械臂无标定位姿定位方法,其特征在于,在步骤3),进行在线估计,包括以下步骤:
32)在角度雅可比矩阵一维展开向量构建的平方根无迹卡尔曼滤波模型下,根据k-1时刻状态量及其误差协方差平方根估计k时刻状态量及其误差协方差平方根k时刻状态量转换成角度雅可比矩阵估计值后计算六自由度机械臂k+1时刻欧拉角控制量;在位置雅可比矩阵一维展开向量构建的平方根无迹卡尔曼滤波模型下,根据k-1时刻状态量及其误差协方差平方根估计k时刻状态量及其误差协方差平方根k时刻状态量转换成位置雅可比矩阵估计值并计算六自由度机械臂k+1时刻位置控制量;
33)将六自由度机械臂上述欧拉角控制量和位置控制量输入控制系统并控制其到达后,获取当前手术工具的角度向量和位置向量,计算其与目标角度向量和位置向量之差,若小于误差阈值则表示定位成功,否则回到步骤32)。
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