CN114002243A - 一种ct成像系统世界坐标系的校准装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多自由度CT成像系统世界坐标系校准装置和方法，包括：圆锥体校准件和凹圆锥体校准件；所述圆锥体校准件的一端为圆锥体，中间连接有一段圆柱体，底端为法兰；所述凹圆锥体校准件的一端内部设置有凹圆锥体，中间连接有一段圆柱体，且在底端带有法兰；所述圆锥体和凹圆锥体相匹配；所述凹圆锥体侧面加工四个小孔作为观察窗，使实现圆锥体和凹圆锥体重合来校准两机械手之间的世界坐标系。

Description

一种CT成像系统世界坐标系的校准装置及方法
技术领域
本发明涉及测量领域，尤其是一种CT成像系统世界坐标系的校准装置及方法。
背景技术
CT(Computed Tomography)是计算机断层扫描成像的简称，以非接触式、非破坏式地检测物体内部结构，得到没有结构重叠的断层图像，不仅可以精确地给出物体内部细节的位置信息，而且还可以定量得到细节特征的密度的相对变化，这一点是其它无损检测手段所不具备的。近些年在微电子、医学、材料、生物等众多应用需求的促使下，CT成像得到了快速的发展，有对小尺寸样件达微米级甚至纳米级分辨的高分辨率CT；有对大型样件进行无损质量检测的常规CT，以及可穿透金属件的加速器CT等，高分辨率CT系统可实现不同分辨率的成像，但只适用于小样件，可检测样件大小受限于屏蔽间的大小；常规CT和加速器CT基本成像分辨率固定，适用于大型样件，成像模式单一，很难实现对于大型样件某一部位的定向检测；而基于机械手的CT成像系统，为目前各系统成像的局限性提供了解决方案，机械手CT分为单机械手CT和双机械手CT，单臂机械手只采用一个机械手，射线源和探测器通过C型或U型支架连接在一起，只是利用支架安装的末端轴转动完成CT数据采集，可以定位到大型样件的某个位置进行扫描，但成像放大比不可调，分辨率固定，自由度不高；双机械手CT由两个独立的机械手分别搭载射线源和探测器，由两机械手协同运动进行CT采集，该成像系统的优点有：1、灵活性强、自由度高(12轴)，可进行多种模式成像(透视，任意多角度透视、CT(圆轨迹、非圆轨迹)等)；2、既可以进行大型样件的大视野成像，也可以实现复杂结构物体局部位置高分辨率成像，对于复杂异形结构样件(未拆解的汽车车门、飞机机身关键部位等)，比现有常规CT更容易到达需要检测的各个位置)，因此基于双机械手的多自由度CT可以很好地应对各类应用场景的成像检测。
机械手现有的校准装置是两个圆锥体，通过尖端逼近来校准双机械手的坐标系统，主要是通过机械手动控制安装在法兰盘上的锥形顶针的顶尖与校准位置的顶针的顶尖对正，通过眼睛观察和手触来判断是否对正。
现有装置的缺点是两个圆锥体的顶尖校准过程中需要技术人员在两个圆锥体的轴线过交汇点垂线的方向上观察，另外，两个圆锥体的尖端校准过程中，无法确定两个圆锥体的轴线是否平行，无法进行双机械手的角度校准。另外，由于采用手动控制操作，无法量化距离，且需多次移动调整，效率较低，校准判断无基准，校准对齐的自由度太多，影响校准准确性，校准位置无记忆，校准过程无法重复。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种多自由度CT成像系统世界坐标系校准装置和方法，本发明的装置包括一个圆锥体和凹圆锥体，凹圆锥体侧面加工四个小孔作为观察窗，实现圆锥体和凹圆锥体重合来校准，既可以通过锥点接触实现点对点校准，又可以通过锥面接触实现两个机械手的方向校准。所述方法是基于两台机械手世界坐标系三点校准，每一台机械手分别对三个点(原点、X方向、Y方向)进行校准，记录坐标，进行世界坐标系校准数据录入。校准过程是：机械手在检查模式下通过控制校准运动程序的运行，实现校准运动的可控以及校准运动的高精度移动，确保每一次校准的准确性，以达到高精度世界坐标系校准的目的。
本发明的技术方案为：一种多自由度CT成像系统世界坐标系校准装置，包括：圆锥体校准件和凹圆锥体校准件；
所述圆锥体校准件的一端为圆锥体，中间连接有一段圆柱体，底端为法兰；
所述凹圆锥体校准件的一端内部设置有凹圆锥体，中间连接有一段圆柱体，且在底端带有法兰；所述圆锥体和凹圆锥体相匹配；
所述凹圆锥体侧面加工四个小孔作为观察窗，使实现圆锥体和凹圆锥体重合来校准两机械手之间的校准；
进一步的，圆锥体的圆锥角为60°，直径为20mm-50mm,圆锥体和凹圆锥体的圆柱段长度为直径的1-2倍。
根据本发明的另一方面，还提出一种根据所述的一种多自由度CT成像系统世界坐标系校准装置进行校准的方法，包括如下步骤：
步骤1、安装第一机械手1和第二机械手2的圆锥体校准件；
步骤2、安装标准位置A、B、C校准装置；
步骤3、将工具坐标系Z轴与基准坐标系Z轴对齐，圆锥体的锥尖竖直向下；
步骤4、手动将第一机械手1校准装置的圆锥体校准件运行到校准点A上方附近的位置；
步骤5、通过校正程序进行配合校准，校准装置外部结合处配合保证圆锥体锥尖和凹圆锥体轴线重合的准确性、通过四周观察窗观察校准装置结合处内部配合，确定配合准确性，储存校准位置；
步骤6、若标准位置A未完成校准，则重复步骤5；
步骤7，完成位置A校准后校准标准位置B；
步骤8、标准位置B的校准重复步骤4-5,标准位置A换成B；
步骤9、标准位置C的校准重复步骤4-5，标准位置B换成C；
步骤10、通过校准程序录入标准位置A、B、C的校准位置坐标，完成第一机械手1的世界坐标系的校准；
步骤11、重复步骤3-9完成第二机械手2的世界坐标系的校准；
步骤12、世界坐标系校准完成。
进一步的，所述步骤5中，凹锥体固定，圆锥体可控。首先调整圆锥体校准件XY方向坐标，使圆锥体校准件和凹锥体校准件轴线接近重合；调整圆锥体校准件Z向坐标使圆锥面I和凹圆锥面II不断逼近，接近极限距离时再调微调XY坐标；在此过程中不断调整α角，使得圆锥面和凹圆锥面的夹角α趋近于0°
有益效果：
本发明是一种多自由度CT成像系统世界坐标系校准装置和方法，基于该世界坐标系可以使双机械手采用一套统一的坐标系，利于双机械手复杂空间运动轨迹算法的开发和运动位置点的计算，有利于机械手同步运动协同控制，避免了双机械手双坐标系的空间误差、双机械手双坐标系关系校准误差的影响等，可确保CT数据获取的准确性。
本发明的校准装置既可以通过锥点接触实现点对点校准，又可以通过锥面接触实现两个机械手的方向校准，使点对点校准精度和方向校准精度相对可控，提高了世界坐标系建立和校准的准确性。
基于本发明校准装置的校准方法的优点：校准装置具有较少自由度，以往的接触式校准都是点对点或者面对面，自由度很高，校准操作随意，准确性不高。校准装置具备三重校准自验证(通过适配后标准锥面配合，实体锥尖与虚拟锥尖对齐确定配准单轴自由度；校准装置外部结合处配合保证适配准确性；通过四周观察窗观察校准装置结合处内部配合，确定配合准确性)。该方法通过校准程序实现运动轨迹可控，高精度速度和距离的运动可控，以往的接触式校准都是在手动模式下JOG运动进行校准，运动轨迹、运动速度和精度不可控。通过校准程序还能实现校准位置的记忆，可进行校准位置恢复，能灵活的实现机械手校准数据的录入，还可以修改校准程序适应多种机械手进行辅助校准。
附图说明
图1为圆锥体和凹圆锥体配合示意图；
图2为圆锥体和凹圆锥体；
图3为校准位置布局图；
图4为校准流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。根据本发明的一个实施例，提供一种多自由度CT成像系统世界坐标系校准装置，校准装置包括一个圆锥体校准件和凹圆锥体校准件；
所述圆锥体校准件的一端为圆锥体，中间连接有一段圆柱体，底端为法兰；
所述凹圆锥体校准件的一端内部设置有凹圆锥体，中间连接有一段圆柱体，且在底端带有法兰；所述凹圆锥体侧面加工四个小孔作为观察窗，使实现圆锥体和凹圆锥体重合来校准两机械手之间的校准。
圆锥体的圆锥角为60°，直径为20mm-50mm,圆锥体和凹圆锥体的圆柱段长度为直径的1-2倍，法兰尺寸与机械手对应的安装尺寸相符，精度等级按照GB/T11334AT7执行，凹圆锥尺寸与之匹配，精度等级按照GB/T11334AT7执行。
该装置不仅保留了传统双圆锥体校准装置点对点校准的功能，还增加了双机械手的方向校准功能。校准过程中，与传统校准装置的观察两个圆锥体尖端对准情况相比，通过观察窗观察面接触增加了校准过程的可操作性。与传统校准装置相比，本发明可提供更准确的更全面的校准数据。
根据图1所示，凹锥体固定，圆锥体可控。首先调整圆锥体校准件XY方向坐标，使圆锥体校准件和凹锥体校准件轴线接近重合；调整圆锥体校准件Z向坐标使圆锥面I和凹圆锥面II不断逼近，接近极限距离时再调微调XY坐标；在此过程中不断调整α角，使得圆锥面和凹圆锥面的夹角α趋近于0°。
为了确保机械手世界坐标系的校准精度，图3中标准位置A、B、C，需要围绕机械手实际作业范围取得。世界坐标系是以标准位置A为原点，设定成X轴通过标准位置A和标准位置B两点，世界坐标系Y轴在包括标准位置A、B、C表示点的XY平面上，以及标准位置C表示正方向。根据周边干涉等，标准位置A、B、C的安装除可能位置有限制的情况下取最大距离设定A、B、C三点。方法是基于两台机械手世界坐标系三点校准，每一台机械手分别对三个点(原点、X方向、Y方向)进行校准，记录坐标，进行世界坐标系校准数据录入。校准过程通过在机械手检查模式下控制校准运动程序运行，实现校准运动的可控以及校准运动的高精度移动，确保每一次校准的准确性，以达到高精度世界坐标系校准的目的。
参见图4，本发明的校准方法，具体包括如下步骤：
步骤1、安装第一机械手1和第二机械手2的圆锥体校准件；
步骤2、安装标准位置A、B、C校准装置；
步骤3、将工具坐标系Z轴与基准坐标系Z轴对齐，圆锥体的锥尖竖直向下；
步骤4、手动将第一机械手1校准装置的圆锥体校准件运行到校准点A上方附近的位置；
步骤5、通过校正程序进行配合校准，校准装置外部结合处配合保证圆锥体锥尖和凹圆锥体轴线重合的准确性、通过四周观察窗观察校准装置结合处内部配合，确定配合准确性，储存校准位置；
步骤6、若标准位置A未完成校准，则重复步骤5；
步骤7，完成位置A校准后校准标准位置B；
步骤8、标准位置B的校准重复步骤4-5,标准位置A换成B；
步骤9、标准位置C的校准重复步骤4-5，标准位置B换成C；
步骤10、通过校准程序录入标准位置A、B、C的校准位置坐标，完成第一机械手1的世界坐标系的校准；
步骤11、重复步骤3-9完成第二机械手2的世界坐标系的校准；
步骤12、世界坐标系校准完成。
进一步的，在校准过程中两个机械手分别驱动该装置不断逼近时，可通过观察窗观察并及时作出判断，既可以通过锥点接触实现点对点校准，又可以通过锥面接触实现两个机械手的方向校准，通过保证锥面机械加工的精度误差，使点对点校准精度和方向校准精度相对可控，便于控制世界坐标系建立和校准的准确性。
本发明的另一目的是实现自动化的校准方法，该方法的优点为：校准动作可通过程序进行控制、能通过修改程序参数控制移动的距离和速度，实现定量微小的高精度校准、可以通过校准程序记忆校准的位置，然后在机械手根据记忆校准位置的程序依次完成三个位置的校准数据录入。
本发明的一种多自由度CT成像系统世界坐标系校准装置和方法，基于该世界坐标系可以使双机械手采用一套统一的坐标系，利于双机械手复杂空间运动轨迹算法建立和运动位置点的计算，有利于机械手同步运动协同控制，避免了双机械手双坐标系的空间误差、双机械手双坐标系关系校准误差的影响等，可确保CT数据获取的准确性。
本发明的另一应用是适用于其它基于机械手的多自由度CT成像系统。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种多自由度CT成像系统世界坐标系校准装置，其特征在于，包括：圆锥体校准件和凹圆锥体校准件；
所述圆锥体校准件的一端为圆锥体，中间连接有一段圆柱体，底端为法兰；
所述凹圆锥体校准件的一端内部设置有凹圆锥体，中间连接有一段圆柱体，且在底端带有法兰；所述圆锥体和凹圆锥体相匹配；
所述凹圆锥体侧面加工四个小孔作为观察窗，使实现圆锥体和凹圆锥体重合来校准两机械手之间的世界坐标系。
2.根据权利要求1所述的一种多自由度CT成像系统世界坐标系校准装置，其特征在于，
圆锥体的圆锥角为60°，直径为20mm-50mm,圆锥体和凹圆锥体的圆柱段长度为直径的1-2倍。
3.一种根据权利要求1-2之一所述的一种多自由度CT成像系统世界坐标系校准装置进行校准的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、安装第一机械手和第二机械手的圆锥体校准件；
步骤2、安装标准位置A、B、C校准装置；
步骤3、将工具坐标系Z轴与基准坐标系Z轴对齐，圆锥体的锥尖竖直向下；
步骤4、手动将第一机械手校准装置的圆锥体校准件运行到校准点A上方附近的位置；
步骤5、通过校正程序进行配合校准，校准装置外部结合处配合保证圆锥体锥尖和凹圆锥体轴线重合的准确性、通过四周观察窗观察校准装置结合处内部配合，确定配合准确性，储存校准位置；
步骤6、若标准位置A未完成校准，则重复步骤5；
步骤7，完成位置A校准后校准标准位置B；
步骤8、标准位置B的校准重复步骤4-5,标准位置A换成B；
步骤9、标准位置C的校准重复步骤4-5，标准位置B换成C；
步骤10、通过校准程序录入标准位置A、B、C的校准位置坐标，完成第一机械手的世界坐标系的校准；
步骤11、重复步骤3-9完成第二机械手的世界坐标系的校准；
步骤12、世界坐标系校准完成。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤5中，凹锥体固定，圆锥体可控，首先调整圆锥体校准件XY方向坐标，使圆锥体校准件和凹锥体校准件轴线接近重合；调整圆锥体校准件Z向坐标使圆锥面I和凹圆锥面II不断逼近，接近极限距离时再调微调XY坐标；在此过程中不断调整α角，使得圆锥面和凹圆锥面的夹角α趋近于0°。
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