CN114888792B - 一种基于tcp法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，步骤包括，基于刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点，建立刀具坐标系；计算所述刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标；根据所述刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标，计算出刀具坐标系相对机器人末端坐标系的齐次变换矩阵；本发明实现了刀具平面在机器人末端坐标系下的姿态的标定，在机器人夹持刀具的工作中，有助于对刀具姿态进行准确控制。

Description

一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法
技术领域
本发明涉及机器人工具标定技术领域，更具体的说是涉及一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法。
背景技术
在机器人把持刀具执行切割过程中，刀具的切割位置和刀具平面必须与医生术前规划的切割位置和切割平面重合。刀具的切割运动会形成切割缝平面，随着切割的深入，刀具平面会进入切割缝。由于骨组织具有一定刚度，因此机器人控制刀具的切割运动，必须保持刀具平面与切割缝平面的重合，否则刀具受到垂直于刀具平面的力，会使切割轨迹变形，或者使刀具崩断。因此，在机器人辅助截骨成型手术中，需要准确标定截骨刀具在机器人坐标系中的位姿参数，这样才能使刀具精准到达切割位置并完成切割。
目前已有的机器人工具标定方法中，主要可分为两类。第一类主要面向对工具的姿态没有特别要求的弧焊机器人，仅需要标定末端工具的TCP(Tool Center Point)在机器人工具坐标系中位置。第二类是面向类似钻孔机器人进行标定，除了获取钻头TCP参数，还需要标定钻头钻轴在机器人末端工具坐标系的参数信息。现有的机器人工具标定方法，都不能对满足截骨机器人对切割刀具的标定要求，因此亟需发明一种能精确获得切割刀具TCP和刀具平面在机器人末端工具坐标系中参数信息的标定方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，实现了刀具平面在机器人末端坐标系下的姿态的标定，在机器人夹持刀具的工作中，有助于对刀具姿态进行准确控制。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，步骤包括，基于刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点，建立刀具坐标系；
计算所述刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标；
根据所述刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标，计算出刀具坐标系相对机器人末端坐标系的齐次变换矩阵。
进一步的，所述基于刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点，建立刀具坐标系包括，
标记刀具尖点、刀具左侧点及刀具右侧点，并以刀具左侧点指向刀具右侧点的向量作为刀具坐标系的X轴，以刀具左侧点及刀具右侧点连线上的一点指向刀具尖点作为刀具坐标系的Z轴；所述Z轴和X轴保持垂直，建立刀具坐标系。
进一步的，计算所述刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标，包括：
获取机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵；
确认所述刀具坐标系、机器人基坐标系和机器人末端坐标系的坐标转换关系：
根据坐标转换关系计算出刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点在机器人末端坐标系下的坐标，并计算垂足点在机器人末端坐标系中的坐标。
进一步的，所述获取机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵包括，
在机器人的工作空间内放置一个固定点；依次使所述刀具尖点、所述刀具左侧点和所述刀具右侧点与所述固定点重合；
对于每次重合，调整机器人的四个不同姿态得到机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵
进一步的，所述刀具坐标系、机器人基坐标系和机器人末端坐标系的坐标转换关系为：
则/>
则
其中，为刀具坐标系相对机器人基坐标系的齐次变换矩阵；/>为机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵；/>为刀具坐标系相对于机器人末端坐标系的齐次变换矩阵；/>分别为/>的旋转矩阵和平移矩阵；/>分别为/>的旋转矩阵和平移矩阵；/>分别为/>的旋转矩阵和平移矩阵。
进一步的，根据所述坐标转换关系得到刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点在机器人末端坐标系下的坐标，并计算垂足点在机器人末端坐标系中的坐标包括：
将刀具坐标系的原点依次设置在所述刀具尖点、所述刀具左侧点或刀具右侧点；
根据坐标转换关系，采用最小二乘法计算出所述刀具尖点、所述刀具左侧点或刀具右侧点在机器人末端坐标系下的坐标：
则
所述刀具尖点、所述刀具左侧点或刀具右侧点在机器人末端坐标系下的坐标分别表示为和/>
计算刀具的垂足坐标
进一步的，计算出刀具坐标系相对机器人末端坐标系的齐次变换矩阵，包括计算刀具坐标系相对与末端座标系的旋转矩阵：
刀具坐标系Z轴向量在末端座标系下的表示为：
刀具坐标系X轴向量在末端座标系下的表示为：
计算刀具坐标系相对与末端座标系的旋转矩阵
其中，ax、ox、nx表示在末端坐标系下的刀具坐标系X轴单位向量，ay、oy、ny表示在末端坐标系下的刀具坐标系Z轴单位向量,az、oz、nz表示在末端坐标系下的刀具坐标系Z轴单位向量。
进一步的，计算出刀具坐标系相对机器人末端坐标系的齐次变换矩阵，还包括根据所述旋转矩阵计算齐次变换矩阵：
选择刀具尖点作为刀具坐标系的原点，则刀具坐标系相对于机器人末端坐标系的齐次变换矩阵为：
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，利用四点法获得刀具尖点、刀具左侧点及刀具右侧点，并构建刀具坐标系；根据最小二乘法，获得所述刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标；所述刀具垂足点为所述刀具尖点在刀具左侧点与刀具右侧点连线上的垂足；计算出刀具坐标系相对机器人末端坐标系的齐次变换矩阵，实现标定刀具平面在机器人末端坐标系下的姿态。该方法应用到机器人夹持刀具工作中，，通过TCP四点法的方法得到刀具平面上三个点在机器人末端坐标系的坐标，并以这三个点构建坐标系，弥补了之前刀具姿态标定需要人为判断方向，标定不准确的缺点。由于未利用高精度传感器设备采集位姿，利用本发明方法进行刀具标定具有便捷及低成本的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法流程图；
图2附图为本发明中机器人末端坐标系下各点的计算方法示意图；
图3附图为本发明提供的一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法示意图。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图2和图3本发明实施例公开了一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，步骤包括，
S1：基于刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点，建立刀具坐标系；
S2：计算刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标；
S3：根据刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标，计算出刀具坐标系相对机器人末端坐标系的齐次变换矩阵。
在另一实施例中，基于刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点，建立刀具坐标系包括，
标记刀具尖点、刀具左侧点及刀具右侧点，并以刀具左侧点指向刀具右侧点的向量作为刀具坐标系的X轴，以刀具左侧点及刀具右侧点连线上的一点指向刀具尖点作为刀具坐标系的Z轴；Z轴和X轴保持垂直，建立刀具坐标系。
在另一实施例中，计算刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标，包括：
S21：获取机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵；
S22：确认刀具坐标系、机器人基坐标系和机器人末端坐标系的坐标转换关系：
S23：根据坐标转换关系得到刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点在机器人末端坐标系下的坐标，并计算垂足点在机器人末端坐标系中的坐标；其中，刀具垂足点为所述刀具尖点在刀具左侧点与刀具右侧点连线上的垂足。
在另一实施例中，获取机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵包括，
在机器人的工作空间内放置一个固定点；依次使刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点与固定点重合；
对于每次重合，通过调整机器人关节轴角度，调整机器人的四个不同姿态得到机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵
在另一实施例中，刀具坐标系、机器人基坐标系和机器人末端坐标系的坐标转换关系为：
则/>
则
其中，为刀具坐标系相对机器人基坐标系的齐次变换矩阵；/>为机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵；/>为刀具坐标系相对于机器人末端坐标系的齐次变换矩阵；/>分别为/>的旋转矩阵和平移矩阵；/>分别为/>的旋转矩阵和平移矩阵；/>分别为/>的旋转矩阵和平移矩阵。
在另一实施例中，根据坐标转换关系得到刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点在机器人末端坐标系下的坐标，并计算垂足点在机器人末端坐标系中的坐标包括：
由于表示刀具坐标系相对于机器人末端坐标系的平移向量，则将刀具坐标系的原点依次设置在所述刀具尖点、所述刀具左侧点或刀具右侧点，则/>分别表示刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点在机器人末端坐标系的平移向量；
根据坐标转换关系，采用最小二乘法计算出刀具尖点、刀具左侧点或刀具右侧点在机器人末端坐标系下的坐标：
则
其中，和/>分别表示第1、2、3、4次调整姿态后，机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的平移矩阵；/>和/>分别表示第1、2、3、4次调整姿态后，机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的旋转矩阵；
刀具尖点、刀具左侧点或刀具右侧点在机器人末端坐标系下的坐标分别表示为和/>
计算刀具的垂足坐标
在另一实施例中，计算出刀具坐标系相对机器人末端坐标系的齐次变换矩阵，包括计算刀具坐标系相对与末端座标系的旋转矩阵：
刀具坐标系Z轴向量在末端座标系下的表示为：
刀具坐标系X轴向量在末端座标系下的表示为：
计算刀具坐标系相对与末端座标系的旋转矩阵
其中，ax、ox、nx表示在末端坐标系下的刀具坐标系X轴单位向量，ay、oy、ny表示在末端坐标系下的刀具坐标系Z轴单位向量,az、oz、nz表示在末端坐标系下的刀具坐标系Z轴单位向量。
在本实施例中，计算出刀具坐标系相对机器人末端坐标系的齐次变换矩阵，还包括根据旋转矩阵计算齐次变换矩阵：
选择刀具尖点作为刀具坐标系的原点，则刀具坐标系相对于机器人末端坐标系的齐次变换矩阵为/>
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，其特征在于，步骤包括，
基于刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点，建立刀具坐标系；
计算所述刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标；获取机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵；确认所述刀具坐标系、机器人基坐标系和机器人末端坐标系的坐标转换关系：根据所述机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵以及坐标转换关系得到刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点在机器人末端坐标系下的坐标，并计算垂足点在机器人末端坐标系中的坐标；
根据所述刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点及刀具垂足点在机器人末端坐标系中的坐标，计算出刀具坐标系相对机器人末端坐标系的齐次变换矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，其特征在于，所述基于刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点，建立刀具坐标系包括，
标记刀具尖点、刀具左侧点及刀具右侧点，并以刀具左侧点指向刀具右侧点的向量作为刀具坐标系的X轴，以刀具左侧点及刀具右侧点连线上的一点指向刀具尖点作为刀具坐标系的Z轴；所述Z轴和X轴保持垂直，建立刀具坐标系。
3.根据权利要求1所述的一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，其特征在于，所述获取机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵包括，
在机器人的工作空间内放置一个固定点；依次使所述刀具尖点、所述刀具左侧点和所述刀具右侧点与所述固定点重合；
对于每次重合，调整机器人的四个不同姿态得到机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵
4.根据权利要求3所述的一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，其特征在于，所述刀具坐标系、机器人基坐标系和机器人末端坐标系的坐标转换关系为：
则
其中，为刀具坐标系相对机器人基坐标系的齐次变换矩阵；/>为机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵；/>为刀具坐标系相对于机器人末端坐标系的齐次变换矩阵；/>分别为/>的旋转矩阵和平移矩阵；/>分别为的旋转矩阵和平移矩阵；/>分别为/>的旋转矩阵和平移矩阵。
5.根据权利要求4所述的一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，其特征在于，根据所述坐标转换关系得到刀具尖点、刀具左侧点和刀具右侧点在机器人末端坐标系下的坐标，并计算垂足点在机器人末端坐标系中的坐标包括：
将刀具坐标系的原点依次设置在所述刀具尖点、所述刀具左侧点或刀具右侧点，则分别表示刀具尖点、刀具左侧点、刀具右侧点在机器人末端坐标系的平移向量；
根据坐标转换关系，采用最小二乘法计算出所述刀具尖点、所述刀具左侧点或刀具右侧点在机器人末端坐标系下的坐标：
则
所述刀具尖点、所述刀具左侧点或刀具右侧点在机器人末端坐标系下的坐标分别表示为和/>
计算刀具的垂足坐标
6.根据权利要求5所述的一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，其特征在于，计算出刀具坐标系相对机器人末端坐标系的齐次变换矩阵，包括计算刀具坐标系相对与末端座标系的旋转矩阵：
刀具坐标系Z轴向量在末端座标系下的表示为：
刀具坐标系X轴向量在末端座标系下的表示为：
计算刀具坐标系相对与末端座标系的旋转矩阵
其中，ax、ox、nx表示在末端坐标系下的刀具坐标系X轴单位向量，ay、oy、ny表示在末端坐标系下的刀具坐标系Z轴单位向量,az、oz、nz表示在末端坐标系下的刀具坐标系Z轴单位向量。
7.根据权利要求6所述的一种基于TCP法的截骨机器人系统中刀具坐标系标定方法，其特征在于，计算出刀具坐标系相对机器人末端坐标系的齐次变换矩阵，还包括根据所述旋转矩阵计算齐次变换矩阵：
选择刀具尖点作为刀具坐标系的原点，则刀具坐标系相对于机器人末端坐标系的齐次变换矩阵为：
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