CN116942314A - 光学定位和机械定位混合的定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光学定位和机械定位混合的定位方法及系统，属于手术导航技术领域，该方法包括：在术前，采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准；在术中，采用无遮挡机械定位方式对目标物体进行位姿测量，所述无遮挡机械定位方式包括：根据各个关节处编码器实时读取的角度数以及术前通过光学标定方式获得的运动学模型，获得物体相对于参考系的转移矩阵，从而计算获得被测量物体的相对位置和姿态。通过本公开的处理方案，将光学标定的灵活性和机械定位的准确性相结合，可实现降低成本的同时保证其在狭小空间内手术的高绝对定位精度。
Description
技术领域
本公开涉及手术导航技术领域，尤其涉及一种光学定位和机械定位混合的定位方法及系统。
背景技术
随着科学技术的不断发展，手术机器人越来越普及。为保证术中安全性，要求手术机器人具有高绝对定位精度。目前，临床常用的定位方式有光学定位和机械定位两种，前者通过光学捕捉判断物体在空间中的相对位置，后者通过纯粹的运动学确定物体的相对位置。这两种方式都存在着一定问题：1)光学定位方式：①受外部环境因素干扰较大，当测试环境内存在其他反光点或光学标识点被遮挡的情况，标定精度和标定结果的可靠性将下降；②空间测量范围大，且目标大，不适用于狭小空间内的手术定位；2)机械定位方式：机械部件较小，空间测量范围小，且不怕遮挡，但存在机械磨损现象，导致精度降低，需要定期反复标定维护。
为解决上述问题，本发明公开一种光学定位和机械定位混合的定位方法，通过混合运用两种定位方式，将光学标定的灵活性和机械定位的准确性相结合，使系统具有高绝对定位精度，同时降低了成本、提高了手术导航系统的适应性，使其在狭小空间内的手术(如口腔手术)定位成为可能。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例提供一种光学定位和机械定位混合的定位方法及系统，以至少部分解决现有技术中存在的问题。
第一方面，本公开实施例提供了一种光学定位和机械定位混合的定位方法，包括：
在术前，采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，所述光学标定方式包括：通过转动机械臂各个关节，采集记录点阵数据，对组合轨迹进行拟合处理后计算获得DH参数，最终获得机械臂的精确运动学模型；
在术中，采用无遮挡机械定位方式对目标物体进行位姿测量，所述无遮挡机械定位方式包括：根据各个关节处编码器实时读取的角度数以及术前通过光学标定方式获得的运动学模型，获得物体相对于参考系的转移矩阵，从而计算获得被测量物体的相对位置和姿态。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述在术前采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，包括：
将用于空间定位的光学标识点阵设置在机械臂的各个关节连杆上；
在采集标定数据时，通过转动机械臂各个关节连杆，利用光学追踪仪捕捉光学标识点的点阵坐标，获得形成的组合轨迹。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述在术前采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，还包括：
将采集到的关节1的3D轨迹A通过奇异值分解拟合转换为2D轨迹Ac，获得旋转平面，从而获得旋转平面法向量即为坐标系z1轴，计算过程如下：
A＝[x1 x2…xN]
其中，[x1 x2…xN]表示三维点集合，表示正规化和中心化的测量点，U表示特征值，S表示奇异值分解中特征值为主对角线的矩阵，VT表示特征向量所张成的矩阵，B表示右手正交基底，det(U)表示奇异值分解中特征值为主对角线的矩阵的行列式，[b1 b2 b3]表示右手正交基底的各列，Ac表示测量点在二维欧几里得空间的投影，Pc表示投影矩阵，/>表示中心化的测量点。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述在术前采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，还包括：
将关节1的2D轨迹拟合转换为2D圆，从而获得圆的半径r1，以及圆心o1，将圆心o1作为关节1的坐标系原点，计算过程如下：
其中，表示由测量点在二维欧几里得空间的投影与单位一组成的线性方程组的矩阵，xc表示线性方程组的未知参数，bc表示二维圆的坐标，c1、c2、k3表示需要求解的未知参数，xi表示三维点集合。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述在术前采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，还包括：
对各个关节的运动轨迹拟合完成之后，获得各个关节的旋转轴zi和坐标系原点oi；
通过各个关节的旋转轴zi和坐标系原点oi，根据坐标系建立规则设定相应的DH坐标系。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述在术前采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，还包括：
计算DH参数，并根据运动学模型公式(1)和公式(2)，获得机械臂的精确运动学模型；
公式(1)：
公式(2)：
其中，M表示转移矩阵，θ表示绕z轴的旋转角，a表示连杆长度，α表示关节扭角，d表示关节偏移。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述在术中采用无遮挡机械定位方式对目标物体进行位姿测量，还包括：
通过各个关节处的编码器实时读取各个关节的角度数θi，并通过高性能总线与上位机进行通信控制。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述在术中采用无遮挡机械定位方式对目标物体进行位姿测量，还包括：
根据获得的角度数θi，结合借助术前光学标定获得的运动学模型公式(1)和公式(2)，获得物体相对于参考系的转移矩阵M。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述在术中采用无遮挡机械定位方式对目标物体进行位姿测量，还包括：
根据公式(3)计算获得被测量物体的相对位置和姿态，
公式(3)：
其中，表示被测量物体的位姿，M表示转移矩阵，/>表示被测量物体在工具端参考系中的位姿。
第二方面，本公开实施例提供了一种光学定位和机械定位混合的定位系统，包括：
机械臂，所述机械臂具有多个关节，每个关节上装有编码器；
光学标识点，所述光学标识点术前校准过程中使用，所述光学标识点固定在机械臂各个连杆上，位姿随机械臂的运动而变化，用于实时在线标定；
光学追踪仪，所述光学追踪仪在术前校准过程中使用，所述光学追踪仪固定在机械臂本体外的空间中，与世界坐标系的位姿保持不变，用于实时读取各连杆上光学标识点的相对位置，进而实现第一方面或第一方面任一实现方式所述的方法。
第三方面，本公开实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使该计算机执行前述第一方面或第一方面的任一实现方式中的光学定位和机械定位混合的定位方法。
第四方面，本公开实施例还提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算程序，该计算机程序包括程序指令，当该程序指令被计算机执行时，使该计算机执行前述第一方面或第一方面的任一实现方式中的光学定位和机械定位混合的定位方法。
本公开实施例中的光学定位和机械定位混合的定位方案，包括：在术前，采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，所述光学标定方式包括：通过转动机械臂各个关节，采集记录点阵数据，对组合轨迹进行拟合处理后计算获得DH参数，最终获得机械臂的精确运动学模型；在术中，采用无遮挡机械定位方式对目标物体进行位姿测量，所述无遮挡机械定位方式包括：根据各个关节处编码器实时读取的角度数以及术前通过光学标定方式获得的运动学模型，获得物体相对于参考系的转移矩阵，从而计算获得被测量物体的相对位置和姿态。通过本公开的处理方案，将光学标定的灵活性和机械定位的准确性相结合，可实现降低成本的同时保证其在狭小空间内手术的高绝对定位精度。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例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公开的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本公开实施例提供的光学定位和机械定位混合的定位系统结构示意图；
图2为本公开实施例提供的光学定位和机械定位混合的定位方法流程示意图；
图3a-3b为本公开实施例提供的术前光学标定过程中的拟合计算示意图；
图4为本公开实施例提供的术前光学标定过程中的坐标系建立示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
参见图1、图2、图3a-3b及图4，本发明所公开的一种光学定位和机械定位混合的定位方法，包括如下步骤：
S101，在术前，采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，所述光学标定方式包括：通过转动机械臂各个关节，采集记录点阵数据，对组合轨迹进行拟合处理后计算获得DH参数，最终获得机械臂的精确运动学模型；
S102，在术中，采用无遮挡机械定位方式对目标物体进行位姿测量，所述无遮挡机械定位方式包括：根据各个关节处编码器实时读取的角度数以及术前通过光学标定方式获得的运动学模型，获得物体相对于参考系的转移矩阵，从而计算获得被测量物体的相对位置和姿态。
本发明提出一种基于光学定位和机械定位混合的手术机器人定位方法，使得手术导航系统在不同手术环境下仍保持高绝对定位精度，主要有以下几个特点：
1)术中无遮挡机械臂测量
术中使用时，机械臂通过纯机械定位方式对目标物体进行位置和姿态的测量。通过读取机械臂各个关节上搭载的编码器的角度数，并根据运动学模型公式计算得出目标物体的位姿。
2)术前光学标定
机械臂是一个复杂系统，由于其系统集成方面的不确定性、配件产品老化、环境温度影响等因素，往往会导致系统精度变低且不稳定，而临床应用的特殊性决定了手术机器人必须具有高绝对定位精度。主流方法之一，是采用纯机械标定的方法，通过在空间范围里点几个点进行标定，但是其采用的标注物较大，实际临床应用过程中操作不方便。本发明在术前采用光学标定方式，通过各连杆上固定的小型光学标识点采集标定数据，从而计算获得机械臂的精确运动学模型，实现对系统的高精度标定校准。
系统组成系统的结构示意图如图1所示，包括：
1、机械臂：高性能多轴机械臂，具有多个关节，且每个关节上装有编码器；
2、光学标识点：术前校准过程中使用，固定在机械臂各个连杆上，位姿随机械臂的运动而变化，用于实时在线标定；
3、光学追踪仪：术前校准过程中使用，固定在机械臂本体外的空间中，与世界坐标系的位姿保持不变，用于实时读取各连杆上光学标识点的相对位置；
测量和标定方法
病灶组织和手术器械的位置和姿态是手术导航系统的重要数据，为实现在狭小空间内手术的高精度定位，本发明公开了一种光学定位和机械定位相结合的手术机器人定位系统，用于实时精确测量和反馈狭小空间内病灶组织及手术器械的空间位置和姿态。系统的测量和标定方法流程图如图2所示。
1、术前光学标定
由于机械存在磨损现象，导致精度降低，需要定期反复标定维护。而采用纯机械标定方法时，其采用的标注物较大，实际临床应用过程中操作不方便。因此，本发明在术前采用光学标定方式，通过小型光学标识球进行数据采集和标定，使其在降低成本的同时保证系统具有高绝对定位精度。术前光学标定方法如下：
1)采集数据
由于用于空间定位的光学标识点阵被依附在各个连杆上，其相对于各连杆所属的坐标系静止，所获得的运动轨迹即为机械臂各关节的运动轨迹。在采集标定数据时，通过转动机械臂各个关节，利用光学追踪仪捕捉光学标识点的点阵坐标，获得形成的组合轨迹。
2)拟合计算
每个关节的运动轨迹依次进行拟合转换，最终获得各个关节的旋转轴z和坐标系原点o：
①一次拟合——估算平面：将采集到的关节1的3D轨迹(A)通过奇异值分解拟合转换为2D轨迹(Ac)，获得旋转平面，从而获得旋转平面法向量
即为坐标系z1轴。具体计算公式如下：
A＝[x1 x2…xN]
②二次拟合——估算圆：将关节1的2D轨迹拟合转换为2D圆，从而获得圆的半径r1，以及圆心o1，即为关节1的坐标系原点。具体计算公式如下：
③各个关节i+1依次在关节i拟合的基础上，重复操作步骤①和②，直至全部关节的运动轨迹拟合完成，最终获得各个关节的旋转轴zi和坐标系原点oi。
3)建立坐标系
通过拟合计算获得各个关节的旋转轴zi和坐标系原点oi，根据坐标系建立规则设定相应的DH坐标系，系统各部分坐标系如图4所示：
4)获取运动学模型
计算DH参数，并根据运动学模型公式(1)和公式(2)，获得机械臂的精确运动学模型。
公式(1)：
公式(2)：其中，M表示转移矩阵，θ表示绕z轴的旋转角，a表示连杆长度，α表示关节扭角，d表示关节偏移。
5)校准
拟合过程中，由于机械臂物理结构上的问题和编码器自身的误差，导致拟合过程中所采用的拟合数据会存在误差。为了克服该误差的存在，本发明采用多次测量得到的拟合误差数据作为校准查询表的参考值，并根据情况选择不同的插值法，对拟合过程中的参数进行校准，最终得到更加精确的机械臂情况。
2、术中无遮挡机械臂测量
术中，采用纯机械定位方式对目标物体位置和姿态进行测量，具体方法如下：1)读取角度数
各个关节处的编码器实时读取各个关节的角度数θi，并通过高性能总线与上位机进行通信控制。
2)计算获取转移矩阵
根据获得的角度数θi，结合借助术前光学标定获得的运动学模型公式(1)和公式(2)，获得物体相对于参考系的转移矩阵M；
公式(1)：
公式(2)：
其中，M表示转移矩阵，θ表示绕z轴的旋转角，a表示连杆长度，α表示关节扭角，d表示关节偏移。
3)标定测量物体位姿
根据公式(3)计算获得被测量物体的相对位置和姿态。
公式(3)：
其中，表示被测量物体的位姿，M表示转移矩阵，/>表示被测量物体在工具端参考系中的位姿，通常为固定的常数。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述在术前采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，包括：
将用于空间定位的光学标识点阵设置在机械臂的各个关节连杆上；
在采集标定数据时，通过转动机械臂各个关节连杆，利用光学追踪仪捕捉光学标识点的点阵坐标，获得形成的组合轨迹。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述在术前采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，还包括：
将采集到的关节1的3D轨迹A通过奇异值分解拟合转换为2D轨迹Ac，获得旋转平面，从而获得旋转平面法向量即为坐标系z1轴，计算过程如下：
A＝[x1 x2…xN]
其中，[x1 x2…xN]表示三维点集合，表示正规化和中心化的测量点，U表示特征值，S表示奇异值分解中特征值为主对角线的矩阵，VT表示特征向量所张成的矩阵，B表示右手正交基底，det(U)表示奇异值分解中特征值为主对角线的矩阵的行列式，[b1 b2 b3]表示右手正交基底的各列，Ac表示测量点在二维欧几里得空间的投影，Pc表示投影矩阵，/>表示中心化的测量点。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述在术前采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，还包括：
将关节1的2D轨迹拟合转换为2D圆，从而获得圆的半径r1，以及圆心o1，将圆心o1作为关节1的坐标系原点，计算过程如下：
其中，表示由测量点在二维欧几里得空间的投影与单位一组成的线性方程组的矩阵，表示线性方程组的未知参数，表示二维圆的坐标，c1、c2、k3表示需要求解的未知参数，表示三维点集合。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述在术前采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，还包括：
对各个关节的运动轨迹拟合完成之后，获得各个关节的旋转轴zi和坐标系原点oi；
通过各个关节的旋转轴zi和坐标系原点oi，根据坐标系建立规则设定相应的DH坐标系。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述在术前采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，还包括：
计算DH参数，并根据运动学模型公式(1)和公式(2)，获得机械臂的精确运动学模型；
公式(1)：
公式(2)：
其中，M表示转移矩阵，θ表示绕z轴的旋转角，a表示连杆长度，α表示关节扭角，d表示关节偏移。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述在术中采用无遮挡机械定位方式对目标物体进行位姿测量，还包括：
通过各个关节处的编码器实时读取各个关节的角度数θi，并通过高性能总线与上位机进行通信控制。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述在术中采用无遮挡机械定位方式对目标物体进行位姿测量，还包括：
根据获得的角度数θi，结合借助术前光学标定获得的运动学模型公式(1)和公式(2)，获得物体相对于参考系的转移矩阵M。
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述在术中采用无遮挡机械定位方式对目标物体进行位姿测量，还包括：
根据公式(3)计算获得被测量物体的相对位置和姿态，
公式(3)：
其中，表示被测量物体的位姿，M表示转移矩阵，/>表示被测量物体在工具端参考系中的位姿。
与上面的方法实施例相对于，本申请还公开了一种光学定位和机械定位混合的定位系统，包括：
机械臂，所述机械臂具有多个关节，每个关节上装有编码器；
光学标识点，所述光学标识点术前校准过程中使用，所述光学标识点固定在机械臂各个连杆上，位姿随机械臂的运动而变化，用于实时在线标定；
光学追踪仪，所述光学追踪仪在术前校准过程中使用，所述光学追踪仪固定在机械臂本体外的空间中，与世界坐标系的位姿保持不变，用于实时读取各连杆上光学标识点的相对位置，进而实现上述方法实施例所述的方法。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种光学定位和机械定位混合的定位方法，其特征在于，包括：
在术前，采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，所述光学标定方式包括：通过转动机械臂各个关节，采集记录点阵数据，对组合轨迹进行拟合处理后计算获得DH参数，最终获得机械臂的精确运动学模型；
在术中，采用无遮挡机械定位方式对目标物体进行位姿测量，所述无遮挡机械定位方式包括：根据各个关节处编码器实时读取的角度数以及术前通过光学标定方式获得的运动学模型，获得物体相对于参考系的转移矩阵，从而计算获得被测量物体的相对位置和姿态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在术前采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，包括：
将用于空间定位的光学标识点阵设置在机械臂的各个关节连杆上；
在采集标定数据时，通过转动机械臂各个关节连杆，利用光学追踪仪捕捉光学标识点的点阵坐标，获得形成的组合轨迹。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在术前采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，还包括：
将采集到的关节1的3D轨迹A通过奇异值分解拟合转换为2D轨迹Ac，获得旋转平面，从而获得旋转平面法向量即为坐标系z1轴，计算过程如下：
A＝[x1 x2 … xN]
其中，[x1 x2 … xN]表示三维点集合，表示正规化和中心化的测量点，U表示特征值，S表示奇异值分解中特征值为主对角线的矩阵，VT表示特征向量所张成的矩阵，B表示右手正交基底，det(U)表示奇异值分解中特征值为主对角线的矩阵的行列式，[b1 b2 b3]表示右手正交基底的各列，Ac表示测量点在二维欧几里得空间的投影，Pc表示投影矩阵，A表示中心化的测量点。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在术前采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，还包括：
将关节1的2D轨迹拟合转换为2D圆，从而获得圆的半径r1，以及圆心o1，将圆心o1作为关节1的坐标系原点，计算过程如下：
其中，表示由测量点在二维欧几里得空间的投影与单位一组成的线性方程组的矩阵，xc表示线性方程组的未知参数，bc表示二维圆的坐标，c1、c2、k3表示需要求解的未知参数，xi表示三维点集合。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在术前采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，还包括：
对各个关节的运动轨迹拟合完成之后，获得各个关节的旋转轴zi和坐标系原点oi；
通过各个关节的旋转轴zi和坐标系原点oi，根据坐标系建立规则设定相应的DH坐标系。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在术前采用光学标定方式对系统进行高精度标定校准，还包括：
计算DH参数，并根据运动学模型公式(1)和公式(2)，获得机械臂的精确运动学模型；
公式(1)：
公式(2)：
其中，M表示转移矩阵，θ表示绕z轴的旋转角，a表示连杆长度，α表示关节扭角，d表示关节偏移。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在术中采用无遮挡机械定位方式对目标物体进行位姿测量，还包括：
通过各个关节处的编码器实时读取各个关节的角度数θi，并通过高性能总线与上位机进行通信控制。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在术中采用无遮挡机械定位方式对目标物体进行位姿测量，还包括：
根据获得的角度数θi，结合借助术前光学标定获得的运动学模型公式(1)和公式(2)，获得物体相对于参考系的转移矩阵M。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在术中采用无遮挡机械定位方式对目标物体进行位姿测量，还包括：
根据公式(3)计算获得被测量物体的相对位置和姿态，
公式(3)：
其中，表示被测量物体的位姿，M表示转移矩阵，/>表示被测量物体在工具端参考系中的位姿。
10.一种光学定位和机械定位混合的定位系统，其特征在于，包括：
机械臂，所述机械臂具有多个关节，每个关节上装有编码器；
光学标识点，所述光学标识点术前校准过程中使用，所述光学标识点固定在机械臂各个连杆上，位姿随机械臂的运动而变化，用于实时在线标定；
光学追踪仪，所述光学追踪仪在术前校准过程中使用，所述光学追踪仪固定在机械臂本体外的空间中，与世界坐标系的位姿保持不变，用于实时读取各连杆上光学标识点的相对位置，进而实现权利要求1-9中任一项所述的方法。
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| CN202310883750.7A CN116942314A (zh) | 2023-07-19 | 2023-07-19 | 光学定位和机械定位混合的定位方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310883750.7A CN116942314A (zh) | 2023-07-19 | 2023-07-19 | 光学定位和机械定位混合的定位方法及系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116942314A true CN116942314A (zh) | 2023-10-27 |
Family
ID=88455975
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310883750.7A Pending CN116942314A (zh) | 2023-07-19 | 2023-07-19 | 光学定位和机械定位混合的定位方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116942314A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117958983A (zh) * | 2024-03-29 | 2024-05-03 | 北京爱康宜诚医疗器材有限公司 | 手术机器人的零点标定方法、装置、存储介质及电子设备 |
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2023
- 2023-07-19 CN CN202310883750.7A patent/CN116942314A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117958983A (zh) * | 2024-03-29 | 2024-05-03 | 北京爱康宜诚医疗器材有限公司 | 手术机器人的零点标定方法、装置、存储介质及电子设备 |
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