WO2021244037A1 - 使用三维定位装置进行机器人坐标系注册方法、装置、系统、计算机及可读存储介质 - Google Patents

使用三维定位装置进行机器人坐标系注册方法、装置、系统、计算机及可读存储介质 Download PDF

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WO2021244037A1
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robot
coordinate system
positioning device
dimensional positioning
tool
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杜思傲
许靖
乔天
文理为
荣健
董旭亮
甘博涵
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杭州键嘉机器人有限公司
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Definitions

  • the present disclosure relates to the technical field of medical devices, and in particular to a method, device, system, computer, and readable storage medium for registering a robot coordinate system using a three-dimensional positioning device.
  • Robot coordinate system registration is an important part of the robot application field. Through the robot coordinate system registration operation, the conversion relationship between the robot base coordinate system and the coordinate system of other equipment can be obtained. The robot's readings can also be used to obtain the robot end tool in the space. Pose can be widely used in robot precision assembly, robot-assisted operations, and robot navigation. The registration accuracy of the existing robot coordinate system is not high, which affects the subsequent coordinate conversion of the robot, and further affects the operation accuracy of the medical robot.
  • the purpose of the present disclosure is to provide a method, device, system, computer, and readable storage medium for registering a robot coordinate system using a three-dimensional positioning device.
  • the advantages of operating accuracy are to provide a method, device, system, computer, and readable storage medium for registering a robot coordinate system using a three-dimensional positioning device.
  • the present disclosure provides a method for registering a robot coordinate system using a three-dimensional positioning device.
  • the method is applied to a robot mark registration system.
  • the method includes the following steps:
  • TCP operation is performed on the tubular tool to obtain a certain point C [Cx, Cy, Cz] on the axis of the tubular tool;
  • the robot and the three-dimensional positioning device are relatively fixed, and the drill rod is inserted into the tubular tool, and the drill rod and the tubular tool are coaxial;
  • the auxiliary registration tool Clamp the auxiliary registration tool to the front end of the drill pipe.
  • the plane of the mark array on the auxiliary registration tool is perpendicular to the axis of the drill pipe, and the axis passes through the center of the mark array.
  • the position of point C in the array coordinate system is P[Px, Py, Pz];
  • ⁇ is an integer greater than or equal to 4;
  • the present disclosure provides a robot mark registration system, including: a robot, a three-dimensional positioning device, a tubular tool, a drill rod, and an auxiliary registration tool;
  • the robot is fixedly connected to the tubular tool, the tubular tool is located at the end of the robot; the drill rod is inserted into the tubular tool, the drill rod and the tubular tool are coaxial; the auxiliary registration tool is connected to the The front end of the drill rod is fixedly connected;
  • the auxiliary registration tool includes: a mark array, the mark array includes: more than 4 mark points distributed around, the plane of the mark array on the auxiliary registration tool is perpendicular to the axial direction of the drill rod, and the The axis of the drill rod passes through the center of the mark array.
  • the present disclosure provides a robot coordinate system registration method, which is applied to the robot mark registration system in the second aspect, and the method includes:
  • the position of point C in the array coordinate system is P[Px, Py, Pz] through the parameters;
  • ⁇ is an integer greater than or equal to 4;
  • the present disclosure provides a robot coordinate system registration device, which is applied to the robot mark registration system of the second aspect, and the robot coordinate system registration device includes:
  • the information acquisition module is configured to perform TCP operations on the tubular tool to obtain a certain point C [Cx, Cy, Cz] on the axis of the tubular tool; the position of the C point in the array coordinate system is P [Px, Py, Pz ⁇ ;
  • the operation collection module is configured to adjust the robot to manual mode, drag the end of the robot, together with the marker array within the field of view of the three-dimensional positioning device, move at will to a position or more, to ensure that the marker array can be collected by the three-dimensional positioning device, and Ensure that all positions are not on the same plane or in the same straight line;
  • ⁇ is an integer greater than or equal to 4;
  • Collect the robot end pose data R ⁇ R 1 , R 2 ,...R n ⁇ and three-dimensional positioning for each position in ⁇ and above positions
  • the pose data of the marker array captured by the device T ⁇ T 1 , T 2 ,...T n ⁇ ;
  • Use SVD to obtain the conversion relationship T R E between the coordinate system of the three-dimensional positioning device and the base coordinate system of the robot.
  • the present disclosure provides a computer-readable storage medium that stores a computer program for electronic data exchange, wherein the computer program causes a computer to execute the method provided in the third aspect.
  • the present disclosure provides a computer including a memory and a processor, the memory is configured to store a computer program, and the processor runs the computer program to enable the computer to implement the method of the third aspect.
  • the technical solution provided by the present disclosure has the advantage of improving the accuracy of robot coordinate registration, and further has the advantage of improving the operation accuracy of the medical robot.
  • Fig. 1 is a schematic structural diagram of a robot mark registration system provided by the present disclosure.
  • Figure 2 is a schematic diagram of the structure of the tubular tool, drill rod and auxiliary registration tool provided by the present disclosure.
  • Figure 3 is a schematic diagram of the structure of the auxiliary registration tool provided by the present disclosure.
  • Fig. 4 is a schematic flowchart of a method for registering a robot coordinate system using a three-dimensional positioning device provided by the present disclosure.
  • Icon 10-dimensional positioning device; 20-robot; 21-flange; 30-tubular tool; 40-drill rod; 51-marking array; 52-4 marking points; 521-marking points; 54-array holder; 55-Installation fixture; 58-Front-end fixture.
  • the robot coordinate system registration method is complicated to operate and requires sophisticated auxiliary registration tools and experienced operators.
  • the present disclosure implements a robot registration method that is simple to operate, easy to learn, and smooth operation.
  • the registration operation of the robot coordinate system can be completed in a short time, such as ten minutes, and the coordinate system conversion relationship between the robot and the three-dimensional positioning device can be obtained.
  • the present disclosure proposes a method for registering the robot coordinate system using a 3D positioning device, and Design an auxiliary registration tool to fix the NDI marker array and the end tool.
  • the connection relationship is shown in Figure 2.
  • TCP Transmission Control Protocol, Transmission Control Protocol
  • the tubular tool is installed at the end of the robot
  • the TCP point is located at a certain point on the axis of the tubular tool.
  • the three-dimensional positioning device and the robot are relatively fixed, and the movable range of the robot end is placed within the field of view of the three-dimensional positioning device as much as possible, as shown in Figure 1.
  • Install the auxiliary registration tool on the tubular tool at the end of the robot. Set the robot to passive mode and drag the tubular tool at the end of the robot so that the auxiliary registration tool can be captured by the three-dimensional positioning device.
  • Step S401 For the tubular tool installed at the end of the robot, perform TCP operation on the tubular tool (ie, calibrate the center point of the tubular tool), and obtain a certain point C [Cx, Cy, Cz] on the axis of the tubular tool by TCP operation on the tubular tool;
  • the determined point C is the center point obtained by the TCP operation; the point C may be the coordinate data of the robot base coordinate system B.
  • Step S402 The robot and the three-dimensional positioning device are relatively fixed, and the drill rod is inserted into the tubular tool, and the drill rod and the tubular tool are coaxial.
  • Step S403. Clamp the auxiliary registration tool to the front end of the drill pipe.
  • the plane of the mark array on the auxiliary registration tool is perpendicular to the axis of the drill pipe, and the axis passes through the mark array center.
  • the position of point C in the array coordinate system can be obtained through the parameters. P [Px, Py, Pz].
  • the above-mentioned parameters may be the mechanical parameters of the end of the robot as shown in FIG. 2, such as distance, angle, and so on.
  • step S404 the robot is adjusted to manual mode, and the end of the robot is dragged together with the marker array within the field of view of the three-dimensional positioning device.
  • manual dragging can be used, or the robot can move autonomously. Randomly move to ⁇ positions or more to ensure that the marker array can be collected by the three-dimensional positioning device, and that all positions are not on the same plane or the same straight line; the above ⁇ is an integer greater than or equal to 4.
  • the aforementioned pose data R of the robot end may be the pose data of the base coordinate system B of the robot.
  • Step S407 Use SVD (Singular Value Decomposition, singular value decomposition) to obtain the conversion relationship T R E between the coordinate system of the three-dimensional positioning device and the coordinate system of the robot.
  • SVD Single Value Decomposition, singular value decomposition
  • the corresponding decomposition methods such as SVD (for the SVD can be found in the description of (Olga Sorkine. Least-Squares Rigid Motion Using SVD) in Baidu Library ) That is, it can complete the registration of the robot's coordinates.
  • the robot end tool is a hollow tubular structure, and NDI’s Vega three-dimensional motion capture system is used as a three-dimensional positioning device as an example.
  • the present disclosure proposes a method for registering a robot coordinate system using a three-dimensional positioning device, and designs an auxiliary The registration tool is used to fix the NDI mark array and the end tool.
  • the connection relationship is shown in Figure 2.
  • TCP operation is performed on the robot end tool of the hollow tubular structure, and the TCP point is located at a certain point on the axis of the tubular tool.
  • the three-dimensional positioning device and the robot are relatively fixed, and the movable range of the robot end is placed within the field of view of the three-dimensional positioning device as much as possible, as shown in Figure 1.
  • the conversion relationship T R E between the coordinate system of the three-dimensional positioning device and the base coordinate system of the robot is obtained through T and R calculations. In this way, the conversion relationship between the coordinate system of the three-dimensional positioning device and the coordinate system of the robot can be quickly realized, thereby realizing the registration of the coordinate system of the robot.
  • an auxiliary registration tool is designed, and the design is designed for the case where the tubular tool is used to fix the rod-shaped tool as the execution part.
  • the auxiliary registration tool is divided into two parts, the array holder 54 and the mounting fixture 55, as shown in Figure 2.
  • the array holder 54 is designed according to the requirements of the three-dimensional positioning device for the marking array.
  • the threaded holes on the array holder 54 ensure that the marking points are on the same plane, and each threaded hole is perpendicular to the plane where the array marking points are located.
  • the mounting fixture 55 is an intermediate piece for connecting and installing the array holder 54 with other tools.
  • the array holder 54 and the rod-shaped tool are connected, as shown in Fig. 3.
  • the axis of the rod-shaped tool passes through the origin of the array coordinate system and is connected to One coordinate axis of the array coordinate system is parallel.
  • the robot mark registration system includes: a three-dimensional positioning device 10, a robot 20, a tubular tool 30, a drill rod 40 and an auxiliary registration tool (not shown in the figure).
  • the robot 20 is fixedly connected to the tubular tool 30 through a flange 21, the drill rod 40 is inserted into the tubular tool 30, and the auxiliary registration tool is fixedly connected to the front end of the drill rod 40 through the front end clamp 58 of the drill rod 40.
  • the auxiliary registration tool includes: a marking array 51, the marking array 51 includes: 4 marking points 52 distributed around, the length of at least one marking point 521 of the 4 marking points 52 is greater than the length of the remaining marking points 521 (the design of the marking array follows Design requirements provided by the three-dimensional positioning device).
  • the angle between the aforementioned four marking points 52 may be 90° (the design of the marking array follows the design requirements provided by the three-dimensional positioning device).
  • the embodiments of the present disclosure provide a robot mark registration system, which includes a robot, a three-dimensional positioning device, a tubular tool, a drill rod, and an auxiliary registration tool.
  • the robot is fixedly connected to the tubular tool, the tubular tool is located at the end of the robot; the drill rod is inserted into the tubular tool, the drill rod and the tubular tool are coaxial; the auxiliary registration tool is connected to the The front end of the drill rod is fixedly connected.
  • the auxiliary registration tool includes: a mark array, the mark array includes: more than 4 mark points distributed around, the plane of the mark array on the auxiliary registration tool is perpendicular to the axial direction of the drill rod, and the The axis of the drill rod passes through the center of the mark array.
  • the robot and the tubular tool are fixedly connected through a flange, and the tubular tool is installed at the end of the robot through the flange.
  • the auxiliary registration tool is fixedly connected to the front end of the drill rod through a front end clamp of the drill rod.
  • the three-dimensional positioning device is a Vega three-dimensional motion capture system using a network device interface.
  • the embodiment of the present disclosure also provides a robot coordinate system registration method, which is applied to the above-mentioned robot mark registration system, and the method includes the following steps:
  • the position of point C in the array coordinate system is P[Px, Py, Pz] through the parameters;
  • ⁇ is an integer greater than or equal to 4;
  • P N 2 ...P N n ⁇ including:
  • embodiments of the present disclosure also provide a robot coordinate system registration device, which is applied to the above-mentioned robot mark registration system, and the robot coordinate system registration device includes:
  • the information acquisition module is configured to perform TCP operations on the tubular tool to obtain a certain point C [Cx, Cy, Cz] on the axis of the tubular tool; the position of the C point in the array coordinate system is P [Px, Py, Pz ⁇ ;
  • the operation collection module is configured to adjust the robot to manual mode, drag the end of the robot, together with the marker array within the field of view of the three-dimensional positioning device, move at will to a position or more, to ensure that the marker array can be collected by the three-dimensional positioning device, and Ensure that all positions are not on the same plane or in the same straight line;
  • ⁇ is an integer greater than or equal to 4;
  • Collect the robot end pose data R ⁇ R 1 , R 2 ,...R n ⁇ and three-dimensional positioning for each position in ⁇ and above positions
  • the pose data of the marker array captured by the device T ⁇ T 1 , T 2 ,...T n ⁇ ;
  • Use SVD to obtain the conversion relationship T R E between the coordinate system of the three-dimensional positioning device and the base coordinate system of the robot.
  • the present disclosure also provides a computer that can implement various functions.
  • the computer includes a memory and a processor.
  • the memory can be used to store a computer program.
  • the processor runs the computer program to enable the computer to execute the aforementioned robot coordinate system registration. The function of each module in the device.
  • the computer that implements the functions of the aforementioned robot coordinate system registration device may include one or more servers.
  • the information acquisition module, the operation acquisition module, and the information processing module may be integrated in one server or integrated in In different servers, this disclosure does not limit this.
  • the memory may include a program storage area and a data storage area, where the program storage area may store an operating system, an application program required by at least one function, etc.; the data storage area may store data created according to the use of the server, etc.
  • the memory may include a high-speed random access memory, and may also include a non-volatile memory, such as at least one magnetic disk storage device, a flash memory device, or other volatile solid-state storage devices.
  • This embodiment also provides a computer-readable storage medium for storing the computer program used in the above-mentioned computer.
  • each block in the flowchart or block diagram may represent a module, program segment, or part of the code, and the module, program segment, or part of the code contains one or more modules for realizing the specified logical function.
  • Executable instructions may also occur in a different order from the order marked in the drawings.
  • each block in the structure diagram and/or flowchart, and the combination of the blocks in the structure diagram and/or flowchart can be used as a dedicated hardware-based system that performs specified functions or actions. , Or can be realized by a combination of dedicated hardware and computer instructions.
  • the functional modules or units in the various embodiments of the present disclosure may be integrated together to form an independent part, or each module may exist alone, or two or more modules may be integrated to form an independent part.
  • the function is implemented in the form of a software function module and sold or used as an independent product, it can be stored in a computer readable storage medium.
  • the technical solution of the present disclosure essentially or the part that contributes to the prior art or the part of the technical solution can be embodied in the form of a software product, and the computer software product is stored in a storage medium, including Several instructions are used to make a server (which may be a smart terminal, a personal computer, a server, or a network device, etc.) execute all or part of the steps of the solution described in the embodiments of the present disclosure.
  • the aforementioned storage media include: U disk, mobile hard disk, read-only memory (ROM, Read-Only Memory), random access memory (RAM, Random Access Memory), magnetic disks or optical disks and other media that can store program codes. .
  • the method, device, system, computer, and readable storage medium for registering a robot coordinate system using a three-dimensional positioning device provided in the present disclosure can improve the accuracy of robot coordinate registration, thereby improving the operation accuracy of medical robots, and has high implementation value and is suitable for large Scale promotion and application.

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Abstract

使用三维定位装置进行机器人坐标系注册方法、装置、系统、计算机及可读存储介质，使用三维定位装置进行机器人坐标系注册方法应用于机器人标记注册系统。

Description

使用三维定位装置进行机器人坐标系注册方法、装置、系统、计算机及可读存储介质
相关申请的交叉引用
本公开要求于2020年06月02日提交中国专利局的申请号为CN202010489341.5，名称为“使用三维定位装置进行机器人坐标系注册方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本公开中。
技术领域
本公开涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种使用三维定位装置进行机器人坐标系注册方法、装置、系统、计算机及可读存储介质。
背景技术
机器人坐标系注册是机器人应用领域重要的环节，通过机器人坐标系注册操作就能获取机器人基坐标系与其他设备坐标系的转换关系，通过机器人的读数，也就能获取机器人末端工具在空间中的位姿，可广泛用于机器人精密装配、机器人辅助作业、机器人导航。现有的机器人坐标系的注册的精度不高，这样影响了机器人后续的坐标的转换，进而影响医疗机器人的操作精度。
发明内容
本公开的目的在于提供使用三维定位装置进行机器人坐标系注册方法、装置、系统、计算机及可读存储介质，该技术方案具有在一定程度上提高机器人坐标注册精度的优点，进而具有提高医疗机器人的操作精度的优点。
本公开所采取的技术方案是：
第一方面,本公开提供一种使用三维定位装置进行机器人坐标系注册方法，所述方法应用于机器人标记注册系统，所述方法包括如下步骤：
对于管状工具安装于机器人末端，对管状工具进行TCP操作得到位于所述管状工具轴线上一确定点C【Cx、Cy、Cz】；
将机器人和三维定位装置相对固定，将钻杆插入管状工具内，钻杆和管状工具同轴；
将辅助注册工具夹于钻杆前端，辅助注册工具上的标记阵列所在平面与钻杆的轴向垂直，且轴线通过标记阵列中心，通过参数得到C点在阵列坐标系的位置为P【Px、Py、Pz】；
将机器人调为手动模式，拖动机器人末端，连同标记阵列在三维定位装置的视野范围内，随意运动至α个及以上位置，保证标记阵列能被三维定位装置采集，且保证所有位置不在同一平面或同一直线；α为大于等于4的整数；
采集α个及以上位置中每个位置的机器人末端位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}和三维定位装置捕捉的标记阵列的位姿数据T＝{T 1、T 2、…T n}；
将P【Px、Py、Pz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到三维定位装置的坐标系N中，获得点集P N＝{P N 1、P N 2…P N n}，将C【Cx、Cy、Cz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到机器人基坐标系B中，获得点集T B＝{T B 1、T B 2…T B n}；
使用SVD获取三维定位装置坐标系和机器人基坐标系的转换关系 T RE。
第二方面，本公开提供一种机器人标记注册系统，包括：机器人、三维定位装置、管状工具、钻杆和辅助注册工具；
其中，所述机器人与所述管状工具固定连接，所述管状工具位于所述机器人末端；所述钻杆插入所述管状工具，所述钻杆和管状工具同轴；所述辅助注册工具与所述钻杆的前端固定连接；
所述辅助注册工具包括：标记阵列，所述标记阵列包括：分布于四周的4个以上标记点，所述辅助注册工具上的标记阵列所在平面与所述钻杆的轴向垂直，且所述钻杆的轴线通过所述标记阵列中心。
第三方面，本公开提供一种机器人坐标系注册方法，应用于第二方面的机器人标记注册系统，所述方法包括：
对管状工具进行TCP操作得到位于所述管状工具轴线上一确定点C【Cx、Cy、Cz】；
通过参数得到C点在阵列坐标系的位置为P【Px、Py、Pz】；
将机器人调为手动模式，拖动机器人末端，连同标记阵列在三维定位装置的视野范围内，随意运动至α个及以上位置，保证标记阵列能被三维定位装置采集，且保证所有位置不在同一平面或同一直线；α为大于等于4的整数；
采集α个及以上位置中每个位置的机器人末端位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}和三维定位装置捕捉的标记阵列的位姿数据T＝{T 1、T 2、…T n}；
将P【Px、Py、Pz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到三维定位装置的坐标系N中，获得点集P N＝{P N 1、P N 2…P N n}，将C【Cx、Cy、Cz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到机器人基坐标系B中，获得点集T B＝{T B 1、T B 2…T B n}；
使用SVD获取三维定位装置坐标系和机器人基坐标系的转换关系 T RE。
第四方面，本公开提供一种机器人坐标系注册装置，应用于第二方面的机器人标记注册系统，所述机器人坐标系注册装置包括：
信息获取模块，配置成对管状工具进行TCP操作得到位于所述管状工具轴线上一确定 点C【Cx、Cy、Cz】；通过参数得到C点在阵列坐标系的位置为P【Px、Py、Pz】；
操作采集模块，配置成将机器人调为手动模式，拖动机器人末端，连同标记阵列在三维定位装置的视野范围内，随意运动至α个及以上位置，保证标记阵列能被三维定位装置采集，且保证所有位置不在同一平面或同一直线；α为大于等于4的整数；采集α个及以上位置中每个位置的机器人末端位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}和三维定位装置捕捉的标记阵列的位姿数据T＝{T 1、T 2、…T n}；
信息处理模块，配置成将P【Px、Py、Pz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到三维定位装置的坐标系N中，获得点集P N＝{P N 1、P N 2…P N n}，将C【Cx、Cy、Cz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到机器人基坐标系B中，获得点集T B＝{T B 1、T B 2…T B n}；使用SVD获取三维定位装置坐标系和机器人基坐标系的转换关系 T RE。
第五方面，本公开提供一种计算机可读存储介质，存储用于电子数据交换的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行第三方面提供的方法。
第六方面，本公开提供一种计算机，包括存储器以及处理器，所述存储器配置成存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述计算机实现第三方面的方法。
本公开提供的技术方案具有提高机器人坐标注册精度的优点，进而具有提高医疗机器人的操作精度的优点。
为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例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他的附图。
图1为本公开提供的一种机器人标记注册系统的结构示意图。
图2为本公开提供的管状工具、钻杆和辅助注册工具的结构示意图。
图3为本公开提供的辅助注册工具的结构示意图。
图4为本公开提供的使用三维定位装置进行机器人坐标系注册方法流程示意图。
图标：10-三维定位装置；20-机器人；21-法兰；30-管状工具；40-钻杆；51-标记阵列；52-4个标记点；521-标记点；54-阵列固定器；55-安装夹具；58-前端夹具。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
本公开的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本公开的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
机器人坐标系注册方法操作复杂，需要精密的辅助注册工具和经验丰富的操作人员，针对上述问题，本公开实现一种摆脱精密的辅助注册工具，操作简单易于学习的机器人注册方法，顺利操作的情况下，能在较短的时间如十分钟内完成机器人坐标系的注册操作，获得机器人与三维定位装置的坐标系转换关系。
以机器人末端工具是中空管状结构，使用NDI(Network Device Interface，网络设备接口)的Vega三维运动捕捉系统作为三维定位装置为例，本公开提出一种使用三维定位装置进行机器人坐标系注册方法，并设计一款辅助注册工具用于固定NDI的标记阵列与末端工具，连接关系详见图2，通过采集4个及以上注册点的数据并计算，获取机器人基坐标系与三维定位装置坐标系的转换关系。首先对中空管状结构的机器人末端工具，后简称管状工具(管状工具安装于机器人末端)进行TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)操作，TCP点位于管状工具轴线上一确定点。将三维定位装置和机器人相对固定，将机器人末端的活动范围尽量置于三维定位装置的视野范围内，详见图1。将辅助注册工具安装于机器人末端的管状工具上。将机器人调至被动模式，拖动机器人末端的管状工具，使得辅助注册工具能被三维定位装置捕获到。将管状工具拖动至4个及以上位置，记录各个位置的三维定位装置的位姿数据T＝{T 1、T 2、…T n}和机器人末端法兰的位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}。通过T和R计算获得三维定位装置坐标系和机器人基坐标系的转换关系 T RE。
上述方法如图4所示，包括如下步骤：
步骤S401、对于管状工具安装于机器人末端，对管状工具进行TCP操作(即管状工具中心点标定)，对管状工具的TCP操作得到位于管状工具轴线上一确定点C【Cx、Cy、Cz】；该确定点C即为TCP操作得到的中心点；该点C可以为机器人基坐标系B的坐标数据。
步骤S402、将机器人和三维定位装置相对固定，将钻杆插入管状工具内，钻杆和管状工具同轴。
步骤S403、将辅助注册工具夹于钻杆前端，辅助注册工具上的标记阵列所在平面与钻杆的轴向垂直，且轴线通过标记阵列中心，通过参数可得C点在阵列坐标系的位置为P【Px、Py、Pz】。
上述参数可以为如图2所示的机器人末端的机械参数，例如距离、角度等等。
步骤S404、将机器人调为手动模式，拖动机器人末端，连同标记阵列在三维定位装置的视野范围内，本实施例中，可以使用手动拖动，也可以让机器人自主运动。随意运动至α个及以上位置，保证标记阵列能被三维定位装置采集，且保证所有位置不在同一平面或同一直线；上述α为大于等于4的整数。
步骤S405、采集步骤S404(α个及以上位置)中每个位置的机器人末端位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}和三维定位装置捕捉的标记阵列的位姿数据T＝{T 1、T 2、…T n}。
上述机器人末端位姿数据R可以为机器人基坐标系B的位姿数据。
步骤S406、将P【Px、Py、Pz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到三维定位装置的坐标系N中，获得点集P N＝{P N 1、P N 2…P N n}，将C【Cx、Cy、Cz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到机器人基坐标系B中，获得点集T B＝{T B 1、T B 2…T B n}。
步骤S407、使用SVD(Singular Value Decomposition，奇异值分解)获取三维定位装置坐标系和机器人坐标系的转换关系 T RE。
因为点集 P N 和点集 T B 是同一物理点在不同坐标系的位置，因此通过对应的分解方式例如SVD(该SVD可以参见百度文库的(Olga Sorkine.Least-Squares Rigid Motion Using SVD的描述)即能够对机器人的坐标完成注册。
本公开的技术方案以机器人末端工具是中空管状结构，使用NDI的Vega三维运动捕捉系统作为三维定位装置为例，本公开提出一种使用三维定位装置进行机器人坐标系注册方法，并设计一款辅助注册工具用于固定NDI的标记阵列与末端工具，连接关系详见图2，通过采集4个及以上注册点的数据并计算，获取机器人基坐标系与三维定位装置坐标系的 转换关系。首先对中空管状结构的机器人末端工具进行TCP操作，TCP点位于管状工具轴线上一确定点。将三维定位装置和机器人相对固定，将机器人末端的活动范围尽量置于三维定位装置的视野范围内，详见图1。将辅助注册工具安装于机器人末端的管状工具上。将机器人调至被动模式，拖动机器人末端的管状工具，使得辅助注册工具能被三维定位装置捕获到。将管状工具拖动至4个及以上位置，记录各个位置的三维定位装置的位姿数据T＝{T 1、T 2、…T n}和机器人末端法兰的位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}。通过T和R计算获得三维定位装置坐标系和机器人基坐标系的转换关系 T RE。这样能够快速的实现三维定位装置坐标系和机器人坐标系的转换关系，从而实现对机器人坐标系的注册。
针对本公开提出的以管状工具作为机器人末端工具，NDI的Vega作为三维定位装置的例子，设计了一款辅助注册工具，针对使用管状工具固定杆状工具作为执行部分的情况，进行了设计。辅助注册工具分为两个部分，阵列固定器54与安装夹具55，详见图2。阵列固定器54根据三维定位装置对于标记阵列的要求进行设计，阵列固定器54上的螺纹孔保证标记点都在同一平面上，且每个螺纹孔与阵列标记点所在平面垂直，这样的设计可以保证阵列坐标系的一个坐标轴与阵列标记点所在平面垂直，且通过阵列坐标系原点。安装夹具55是阵列固定器54与其他工具连接安装的中间件，在本公开中，连接了阵列固定器54和杆状工具，见图3，杆状工具的轴线通过阵列坐标系原点，且与阵列坐标系的一个坐标轴平行。
参阅图1、图2、图3，所述机器人标记注册系统包括：三维定位装置10、机器人20、管状工具30、钻杆40和辅助注册工具(图中未示出)。其中，机器人20通过法兰21与所述管状工具30固定连接，所述钻杆40插入所述管状工具30，所述辅助注册工具通过钻杆40前端夹具58与钻杆40的前端固定连接。
辅助注册工具包括：标记阵列51，标记阵列51包括：分布于四周的4个标记点52，4个标记点52中至少一个标记点521的长度大于剩余标记点521的长度(标记阵列的设计遵循三维定位装置提供的设计要求)。
在一种可选的方案中，上述4个标记点52之间的角度可以为90°(标记阵列的设计遵循三维定位装置提供的设计要求)。
在上述基础上，本公开实施例提供一种机器人标记注册系统，包括：机器人、三维定位装置、管状工具、钻杆和辅助注册工具。
其中，所述机器人与所述管状工具固定连接，所述管状工具位于所述机器人末端；所述钻杆插入所述管状工具，所述钻杆和管状工具同轴；所述辅助注册工具与所述钻杆的前 端固定连接。所述辅助注册工具包括：标记阵列，所述标记阵列包括：分布于四周的4个以上标记点，所述辅助注册工具上的标记阵列所在平面与所述钻杆的轴向垂直，且所述钻杆的轴线通过所述标记阵列中心。
在一种实现方式中，所述机器人与所述管状工具通过法兰固定连接，所述管状工具通过所述法兰安装于所述机器人末端。
在一种实现方式中，所述辅助注册工具通过钻杆前端夹具与所述钻杆的前端固定连接。所述三维定位装置为使用网络设备接口的Vega三维运动捕捉系统。
本公开实施例还提供一种机器人坐标系注册方法，应用于上述的机器人标记注册系统，所述方法包括以下步骤：
对管状工具进行TCP操作得到位于所述管状工具轴线上一确定点C【Cx、Cy、Cz】；
通过参数得到C点在阵列坐标系的位置为P【Px、Py、Pz】；
将机器人调为手动模式，拖动机器人末端，连同标记阵列在三维定位装置的视野范围内，随意运动至α个及以上位置，保证标记阵列能被三维定位装置采集，且保证所有位置不在同一平面或同一直线；α为大于等于4的整数；
采集α个及以上位置中每个位置的机器人末端位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}和三维定位装置捕捉的标记阵列的位姿数据T＝{T 1、T 2、…T n}；
将P【Px、Py、Pz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到三维定位装置的坐标系N中，获得点集P N＝{P N 1、P N 2…P N n}，将C【Cx、Cy、Cz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到机器人基坐标系B中，获得点集T B＝{T B 1、T B 2…T B n}；
使用SVD获取三维定位装置坐标系和机器人基坐标系的转换关系 T RE。
其中，所述将C【Cx、Cy、Cz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到机器人基坐标系B中，获得点集T B＝{T B 1、T B 2…T B n}，包括：
将C【Cx、Cy、Cz】通过T 1映射到三维定位装置的坐标系中得到T N 1；将C【Cx、Cy、Cz】通过T n映射到三维定位装置的坐标系中得到T N n。
本实施例中，所述将P【Px、Py、Pz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到三维定位装置的坐标系N中，获得点集P N＝{P N 1、P N 2…P N n}，包括：
将P【Px、Py、Pz】通过T 1映射到三维定位装置的坐标系中得到P N 1；将P【Px、Py、Pz】通过T n映射到三维定位装置的坐标系中得到P N n。
在上述基础上，本公开实施例还提供一种机器人坐标系注册装置，应用于上述的机器人标记注册系统，所述机器人坐标系注册装置包括：
信息获取模块，配置成对管状工具进行TCP操作得到位于所述管状工具轴线上一确定点C【Cx、Cy、Cz】；通过参数得到C点在阵列坐标系的位置为P【Px、Py、Pz】；
操作采集模块，配置成将机器人调为手动模式，拖动机器人末端，连同标记阵列在三维定位装置的视野范围内，随意运动至α个及以上位置，保证标记阵列能被三维定位装置采集，且保证所有位置不在同一平面或同一直线；α为大于等于4的整数；采集α个及以上位置中每个位置的机器人末端位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}和三维定位装置捕捉的标记阵列的位姿数据T＝{T 1、T 2、…T n}；
信息处理模块，配置成将P【Px、Py、Pz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到三维定位装置的坐标系N中，获得点集P N＝{P N 1、P N 2…P N n}，将C【Cx、Cy、Cz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到机器人基坐标系B中，获得点集T B＝{T B 1、T B 2…T B n}；使用SVD获取三维定位装置坐标系和机器人基坐标系的转换关系 T RE。
在一种实现方式中，所述信息处理模块配置成通过以下步骤将C【Cx、Cy、Cz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到机器人基坐标系B中，获得点集T B＝{T B 1、T B 2…T B n}：
将C【Cx、Cy、Cz】通过T 1映射到三维定位装置的坐标系中得到T N 1；将C【Cx、Cy、Cz】通过T n映射到三维定位装置的坐标系中得到T N n。
在一种实现方式中，所述信息处理模块配置成通过以下步骤将P【Px、Py、Pz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到三维定位装置的坐标系N中，获得点集P N＝{P N 1、P N 2…P N n}：
将P【Px、Py、Pz】通过T 1映射到三维定位装置的坐标系中得到P N 1；将P【Px、Py、Pz】通过T n映射到三维定位装置的坐标系中得到P N n。
此外，本公开还提供了一种可实现各项功能的计算机，该计算机包括存储器和处理器，存储器可用于存储计算机程序，处理器通过运行所述计算机程序，从而使计算机执行上述机器人坐标系注册装置中的各个模块的功能。
应当理解，实现上述机器人坐标系注册装置的各项功能的计算机可以包括一台或者多台服务器，例如，信息获取模块、操作采集模块和信息处理模块可以集成在一台服务器中，也可以集成在不同服务器中，本公开对此不作限制。
存储器可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据服务器的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于储存上述计算机中使用的计算机程 序。
在本公开所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统也可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本公开的多个实施例的系统、服务器和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本公开各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本公开的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台服务器(可以是智能终端、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本公开实施例所述方案的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上对本公开实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。工业实用性
本公开提供的使用三维定位装置进行机器人坐标系注册方法、装置、系统、计算机及可读存储介质，能够提高机器人坐标注册精度，进而提高医疗机器人的操作精度，具有较高的实现价值，适合大规模推广应用。

Claims (16)

  1. 一种使用三维定位装置进行机器人坐标系注册方法，其特征在于，所述方法应用于机器人标记注册系统，所述方法包括如下步骤：
    对于管状工具安装于机器人末端，对管状工具进行TCP操作得到位于所述管状工具轴线上一确定点C【Cx、Cy、Cz】；
    将机器人和三维定位装置相对固定，将钻杆插入管状工具内，钻杆和管状工具同轴；
    将辅助注册工具夹于钻杆前端，辅助注册工具上的标记阵列所在平面与钻杆的轴向垂直，且轴线通过标记阵列中心，通过参数得到C点在阵列坐标系的位置为P【Px、Py、Pz】；
    将机器人调为手动模式，拖动机器人末端，连同标记阵列在三维定位装置的视野范围内，随意运动至α个及以上位置，保证标记阵列能被三维定位装置采集，且保证所有位置不在同一平面或同一直线；α为大于等于4的整数；
    采集α个及以上位置中每个位置的机器人末端位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}和三维定位装置捕捉的标记阵列的位姿数据T＝{T 1、T 2、…T n}；
    将P【Px、Py、Pz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到三维定位装置的坐标系N中，获得点集P N＝{P N 1、P N 2…P N n}，将C【Cx、Cy、Cz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到机器人基坐标系B中，获得点集T B＝{T B 1、T B 2…T B n}；
    使用SVD获取三维定位装置坐标系和机器人基坐标系的转换关系 T RE。
  2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机器人标记注册系统包括：机器人、三维定位装置、管状工具、钻杆和辅助注册工具；
    其中，机器人通过法兰与所述管状工具固定连接，所述钻杆插入所述管状工具，所述辅助注册工具通过钻杆前端夹具与所述钻杆的前端固定连接；
    所述辅助注册工具包括：标记阵列，所述标记阵列包括：分布于四周的4个标记点。
  3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述将C【Cx、Cy、Cz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到机器人基坐标系B中，获得点集T B＝{T B 1、T B 2…T B n}具体包括：
    将C【Cx、Cy、Cz】通过T 1映射到三维定位装置的坐标系中得到T N 1；将C【Cx、Cy、Cz】通过T n映射到三维定位装置的坐标系中得到T N n。
  4. 根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，所述将P【Px、Py、Pz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到三维定位装置的坐标系N中，获得点集P N＝{P N 1、P N 2…P N n} 具体包括：
    将P【Px、Py、Pz】通过T 1映射到三维定位装置的坐标系中得到P N 1；将P【Px、Py、Pz】通过T n映射到三维定位装置的坐标系中得到P N n。
  5. 一种机器人标记注册系统，其特征在于，包括：机器人、三维定位装置、管状工具、钻杆和辅助注册工具；
    其中，所述机器人与所述管状工具固定连接，所述管状工具位于所述机器人末端；所述钻杆插入所述管状工具，所述钻杆和管状工具同轴；所述辅助注册工具与所述钻杆的前端固定连接；
    所述辅助注册工具包括：标记阵列，所述标记阵列包括：分布于四周的4个以上标记点，所述辅助注册工具上的标记阵列所在平面与所述钻杆的轴向垂直，且所述钻杆的轴线通过所述标记阵列中心。
  6. 根据权利要求5所述的机器人标记注册系统，其特征在于，所述机器人与所述管状工具通过法兰固定连接，所述管状工具通过所述法兰安装于所述机器人末端。
  7. 根据权利要求5或6所述的机器人标记注册系统，其特征在于，所述辅助注册工具通过钻杆前端夹具与所述钻杆的前端固定连接。
  8. 根据权利要求5至7任意一项所述的机器人标记注册系统，其特征在于，所述三维定位装置为使用网络设备接口的Vega三维运动捕捉系统。
  9. 一种机器人坐标系注册方法，其特征在于，应用于权利要求5至8任意一项所述的机器人标记注册系统，所述方法包括：
    对管状工具进行TCP操作得到位于所述管状工具轴线上一确定点C【Cx、Cy、Cz】；
    通过参数得到C点在阵列坐标系的位置为P【Px、Py、Pz】；
    将机器人调为手动模式，拖动机器人末端，连同标记阵列在三维定位装置的视野范围内，随意运动至α个及以上位置，保证标记阵列能被三维定位装置采集，且保证所有位置不在同一平面或同一直线；α为大于等于4的整数；
    采集α个及以上位置中每个位置的机器人末端位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}和三维定位装置捕捉的标记阵列的位姿数据T＝{T 1、T 2、…T n}；
    将P【Px、Py、Pz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到三维定位装置的坐标系N中，获得点集P N＝{P N 1、P N 2…P N n}，将C【Cx、Cy、Cz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到机器人基坐标系B中，获得点集T B＝{T B 1、T B 2…T B n}；
    使用SVD获取三维定位装置坐标系和机器人基坐标系的转换关系 T RE。
  10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述将C【Cx、Cy、Cz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到机器人基坐标系B中，获得点集T B＝{T B 1、T B 2…T B n}，包括：
    将C【Cx、Cy、Cz】通过T 1映射到三维定位装置的坐标系中得到T N 1；将C【Cx、Cy、Cz】通过T n映射到三维定位装置的坐标系中得到T N n。
  11. 根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述将P【Px、Py、Pz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到三维定位装置的坐标系N中，获得点集P N＝{P N 1、P N 2…P N n}，包括：
    将P【Px、Py、Pz】通过T 1映射到三维定位装置的坐标系中得到P N 1；将P【Px、Py、Pz】通过T n映射到三维定位装置的坐标系中得到P N n。
  12. 一种机器人坐标系注册装置，其特征在于，应用于权利要求5至8任意一项所述的机器人标记注册系统，所述机器人坐标系注册装置包括：
    信息获取模块，配置成对管状工具进行TCP操作得到位于所述管状工具轴线上一确定点C【Cx、Cy、Cz】；通过参数得到C点在阵列坐标系的位置为P【Px、Py、Pz】；
    操作采集模块，配置成将机器人调为手动模式，拖动机器人末端，连同标记阵列在三维定位装置的视野范围内，随意运动至α个及以上位置，保证标记阵列能被三维定位装置采集，且保证所有位置不在同一平面或同一直线；α为大于等于4的整数；采集α个及以上位置中每个位置的机器人末端位姿数据R＝{R 1、R 2、…R n}和三维定位装置捕捉的标记阵列的位姿数据T＝{T 1、T 2、…T n}；
    信息处理模块，配置成将P【Px、Py、Pz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到三维定位装置的坐标系N中，获得点集P N＝{P N 1、P N 2…P N n}，将C【Cx、Cy、Cz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到机器人基坐标系B中，获得点集T B＝{T B 1、T B 2…T B n}；使用SVD获取三维定位装置坐标系和机器人基坐标系的转换关系 T RE。
  13. 根据权利要求12所述的机器人坐标系注册装置，其特征在于，所述信息处理模块配置成通过以下步骤将C【Cx、Cy、Cz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到机器人基坐标系B中，获得点集T B＝{T B 1、T B 2…T B n}：
    将C【Cx、Cy、Cz】通过T 1映射到三维定位装置的坐标系中得到T N 1；将C【Cx、Cy、Cz】通过T n映射到三维定位装置的坐标系中得到T N n。
  14. 根据权利要求12或13所述的机器人坐标系注册装置，其特征在于，所述信息处理模块配置成通过以下步骤将P【Px、Py、Pz】通过T＝{T 1、T 2、…T n}映射到三维定位装置的坐标系N中，获得点集P N＝{P N 1、P N 2…P N n}：
    将P【Px、Py、Pz】通过T 1映射到三维定位装置的坐标系中得到P N 1；将P【Px、Py、Pz】通过T n映射到三维定位装置的坐标系中得到P N n。
  15. 一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储配置成电子数据交换的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行如权利要求9-11任一项所述的方法。
  16. 一种计算机，其特征在于，包括存储器以及处理器，所述存储器配置成存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述计算机实现权利要求9至11中任一项所述的方法。
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