[發明專利]一種手術機器人的手眼標定方法

在審

• 申請號: 202111114945.2
• 申請日: 2021-09-23
• 公開（公告）號: CN113843792A
• 公開（公告）日: 2021-12-28
• 發明（設計）人: 汪陽;房鶴;萬安;崔小飛;祝勝
• 申請（專利權）人: 四川鋒準機器人科技有限公司
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京市盛峰律師事務所 11337
• 代理人: 席小東

本發明提供一種手術機器人的手眼標定方法，包括：控制機械臂末端移動，形成Tcp₁；保持機械臂末端姿態不變，控制機械臂末端沿Tcp₁坐標系的x₁軸正方向移動到達O₂，形成Tcp₂；再沿Tcp₂坐標系的y₂軸正方向移動到達O₃，形成Tcp₃；計算Tcp₃坐標系到光學定位儀坐標系轉換矩陣；計算Tool₃坐標系到光學定位儀坐標系轉換矩陣；獲得Tool₃坐標系到Tcp₃坐標系轉換矩陣。本發明通過直接測量坐標軸方向的方式求解旋轉矩陣，通過擬合球的方式求解平移向量，操作簡便，不需要機械臂大范圍運動，求解過程不需要設定初值，求解精度受機械臂的運動精度影響較小，是一種操作簡便精度高的手術機器人手眼標定方法。

技術領域

本發明屬于手術機器人導航定位技術領域，具體涉及一種手術機器人的手眼標定方法。

背景技術

手術機器人具有導航定位精度高、重復性好的優勢，已被廣泛應用于骨科、神經外科、口腔科等臨床手術中。手術機器人導航定位原理為：光學定位儀通過對安裝在機械臂末端的工具示蹤器進行跟蹤，通過工具示蹤器與機械臂末端TCP坐標系的變換關系，得到機械臂末端的位姿，從而引導機械臂運動至規劃的目標位姿。完成這一手術機器人導航定位過程，需要事先獲得工具示蹤器與機械臂末端TCP坐標系的變換關系，這一過程稱為手眼標定。

傳統的手眼標定方法為：在多個位置采集機械臂末端TCP和工具示蹤器的位姿，然后采用迭代方法求解，得到工具示蹤器與機械臂末端TCP坐標系的變換關系。此種方法具有以下三個明顯缺陷：(1)迭代方法對初值敏感，如果初值偏差較大，會導致迭代結果明顯錯誤；(2)為達到較高的標定精度，通常需要機械臂在空間大范圍運動多個位置，標定過程算法復雜，需消耗較多時間；(3)標定計算過程使用到了機械臂自身的位姿讀數，使得機械臂的定位誤差對標定結果有較大影響，而手術機器人通常采用協作機械臂，定位精度較低。

發明內容

針對現有技術存在的缺陷，本發明提供一種手術機器人的手眼標定方法，可有效解決上述問題。

本發明采用的技術方案如下：

本發明提供一種手術機器人的手眼標定方法，包括以下步驟：

步驟S1，在機械臂末端固定安裝工具示蹤器；其中，所述工具示蹤器包括剛性支架以及固定安裝于所述剛性支架的4個不對稱布置的定位球；4個定位球分別稱為：1號定位球、2號定位球、3號定位球和4號定位球；

步驟S2，控制機械臂末端移動，進而帶動所述工具示蹤器同步移動，使所述工具示蹤器位于光學定位儀的測量視野中央時停止移動，設此時機械臂末端移動至點O₁，此時機械臂末端TCP坐標系記為Tcp₁＝(x₁,y₁,z₁,o₁)，其中，x₁,y₁,z₁,o₁分別表示Tcp₁坐標系的x軸、y軸、z軸和坐標原點；此時的工具示蹤器坐標系記為Tool₁；此時，采用光學定位儀測量工具示蹤器的1號定位球在光學定位儀坐標系下的坐標，記為