[发明专利]双目立体摄像机机器人视觉伺服控制装置及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及医疗机器人技术领域，是一种双目立体摄像机机器人视觉伺服控制装置及其使用方法。

背景技术

在现阶段，视觉传感器是机器人系统中最重要的传感器之一，它的引入改变了机器人对操作对象及环境必须精确建模的要求。依靠视觉信息的反馈，机器人可实现在动态下的操作。

在医疗领域，视觉伺服技术通过获取手术器械与患者的相对位置关系，辅助医生进行复杂的外科手术。例如在进行胸腔手术和脑手术时，借助于机器视觉的特点，可利用射线透视图，核磁共振图像对病灶位置做详细分析和定位，并控制机器人末端手术刀具精确地进行手术，完成以前单纯靠人力无法完成的高难度手术。在机器人辅助骨科钻孔手术过程中如果患者的肢体没有被固定或固定不牢，可能在钻孔操作时产生突然运动，碰到刀具，伤及健康部位，造成医疗事故,因此需要检测手术器械与患者肢体的相对位置关系，来控制机器人运动。

由于受视觉处理的速度及精度等瓶颈的限制，早期的机器视觉系统多采用静态控制结构，即“先看后动”，难以实现对运动目标的跟踪，直到计算机及图像处理技术发展成熟后，才使视觉信息可用于连续反馈，于是人们提出了基于视觉的伺服控制形式，相对于对静止目标的操作，视觉伺服系统强调运动目标跟踪的实时性。

根据控制系统中视觉传感器数目差异，分为单目、双目和多目视觉。根据视觉传感器安装的位置，分为手眼系统(Eye in Hand)和固定摄像机系统(Eye to Hand)。根据视觉反馈信号是3维笛卡尔空间坐标值还是2维图像特征，分为基于位置(Position-Based)的视觉控制系统和基于图像(Imaged-Based)的视觉控制系统。采用Eye in Hand的单目视觉系统结构简单，视野范围较大，这种形式在工业机器人中应用比较广泛。但由于视野处在变化之中，不能保证目标一直在视场内，有时会存在丢失目标现象，而且摄像机的成像深度随机器人运动不断变化，增加了图像处理的计算量。

发明内容

本发明提供了一种双目立体摄像机机器人视觉伺服控制装置和使用方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有技术采用手眼系统采集目标图像视野范围大易造成目标丢失的现象，更有效解决了由于摄像机成像深度需不断随机器人运动采集变化的目标，造成图像处理计算量大的问题。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种双目立体摄像机机器人视觉伺服控制装置，包括机器人子系统和视觉控制子系统，所述的机器人子系统包括机器人控制器和关节型六自由度机器人，所述的视觉控制子系统包括双目立体摄像机和视觉控制器；机器人控制器的输出端与关节型六自由度机器人的输入端之间电连接，机器人控制器与视觉控制器之间双向通信连接，双目立体摄像机的输出端与视觉控制器的输入端之间电连接。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述视觉控制子系统还可包括末端执行器光学靶标和目标运动体光学靶标，所述的末端执行器光学靶标固定安装在关节型六自由度机器人的末端执行器上，所述的目标运动体光学靶标安装在目标期望位置，末端执行器光学靶标和目标运动体光学靶标分别记载有期望位置和当前位置的位置坐标信息。

上述视觉控制器为视觉PID控制器。

上述机器人控制器可为嵌入式控制器，其包括功率放大器和关节角度传感器。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种使用双目立体摄像机机器人视觉伺服控制装置的方法，包括以下步骤：

步骤1：启动机器人子系统和视觉控制子系统，调整双目立体摄像机的位置以确定末端执行器光学靶标和目标运动体光学靶标均在双目立体摄像机的视野范围内，之后进入步骤2；

步骤2：通过双目立体摄像机采集初始化状态下末端执行器光学靶标和目标运动体光学靶标的位置信息图像，根据摄像机模型计算出末端执行器光学靶标在摄像机坐标系下的位姿齐次矩阵表达式和目标运动体光学靶标在摄像机坐标系下的位姿齐次矩阵表达式，之后进入步骤3；

步骤3：通过测量工具测出末端执行器光学靶标在机器人末端执行器坐标系下的位姿齐次矩阵表达式；通过关节角度传感器获取机器人的六个关节角确定机器人末端执行器在初始位置上的位姿齐次矩阵，再经机器人运动学正解得到；根据坐标变换关系，计算出末端执行器光学靶标在机器人基座标系B下的齐次矩阵为，之后进入步骤4；