[发明专利]一种辅助激光截骨手术机器人的标定系统及标定方法

说明书

本发明公开了一种辅助激光截骨手术机器人的标定系统及标定方法，获取机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵以及跟踪装置坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵；求解工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的平移向量，建立工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的转移矩阵，得到工具坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵，实现机器人的工具标定；求解工具坐标系相对于跟踪装置坐标系的平移向量，获取工具坐标系原点的两组三维点集，求解机器人基坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵，实现机器人的手眼标定。

技术领域

本公开涉及机器人标定领域，具体涉及一种辅助激光截骨手术机器人的标定系统及标定方法。

背景技术

近年来，手术机器人技术在临床上得到越来越广泛的应用。辅助激光截骨手术机器人是一种能够在手术中帮助医生按照术前规划自动完成截骨的任务自主型手术机器人。它相较于传统的截骨手术器械，具有精确可控、对周围组织损伤小等优点。工具标定和手眼标定是辅助截骨手术机器人安装和作业前的重要步骤，直接决定着机器人的定位精度及手术效果。

发明人在研发过程中发现，传统的标定方法多依赖先进的测量设备，标定过程复杂，测量设备成本昂贵，且测量精度很大程度上依赖测量设备的精度，使其难以在实际操作中有效应用。而现有的依靠自身的标定方法如“四点法”、“六点法”等操作过程复杂，稳定性差，无法满足临床手术要求。另一方面，辅助激光截骨手术机器人系统中，对于激光工具的标定，是对激光有效消融点这一空间中悬空点的标定，属于非接触式工具标定，提高了系统标定的难度。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种辅助激光截骨手术机器人的标定系统及标定方法，能够自动有效地实现辅助激光截骨手术机器人的工具及手眼标定，提高标定精度。

本公开所采用的技术方案是：

一种辅助激光截骨手术机器人的标定方法，该方法包括以下步骤：

建立机器人、机械臂末端、相机、跟踪装置以及位于机械臂末端的工具的坐标系；

获取工具发射激光垂直照射到标定装置每个平面且经过标定装置的中心时，机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵以及跟踪装置坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵；

求解工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的平移向量，建立工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的转移矩阵；

将机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵与工具坐标系相对于机械臂末端坐标系的转移矩阵相乘，得到工具坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵，实现机器人的工具标定；

求解工具坐标系相对于跟踪装置坐标系的平移向量，获取工具坐标系原点的两组三维点集，求解机器人基坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵，实现机器人的手眼标定。

作为本公开的进一步技术方案，所述机械臂末端坐标系相对于机器人基坐标系的转移矩阵的获取方法为：

测量位于机械臂末端的工具发射激光垂直照射到标定装置第一平面且经过标定装置的中心时，工具到标定装置外接球球心的距离；

当测量到的距离等于激光消融有效距离与标定装置外接球半径的和时，获取此时机械臂末端工具中心点相对于机器人基坐标系的位置和姿态信息，形成机械臂末端坐标系{E}相对于机器人基坐标系{B}的第一转移矩阵

重复上述步骤，直到得到机械臂末端坐标系{E}相对于机器人基坐标系{B}的第二转移矩阵第三转移矩阵和第四转移矩阵

作为本公开的进一步技术方案，所述跟踪装置坐标系相对于相机坐标系的转移矩阵的获取方法为：

测量位于机械臂末端的工具发射激光垂直照射到标定装置第一平面且经过标定装置的中心时，工具到标定装置外接球球心的距离；