[发明专利]基于高精度立体光学定位的机械臂手眼标定系统及方法

说明书

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种基于高精度立体光学定位系统的机械臂手眼标定方法及系统。包括刚体基座，刚体基座固定在机械臂末端；带有反光球的刚体通过螺钉固定在刚体基座上；圆盘中心有一个锥形孔洞，且和刚体基座末端匹配；NDI光学定位仪设于机械臂旁侧。方法步骤包括：一、组装系统；二、匀速使刚体基座绕凹槽作圆周运动；得到刚体固定装置到红外传感器的转移矩阵；三、以四种不同的姿态将刚体基座末端插入到圆盘中央的凹槽中，将刚体基座末端设置为新的TCP；步骤四、在示教模式下，记录下此时刚体基座末端在NDI光学定位仪系统下的坐标Pi和机械臂系统下坐标Qi；五、转化为D‑D姿态估计问题。本发明流程简单，精度高。

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种基于高精度立体光学定位系统的机械臂手眼标定方法及系统。

背景技术

近年来，随着信息与工业技术的发展，医疗手术领域正不断地实现精细化、信息化。在外科手术领域中，机械臂越来越多地辅助甚至代替人手进行操作。相比人手，机械臂具有精度高、稳定性好等优点。为了实现机械臂的精准定位，需要配备一台高精度的光学定位系统。为了获取光学定位系统坐标系与机械臂坐标系之间的转换关系，我们需要对机械臂进行手眼标定(手指机械臂，眼指光学定位系统)。手眼标定的精度在很大程度上也影响了整个系统的准确性。经典的标定方案通过计算机械臂的正逆解和相机的内外参获得一组方程AX＝XB(其中A,B,X均为矩阵)。求解该方程可得手眼转换关系X。

目前方程AX＝XB的求解技术已经相当成熟，有众多的文献提供了各种不同的方法。这些方法大多要求较复杂的数学运算，给编程实现带来一定麻烦，且无法进一步提升精度。由于相机的内外参标定过程复杂，精度相对较低，在数据源上增加了误差。CN20180950623与US2010168915A1均提供了相应的利用NDI光学定位仪进行机械臂手眼标定的方法，但存在操作繁琐、算法实现复杂的缺陷。此外，在标定过程中，需要调整机械臂的姿态确保标定物位于相机视野当中，程序繁琐。基于以上几点，设计一种操作简单、编程便捷、精度较高的标定方法是必要的。

发明专利内容

本发明专利要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供基于高精度立体光学定位的机械臂手眼标定系统及方法。

为解决技术问题，本发明专利所采用的技术方案是：

提供一种基于高精度立体光学定位的机械臂手眼标定系统，包括刚体基座，NDI光学定位仪，带有反光球的刚体和圆盘；

刚体基座固定在机械臂末端，刚体基座的末端为圆锥形；带有反光球的刚体通过螺钉固定在刚体基座上；圆盘中心有一个锥形孔洞，且和刚体基座末端匹配；NDI光学定位仪设于机械臂旁侧。

作为一种改进，刚体基座通过带定位销的法兰盘固定在机械臂末端。

一种利用上述的一种基于高精度立体光学定位的机械臂手眼标定系统的方法，步骤为：

步骤一、将NDI光学定位仪和机械臂系统分别通过支架固定在地面上，两者保持适当距离；将NDI光学定位仪预热半小时，将带锥形凹槽的圆盘固定在桌上，位于NDI光学定位仪和机械臂系统之间，将带有反光球的刚体固定在刚体基座上；

步骤二、定制手持刚体基座的底端，将末端插入桌上圆盘的锥形凹槽并使其固定，匀速使刚体基座绕凹槽作圆周运动，期间保持反光球正对NDI光学定位仪；通过NDI光学定位仪中的NDI Track软件得到刚体固定装置到红外传感器的转移矩阵，从而可以在光学定位系统中读取到刚体基座末端在NDI光学定位仪坐标系下的坐标；

步骤三、将刚体基座装载在机械臂末端，以四种不同的姿态将刚体基座末端插入到圆盘中央的凹槽中，通过机械臂TCP配置程序将刚体基座末端设置为新的TCP(toolcenter position，即工具中心位置)；