[发明专利]一种基于平面的标靶球头标定方法、系统及应用

说明书

本发明提供了一种基于平面的标靶球头标定方法、系统及应用，标定方法的步骤包括：取各标靶结构上的同一位置的点U,获取所有标靶上的点U在视觉坐标系下的坐标，采用标靶姿态相近或相同的三个不同位置处标靶上的点U在视觉坐标系下的坐标集合{Ui}，使用{Ui}拟合平面S，得到该平面S法向量N的初值；使用所有位置的{(R_i,T_i)}，以及平面S法向量N的初值，求解标靶球头的球心在标靶本地坐标系下的坐标H的初值；系统采用了前述标靶球头标定方法，将其应用于手术器械，标定手术器械核心工作部位的坐标和姿态。本发明具有稳定性好、精度高，易于实施等优点。

技术领域

本发明属于视觉测量技术领域，尤其涉及一种基于平面的标靶球头标定方法、系统及应用。

背景技术

在视觉测量中，带有球头的标靶(简称标靶)可以用于高精度工件尺寸测量。标靶一般具有灯源结构或图像的刚体结构(简称标靶结构)，使用相机对标靶进行拍摄，可以获取标靶结构在相机坐标系下的坐标。如果球头在标靶结构本地坐标系的坐标已知，那么可以换算出球头在相机坐标系的坐标。使用球头接触工件，便可以得到这些接触点在相机坐标系的坐标，从而完成对工件的尺寸测量。这一测量过程与传统三坐标仪相同，区别在于传统三坐标仪使用机械结构定位球头坐标，而基于视觉测量的标靶通过视觉系统定位球头的坐标。标靶结构一般是稳定的，可以通过精加工的方式获取其结构，或使用视觉系统获取标靶结构。但标靶的球头一般很难靠加工来保证其位置的精确性，并且视觉系统无法直接识别球头。因此，需要通过标定方法来获取球头在标靶结构坐标系下的坐标，即对标靶球头进行标定。而且，在实际使用过程中，标靶的球头部分经常与工件接触，或与手术部位接触，相对容易损坏或变形。因此，在现场快速进行球头标定和精度评估具有很强的实用价值。

如果将灯源结布置在手术器械上，如果手术器械的工作端是球形或针状的，例如穿刺器，则也可使用同样/类似的方法实时定位手术器械“球头”在视觉坐标系下的坐标，达到视觉实时手术导航的目的。

目前，三坐标仪、机械测量臂和视觉测量系统常见的球头标定方法有锥形标定和球形标定。

锥形标定方法是将球头放入到一个锥形体里，当球放于锥形体中，理论上球体与锥面相切，那么无论如何转动标靶，只要球头与锥形充分接触，那么球头与锥面始终相切，球头球心的位置是不动的。因此，标靶实际上是在绕球头的球心做球面运动，可以通过球拟合的方法计算得到球头球心在视觉系统下的坐标，然后将该坐标反算到标靶结构坐标系下，得到球头在标靶结构坐标系下的坐标。然而，锥形标定法的缺点主要有四方面。其一，需要牢固的固定锥形体，特别是对于视觉系统，标靶一般是手持的，而不像机械测量臂等有辅助机械结构，锥体需要承受较大的力量；标靶标定一般需要达到0.1mm以上的标定精度，那么牢固的固定锥形体对一般的用户来说是困难的，一般只有在有重型台面的车间才有具有这样的条件。其二，锥形体放置球头的是内锥形面，锥面很容易与安装球头的金属杆(测针)发生碰撞，实际上为了不发生碰撞，一般测针相对锥形体轴线的夹角不会超过45度，因此被标定的球面角度小于90度，而完整球面的角度是360度，对于球拟合，数据覆盖范围小于180度时，从数学理论上球心容易发生较大误差，当覆盖小于90度时，球心误差会增大一倍以上。其三，当手持标靶标定时，人很难感知球头与锥形体的接触情况，在标靶偏移锥形体轴线较远时，容易发生在重力影响下球头实际并没有与锥形面充分接触，即球与锥形面没有完全相切，球心位置发生了移动。因此，在操作者手持标靶的情况下，很难保证球心稳定性。其四，高精度的锥形体加工难度大，成本高。