[发明专利]基于手眼式机器人的股骨中心定位方法

摘要

本发明提出一种基于手眼式机器人的股骨中心定位方法，首先利用Tsai的方法对机器人进行手眼标定，得到机器人的手眼位置变换关系；然后同时移动股骨远端和固定在机器人手爪之上的相机，使髁间窝中心在覆盖比较大的球面范围的同时仍在相机的视野范围之内，在每个位置采集髁间窝中心数据和手爪姿态；将采集到的髁间窝中心数据通过手眼变换等统一转换到机器人基坐标系下；用机器人基坐标下的髁间窝中心数据去拟合一个球面方程，通过数值计算方法确定股骨头中心的坐标信息，实现股骨中心的精确定位。利用本发明的定位结果设计机器人全膝关节置换术中的股骨定位方案，由机器人执行操作，步骤简单，提高了股骨定位精度。

主权项

1、一种基于手眼式机器人的股骨中心定位方法，其特征在于包括如下具体步骤：1)利用Tsai的方法对手眼式机器人进行手眼标定，得到机器人的手眼位置变换关系，即机器人手爪坐标系和相机坐标系之间的旋转矩阵和平移向量；2)采集髁间窝中心坐标和手爪姿态数据：保持股骨中心位置不变，向前屈膝90度，移动机器人手爪使绑于其上的相机正对股骨远端髁间窝中心，采集髁间窝中心坐标和手爪姿态数据，以此时股骨位置为基准，向左移动股骨远端使股骨旋转45度～60度，同时也向左移动机器人手爪使髁间窝中心在相机的视野范围之内，采集髁间窝中心坐标和手爪姿态数据，与此类似，再分别向右、上、下三个方向移动股骨远端和机器人手爪，采集髁间窝中心坐标和手爪姿态数据，一共测量获得5组不同位置的髁间窝中心坐标和手爪姿态数据；3)将髁间窝中心坐标转换到机器人基坐标系下：首先将采集到的髁间窝中心坐标通过步骤1)得到的手眼位置变换关系进行手眼坐标转换，转换到机器人手爪坐标系，然后利用此时的手爪姿态数据计算手爪坐标系和机器人基坐标系的坐标变换关系，得到两坐标系之间的旋转矩阵和平移向量，最后将机器人手爪坐标系下的髁间窝中心坐标转换到机器人基坐标系下，于是得到所有髁间窝中心位置在统一基坐标下的坐标信息；4)用球面拟合法计算股骨头中心：将确定股骨头中心的问题抽象成已知球面上点求解球心的几何模型，利用前面得到的机器人基坐标系下的髁间窝中心数据去拟合一个球面方程，用数值计算的方法求出该球面的中心坐标，这个球面中心点就是股骨头中心在机器人基坐标系下的坐标，实现股骨中心的精确定位