[发明专利]一种手术机器人的手眼标定方法

说明书

本发明提供一种手术机器人的手眼标定方法，包括：控制机械臂末端移动，形成Tcp₁；保持机械臂末端姿态不变，控制机械臂末端沿Tcp₁坐标系的x₁轴正方向移动到达O₂，形成Tcp₂；再沿Tcp₂坐标系的y₂轴正方向移动到达O₃，形成Tcp₃；计算Tcp₃坐标系到光学定位仪坐标系转换矩阵；计算Tool₃坐标系到光学定位仪坐标系转换矩阵；获得Tool₃坐标系到Tcp₃坐标系转换矩阵。本发明通过直接测量坐标轴方向的方式求解旋转矩阵，通过拟合球的方式求解平移向量，操作简便，不需要机械臂大范围运动，求解过程不需要设定初值，求解精度受机械臂的运动精度影响较小，是一种操作简便精度高的手术机器人手眼标定方法。

技术领域

本发明属于手术机器人导航定位技术领域，具体涉及一种手术机器人的手眼标定方法。

背景技术

手术机器人具有导航定位精度高、重复性好的优势，已被广泛应用于骨科、神经外科、口腔科等临床手术中。手术机器人导航定位原理为：光学定位仪通过对安装在机械臂末端的工具示踪器进行跟踪，通过工具示踪器与机械臂末端TCP坐标系的变换关系，得到机械臂末端的位姿，从而引导机械臂运动至规划的目标位姿。完成这一手术机器人导航定位过程，需要事先获得工具示踪器与机械臂末端TCP坐标系的变换关系，这一过程称为手眼标定。

传统的手眼标定方法为：在多个位置采集机械臂末端TCP和工具示踪器的位姿，然后采用迭代方法求解，得到工具示踪器与机械臂末端TCP坐标系的变换关系。此种方法具有以下三个明显缺陷：(1)迭代方法对初值敏感，如果初值偏差较大，会导致迭代结果明显错误；(2)为达到较高的标定精度，通常需要机械臂在空间大范围运动多个位置，标定过程算法复杂，需消耗较多时间；(3)标定计算过程使用到了机械臂自身的位姿读数，使得机械臂的定位误差对标定结果有较大影响，而手术机器人通常采用协作机械臂，定位精度较低。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种手术机器人的手眼标定方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种手术机器人的手眼标定方法，包括以下步骤：

步骤S1，在机械臂末端固定安装工具示踪器；其中，所述工具示踪器包括刚性支架以及固定安装于所述刚性支架的4个不对称布置的定位球；4个定位球分别称为：1号定位球、2号定位球、3号定位球和4号定位球；

步骤S2，控制机械臂末端移动，进而带动所述工具示踪器同步移动，使所述工具示踪器位于光学定位仪的测量视野中央时停止移动，设此时机械臂末端移动至点O₁，此时机械臂末端TCP坐标系记为Tcp₁＝(x₁,y₁,z₁,o₁)，其中，x₁,y₁,z₁,o₁分别表示Tcp₁坐标系的x轴、y轴、z轴和坐标原点；此时的工具示踪器坐标系记为Tool₁；此时，采用光学定位仪测量工具示踪器的1号定位球在光学定位仪坐标系下的坐标，记为