[发明专利]一种基于电磁定位系统的穿刺手术机器人精确定位实现方法

说明书

本发明公开了一种基于电磁定位系统的穿刺手术机器人精确定位实现方法，可应用于穿刺手术机器人，属于机器人控制领域。该方法包括以下步骤：(1)通过磁场导航装置获得电磁发生器坐标系和传感器坐标系间的变换矩阵；(2)通过机器人运动学模型计算机器人坐标系与传感器坐标系之间的变换矩阵；(3)计算电磁发生器坐标系和穿刺手术机器人坐标系间的变换矩阵；(4)对机器人工作空间进行分割和采样，获得采样点的误差信息；(5)应用空间插值方法对目标点进行误差补偿。采用此方法，可以减小手术机器人的定位误差，实现精确定位。具有精度高、成本低、计算简单等优点。

技术领域

本发明涉及一种基于磁场导航装置的机器人精确定位的实现方法，特别涉及一种应用空间插值方法对机器人进行定位误差补偿的实现技术，可应用于穿刺手术机器人，属于机器人控制领域。

背景技术

在复杂的手术环境中，穿刺手术机器人系统的精确空间定位是一个关键问题。磁定位器作为一种新式传感器，可以实现非接触式测量，并且不受遮挡影响，特别适合在手术室等人员密集的复杂环境下应用。它价格相对较低，使用方便，被广泛采用。但其应用于手术机器人领域时，定位精度较低，不能满足高精度手术的要求。

文献“刘少丽,杨向东,吴聊,等.基于磁定位器的微创手术机器人空间定位方法研究[J].机械设计与制造,2011(12):1-3.”提出了一种微创手术机器人空间定位方法，该方法利用了传统的奇异值分解的方法实现磁定位发射器空间和机器人空间的配准，但此方法存在以下两点不足：计算复杂、定位精度不够高。

申请号为201310451794.9，公开了一种用于工业机器人的基于模糊神经网络的标定误差补偿方法，但该方法需要使用激光跟踪仪测量机器人位姿，无法应用于手术环境中，且需要的采样点较多，计算量大。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的手术机器人末端精确定位的技术缺陷，能够在保证机器人定位精度满足要求的同时尽量降低运算量、成本也不会太高，采用了电磁定位系统完成空间配准，提出了一种基于空间插值方法的机器人定位误差补偿模型，实现机器人的精确定位，满足实际手术的需要。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种基于电磁定位系统的机器人精确定位实现方法，其实现平台是由磁场导航装置和机械臂组成的穿刺手术机器人系统，磁场导航装置通过采集贴在人体上的传感器位置信息和手术针末端的传感器位置信息，完成系统的配准和导航功能。

一种基于电磁定位系统的穿刺手术机器人精确定位实现方法，该方法包括1、计算机器人坐标系与传感器坐标系之间的变换矩阵的步骤；进一步的，包括通过手术针末端传感器的信息建立一个和手术针末端坐标系重合的传感器坐标系，计算机器人坐标系与传感器坐标系之间的变换矩阵；根据机器人的运动学方程计算机器人坐标系与传感器坐标系之间的变换矩阵。

2、包括计算电磁发生器坐标系和穿刺手术机器人坐标系间的变换矩阵的步骤；电磁发生器坐标系和穿刺手术机器人坐标系间的变换矩阵计算方法是：

3、包括对机器人工作空间进行分割和采样，获得采样点的误差信息的步骤；是将机器人工作空间分割成若干个边长相等的立方体，对每个立方体的顶点进行采样，根据机器人运动学方程计算出各顶点在机器人坐标系下的位置矢量，再通过电磁发生器采集到的传感器数据计算出在磁场坐标系下的位置矢量。

4、包括计算每个采样点的位置误差矢量的步骤；位置误差矢量Δ^MP_i计算如下：

^MP_i'＝R^RP_i+P

Δ^MP_i＝^MP_i'-^MP_i。