[发明专利]基于立体视觉的机器人辅助穿刺手术末端工具中心标定方法

权利要求书

1.基于立体视觉的机器人辅助穿刺手术末端工具中心标定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、对两个相机进行单目视觉标定，每个相机分别建立各自的像平面坐标系；

所述两个相机均用于采集机器人辅助穿刺手术末端工具的图像，且两个相机的光轴垂直；

步骤二、进行双目系统视觉标定，进而建立视觉测量空间坐标系；

步骤三、拍摄视觉测量空间内无异物状态下的背光图像，以作为后期图像差分处理的背景；

步骤四、控制机械臂移动，将其末端的穿刺针放入视觉测量空间范围内，分别进行单平移运动和旋转平移运动，并拍摄图像；

步骤五、对移动操作中采集的所有图像依次进行与背景的差分运算、大津法阈值提取、开运算平滑边界、图像二值化，生成封闭区域及该封闭区域的最小外接矩形；

所述封闭区域为单平移运动形成的封闭区域或旋转平移运动形成的封闭区域；

步骤六、循环检测最小外接矩形的短边与封闭区域的交点，其所有交点的位置的均值即为针尖在两个像平面坐标系的位置，进而获取单平移运动过程中针尖在视觉测量空间坐标系中的位置变化描述及旋转平移运动过程中针尖在视觉测量空间坐标系中的位置变化描述；

步骤七、通过单平移运动过程中针尖在视觉测量空间坐标系中的位置变化描述与机械臂末端在机器人基坐标系中的位置变化描述的旋转矩阵，通过最小二乘法得到视觉测量空间坐标系和机器人基坐标系的姿态旋转关系；

步骤八、通过旋转平移运动过程中针尖在视觉测量空间坐标系中的位置变化描述、机械臂末端在机器人基坐标系中的位置变化描述及视觉测量空间坐标系和机器人基坐标系的姿态旋转关系，获取针尖相对于机械臂末端的位置描述，完成对针尖的位置标定。

2.根据权利要求1所述基于立体视觉的机器人辅助穿刺手术末端工具中心标定方法，其特征在于，步骤一建立像平面坐标系，两个相机的像平面坐标系与像素坐标的关系分别为：

和

其中L表示a相机，R表示b相机，(X_L,Y_L)表示a相机像平面坐标系下某点的坐标，(X_R,Y_R)表示b相机像平面坐标系下某点的坐标；

S_xL、S_yL表示a相机像平面坐标系中单个像素在x方向和y方向代表的实际物理尺寸，S_xR、S_yR表示b相机像平面坐标系中单个像素在x方向和y方向代表的实际物理尺寸；

(u_0L,v_0L)表示a相机像素坐标系下的中心点坐标，(u_0R,v_0R)表示b相机像素坐标系下的中心点坐标；

(u_L,v_L)表示a相机像素坐标系下的某点坐标，(u_R,v_R)表示b相机像素坐标系下的某点坐标。

3.根据权利要求2所述基于立体视觉的机器人辅助穿刺手术末端工具中心标定方法，其特征在于，步骤二建立视觉测量空间坐标系下的某点坐标(x,y,z)表示为：

其中，f_L和f_R分别表示a相机和b相机的镜头焦距；

r₁～r₉构建了a相机和b相机两个像平面坐标系的相对姿态转换关系矩阵

该相对姿态转换关系矩阵存在如下关系式：

式中：(x_R,y_R,z_R)表示b相机的相机坐标系R下的某点坐标；

t_x、t_y、t_z构建了a.相机的相机坐标系L和b相机的相机坐标系R两个坐标系的相对位置关系矩阵

根据相对姿态转换关系矩阵相对位置关系矩阵构建a相机和b相机两个相机坐标系的相对位姿关系矩阵