[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

说明书

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，属于机器人控制领域，为实现机器人对针尖的精确控制，本本发明方法：对两个相机进行单目视觉标定，再进行双目系统视觉标定，进而建立视觉测量空间坐标系；穿刺针在视觉测量空间范围内分别进行单平移和旋转平移运动；对移动操作中采集的图像处理生成封闭区域及该封闭区域的最小外接矩形；循环检测最小外接矩形的短边与封闭区域的交点，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；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；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。

技术领域

本发明属于机器人控制领域，涉及针尖位置标定技术。

背景技术

经皮穿刺手术在三叉神经热凝，射频消融，近距离放疗和肿瘤活检等领域有着非常广泛的应用，但是由于人体组织的非线性和非刚性导致依靠手工实现精确穿刺异常困难，随着技术的发展，机器人辅助的经皮穿刺手术为精确穿刺的实现提供了技术方案，在机器人辅助经皮穿刺手术中必不可少的一项技术是对针尖(即机器人辅助穿刺手术过程中的末端工具中心)进行标定，以实现机器人对针尖的精确控制，实现精确穿刺。

目前典型的末端工具中心标定方法大多数是接触式的，这对于穿刺针这种低刚度末端执行工具而言势必会在标定过程中引入较大误差，当然也有部分技术是非接触式的，主要原理是通过线激光获得末端工具的特征，目前只适用于焊枪等大型且形状简单的末端工具，对穿刺针这样的小型目标难以适用。因此如何能够快速精确地标定穿刺针针尖对于进一步推进机器人辅助精确穿刺技术具有重要意义。

发明内容

本发明目的是为了提供了一种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，获取穿刺针针尖相对于机器人末端法兰的位置描述。

本发明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，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。

优选地，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