基于磁定位器的微创手术机器人空间定位方法研究

在机器人辅助微创介入治疗手术过程中,需要解决医师、手术病人、医疗监测和治疗仪器等复杂多维障碍环境下,机器人辅助手术系统的精确空间定位难题.为此,研究提出了一种基于磁定位器的微创手术机器人空间定位方法.该方法通过手术三维磁场坐标环境与机器人坐标的配准,确定手术障碍环境中定位磁场与手术机器人操作末端之间的空间关系,从而快捷方便和精确可靠地迅速完成手术辅助机器人系统的术前自动标定.医学实验表明采用该方法,手术机器人的定位精度达到3mm,满足微创介入治疗肝癌的临床手术需求.     

基于电磁跟踪与超声图像的介入机器人穿刺导航方法及实验研究

在超声引导的微创介入手术应用中,仅凭超声图像难以实现对手术针实时、准确的跟踪。利用电磁定位系统结合超声图像实现微创介入机器人的穿刺导航任务。超声图像用于确定局部病变的位置,电磁定位系统用于对手术针进行实时定位和跟踪。为使二者有机结合,提出了一种基于伯恩斯坦多项式的误差补偿方法,对跟踪误差进行补偿;采用N线模型法对超声图像进行标定,并以此为基础完成手术针与图像空间的配准,进而提出了虚拟进针路径的概念,实现了电磁定位数据与图像数据的融合。为验证所提方法的有效性和可行性,对超声系统与电磁定位系统的结合性进行了实验研究;搭建了前列腺微创介入机器人平台,进行了多种角度下的靶向穿刺定位实验。实验结果表明:在使用尼龙作为机器人本体材料、钛合金材质手术针的前提下,所提方法对假体穿刺的平均精密度为1. 14 mm,平均准确度为1. 62 mm,能够满足前列腺介入手术的临床精度要求。     

微装配机器人手眼标定方法研究

在视觉反馈的机器人控制中,手眼系统的标定非常重要,直接影响机器人的作业精度.针对微装配机器人系统操作空间小的特点,提出了一种固定视觉的手眼系统标定算法,该方法通过3个空间点在机械手基坐标系中的坐标,采用P3P位姿测量原理获得相应空间点在摄像机坐标系中的坐标,建立了标定方程组,基于最小二乘法,标定出了手眼系统之间的转换矩阵.该方法无需复杂的辅助设备,标定过程简单.相关实验得到了待标定的手眼系统之间的转换矩阵,验证了该方法的标定精度和有效性.     

珠线式模板在Freehand超声图像快速 标定中的应用*

为了精确标定freehand超声图像坐标系与固定于超声探头上的跟踪设备坐标系间坐标转换关系,提出一种“Z”形珠线模板,由双层“Z”形棉线与精确定位的圆珠构成。定位珠能够引导用户将探头准确定位,即将定位珠全部收入图像视野中。计算定位珠在超声图像中成像点间距的比例关系,根据其相应的模板空间间距比例制定优化算法,校准用户拾取的图像坐标。应用同源点匹配算法得到超声图像平面坐标系与磁跟踪设备坐标系间的空间转换关系,从而实现2-D超声图像向3-D空间坐标系的定位转换。标定结果显示此方法与以往的标定方法相比：加快了标定速度,且标定精度与重建精度有所提高。试验采用磁定位方式进行探头的跟踪定位,此方法同样适用于其他定位方式。     

应用SVM算法的相位—三维坐标标定方法

在采用光栅投影轮廓术的立体视觉方法对目标物体重构过程中,关键的步骤就是求得目标物表面特征点的相位与三维坐标的映射关系。通过对单目相机与投影仪组成的视觉系统建立模型,并对相机坐标系与投影仪坐标系进行空间解析,可得空间中任意一点在图像中坐标(u,v)、绝对相位θ与其在相机坐标系下的三维坐标(xc,yc,zc)存在复杂的非线映射关系。提出基于SVM算法的相位—三维坐标标定方法,用带有圆形标志点的平面标定板进行SVM回归模型的样本采集与训练。并通过对测试集回归预测的数据与实际测量中的数据进行对比,分析实验结果显示该标定方法确实可行,具有较高的标定精度。     

基于双重配准的机器人双目视觉三维拼接方法研究

针对机器人图像视觉视野不够开阔,不能获得全面障碍物信息的问题,提出了一种基于轮廓识别的三维重建与可变视觉三维拼接方法。对双目立体视觉系统拍摄的两幅图像中提取出的边缘点进行了边界跟踪,然后基于窗口灰度匹配法,对两幅图像上的像素点进行了匹配,来寻找双目立体视觉系统左右两幅图像中对应的像素点,重建出了障碍物的三维轮廓,并根据目标物体轮廓的连续性对三维轮廓进行了优化;在此基础上提出了基于双重配准算法的可变视角三维拼接方法,采用改进ICP算法对转换到同一坐标系下的两片三维点云进行了精确配准,并对拼接处进行了融合处理,从而得到了大视野的障碍物信息。研究结果表明:通过可变视角三维拼接方法重建的三维模型具有较高空间坐标精度,并且能够通过改变双目立体视角范围获取大视野图像,最大限度地满足机器人障碍物检测和路径规划的要求。     

视觉机器人目标检测分析

设计了利用数学形态学处理图像目标并求解目标质心坐标,通过摄像机的标定以确定机器人运动的空间位置的方法,即利用数学形态学中的膨胀、腐蚀等基本定义和区域填充等算法,除去图像中的背景、检测出目标并获取目标的质心坐标;然后采用OpenCV的单双目立体标定函数进行摄像机内外参数标定,以确定机器人运动的空间位置坐标。     

基于成像光线空间追踪的摄像机标定方法研究

摄像机测量模型和标定方法是视觉测量的关键,直接影响视觉测量系统的测量精度。针对这个问题,借鉴非成像模型的摄像机校准的思想,提出了基于成像光线追踪的摄像机标定方法。分析测量点经摄像机镜头成像的规律,通过空间直线确定摄像机图像坐标与测量空间的映射关系。使用像平面和两个空间平面的映射关系,建立空间直线表达方式,完成基于成像追踪方法的摄像机测量参数标定。通过噪声分析和精度测量实验对基于成像追踪的摄像机标定方法进行精度验证,实验结果表明该方法可以有效抑制标定数据噪声对测量结果的影响,提高摄像机标定精度。     

机器人辅助手术导航系统的空间映射方法

手术辅助定位机器人应易于操作，以提高手术的效率和有利于手术方式的推广。在机器人基座、小臂及末端安装3个磁定位接收器来采集机器人运动状态，辅助完成导航系统的目标规划和空间映射。基座上的接收器提供整个导航系统的统一坐标基准；小臂上的接收器实时给出机器人腕点位置；末端的接收器实时给出机器人末端的位置和姿态。基于这种布置方式，给出了腕点位置的规划方法和整个导航过程的映射算法。基于磁定位器的映射方法可以应用到多种手术导航或虚拟现实的运动跟踪中。     

激光测量标定机器人坐标系位姿变换的正交化解算

针对大型装备智能制造中的机器人在线位姿激光跟踪测量与实时引导需求,提出了一种机器人坐标系与激光测量坐标系标定转换和解算方法。设计了基于距离原则的机器人末端光学工具中心点TCP(Tool Center Point)位置标定算法。通过运用空间点坐标重心化配置算法和基于罗德里格矩阵变换的最小二乘优化算法解算出了具有单位正交性的位姿变换旋转矩阵。进行了机器人坐标系位姿变换激光测量标定和优化对比实验,旋转矩阵初值和正交优化值进行点坐标转换后的综合RMSE分别为0.579 0mm和0.501 5mm。结果表明该方法能够有效改进姿态旋转矩阵正交性,并提高位姿变换解算精度。     

通用机器人视觉检测系统的全局校准技术

介绍了基于通用机器人的车身在线柔性视觉检测系统的工作原理和在复杂现场环境下使用激光跟踪仪和测量臂进行全局校准的实用方法。基于测量姿态的全局校准方法利用机械约束将传感器坐标系和靶标坐标系统一起来,实现测量姿态时传感器坐标系与系统基准坐标系的坐标转换。基于机器人运动学模型的全局校准方法利用机器人末端关节位姿可通过正向运动学获知的特点,在现场构建机器人基坐标系,并通过坐标变换获得与机器人运动精度无关的手眼关系,实现了任意姿态时的全局校准。实际测量的结果表明,应用两种校准方法后系统的重复性精度都十分理想,测量装置重复测量标准差和系统重复测量标准差分别为0.07mm和0.13mm,能够满足在线监控白车身加工尺寸变化的精度要求;系统进行坐标测量时的误差分别为±0.2mm和±0.8mm。     

基于P3P原理的装配机器人手眼标定方法研究

针对一类微装配机器人的固定式手眼系统,提出了一种标定方法。采用P3P位姿测量原理获得空间点在摄像机坐标系中的坐标,从而建立机器人空间坐标系与手眼坐标系的位姿关系,给出了手眼系统标定的具体步骤,建立了标定方程组及其基于最小二乘法的求解方法。考虑到计算和测量误差等因素带来的旋转矩阵非单位正交矩阵的问题,采用了一种简单的校正算法进行修正。该方法无需复杂的辅助设备,标定过程简单,相关实验验证了该方法的标定精度和有效性。     

基于坐标配准的牙颌测量点云拼合技术研究

针对牙颌等待测物非接触式光学三维测量,提出了一种融入标定功能的夹具设计方法,实现了测量过程中待测物与标定靶的空间一致性;定义了单目视觉测量过程涉及到的坐标系统;提出了一种基于坐标配准的点云拼合技术,简化了点云拼合流程,实现了点云拼合理论零误差;应用张正友标定方法对摄像机进行了标定;通过实验验证,得到了具有一定精度的牙颌三维模型点云拼合数据,实现了较快的测量速度,为提高牙颌测量系统的整体精度提供了有力支撑。     

基于双目视觉的六自由度工业机器人控制系统研究

目前机器人视觉系统正越来越广泛地应用于视觉检测、视觉引导和视觉装配领域。为了使机器人能够快速准确地识别、检测、抓取工作台上的工件,该文设计了一套双目视觉的六自由度工业机器人控制系统。文中以张正友摄像机标定法为理论依据研究双目视觉合成技术,利用MATLAB摄像机标定工具箱分别获取左右摄像机的内外参数;通过建立机器人用户坐标系、摄像机坐标系以及世界坐标系实现了空间坐标转换;由OpenCV图像处理算法获得工件坐标位置,控制系统驱动机器人实现工件抓取。     

机器人工具坐标系自动校准方法

摘 要：为了实现工业现场中快速高效的对机器人工具坐标系进行标定,同时提升坐标标定的精度,提出了一种机器人工具坐标系快速标定方法,搭建了标定传感器系统和实验平台。对标定系统的标定测量速度和标定精度进行了测量和研究。该标定方法使机器人按照预定圆周和直线的轨迹进行运动,运动时统计该系统在光电标定传感器中出现的时刻,得到工具坐标系偏斜的位置。本文分析了由于光电标定传感器可能由于装配的原因坐标系不能形成直角坐标系而造成的误差,同时根据坐标系转换的关系,从而排除此项误差。实验结果表明：机器人工具坐标系的标定精度为±0.5mm,标定及恢复时间为15s。该结果满足汽车生产线的精度和效率的要求,能够快速有效的对机器人工具坐标系进行标定。     

基于模块化理念的便携式立体定向仪

为了欠发达地区能够进行微创脑外科立体定向手术,根据机器人原理,设计出一种方便携带外出进行异地医疗救护的立体定向仪。开展了机器人结构类型的分析,建立了结构和整机性能之间的关系,提出了基于液压锁紧、关节结构的整体设计方案;采用模块化的理念,分别对立体定向仪的装夹底座、关节结构、导向器、外部注油系统和制动锁紧系统等进行了设计,得到了在工作空间内灵活运动且可在任意位置固定的立体定向仪;采用便捷的标定方法对立体定向仪进行调试,最终得到了定位精度小于2mm的仪器,并成功应用于脑外科临床手术。从理论上对其进行了性能分析,并进行了相关的实验验证和临床应用。研究结果表明：该便携式立体定向仪具备运动灵活、锁紧可靠的性能和小于2mm的定位精度,达到了临床应用的要求,具有较高的实际应用价值。     

利用激光跟踪仪对机器人进行标定的方法

提出一种简单的利用激光跟踪仪和线性方程最小二乘解对机器人进行标定的方法。通过将机器人运动学方程线性化,建立机器人末端凸缘盘位置误差与连杆D-H参数误差的关系方程。利用激光跟踪仪确定机器人的基坐标系,并通过圆周法求解每个关节电动机的直线方程,进而可以求得机器人的连杆扭角。通过激光跟踪仪测量机器人目标点的坐标值,并通过串口获得机器人6根轴的角度值建立标定方程。通过求解此方程,获得机器人的实际D-H参数,并将此参数应用于修正系统的运动学模型,能够提高机器人的绝对精度。最后对解算过程中的误差和原因进行说明,并对机器人的误差原因进行分析,指出标定过程中需要注意和改进的几个问题。