一種醫(yī)療機器人dh參數(shù)標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及機器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種醫(yī)療機器人DH參數(shù)標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機器人標(biāo)定技術(shù)是機器人領(lǐng)域的重要技術(shù)之一，用于校正由于機器人加工與裝配 過程中帶來的誤差。
[0003] 現(xiàn)有的機器人標(biāo)定技術(shù)方法主要基于激光跟蹤儀、三維坐標(biāo)測量儀等設(shè)備。一方 面，這類設(shè)備價格昂貴、操作復(fù)雜；另一方面，而且這些方法主要針對工業(yè)機器人，旨在提高 機器人的重復(fù)定位精度，其僅能通過目標(biāo)點的位置信息建立誤差方程，無法使用姿態(tài)信息， 因而具有局限性而且絕對定位精度有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種醫(yī)療機器人DH參數(shù)標(biāo)定方法，其操作簡單、成本較低，且 可有效提尚絕對定位精度。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0006] -種醫(yī)療機器人DH參數(shù)標(biāo)定方法，包括：
[0007] 建立醫(yī)療機器人的運動學(xué)模型和相機的成像模型；
[0008] 基于醫(yī)療機器人的運動學(xué)模型與相機的成像模型確定的系統(tǒng)位置信息和姿態(tài)信 息，來建立誤差方程；
[0009] 根據(jù)誤差方程確定最優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)，通過求解目標(biāo)函數(shù)取得最小值時的參 數(shù)取值，來確定最優(yōu)的機器人DH參數(shù)，即實現(xiàn)機器人參數(shù)的標(biāo)定。
[0010] 進一步的，所述建立醫(yī)療機器人的運動學(xué)模型和相機的成像模型包括：
[0011] 使用DH參數(shù)建模方法對醫(yī)療機器人建立運動學(xué)模型，最終建立一DH模型參數(shù)表；
[0012] 相機的成像模型是基于小孔成像的模型，并加以非線性修正得到；其中，在標(biāo)定 時，以棋盤格標(biāo)定板作為相機的檢測物體，把標(biāo)定板所在的坐標(biāo)系作為世界坐標(biāo)系。
[0013] 進一步的，所述基于醫(yī)療機器人的運動學(xué)模型與相機的成像模型確定的系統(tǒng)位置 f目息和姿態(tài)?目息，來建立誤差方程包括：
[0014] 根據(jù)DH參數(shù)建模方法對機器人建立運動學(xué)模型，獲得矩陣「$與穸表達式：
[0017] 式中，c表示余弦函數(shù)，s'表示正弦函數(shù)，叫-丨為為均為DH參數(shù)；
[0018] 根據(jù)建立的醫(yī)療機器人的運動學(xué)模型和相機的成像模型，獲得下式：
[0019] \T[TlT=y'
[0020] 其中，中包含了20個未知的DH參數(shù)，和已知的關(guān)節(jié)角增量；，是相機坐標(biāo)系和 工具坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；7是相機坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；，是機器人坐標(biāo)系和 世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；
[0021] 根據(jù)相機的成像模型建模方法，可得出下式，從而計算出相機坐標(biāo)系和世界坐標(biāo) 系的轉(zhuǎn)換矩陣.7^
[0023] 其中，（Ui，Vi)是像素坐標(biāo)，（Xwi，Ywi，Z wi)是世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，s是比例因子，Ml 是相機的內(nèi)部參數(shù)，M2是相機的外部參數(shù)，i = l，2...N，表示采集數(shù)據(jù)的組數(shù);在根據(jù)張正 友標(biāo)定法得到Ml矩陣后，通過Ml和標(biāo)定板的已知信息計算各組M2,該式中的M2即為相機坐 標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣f;
[0024] 在參數(shù)均為理想值條件下，〗Γ:7·7等于夕，但是由于系統(tǒng)各部分的實際值與理想 值存在誤差，導(dǎo)致二者并不相等，從而建立誤差方程：
[0025] 設(shè)是X是待標(biāo)定的參數(shù)組成的向量，改變N次關(guān)節(jié)角度，使相機從不同的位姿拍攝 標(biāo)定板，得到機器人關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù);設(shè)：
[0028]以F代替，進行計算，得到誤差方程組ε，其中第k個誤差方程ek表示為：
[0030] 其中，111=1，2,3;11 = 1，2,3,4;1^ = 1，2，...，12\叱
[0031] 進一步的，根據(jù)誤差方程確定最優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)，通過求解目標(biāo)函數(shù)取得最 小值時的參數(shù)取值，來確定最優(yōu)的機器人DH參數(shù)包括：
[0032] 最優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)，通過矩陣表示為：
[0034] 使用最優(yōu)化庫函數(shù)1 sqnon 1 in對目標(biāo)函數(shù)進行求解，根據(jù)取得最小值時的參數(shù)取 值，來確定最優(yōu)的機器人DH參數(shù)。
[0035] 由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，通過建立標(biāo)定模型、推導(dǎo)誤差方程和最 小化目標(biāo)函數(shù)并求解，從而實現(xiàn)醫(yī)療機器人DH參數(shù)標(biāo)定;其不僅操作方法簡單且成本較低， 適合醫(yī)療機器人，同時，還可有效提高絕對定位精度。
【附圖說明】
[0036] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 附圖。
[0037] 圖1為本發(fā)明實施例提供的一種醫(yī)療機器人DH參數(shù)標(biāo)定方法的流程圖；
[0038] 圖2為本發(fā)明實施例提供的標(biāo)定前的誤差分布示意圖；
[0039] 圖3為本發(fā)明實施例提供的標(biāo)定后的誤差分布示意圖。
【具體實施方式】
[0040] 下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本 發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施 例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0041] 圖1為本發(fā)明實施例提供的一種醫(yī)療機器人DH參數(shù)標(biāo)定方法的流程圖。如圖1所 示，其主要包括如下步驟：
[0042] 步驟11、建立醫(yī)療機器人的運動學(xué)模型和相機的成像模型。
[0043] 1、醫(yī)療機器人的運動學(xué)模型。
[0044] 本發(fā)明實施例中，使用DH參數(shù)建模方法對醫(yī)療機器人建立運動學(xué)模型，最終建立 一 DH模型參數(shù)表。DH參數(shù)建模是一種通用的機器人建模方法，在每一個連桿上均建立坐標(biāo) 系。
[0045] 2、相機的成像模型。
[0046]相機的成像模型是基于小孔成像的模型，并加以非線性修正得到；其中，在標(biāo)定 時，以棋盤格標(biāo)定板作為相機的檢測物體，把標(biāo)定板所在的坐標(biāo)系作為世界坐標(biāo)系。
[0047] 在建立了醫(yī)療機器人的運動學(xué)模型和相機的成像模型后，可以得到兩個模型之間 的四個坐標(biāo)系：機器人坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系、相機坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系；這些模型和坐標(biāo)系 構(gòu)成了標(biāo)定系統(tǒng)，即是標(biāo)定模型。
[0048] 步驟12、基于醫(yī)療機器人的運動學(xué)模型與相機的成像模型確定的系統(tǒng)位置信息和 姿態(tài)?目息，來建立誤差方程。
[0049] 根據(jù)DH參數(shù)建模方法對機器人建立運動學(xué)模型，獲得矩陣與表達式：
[0052] 式中，c表示余弦函數(shù)，s'表示正弦函數(shù)，均為DH參數(shù)；
[0053]根據(jù)建立的醫(yī)療機器人的運動學(xué)模型和相機的成像模型，獲得下式：
[0055] 其中，°5Γ中包含了20個未知的DH參數(shù)，和已知的關(guān)節(jié)角增量；5εΓ是相機坐標(biāo)系和 工具坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；$是相機坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；，是機器人坐標(biāo)系和 世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；
[0056] 根據(jù)相機的成像模