当医疗机器人视觉跟踪方法误差标定概念

医疗机器人视觉跟踪方法 误差标定概念

摘 要：影像在疾病诊断和手术计划中占有重要地位+随着机器人技术的发展以及微创手术的广泛采用，影像与机器人构成一体+形成计算机集成外科手术系统。影像不仪是疚病诊断的重要丁其+4芭也对手术机器人进行企位、引导,对手术器械进行跟踪和控制。由手视觉和机器人具有各自的坐标系统，他们之间存在扯误差，当视觉空间控制机器人运动时，该误差会映射到机器人的轨迹上。在前期手术计划、机器人视觉控制、自动显微操作的研究成果基础上，研究计算机集成外科中的手术机器人轨迹精确控制问题。采用机器人在视觉空间的运动误差对视觉系统和机器人系统间的坐标系误差进行标定，从而精确控制机器人的轨迹。误差标定方法只需要让机器人走三个点就可以完成系统坐标标定由于主机开机需要自检。在实验中，利用视觉系统控制机器人运动，模仿微创手术中对机器人末端器械的导引，结果表明，采用递归标定方法可以将机器人的轨迹误差控制在2个像素范围内。

随着影像技术、计算机图形学技术、虚拟现实技术、机器人技术的发展，在外科手术中出现了一种新的手术模式——计算机集成外科手术系统。不同手传统的手术模式，计算机集成外科手术过程为：手术前利用影像(包括核磁共振成像、CT成像、X射线成像、超声成像)，借助手计算机图形学技术，在计算机中构造手术区域的三维虚拟模型，在该模型上完成外科手术计划。在手术过程中，借助手实时视觉系统对虚拟模型上产生的手术计划进行修正，对机器人末端的手术器械进行引导并完成手术，最后，利用影像技术评估手术结果。计算机集成外科概念提出者，霍普金斯大学的R．H．Taylor教授认为：在未来20年计算机集成外科对医学的影响，就像过去20年计算机集成制造对制造业的影响一样。

在计算机集成外科中，影像和视觉不仅用手诊断、计划，也用器人的定位、引导和控制。在内窥镜手术中，内窥镜支撑机器人必须控制内窥镜实时跟踪即便应力不再增加手术器械或者内窥镜对手术机器人进行视觉控制。在放射性粒了植入中，需要利用超声图像或核磁共振图像对植入针进行精确控制，从而将粒子正确植入肿瘤，最大限度杀死癌细还触及转弯、制动、悬架控制、底盘反馈和转向感觉胞。在脊椎和骨置换手术中，需要将销钉精确打入脊椎，利用视觉控制人工关节的打磨，使得人工关节的尺寸与置换关节的尺寸一致

当前，在视觉控制中，普遍采用基于图像的视觉跟踪方法。该方法利用特征点与图标点的距离差驱动机器人运动，通过在每个采样周期中对机器人运动方向的调整，消除机器人与视觉系统坐标间的误差，该方法图像处理量大，系统实时性差，机器人轨迹精度取决手视觉系统的采样频率，上述特点使得该跟踪方法并不适用手对医疗机器人的控制。

本文发展一种误差标定办法，该办法通过建立误差矩阵办程，然后利用视觉系统的闭环特性求取该矩阵，从而将系统各部分的位置误差调整到误差矩阵中。整个标定过程由软件自动完成，简单快捷。在该标定办法的基础上，可利用基于位置的视觉跟踪办法对机器人进行控制，使系统获得更好的实时性拉力机等高精密检测仪器和精度，满足医疗机器人图像处理的速度要求。

误差标定概念

将视觉系统安装在工作台上，机器人末端处手视觉系统视场内，当在视觉空问控制机器人运动时，机器人末端工具上特征与图标间形成偏差，该偏差是由视觉和机器人坐标系不平行造成的。